Устройство для отображения графической информации на экране телевизионного индикатора Советский патент 1990 года по МПК G09G1/16 

СП

00

со

Изобретение относится к вычисли- - ;тельной технике, а именно к устройст- |вам отображения графической информа- 1ции, и может быть использовано в сие- темах отображения информации тренажеров для обучения управлению подвижны- |ми объектами, в игровых автоматах, системах автоматизированного контроля или управления, а также в устройст--; вах, в которых необходим синтез изображений проекций трехмерных объектов на плоскость, динамика которых заключается в неограниченном перемещении и повороте изображения в реальном времени на любой угол вокру любых из трех осей трехмерной системы координат и изменении масштаба при перемещении объекта вдоль оси зрения,

Цель изобретения - повышение точ- ности устройства.

На фиг,1 представлена структурная :хема предложенного устройства; на )иг.2 - схема блока вычисления коор- щнат; на фиг.З - схема функциональ- ftoro преобразователя.

Устройство содержит блок 1 синхронизации, цифроаналоговый преобразователь 2, блок 3 буферной памяти, блок 4 памяти, блок 5 сравнения, блоки 6-8 вьмисления координат, функциональный преобразователь 9, инфор- |мационный вход-выход 10 устройства. ; Блок 6 (7,8) вычисления координат Ьодержит коммутаторы 11-13, узлы 14- |1б памяти и сумматор 17. I Позицией 18 обозначен выход блока, la позициями 19 и 20-- управляющий {и информационный входы блока соответ- 1ственно.

Функциональный преобразователь 9 содержит коммутатор 21, память 22, двоичньй умножитель 23, счетчик 24,, дешифратор 25, счетчик 26, мульт1 п- лексор 27, триггер 28, элементы И 29 и 30, счетчик 31, управляющий вход 32, информационный вход 33, второй выход 34, первый выход 35 блока.

Блок 4 памяти представляет собой запоминающее устройство, организованное по типу 1D (одноадресная система) , в котором находится информация о поверхности отображаемого объекта, т.е. в каждом слове блока памяти записаны координаты отдельных точек поверхности объекта в пространстве и их код яркости. Поэтому объем блок 4 памяти зависит от размеров отобра

5

жаемого объекта и его сложностич. Блок памяти может быть организован из оперативных, постоянных и репрограммиру- емых запоминающих устройств, что определяется особенностями создания информационного обеспечения устройства отображения. Если отображаемый объект известен заранее проектировщику устройства и не изменяется в процессе его эксплуатации, то рекомендуется использование постоянной памяти. Если изображение меняется часто или неизвестно заранее перед эксплуатацией системы, то координаты точек можно рассчитать по уравнениям, описывающим объект, занести их во внешнюю память управляющей маршны, а затем перед сменой изображений переписать в блок памяти.

В устройстве формирование проекции трехмерного объекта на плоскость производится проецированием всех точек поверхности объекта на плоскость телевизионного растра, для чего координаты этих точек преобразуются в координаты телевизионного растра согласно следующей системе уравнений: X x cos( cosutz+ cosO( j-XgCOSO(,-Y cosO( 2-ZoCos 3 Xo; Y X cosfJ,+Y cosp2- -Z cos/33- (1)

-x;cos|3,-YoCOS 2-ZoCOsPs+Y(,; Z x cosj,+Y cosJ4+Z cosj -XpCosjj-Y COSJ -Z COSJJ+ZO, где вычисленные координаты X и Y определяют положение точки поверхности объекта на плоскости телевизионного растра, а координата Z - порядок ее видимости по отношению к оператору. Решение задачи преобразования координат в Лоб с применением универсальных средств вычислительной техники при условии отобразкения сложных динамических изображений в реальном времени приводит либо к использованию неприемлемо большого объема этих средств, либо к использованию вычислителей с колосальным быстродействием (порядка 100 млн.оп/с), В связи с этим в устройстве принят следукяций порядок преобразования координат точек поверхности объекта и получ ения его проекции на плоскость телевизионного растра.

В течение каждого цикла смены фаз движения ЭВМ производит частичное, решение системы уравнений (1), кото- оое заключается в вычислении членов,

не изменяющихся в процессе формирова- ния проекции объекта. По вьфабатывае мому триггером 28 сигналу ЭВМ вьщает; результаты этих вычислений на информационный вход-выход 10 устройства, В-функциональном преобразователе 9 эти данные через коммутатор 21 заносятся в память 22. Эти данные являются начальными условиями, необходимыми для преобразования координат точек поверхности объекта. Начальные условия хранятся в памяти 22 до следующего цикла смены фаз движения и состоят из девяти пар слов (cosoi,, -Xgcosty,,

COS()/2,-Y(|cOSOC2; СОЗ(Уз аС080{з+Хд J

cos/,,-XoCOsf3. J ,-YgCOS i2; cosAj,-ZgCos| j+Yg ; cosj , , ; cosj 2,-Y cosj ,,+Zo).

За основу функционального преобразователя 9 взят 1ЩФРОВОЙ интегратор, который предназначен для последовательного вычисления функций

x cosO(,-XoCose/y; Y cos(x 2 -Y cosC/2l

Z cosftf -ZoCOSt/i+Xo;

rl

10

мент времени продолжают находиться в состоянии логического куля. Так как дешифратор 25 построен на выделении состояния логического нуля, то на его выходе сформируется сигнал, котр- рый, поступая на входы двоичного умножителя 23 и счетчика 24, установит эти элементы в соответствие с начальными условиями, поступающими на их входы с выхода памяти 22. Конкретно в этот момент времени на входах умножителя 23 и счетчика 24 находятся значения cos с, и -X jCosof, соответст15 венно (начальные условия для вычисления первой функции), С приходом первого тактового импульса первый выход счетчика 26 выходит из состояния логического нуля и дешифратор 25 снимает сих нал установки начальных условий, разрешая работу умножителя 23, которьй управляет скоростью ин- тегрирования пропорционально тригонометрическим функциям (в конкретный

25 момент времени COSQ/,), а счетчики на20

X cos|3i-X| cos|,; Y cos -Yg ;/ 2 ) капливают результат интегрирования.

причем направление счета определяет знак тригонометрической функции, а начальной точкой отсчета являются начальные условия, занесенные в счетчик с выхода памяти 22 (в конкретный момент времени -X coscx.,) . Таким образом, синхронно с сигналом тактовой частоты на выходе счетчика 24 после--/

. Z cos,-Z cosp5- Yo;

X cosi,, j Y cosjj -YgCosj,;

Z cosjj-Zocosjij-i-Zo;

где X ,Y ,Z принимают значения dT 0 30 до max, причем величина последнего определяется размерами пространства, в котором записан объект отображения.

С началом каждого цикла смены фаз движения блок 1 синхронизации выраба- 35 Довательно формируются значения для

целых значений переменных х , Y .или Z , которые в это время формируются на первом выходе счетчика 26, Изменение переменных производится 40 линейно от О до п-го значения, последнее выбирается исходя из максимальных размеров отображаемого объекта и кратно степени 2, Вычисленные значения девяти функций буферизиру- 45 ются в девяти узлах оперативной памяти, расположенных в блоках 6-8 вычисления координат, которые заполняются последовательно, На втором выходе, счетчика 26 формируется номер 50 вычисляемой функции,.который является адресом начальных условий этой функции в памяти 22 и одновременно адресом одного из девяти узлов памяти, в который производится буферизация в 55 данньй момент времени. Выбор соответствующего узла оперативной памяти и запись в него вычисленных значений функций по адресам, соответствующим значениям переменных этих функций,

тывает сигнал , который поступает с его третьего выхода на управляющий вход функционального преобразователя 9, т,е, на входы счетчиков 26 и 31 и триггера 28, Этот сигнал переводит в состояние логическо1 0 нуля все выходы указанных счетчиков и в состояние ло1 ической единицы триггер 28, который сигналом, поступающим с его второго инверсного выхода на второй вход элемента И 30, запрещает прохождение сигнала тактовой частоты F на вход счетчика 31, Сигнал с первого выхода триггера 28 поступает через вход-выход 10 устройства в ЭВМ и запрещает ввод начальных условий. Этот же сих нал поступает на третий вход коммутатора 21 и второй вход элемента И 29, в результате чего коммутатор подключает ко входу памяти 22 второй выход счетчика 26, а элемент И 29 пропускает сигнал F на вход умножителя 23 и второй вход счетчика 26, все выходы которого в этот мо

мент времени продолжают находиться в состоянии логического куля. Так как дешифратор 25 построен на выделении состояния логического нуля, то на его выходе сформируется сигнал, котр- рый, поступая на входы двоичного умножителя 23 и счетчика 24, установит эти элементы в соответствие с начальными условиями, поступающими на их входы с выхода памяти 22. Конкретно в этот момент времени на входах умножителя 23 и счетчика 24 находятся значения cos с, и -X jCosof, соответственно (начальные условия для вычисления первой функции), С приходом первого тактового импульса первый выход счетчика 26 выходит из состояния логического нуля и дешифратор 25 снимает сих нал установки начальных условий, разрешая работу умножителя 23, которьй управляет скоростью ин- тегрирования пропорционально тригонометрическим функциям (в конкретный

момент времени COSQ/,), а счетчики на

капливают результат интегрирования.

причем направление счета определяет знак тригонометрической функции, а начальной точкой отсчета являются начальные условия, занесенные в счетчик с выхода памяти 22 (в конкретный момент времени -X coscx.,) . Таким образом, синхронно с сигналом тактовой частоты на выходе счетчика 24 после--/

Довательно формируются значения для

производится сигналом записи, который . коммутируется посредством мультиплек- I сора 27 на входе записи соответствую I щего узла. По окончании вычисления j требуемого количества значений одной I функции, на втором выходе счетчика 1 26 формируется номер следзпсицей, пос- .редством которого в памяти 22 выбираются другие начальные условия, а мультиплексор 27 выбирает следугаций узел, В этот момент времени дешифратор 25 отмечает нулевое состояние первого выхода счетчика 26 сигналом, который, поступая в умножитель 23 и счетчик 24, заносит новые ; начальные условия из памяти 22, и процесс вычисления и записи повторяется, Пос- ле вычисления и запи си последней девятой функции на втором выходе счет- чика 26 возникает десятый адрес, который, постзтая на первый вход . . мультиплексора 27, коммутирует сиг нал записи на его десятьй выход, с которого он поступает на второй вход триггера 28, переводя последний в, I состояние логического нуля, Сигнал логического нуля с прямого первого ; выхода триггера 28 поступает на вход элемейта И 29 ( запрещает прокож- дение сигнала F. на входы счетчика 26 и умножителя 23, тем самым останавливая их работу), на вход комму- I татора 21 (где переключает его на I прием начальных условий для формиро- i вания следунщей фазы движения изобра- 1 жения объекта) и в ЭВМ (сообщая таким I образом о готовности устройства к приему начальных условий). Сигнал логической единицы с второго инверс- ного выхода триггера 28 поступает со второго выхода функционального преобразователя 9 на управлякяцие входы коммутаторов 11-13 блоков 6-8, переводя их в режим приема координат поверхности объекта отображения, :пос- .тупагацих из блока 4 памяти. Этот сигнал поступает и на второй вход элемента И 30, который разрешает прохож- де1ше сигнала F на вход счетчика 31, Адресные сигналы, формируемые на выкодах счетчика 31, поступают д. первого выхода функционального преобразователя 9 на вход блока 4 памяти, в котором находится информация о ло- верхности объекта отображения, С этот го момента устройство переходит из режима предварительных вьиислений .функций в режим формирования проекции

отображаемого объекта. Итак, с первого выхода функционального преобразователя 9 на вход блока 4 памяти начали поступать адресные сигналы, которые представляют собой пилообразный код, жискретно изменяемьй во времени синхронно с сигналом тактовой частоты F,, Под действием адресных сигна-- лов за время формирования фазы движения проекции отображаемого объекта содержимое блока 4 памяти должно про- читаться полностью. По каждому адресу в блоке 4 памяти находится информация об одной точке поверхности отображаемого объекта, а именно: код цвета и яркости этой точки я коды ее ког

ординат X

и Z в трехмерной системе координат этого объекта. Код цвета и яркости точки поверхности объекта поступает на адресньй вход блока 3 буферной памяти, а коды координат на информационные входы 20 блоков 6-8, где происходит Их преобразование в координаты телевизионного растра. Рассмотрим на примере формирования проекции одной точки поверхности объекта отображения взаимодействие блоков устройства.

Допустим, что на вход блока 4 памяти, поступает адрес i точки поверх- ности объекта. В блок 3 поступают коды цвета и яркости этой точки; Pvj G; В/ и б;. Одновременно в каждьй из блоков 6-8 поступают коды координат той же точки X,Y. z, которые поступают на адресные входы первого, второго и третьего узлов памяти, соответственно По значению координат Х/У . и z . в соответствующих узлах выбираются значения функций, вычисленных на предварительном этапе функдаонального преобразователя 9, и складываются между собой в сумматоре 17, Так в блоке 6 из первого узла извлекается значение функции X cosOif,-XjCos(X|; из второго - значение функций Y cosiXj-Y cosoifiJ из третьего - значение функции Z -cosO -ZjcosB{j+X0, Значения этих функций суммируются в сумматоре17 и на выходе блока 6 формируется значение координаты Xj в системе координат телевизионного растра. Другими словами, блок 6 вычисляет выражение Х- x(coso, +Y/cosQ/ +Z coso/3-X cos«| -Yj coscf -ZjCosof,+Xg, которое является первым в системе , из трех уравнений (1). Аналогичным

..9, 161

образом в блоках 7 и 8 вычислянзтся выражения

Y XJcos,+Y, coS| 2+Z-cos,-X cos/3,- -YoCosfJ -Z cos/i +YoJ

. c.osj,+Y«cosJi+Zlcosj x,cosj2- ,-Zo,

которые являются вторым и третьим в системе уравнений (1) соответственно. Вычисленные координаты Xj и YJ с выходов соответственно блоков 6 и 7 поступают на адресные входы блока 3, а координата Zj- с выхода блока 8 - на информационньй вход блока 3 и на вход блока 5 сравнения, далее по поступившим координатам X j и Y - на адресные входы блока 3 происходит чтение ячейки памяти этого блока, а именно значения координаты Z|-h, записанной ранее. Если значение Z ,, преобразованной точки поверхности объекта меньше Z.,. (ранее записанной по этому же адресу), то это означает, что последняя находит- ся дальше от наблюдателя по линии взора и тогда блок 5 сравнения вьщает сигнал в блок 1 синхронизации на выработку сигнала записи кода цвета- я кости и значения координаты Z в блок 3 и происходит запись. Если значение Z j преобразованной точки поверхности объекта больше то это оз-начает, что последняя находится ближе к наблюдателю, и блок 5.сравнения не выдает сигнал в блок 1 синхронизации для вьгработки сигнала записи. Блок 5 вьщает сигнал.на запись в том случае, когда с выхода блока 3 поступает значение Z;:.{,, Ракное нулю так как это означает, что ранее в ячейку с таким образом с начала формирования текущей фазы движения объекта ни одна из точек его поверхности не была записана. В таком порядке происходит - запись и остальных точек поверхности объекта, причек запись производится в одну часть блока 3, другая же часть считывается в это время развертывающими функциями, синхронными с раз- верткой телевизионного растра, формируемыми блоком 1 синхронизациис В момент завершения считывания информации из одной части и завершения записи точек поверхности объекта в другую часть блока 3, его части меняются функциями, и процесс возобновляется. ри считывании фазы движения отобра- аемого объекта с выхода блока 3 на дин вход:цифроаналогового преобра- J5

578310

зователя 2 поступают коды цвета и яркости этого объекта, а на другой вход поступает смесь синхроимпульсов, в результате чего на выходе цифро- аналогового преобразователя 2, а следовательно, и выходе устройства формируется полный телевизионный сигнал изображения проекции динамическо- 10 го объекта, который можно подключить к любому цветному телевизионному индикатору для его отображения.

Таким образом, на экране цветного телевизионного индикатора формируется 15 изображение проекции трехмерного объекта на плоскость телевизионного растра. Воспроизводятся только видимые со стороны плоскости телевизионного растра части изображения поверх- 20 ности объекта При повороте системы координат объекта относительно системы координат растра происходит соот- ветствунлцее изменение внешнего вида этой проекции; аналогично вращению 25 самого объекта или его натурной модели перед объективом телекамеры. Причем, в устройстве обеспечивается значительное з величение точности отобра- лсения изображений проекций трехмерно- 30 го объекта на плоскость в реальном времени, так как точность зависит непосредственно от количества точек, которыми описывается поверхность отображаемого объекта, то для оценки точ- ,j ности отображения достаточно определить общее количество точек поверхно- .сти объекта, которое можно отобразить в реальном времени посредством известного и предлагаемого устройств, Вы- 0 берем в качестве примера объекта

отображения сферу, а конкретно - земную поверхность. Сфера имеет минимальную поверхность при максимальном объеме ее внутренне1 о пространства. 5 поэтому в известном устройстве при сканировании трехмерного пространства (в котором записана эта сфера) чество сканируемых лишних точек (не несущих информацию о поверхности 0 объекта) минимально.

-

Для того, чтобы определить размеры объекта отображения и количество точек его поверхности, необходимо опре- J5 делить динамические параметры устройства, т.е. Тц - цикл смены фаз движе- ,ния изображения, t - цикл формирования проекции отдельной точки трехмерного пространства.

При . 10-2 с и ti 1,15 tO- c :0бщее количество преобразованных то- ;чек равно

N

66

5,1-10

а количество точек, из которых сос- ;тоит поверхность объекта, равно I Nn А-Ю , j линейный размер объекта (диаметр сферы) равен

D 2R 114 точек.

Параметры сферы, изображение проекции которой сформирует устройство при таком же цикле смены фаз движения следующие: время, затраченное на предварительные вычисления, определяем по выражению

t рр 9-n-t4 0,5- с, х д 9 - количество вычисляемых функций; - максимальное значение переменной, ti, с - время вычисления значения функций для одной переменной, тогда время формирования проекции объекта I Т(,Тц-Спр 59,510-5 с. f Цикл формирования проекции отдель- ;ной точки трехмерного пространства it складывается из времени чтения ; координат из блока 4 памяти t,,, вре- ; мени чтения значений функций из узлов : памяти в блоках 6-8 , времени сложения результатов в сумматорах 17 tg., времени чтения содержимого блока 3 , времени сравнения в блоке 5 сравнения t, и времени записи в блок ;3 t3n.

I Учитывая современную элементную Г базу, эти параметры будут следующими I Тчтп Тчго5ч ,3-10-8 с;

Т2 7 10-8с; ., Тогда общее количество точек поверхности объекта, которое может спроецировать устройство в реальном времени, равно

N

ОБ tu

,5:10:1 с 29,75.10,

2

отсюда легко найти его линейный размер (диаметр сферы)

29,75- „,, точек,

что составит 3/5 всего экрана.

При том же цикле смены фаз движения возможно сформировать изображение проекции объекта, поверхность которого состоит из 4-10 точек, при его линейных размерах в 114 точек, что

составит 1/5 всего экрана при той же дискретизации телевизионного растра 512x512 точек. Если сравнивать точность отображения объекта по общему количеству точек, описывающих его поверхность, то точность отображения предлагаемого устройства в 7,4 раза выше известного, причем оба устройства имеют приблизительно одинаковые аппаратурные затраты.

Формула изобретения

1. Устройство для отображения гра- ф1 ческой информации на экране телевизионного индикатора, содержащее блок синхронизации, первый выход которого соединен с синхровходом блока буферной памяти, выход которого соединен с информационным входом дифроаналого- вого преобразователя, синхровход которого соединен с вторым выходом блока синхронизации, а выход является

выходом устройства для подключения к телевизионному индикатору, блок сравнения, выход KOTopoi o подключен к входу блока синхронизации, блок памяти и блоки вычисления координат,

первый выход блока памяти соединен с управляющим входом блока буферной памяти, отличающееся тем, что, с целью повышения точности устройства, оно содержит функциональный

преобразователь, информационный вход которого является информационным входом-вьЕходом устройства, первый выход соединен с адресным входом блока памяти, а второй выход - с управляющими входами блоков вычисления

координат, информационные входы которых подк-шочены к выходу блока па- шти, выходы первого и второго блоков вычисления координат подключены к

первому и второму адресным входам блока буферной памяти, информацион- ньй вход которого подключен к выходу третьего блока вычисления координат, соединенному с первьм входом блока

сравнения, второй вход которого соединен с вторым выходом блока буферной памяти, третий выход блока синхронизации соединен с управляющим входом функционального преобразователя.

2. Устройство по п,1, отличающееся тем, что блок вычисления координат содержит три KONwy- татора, первые входы которых являются управляющим входом блока, а вторые

1615783 -14

входы - информационным входом блокаГ выходы которых подключены к входам выходы коммутаторов соединены с вхо- сумматора, выход которого является дами соответствующих узлов памяти, выходом блока.

Изобретение относится к вычислительной технике, а именно к устройствам отображения графической информации, и может быть использовано в системах отображения информации тренажеров для обучения управлению подвижными объектами, в игровых автоматах, системах автоматизированного контроля или управления, а также у устройствах, в которых необходим синтез изображений проекций трехмерных объектов на плоскость, динамика которых заключается в неограниченном перемещении и повороте изображения в реальном времени на любой угол вокруг любых из трех осей трехмерной системы координат и изменении масштаба при перемещении объекта вдоль оси времени. Цель изобретения - повышение точности устройства, которая достигается введением функционального преобразователя 9 и соответствующих функциональных связей, а также выполнением блоков 6,7 и 8 вычисления координат, что позволяет изменить порядок формирования проекции трехмерного объекта, путем преобразования координат большего количества точек поверхности этого объекта, который представляется с большей степенью детальности, что повышает точность его отображения, 1 з.п. ф.3 ил.