УСТРОЙСТВО ВВОДА ИНФОРМАЦИИ В ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G06F3/33 

Изобретение относится к области автоматики, компьютерной техники, телевидения и может использовать в робототехнике, телемеханике, объемных и стереоскопических телевизорах, интерактивных компьютерных играх для дистанционного ввода двумерной или трехмерной информации в компьютер, робот, манипулятор, телевизор или иной управляемый объект.

Известно устройство ввода информации в компьютер, выполненное в виде механической трехмерной мыши [1] Ввод информации основан на ее взаимно однозначном соответствии как с двумерными координатами мыши (ее положением на плоскости), так и с положением особой кнопки, перемещаемой вертикально.

Недостатком известного технического решения является то, что перемещение кнопки в вертикальном направлении ограничено высотой мыши, что в свою очередь ограничивает точность ввода информации, определяемой вертикальной координатой.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является принимаемое за прототип устройство ввода информации в управляемый объект, реализованное для получения объемного изображения [2] Работа устройства основана на обнаружении в пространстве и последующем определении по состоянию сканирующей системы в момент обнаружения пространственных координат геометрического центра излучающей панели (в прототипе ее функции выполняют два контррефлектора) в плоскости XY, параллельной входному окну оптической сканирующей системы, причем Z-координата (расстояние до упомянутой плоскости) определяется по величине параллакса при визировании крайних точек упомянутой излучающей панели (в прототипе каждого из контррефлекторов). Работа устройства отличается высокой точностью при определении X- и Y-координат, а также приемлемой точностью определения Z-координаты в том случае, когда ось, соединяющая контррефлекторы, направлена нормально линии, проведенной от объектива оптической сканирующей системы к центру упомянутой оси. Если же упомянутая ось ориентирована в пространстве произвольно, то ошибка определения расстояния до излучающей панели пропорциональна косинусу угла между осью, соединяющей контррефлекторы, и нормалью к линии, проведенной от объектива оптической сканирующей системы к центру упомянутой оси.

Целью изобретения является уменьшение погрешности ввода информации в объект управления путем повышения точности определения координаты дальности бесконтактной оптической мыши.

Другой целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства ввода информации.

Сущность изобретения.

Устройство ввода информации в объект управления включает бесконтактную оптическую мышь с закрепленными на ней оптическими излучателями и стационарный приемопередающий блок, содержащий стационарный источник зондирующего излучения, оптическую сканирующую систему, процессор сигналов и интерфейс связи процессора сигналов с объектом управления.

Бесконтактная оптическая мышь имеет оптическую связь с оптически изолированными друг от друга входом оптической сканирующей системы и стационарным источником зондирующего излучения. Выход оптической сканирующей системы электрически соединен с первым входом процессора сигналов, второй вход-выход процессора сигналов с первым входом-выходом интерфейса, а второй вход-выход интерфейса с входом-выходом объекта управления.

В отличие от прототипа бесконтактная оптическая мышь содержит опору со сферической поверхностью, при этом оптические излучатели закреплены на сферической поверхности опоры, образуя сферическую излучающую область.

Устройство может быть снабжено дополнительными оптическими излучателями, расположенными на корпусе бесконтактной оптической мыши таким образом, что их проекции и проекции оптических излучателей на фронтальную плоскость бесконтактной оптической мыши не перекрывают друг друга.

Корпус бесконтактной оптической мыши может быть выполнен в виде пистолета, при этом опора соединена с передней частью ствола, а дополнительные оптические излучатели закреплены на стволе в плоскости, перпендикулярной его продольной оси.

Оптические излучатели и дополнительные оптические излучатели могут быть выполнены как вторичные излучатели, т.е. не являясь собственно источниками излучения, могут испускать только отраженное излучение. В частности, они могут быть выполнены в виде обратных отражателей (контррефлекторов).

Дополнительные оптические излучатели могут быть выполнены первичными.

Бесконтактная оптическая мышь может содержать последовательно электрически соединенные друг с другом приемник зондирующего излучения, генератор импульсов и усилитель мощности, при этом выход усилителя мощности электрически соединен с входами дополнительных оптических излучателей.

Бесконтактная оптическая мышь может содержать последовательно электрически соединенные кнопочный переключатель и модулятор командного сигнала, выход которого электрически соединен с вторым входом усилителя мощности, при этом стационарный приемопередающий блок содержит последовательно электрически соединенные приемник командного сигнала и демодулятор командного сигнала, при этом выход демодулятора командного сигнала электрически соединен с третьим входом процессора сигналов.

Сканирующая система может быть выполнена в виде оптико-механической сканирующей системы.

Для уменьшения габаритов приемопередающего блока сканирующая система может быть выполнена
на основе передающей телевизионной трубки, чувствительной в инфракрасном диапазоне длин волн,
в виде матрицы полупроводниковых приемников излучения,
в виде матрицы полупроводниковых приемников излучения на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС).

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства ввода информации в объект управления (компьютер); на фиг.2 изображена блок-схема блока формирования командного сигнала; на фиг.3 изображена бесконтактная оптическая мышь в двух прямоугольных проекциях; на фиг. 4 изображен вариант выполнения опоры со сферической поверхностью; на фиг.5 изображена система координат, используемая при определении положения и ориентации в пространстве бесконтактной оптической мыши; на фиг. 6 изображена иллюстрация получения проекций контррефлекторов и дополнительных контррефлекторов на плоскую двумерную матрицу оптических приемников при произвольном повороте корпуса бесконтактной оптической мыши вокруг осей X¹ Y¹, Z¹.

Пример осуществления изобретения.

Устройство ввода информации в объект управления, например в компьютер, 1 состоит из стационарного приемопередающего блока 2 и бесконтактной оптической мыши 3.

Стационарный приемопередающий блок 2 содержит стационарный источник зондирующего излучения 4, оптическую сканирующую систему 5, блок приема и обработки командного сигнала 6, процессор сигналов 7 и интерфейс 8 связи с компьютером 1. Процессор сигналов 7 может быть выполнен, например, на основе микросхемы "Motorolla" DSP56002. Стационарный источник зондирующего излучения 4 может быть выполнен на основе светоизлучающего диода, например светодиода АЛ107Г, излучающего в инфракрасной области спектра.

Оптическая сканирующая система 5 содержит первый объектив 9, плоскую двумерную матрицу оптических приемников 10, а также блок опроса 11. Плоская двумерная матрица оптических приемников 10 выполнена в виде матрицы полупроводниковых приемников излучения на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС), например, марки А-1157 с числом элементов по горизонтали и вертикали соответственно 500 и 582 и размерами элемента 17х11 мкм.

Стационарный источник зондирующего излучения 4 расположен в непосредственной близости от первого объектива 9.

Блок приема и обработки командного сигнала 6 содержит второй объектив 12 и последовательно электрически соединенные фотоприемник 13 и декодер 14, при этом выход декодера 14 электрически соединен с третьим входом процессора сигналов 7.

Бесконтактная оптическая мышь 3 содержит корпус 15 и жестко соединенную с корпусом 15 опору 16 со сферической поверхностью.

Корпус 15 изготовлен таким образом, чтобы обеспечить удобство размещения бесконтактной оптической мыши 3 в руке оператора (например, в виде пистолета).

Опора 16 может быть выполнена в виде шара (фиг.3) или сферического сегмента (фиг.4).

На опоре 16, образуя сферическую излучающую область, закреплены оптические излучатели.

Бесконтактная оптическая мышь 3 содержит также дополнительные оптические излучатели.

Оптические излучатели и дополнительные оптические излучатели могут быть вторичными и выполненными в виде обратных отражателей (пассивная мышь) или первичными и выполненными в виде инфракрасных оптических излучателей (активная мышь).

В примере конкретного выполнения изобретения представлен вариант, когда оптические излучатели выполнены в виде обратных отражателей 17, а дополнительные оптические излучатели выполнены в виде источников инфракрасного излучения 18. Источники инфракрасного излучения 18 закреплены на левой 19 и правой 20 планках.

Левая 19 и правая 20 планки могут быть закреплены на хомуте 21, надетом на ствол пистолета (корпус 15) и расположенном на определенном расстоянии от центра опоры 16 (фиг.3). Хомут 21 выполнен с возможностью регулировки его положения на корпусе 15.

Левая 19 и правая 20 планки могут быть также закреплены непосредственно на опоре 16 (фиг.4).

Для подачи команд бесконтактная оптическая мышь 3 содержит блок формирования командного и ответного сигналов 22, включающий последовательно электрически соединенные кнопочный переключатель 23, кодер 24, усилитель мощности 25, при этом выход усилителя мощности 25 электрически соединен с входами источников инфракрасного излучения 18.

Для осуществления работы источников инфракрасного излучения 18 в режиме зондирования бесконтактная оптическая мышь 3 содержит последовательно электрически соединенные друг с другом приемник зондирующего излучения 26 и генератор импульсов 27, при этом выход генератора импульсов 27 электрически соединен с входом усилителя мощности 25.

Электропитание электрической схемы бесконтактной оптической мыши 3 осуществляется от стандартного миниатюрного аккумулятора или батарейки (на фигурах не показано).

Обратные отражатели 17 и источники инфракрасного излучения 18 имеют с первым объективом 9 оптическую связь, выход оптической сканирующей системы 5 электрически соединен с первым входом процессора сигналов 7, второй вход-выход процессора сигналов 7 электрически соединен с первым входом-выходом интерфейса 8, а второй вход-выход интерфейса 8 электрически соединен с входом-выходом компьютера 1.

Стационарный приемопередающий блок 2 подключен к внешнему источнику питания (на фигурах не показано).

Устройство ввода информации в объект управления работает следующим образом.

В процессе осуществления ввода информации в компьютер 1 оператор (на фигурах не показан), воздействуя на ту или иную кнопку 23а кнопочного переключателя 23 блока формирования командного и ответного сигналов 22, с помощью кодера 24 задает тот или иной код сигнальной посылки для источников инфракрасного излучения 18.

Распространяясь в широком телесном угле, кодированный командный сигнал попадает через второй объектив 12 на фотоприемник 13. Превратившись в фотоприемнике 13 из оптической формы в электрическую, командный сигнал поступает на декодер 14. С декодера 14 декодированный командный сигнал поступает в процессор сигналов 7, который и устанавливает тот или иной характер управляющего воздействия.

Управляющие воздействия могут, например, обеспечивать
задание режима клавиши "Enter" ("Ввод") на клавиатуре компьютера 1,
задание режима выделения некоторого объема (фрагмента) из трехмерного изображения,
задание режима пространственного перемещения курсора или выбранного фрагмента изображения по трем координатам,
задание режима изменения скорости движения выделенного фрагмента изображения вдоль по любой из координат или в произвольном направлении,
задание режима вращения выделенного фрагмента изображения вокруг любой из трех осей или их комбинации,
задание режима изменения масштаба изображения или его фрагмента независимо по каждой из координат,
задание режима изменения яркости и цвета изображения или его фрагмента,
задание режима изменения силы звука и тембра звукового сопровождения, а также осуществлять другие управляющие воздействия.

Степень воздействия (например, направление и величина смещения, направление вращения и величина угла поворота, величина масштаба по каждой из координат, степень насыщенности по каждой из трех цветовых компонент и т.д.) определяют по векторной величине разности пространственных координат обратных отражателей 17 и инфракрасных оптических излучателей 18 в момент приема командного сигнала и в текущий момент.

Для определения пространственных координат обратных отражателей 17 и источников инфракрасного излучения 18 производят оптическое зондирование области предполагаемого нахождения бесконтактной оптической мыши 3.

В процессе зондирования стационарный источник зондирующего излучения 4 испускает инфракрасное излучение в направлении бесконтактной оптической мыши 3. Это излучение принимается обратными отражателями 17 и приемником зондирующего излучения 26 бесконтактной оптической мыши 3. От обратных отражателей 17 это излучение отражается в сторону источника зондирующего излучения 4, а поскольку он расположен в непосредственной близости от первого объектива 9, то отраженный сигнал попадает также и в объектив 9. Сигнал с приемника зондирующего излучения 26 поступает на вход генератора импульсов 27, ответный импульс с которого, пройдя через усилитель 25, активизирует источники инфракрасного излучения 18, которые посылают в сторону оптической сканирующей системы 5 ответный сигнал, отличающийся по своим характеристикам от сигнала, вырабатываемого этими источниками инфракрасного излучения 18 при подаче той или иной команды.

Сформированное первым объективом 9 изображение обратных отражателей 17 и источников инфракрасного излучения 18 проецируется на плоскую двумерную матрицу оптических приемников 10.

Сигналы, полученные с плоской двумерной матрицы 10, блоком опроса 11 подаются на процессор сигналов 7, который по координатам обратных отражателей 17 и источников инфракрасного излучения 18 определяет пространственное положение бесконтактной оптической мыши 3 следующим образом:
по координатам верхнего Q (X_q, Y_q) и нижнего W(X_w, Y_w) из освещенных элементов плоской двумерной матрицы оптических приемников 10 (фиг.5), сигнал от которых выше некоторой заданной пороговой величины, (т.е. по номерам их строк и столбцов) рассчитывает X- и Y-координаты проекции геометрического центра R(X_r, Y_r) цилиндрической панели 16, которые являются также X- и Y-координатами (X_m и Y_m) бесконтактной оптической мыши 3, на основе формул
X_r=X_m=(X_q + X_w)/2, (1а)
Y_r=Y_m=(Y_q + Y_w)/2, (1б)
используя известные значения фокусного расстояния F первого объектива 9, диаметр D пятна ИК-излучения на опоре 16, разность M Y_q Y_w, по формуле
L=(F•D)/M
рассчитывает Z-координату, т.е. расстояние L от оптической сканирующей системы 5 до бесконтактной оптической мыши 3.

Поскольку при любом угле поворота корпуса 15 вокруг какой-либо из осей X¹, Y¹, Z¹ диаметр D пятна ИК-излучения на опоре 16 не изменяется, то величина M не будет зависеть от величины угла поворота, что и позволит уменьшить погрешность при определении координаты дальности.

Функциональные возможности устройства позволяют не только определить пространственные координаты бесконтактной оптической мыши 3, но и углы поворота α, β и γ вокруг соответственно осей X¹, Y¹ и Z¹ (фиг.5, 6). Углы поворота a, β и γ бесконтактной оптической мыши 3 находятся следующим образом:
определяются координаты (X_s, Y_s) и (X_t, Y_t) проекций источников инфракрасного излучения 22 на плоской двумерной матрице оптических приемников 10 (фиг.6),
вычисляется угол поворота g (фиг.5, 6) бесконтактной оптической мыши 3 вокруг оси Z¹ по формуле
garctg[(Y_t-Y_s)/(X_t-X_s)] (3)
рассчитывается угол поворота a (фиг.5, 6) бесконтактной оптической мыши 3 вокруг горизонтальной координатной оси X¹ по формуле:
aK₁•(Y_t + Y_s Y_q Y_w)/2, (4)
где K₁ коэффициент пропорциональности,
рассчитывается угол поворота b (фиг.5, 6) бесконтактной оптической мыши 3 вокруг вертикальной координатной оси Y¹ по формуле
bK₂•((X_t + X_s X_q X_w)/2, (5)
где K₂ коэффициент пропорциональности.

Значения углов поворота a, β и γ бесконтактной оптической мыши 3 в качестве информации подаются на вход компьютера 1.

Таким образом, из вышесказанного следует, что данное изобретение позволит уменьшить погрешность ввода информации в объект управления путем повышения точности определения координаты дальности бесконтактной оптической мыши, а также расширить функциональные возможности устройства путем обеспечения возможности ввода в объект управления информации о пространственном положении бесконтактной оптической мыши по всем ее шести степеням свободы.

Следует иметь в виду, что форма выполнения изобретения, описанная выше и показанная на фигурах, представляет собой только возможный предпочтительный вариант его осуществления. Могут быть использованы различные вариации выполнения изобретения в отношении исполнения отдельных его узлов и последовательности проведения вычислений.

Источники информации.

1. ЕП N 0403782, кл. G 06K 11/18, G 06F 3/033, G 06K 11/06, опубл. 27.12.90.

2. Заявка на изобретение N 4944631/09 от 25.06.1991, кл. H 04N 13/04.

Изобретение относится к области автоматики, компьютерной техники, телевидения и может использоваться в робототехнике, телемеханике, объемных и стереоскопических телевизорах, интерактивных компьютерных играх для дистанционного ввода двумерной или трехмерной информации в компьютер, робот, манипулятор, телевизор или иной управляемый объект. Использование изобретения позволяет уменьшить погрешность ввода информации за счет повышения точности определения координат линий. Устройство ввода информации в объект управления включает бесконтактную оптическую мышь 3 с закрепленными на ней оптическими излучателями и стационарный приемопередающий блок 2, содержащий стационарный источник 4 зондирующего излучения, оптическую сканирующую систему 5, процессор 7 сигналов и интерфейс для связи процессора сигналов с объектом управления. Бесконтактная оптическая мышь содержит опору со сферической поверхностью, при этом оптические излучатели закреплены на сферической поверхности опоры, образуя сферическую излучающую область. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство ввода информации в объект управления, включающее бесконтактную оптическую мышь с закрепленным на ней оптическим излучателем и стационарный приемопередающий блок, содержащий оптическую сканирующую систему, процессор сигналов и интерфейс для связи процессора сигналов с объектом управления, при этом бесконтактная оптическая мышь имеет оптическую связь с входом оптической сканирующей системы, выход которой электрически соединен с первым входом процессора сигналов, второй вход-выход процессора сигналов с первым входом-выходом интерфейса, а второй вход-выход интерфейса с входом-выходом объекта управления, отличающееся тем, что бесконтактная оптическая мышь содержит опору, более одного оптического излучателя, закрепленных на опоре, которые образуют сферическую излучающую область. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительными оптическими излучателями, расположенными на бесконтактной оптической мыши таким образом, что их проекции и проекции оптических излучателей на фронтальную плоскость бесконтактной оптической мыши не перекрывают друг друга. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что бесконтактная оптическая мышь содержит выполненный в виде пистолета корпус, при этом опора соединена с передней частью ствола, а дополнительные оптически излучатели закреплены на стволе в плоскости, перпендикулярной его продольной оси. 4. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что оптические излучатели и дополнительные оптические излучатели выполнены вторичными, а стационарный приемопередающий блок содержит стационарный источник зондирующего излучения, оптически изолированный от входа сканирующей системы и имеющий оптическую связь с бесконтактной оптической мышью. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что оптические излучатели и дополнительные оптические излучатели выполнены в виде обратных отражателей. 6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что дополнительные оптические излучатели выполнены первичными. 7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что бесконтактная оптическая мышь содержит последовательно электрически соединенные друг с другом приемник зондирующего излучения, генератор импульсов и усилитель мощности, при этом выход усилителя мощности электрически соединен с входами дополнительных оптических излучателей. 8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что бесконтактная оптическая мышь содержит последовательно электрически соединенные кнопочный переключатель и модулятор командного сигнала, выход которого электрически соединен с вторым входом усилителя мощности, а стационарный приемопередающий блок содержит последовательно электрически соединенные приемник командного сигнала и демодулятор командного сигнала, при этом выход демодулятора командного сигнала электрически соединен с третьим входом процессора сигналов.