СПОСОБ ВВОДА ИНФОРМАЦИИ В ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 1998 года по МПК G06F3/33 G06K11/18 

Изобретение относится к компьютерной технике, робототехнике и может использоваться в интерактивных компьютерных играх для дистанционного ввода трехмерной информации в компьютер, а также для ввода информации в робот, манипулятор или иной управляемый объект.

Известен способ ввода информации в компьютер, который предусматривает взаимно-однозначное соответствие вводимой информации как с двумерными координатами мыши (ее положением на опорной плоскости), так и с положением особой кнопки, перемещаемой вертикально [1]
Недостатком известного технического решения является необходимость в опорной поверхности, ограничивающей возможность свободного перемещения оператора при вводе информации в управляемый объект. Кроме того, перемещение кнопки в вертикальном направлении ограничено высотой "мыши", что, в свою очередь, ограничивает точность ввода информации, определяемой вертикальной координатой. Известное техническое решение не предусматривает возможность ввода в объект управления информации, связанной с поворотом мыши вокруг своих осей.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому эффекту являются выбранные за прототип способ ввода информации в объект управления и устройство для его реализации [2]
При реализации известного способа:
осуществляют оптическое зондирование области расположения бесконтактной оптической мыши с закрепленными на ней оптическими излучателями;
получают действительное оптическое изображение зондируемого пространства, с проекциями на нем оптических излучателей;
изменяют пространственные координаты бесконтактной оптической мыши с закрепленными на ней оптическими излучателями;
по проекциям оптических излучателей на действительном оптическом изображении определяют текущие значения пространственных координат оптических излучателей и геометрического центра излучающей области бесконтактной оптической мыши;
вводят текущие значения пространственных координат геометрического центра излучающей области бесконтактной оптической мыши в качестве информации в объект управления.

Известное устройство ввода информации в объект управления содержит бесконтактную (т. е. перемещаемую в пространстве без контакта с опорной поверхностью) и беспроводную мышь с размещенным на ней рефлектором и стационарный приемопередающий блок, который включает источник зондирующего излучения, разнесенные в пространстве и имеющие волновую связь с рефлектором три канала формирования одномерных действительных изображений зондируемого пространства, микропроцессор, интерфейс связи микропроцессора с компьютером.

В известном устройстве в качестве вводимой информации используется только три параметра пространственные координаты контррефлектора, что ограничивает возможности применения бесконтактной мыши при вводе многомерной (характеризуемой числом параметров больше трех) информации, работе с "меню", "окнами", прецизионном управлении роботами и манипуляторами, игровым оружием в интерактивных компьютерных играх. В частности, данное техническое решение не позволяет ввести в объект управления информацию, связанную с поворотом мыши вокруг своих осей.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей бесконтактной оптической мыши путем увеличения числа каналов ввода информации (размерности мыши). При этом в качестве дополнительных каналов ввода информации предлагается использовать значения углов поворота бесконтактной оптической мыши вокруг трех координатных осей.

При осуществлении способа ввода информации в объект управления:
осуществляют оптическое зондирование области расположения бесконтактной оптической мыши с закрепленными на ней оптическими излучателями;
получают действительное оптическое изображение зондируемого пространства с проекциями на нем оптических излучателей;
изменяют пространственные координаты бесконтактной оптической мыши с закрепленными на ней оптическими излучателями;
по проекциям оптических излучателей на действительном оптическом изображении определяют текущие значения пространственных координат оптических излучателей и геометрического центра излучающей области бесконтактной оптической мыши;
вводят текущие значения пространственных координат геометрического центра излучающей области бесконтактной оптической мыши в качестве информации в объект управления.

В качестве объекта управления могут быть использованы компьютер, робот-манипулятор и т.п. устройства.

В отличие от прототипа при осуществлении способа:
действительное оптическое изображение зондируемого пространства получают двумерным;
оптические излучатели закрепляют на бесконтактной оптической мыши друг относительно друга таким образом, что они образуют пространственную геометрическую фигуру;
изменяют значения углов поворота бесконтактной оптической мыши относительно трех взаимно перпендикулярных пространственных осей, исходящих из геометрического центра ее излучающей области, и коллинеарных осям ортогональной системы координат;
по изменению параметров (конфигурации) взаимного расположения проекций оптических излучателей на плоском двумерном действительном изображении зондируемого пространства определяют текущие значения углов поворота бесконтактной оптической мыши;
вводят текущие значения углов поворота бесконтактной оптической мыши в качестве информации в объект управления.

Устройство ввода информации в объект управления включает бесконтактную оптическую мышь с закрепленными на ней оптическими излучателями и стационарный приемопередающий блок.

Стационарный приемопередающий блок содержит стационарный источник зондирующего излучения, оптическую сканирующую систему, микропроцессор и интерфейс связи микропроцессора с объектом управления.

Бесконтактная оптическая мышь имеет оптическую связь с оптически изолированными друг от друга входом сканирующей системы и стационарным источником зондирующего излучения, выход сканирующей системы электрически соединен с входом микропроцессора, выход микропроцессора с входом интерфейса, а выход интерфейса с входом объекта управления.

В отличии от прототипа оптические излучатели закреплены в виде круга на плоской панели, установленной на передней поверхности бесконтактной оптической мыши и на вершине поглощающего оптическое излучение стержня, расположенного в центре этого круга перпендикулярно его плоскости.

Оптическая сканирующая система может содержать объектив, плоскую двумерную матрицу оптических приемников и блок опроса.

Плоская двумерная матрица оптических приемников может быть выполнена в виде матрицы полупроводниковых приемников излучения на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС).

Оптические излучатели могут быть закреплены в виде круга с нарушенной аксиальной симметрией. Для нарушения аксиальной симметрии можно использовать как отсутствие какого-либо оптического излучателя на месте его возможной установки, так и установку на это место поглощающего оптическое излучение элемента.

Оптические излучатели могут быть вторичными (т.е. испускающими отраженное излучение) и выполненными в виде контррефлекторов, а стационарный источник зондирующего излучения должен быть в этом случае расположен в непосредственной близости от входа оптической сканирующей системы.

Оптические излучатели могут быть первичными инфракрасными, а бесконтактная оптическая мышь должна содержать последовательно электрически соединенные друг с другом приемник зондирующего излучения, генератор импульсов, усилитель мощности, при этом выход усилителя мощности электрически соединен с входами инфракрасных оптических излучателей.

Оптические излучатели, закрепленные на вершине поглощающего стержня могут быть первичными инфракрасными, а закрепленные на плоской панели в виде круга контррефлекторами, при этом бесконтактная оптическая мышь дополнительно должна содержать последовательно электрически соединенные кнопочный переключатель и модулятор управляющего сигнала, выход которого электрически соединен с вторым входом усилителя мощности, а стационарный приемопередающий блок должен содержать последовательно электрически соединенные приемник управляющего сигнала и демодулятор управляющего сигнала, при этом выход демодулятора управляющего сигнала должен быть электрически соединен с вторым входом микропроцессора.

В данной заявке под бесконтактной оптической мышью понимается оптическая мышь, при пространственном перемещении которой ввод данных, например, в компьютер осуществляется без необходимости контакта с какой-либо опорной поверхностью.

На фиг.1 изображена блок-схема устройства, реализующего способ ввода информации в объект управления (компьютер); на фиг. 2 блок-схема бесконтактной оптической мыши с инфракрасными оптическими излучателями; на фиг. 3 пример расположения оптических излучателей на круглой плоской панели и поглощающем стержне; на фиг.4 система координат, используемая при определении положения и ориентации в пространстве бесконтактной оптической мыши; на фиг. 5 получение по пространственным координатам оптических излучателей проекции пространственной геометрической фигуры на плоскость входного окна оптической сканирующей системы; на фиг. 6 выполнение бесконтактной оптической мыши в виде пистолета а) и рапиры б).

Способ ввода информации в объект управления может быть реализован с помощью устройства, блок-схема которого представлена на фиг. 1.

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, микропроцессор 6 и интерфейс 7 связи с компьютером 1.

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 8, плоскую двумерную матрицу оптических приемников 9, выполненную 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, а также блок опроса 10.

Стационарный источник зондирующего излучения 4 расположен в непосредственной близости от первого объектива 8.

Бесконтактная оптическая мышь 3 (фиг. 2, 3, 6), содержит корпус 11, на круглой плоской панели 12 которого закреплены оптические излучатели 13. Корпус 11 изготовлен таким образом, чтобы обеспечить удобство размещения бесконтактной оптической мыши 3 в руке оператора (например в виде пистолета). На круглой плоской панели 12 закреплен также поглощающий элемент 14. Оптические излучатели 13 и поглощающий элемент 14 расположены на бесконтактной оптической мыши 3 таким образом, что образуют круг с нарушенной аксиальной симметрией.

В центре этого круга перпендикулярно его плоскости расположен поглощающий оптическое излучение стержень 15, на вершине которого также закреплены оптические излучатели 13.

Оптические излучатели 13 (фиг. 3) могут быть вторичными и выполненными в виде контррефлекторов 13a (пассивная мышь) или первичными и выполненными в виде инфракрасных оптических излучателей 13b (активная мышь).

На фиг. 3 представлен вариант, когда оптические излучатели 13, закрепленные на вершине поглощающего стержня 15, являются первичными инфракрасными (13b), а закрепленные на круглой плоской панели 12 - контррефлекторами (13a).

На фиг. 2 представлена блок-схема активной бесконтактной оптической мыши 3, которая содержит инфракрасные оптические излучатели 13b, выполненные в виде матрицы светоизлучающих диодов, например, типа АЛ107Г, излучающих в инфракрасном диапазоне длин волн, а также последовательно электрически соединенные друг с другом приемник (типа ФД320) зондирующего излучения 16, генератор импульсов 17 и усилитель мощности 18, при этом выход усилителя мощности 18 электрически соединен с входами инфракрасных оптических излучателей 13b. Кроме того, бесконтактная оптическая мышь 3 содержит последовательно электрически соединенные кнопочный переключатель 19 и модулятор управляющего сигнала 20, выход которого электрически соединен с вторым входом усилителя мощности 18. Электропитание электрической схемы бесконтактной оптической мыши 3 осуществляется от стандартного миниатюрного аккумулятора или батарейки (не показано).

Стационарный приемопередающий блок 2 содержит второй объектив 21 и последовательно электрически соединенные приемник управляющего сигнала 22 и демодулятор управляющего сигнала 23, при этом выход демодулятора управляющего сигнала 23 электрически соединен с вторым входом микропроцессора 6.

Оптические излучатели 13 и вход оптической сканирующей системы 5 (фиг. 1) имеют между собой оптическую связь, выход оптической сканирующей системы 5 электрически соединен с входом микропроцессора 6, выход микропроцессора 6 электрически соединен с входом интерфейса 7, а выход интерфейса 7 электрически соединен с входом компьютера 1.

Стационарный приемопередающий блок 2 подключен к внешнему источнику питания (не показан).

При реализации способа устройство ввода информации в объект управления работает следующим образом.

Если бесконтактная оптическая мышь 3 выполнена пассивной, то в момент определения пространственных координат стационарный источник зондирующего излучения 4 испускает инфракрасное излучение в направлении бесконтактной мыши 3 и это излучение отражается от контррефлекторов 13a в сторону оптической сканирующей системы 5. Сформированное первым объективом 8 изображение контррефлекторов 13a проецируется на выполненный в виде чувствительной к инфракрасному излучению плоской двумерной матрице оптических приемников 9.

Если же бесконтактная мышь 3 выполнена активной, то излучение стационарного источника зондирующего излучения 4 принимается приемником зондирующего излучения 16 (фиг. 2). Сигнал от приемника зондирующего излучения 16, пройдя через генератор импульсов 17 и усилитель мощности 18, включает инфракрасные оптические излучатели 13b. Излучение от инфракрасных оптических излучателей 13b, сфокусированное первым объективом 8 оптической сканирующей системы 5, проецируется на плоскую двумерную матрицу оптических приемников 9 и далее работа устройства осуществляется аналогично работе устройства с пассивной бесконтактной оптической мышью 3.

Возможно включение инфракрасных оптических излучателей 13b и с помощью кнопочного переключателя 19, который исполняет роль левой клавиши обычной компьютерной "мыши" или клавиши "Enter" ("Ввод") на клавиатуре компьютера.

На плоской двумерной матрице оптических приемников 9 формируются изображения оптических излучателей 13 (фиг. 5). Сигналы с плоской двумерной матрицы 9 подаются на микропроцессор 6, выполненный, например, на основе микросхемы "Motorolla" DSP56002, который по координатам оптических излучателей 13 определяет пространственное положение бесконтактной оптической мыши 3 следующим образом:
по координатам первого (X₁, Y₁) и последнего (X₄, Y₄) из освещенных элементов плоской двумерной матрицы оптических приемников 9 (фиг. 5), сигнал от которых выше некоторой заданной пороговой величины, (т.е. по номерам их строк и столбцов) рассчитывает X- и Y-координаты геометрического центра O(X₀, Y₀) изображения круглой плоской панели 12 на основе формул
X₀=(X₁+X₄)/2 (1а)
Y₀=(Y₁+Y₄)/2; (1b)
определяет в каждой i-й строке плоской двумерной матрицы 9 координаты (X_i, Y_i) первого освещенного элемента и рассчитывает квадрат расстояния R2i

от этого элемента до геометрического центра изображения по формуле
R2i = (X_i- X_o)² + (Y_i- Y_o)²; (2)
определяет максимальное R2max значение R2i и присваивает значение
a = [R2max]^1/2,
где а длина большой полуоси эллипса, образованного проекцией круглой плоской панели 12 на плоскую двумерную матрицу 9;
используя известные значения фокусного расстояния F объектива 8 и радиуса R круглой плоской панели 12 по формуле
L=(F•R)/a, (3)
рассчитывает Z-координату, т.е. расстояние L от оптической сканирующей системы 5 до бесконтактной оптической мыши 3.

Три угла поворота ψ, ζ и ϕ вокруг соответственно осей X, Y и Z (фиг. 4) бесконтактной оптической мыши 3 находятся по следующему алгоритму:
определяются координаты (X₅, Y₅) (фиг. 5) поглощающего элемента 14, нарушающего аксиальную симметрию расположения оптических излучателей 13 на круглой плоской панели 12 и вычисляется угол поворота бесконтактной оптической мыши 3 вокруг оси Z по формуле
v = arctg[(Y₅- Y_o)/(X₅- X_o)], (4)
определяются координаты (X₆, Y₆) и (X₇), Y₇) концов проекции поглощающего стержня 15 (фиг. 5) и находится тот из концов, который примыкает к круглой плоской панели 12, исходя из критерия
ошибки определения координат X и Y;
рассчитывается угол поворота бесконтактной оптической мыши 3 вокруг координатной оси X по формуле

где H высота поглощающего стержня 14;
а h= Н•F/L высота его проекции в том случае, когда поглощающий стержень 15 расположен параллельно фокальной плоскости оптической сканирующей системы 5;
рассчитывается угол поворота бесконтактной мыши (фиг. 4) вокруг координатной оси Y по формуле

В ряде случаев, когда нет необходимости учитывать угол поворота бесконтактной оптической мыши 3 вокруг оси Z (фиг. 4), ее конструкция может быть упрощена за счет исключения поглощающего элемента 14, нарушающего аксиальную симметрию расположения оптических излучателей 13 и за счет соответствующего упрощения алгоритма расчета. Это может оказаться полезным при использовании бесконтактной оптической мыши 3 в качестве дистанционной указки в некоторых типах манипуляторов, а также в стереоскопических или объемных компьютерных играх, где подобная бесконтактная 5-мерная мышь могла бы имитировать пистолет, рапиру или иное оружие.

Примеры исполнения бесконтактной оптической мыши 3 в виде пистолета и рапиры приведены на фиг. 6.

Таким образом, из вышесказанного следует, что изобретение позволит ввести в объект управления информацию о пространственном положении используемой в качестве органа управления бесконтактной оптической мыши по всем шести степеням свободы.

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

Изобретение относится к компьютерной технике, робототехнике и может использоваться в интерактивных компьютерных играх для дистанционного ввода трехмерной информации в объект управления. При осуществлении способа ввода информации в объект управления проводят оптическое зондирование области расположения бесконтактной оптической мыши с закрепленными на ней оптическими излучателями; действительное оптическое изображение зондируемого пространства получают двумерным; по изменению параметров взаимного расположения проекций оптических излучателей на плоском двумерном действительном изображении зондируемого пространства определяют текущее значение углов поворота бесконтактной оптической мыши; вводят текущие значения углов поворота бесконтактной оптической мыши в качестве информации в объект управления. 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, микропроцессор и интерфейс связи микропроцессора с объектом управления. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ ввода информации в объект управления, при котором осуществляют оптическое зондирование области расположения бесконтактной оптической мыши с закрепленными на ней оптическими излучателями, получают действительное оптическое изображение зондируемого пространства с проекциями на нем оптических излучателей, изменяют пространственные координаты бесконтактной оптической мыши, по проекциям оптических излучателей на действительном оптическом изображении определяют текущие значения пространственных координат оптических излучателей и геометрического центра излучающей области бесконтактной оптической мыши, вводят текущие значения пространственных координат геометрического центра излучающей области бесконтактной оптической мыши в качестве информации в объект управления, отличающийся тем, что при осуществлении способа действительное оптическое изображение зондируемого пространства получают двумерным, оптические излучатели закрепляют на бесконтактной оптической мыши друг относительно друга таким образом, что они образуют пространственную геометрическую фигуру, изменяют значения углов поворота бесконтактной оптической мыши относительно трех взаимно перпендикулярных пространственных осей, исходящих из геометрического центра ее излучающей области и коллинеарных осям ортогональной системы координат, по изменению параметров взаимного расположения проекций оптических излучателей на плоском двумерном действительном изображении зондируемого пространства определяют текущие значения углов поворота бесконтактной оптической мыши, вводят текущие значения углов поворота бесконтактной оптической мыши в качестве информации в объект управления. 2. Устройство ввода информации в объект управления, включающее бесконтактную оптическую мышь с закрепленными на ней оптическими излучателями и стационарный приемопередающий блок, содержащий стационарный источник зондирующего излучения, оптическую сканирующую систему, микропроцессор и интерфейс связи микропроцессора с объектом управления, при этом бесконтактная оптическая мышь имеет оптическую связь с оптически изолированными друг от друга входом сканирующей системы и стационарным источником зондирующего излучения, выход сканирующей системы электрически соединен с входом микропроцессора, выход микропроцессора с входом интерфейса, а выход интерфейса с входом объекта управления, отличающееся тем, что оптические излучатели закреплены в виде круга на плоской панели, установленной на передней поверхности бесконтактной оптической мыши и на вершине поглощающего оптическое излучение стержня, расположенного в центре этого круга перпендикулярно его плоскости. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оптическая сканирующая система содержит объектив, плоскую двумерную матрицу оптических приемников и блок опроса. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что плоская двумерная матрица оптических приемников выполнена в виде матрицы полупроводниковых приемников излучения на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС). 5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оптические излучатели закреплены в виде круга с нарушенной аксиальной симметрией. 6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оптические излучатели являются вторичными и выполненными в виде контррефлекторов, а стационарный источник зондирующего излучения расположен в непосредственной близости от входа оптической сканирующей системы. 7. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оптические излучатели являются первичными инфракрасными, а бесконтактная оптическая мышь содержит последовательно электрически соединенные друг с другом приемник зондирующего излучения, генератор импульсов, усилитель мощности, при этом выход усилителя мощности электрически соединен с входами инфракрасных оптических излучателей. 8. Устройство по пп.6 и 7, отличающееся тем, что оптические излучатели, закрепленные на вершине поглощающего стержня, являются первичными инфракрасными, а закрепленные на плоской панели в виде круга - контррефлекторами, при этом бесконтактная оптическая мышь дополнительно содержит последовательно электрически соединенные кнопочный переключатель и модулятор управляющего сигнала, выход которого электрически соединен с вторым входом усилителя мощности, а стационарный приемопередающий блок содержит последовательно электрически соединенные приемник управляющего сигнала и демодулятор управляющего сигнала, при этом выход демодулятора управляющего сигнала электрически соединен с вторым входом микропроцессора.