Brevet FR2557997A1 — publié le 19850712

DISPOSITIF INTERACTIF D'AFFICHAGE COMPRENANT UN ECRAN A BALAYAGE. L'invention concerne un dispositif interactif d'affichage comportant un écran à balayage. Le tube cathodique à balayage de type télévision est, de très loin, l'interface de sortie la plus utilisée entre un ordinateur et son utilisateur. L'interface d'entrée correspondant est par exemple un clavier de type "machine à écrire". Il existe aussi un certain nombre de moyens permettant à l'opérateur de pointer un endroit spécifique de écran cathodique, en réponse à une question ou pour indiquer un choix sur un menu par exemple, le plus connu est le photostyle ou "light-pen", où un stylet tenu par l'opérateur, contenant une optique et un photodétecteur et relié par l'intermédiaire d'une électronique appropriée à l'ordinateur, indique à celui-ci l'endroit de l'écran où il est pointé par la phase relative d'un top correspondant au passage du spot lumineux qu'il détecte par rapport à la séquence de balayage. C'est le système le plus performant car il est excessivement simple et permet une excellente résolution (par exemple 104 points).Il présente cependant l'inconvénient de nécessiter la manipulation d'un objet, et apporte une certaine fragilité au système à cause du lien électrique souple qui le relie au terminal. Deux classes de procédés permettant à l'opérateur de pointer directement une position sur l'écran avec le doigt ont été proposées pour pallier cet inconvénient: Dans la première catégorie, c'est la pression du doigt, sur une plaque transparente, intercalée entre l'écran et l'observateur, qui est détectée, soit par conduction, soit la variation de l'impédance acoustique que présente le point touché. Dans la seconde catégorie, c'est la position du doigt qui interrompt au moins deux faisceaux lumineux croisés, qui est détectée. Ces systèmes ont en commun une relativement mauvaise résolution, une fiabilité assez basse, en particulier pour un opérateur non informé du procédé employé, et une électronique comportant un nombre élevé de composants. Leur prix est actuellement relativement élevé. Un dispositif de l'art antérieur permet de pallier ces inconvénients en utilisant un guide d'onde d'un matériau transparent placée à proximité de l'écran cathodique, un photodétecteur étant positionné sur la tranche de cette plaque. La principale difficulté concernant le traitement du signal issu de ce détecteur est celle d'obtenir un dispositif insensible au bruit optique et électrique. L'invention concerne un tel dispositif autonome de traitement du signal issu de ce photodétecteur qui est insensible au bruit optique et électrique même lorsque le guide d'onde utilisé est relativement imparfait. Il peut être réalisé grâce à un nombre restreint de composants bon marché. De plus, la détection se fait indépendamment des conditions d'utilisation de l'écran cathodique utilisé. L'invention a pour objet un dispositif interactif d'affichage comportant un écran à balayage, des moyens de détection du pointage d'au moins une position spécifique de cet écran délivrant un signal composite S(t) relatif à cette position, ce signal composite étant un signal de type vidéo comportant des tops de synchronisation lignes et des tops de retour trame à un premier niveau de tension, et un signal d'information compris entre ces tops lignes pouvant prendre des valeurs instantanées d'amplitude élevée lors de ce pointage, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de filtrage passe-haut pour transmettre sur une sortie la composante de ce signal de fréquences supérieures à une fréquence déterminée, des moyens d'atténuation par un coefficient prédéterminé de cette composante, et des moyens de détection et de mémorisation de la valeur du premier niveau de tension de cette composante, des moyens d'inversion de cette valeur détectée par rapport à une valeur référence, ces moyens d'inversion comportant une sortie, un comparateur à deux entrées dont l'une est reliée à la sortie de ces moyens d'atténuation et l'autre à la sortie de ces moyens d'inversion, ce comparateur délivrant une impulsion synchrone avec les valeurs instantanées d'amplitude élevées présentes lors de ce pointage, des moyens de traitement du signal issu de comparateur permettant de déterminer cette position spécifique de cet écran. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront dans la description ci-après, en référence aux figures annexées où: - les figures 1 et 2 représentent deux vues en coupe d'un dispositif de l'art antérieur. - les figures 3 et 4 représentent différentes courbes explicatives du fonctionnement du dispositif de l'invention. - les figure 5 à 7, illustrent différents aspects du dispositif de l'invention. - la figure 8 représente le dispositif de l'invention. - les figures 9 à 12 illustrent différents aspects du dispositif de l'invention. Comme représenté à la figure 1, si une plaque 2 de matériau transparent, d'indice évidemment supérieur à celui de l'air qui l'entoure# est placée à proximité d'un écran cathodique I, la lumière issue, à un instant donné et dans une direction donnée, du spot lumineux 3 de balayage traverse cette plaque 2 sans altération notable.Une légère perte par réflexion de Fresnel se produit lors du passage du premier interface (air-matière), une réfraction rapproche le rayon 30 considéré de la normale à la surface au point de traversée, une seconde réflexion de Fresnel d'importance similaire (inférieure à 5 % pour la plupart des matériaux) caractérise le passage du second interface (matière-air), et à réfraction éloigne à nouveau le rayon 30 de la normale, le ramenant, Si la plaque présente des faces localement parallèles, parallèle à sa direction d'origine. La fraction de rayonnement réfléchie lors du passage du second interface va se propager au sein de la plaque par réflexions successives mais, l'angle demeurant constant (toujours dans l'hypothèse de faces parallèles) va se trouver très rapidement atténué car seul le vingtième environ de la lumière est conservé à chaque réflexion. Il en va de même de la lumière du spot cathodique réfléchie par un objet (spéculaire ou diffusant) situé proche de l'écran, ainsi que de toute lumière issue d'une source -extérieure. Aucune lumière, à l'exception d'un bruit de fond peu important, n'atteint donc la tranche de la plaque transparente si celle-ci est protégée par un cadre opaque. On suppose maintenant qu'un objet 4 présentant une réflexion diffuse non nulle et d'un indice supérieur à celui de l'air qui l'entoure, par exemple un doigt, soit placé en contact 5 optique local avec un point P de la plaque transparente. Cet objet reçoit un éclairement du spot cathodique qui présente un maximum très accentué lorsque ledit spot est situé directement en face de objet diffusant. La réflexion diffuse comporte des rayons dans un demi espace délimité par l'interface plaque-objet et dirigé vers le tube 1 au travers de la plaque comme représenté à la figure 2. Ces rayons se rangent en trois catégories: a) Ceux qui sont situés dans un cône 31 plein axé sur la normale 32 à l'interface et de demi-angle au sommet égal à l'angle critique pour l'interfa- ce matière transparente-air vont se comporter comme les rayons décrits précédemment et n'atteindront pas la tranche de la plaque 2. b) Ceux situés dans l'espace 33 d'angle solide compris entre le cône de même axe mais de demi-angle égal à l'angle critique de l'interface objet matière transparente (lorsque cet angle est réel) et 1r/2 ne pénètreront pas la plaque et retourneront éclairer l'objet diffusant. c) Ceux, enfin, situés dans le cane creux 7 de même axe dont le demiangle intérieur est l'angle critique de l'interface matière transparente-air et dont le demi-angle extérieur est l'angle critique de l'interface objet diffusant-matière transparente (lorsque cet angle est réel, 8/2 lorsqu'il ne l'est pas) se trouvent, par rapport à la face opposée de la plaque transparente, en position de réflexion interne totale et, sauf si le point d'origine est situé trop à l'intérieur de la surface de contact optique, il en sera de même des réflexions successives sur les deux surfaces de la plaque. Les rayons faisant partie du troisième groupe sont donc, dans leur majorité, capturés au sein de la plaque 2 et guidés par elle, sans autre atténuation que l'absorption de la matière ou les diffusions sur les défauts de volume ou de surface, jusqu'à atteindre un des bords de cette plaque. L'exemple d'un tel rayon 6 est donné à la figure 2. Le photodétecteur, 11, couplé à la tranche de la lame 2 permet de détecter de tels rayons. Il délivre un signal S(t) envoyé sur des moyens de traitement qui permettent de connaitre la position du point P de contact. La figure 3 représente différents signaux obtenus par le dispositif de l'invention. Le signal A(t) représente une ligne vidéo. Si un photodétecteur est placé face à un des bords de la plaque 2 transparente, lorsqu'aucun objet diffusant n'est présent, le détecteur ne reçoit qu'une très faible quantité de lumière, dont la part vidéo appliqué au tube cathodique et dont une fraction plus faible provient de l'éclairement ambiant. Ainsi le signal B(t) représente le bruit de fond en l'absence d'objet diffusant. Si un objet diffusant de dimensions faibles, le bout d'un objet par exemple, est rapproché de la plaque sans faire contact avec celle-ci, seule une très légère bosse apparaît superposée au signal faible détecté (ce signal peut cependant être utilisé si nécessaire), on obtient alors le signal détecté C(t). Si, par contre, l'objet diffusant entre en contact optique local avec la plaque, soit parce qu'il est humide, soit parce qu'il est formé d'une matière suffisamment molle pour se conformer étroitement à la surface de la plaque en chassant l'air interstitiel, un pic très important apparaît dans le signal optique temporel reçu par le photodétecteur. Le signal obtenu D(t) présente les mêmes caractéristiques générales que celui reçu par un photostyle évoqué précédemment et permet donc, comme pour lui, la détermination, par comparaison de la phase relative du top avec celle du balayage vidéo, de la position du point désigné. Il est aussi possible de considérer plusieurs points définis par contact optique avec la plaque 2. Ce signal D(t) recueilli présente une résolution relativement faible, due à la fois à l'absence d'optique de focalisation et à la dimension du doigt qui peut être utilisé pour le pointage. Il comporte l'information de contact effectif, qui constitue une validation du pointage, et ce, sans contact additionnel. Ainsi ce signal D(t) issu de l'écran 2 par l'intermédiaire d'au moins un photodétecteur 11 est le résultat de deux phénomènes: - La capture d'une faible partie de la lumière émise par le spot 3 dans le guide d'onde 2 qui crée un "bruit de fond" permanent ; ce bruit de fond est proportionnel à chaque instant à l'intensité lumineuse du spot 3, et est donc comparable au signal vidéo reçu par le tube cathodique. - La présence éventuelle d'un objet diffusant (doigt 4 par exemple) en contact avec le guide d'onde 2 qui donne lieu à une capture par le guide d'onde d'une grande partie de la lumière émise par le spot 3, lorsque celui-ci occupe sur l'écran une position voisine de celle du doigt. On observe alors, à la sortie du photodétecteur, un signal passant par au moins un maximum, dont la position temporelle par rapport au signal vidéo est caractéristique de la position du doigt 4 sur le guide d'onde 2. Le signal S(t) reçu par le photodétecteur 11 est donc le résultat de la superposition de ces deux phénomènes comme représenté à la figure 4. Ce signal correspond aux différentes lignes successives l0, avec les tops de retour ligne 14 (extinction du spot) et le bruit de fond 12 généré pour chaque ligne. Les pics 13 sont, donc, dus à la présence d'un objet diffusant en contact avec l'écran 2. Ce signal peut être décomposé en lignes 10 et en trames, de la même manière qu'un signal vidéo. Le bruit de fond étant dû à la capture d'une partie de la lumière émise par le spot, lorsque celui-ci est éteint, le bruit de fond est quasiment nul. On voit donc apparaître dans le signal des structures correspondant aux retours lignes et aux retours trames. Lorsqu'un objet diffusant est approché du guide d'onde, des pics 13 apparaissent donc dans le signal. La position de ces pics dans une ligne donne la position horizontale de l'objet diffusant, et le numéro des lignes dans laquelle ces pics apparaissent effectivement donnent la position verticale de l'objet. Pour s'affranchir des signaux parasites, soit optiques (éclairage artificiel) soit électriques (secteur à 50 Hz), le dispositif de l'invention comprend un filtre passe-haut 15. En effet, ces signaux sont par nature synchrone avec le balayage de l'écran et peuvent donc conduire à des perturbations très importantes, voire même à saturer les étages d'amplification suivants. La fréquence de coupure de ce filtre passe-haut 15 peut être choisie égale à la fréquence de balayage ligne (15,6 KHz dans le standard français) de façon à ce que la valeur moyenne du signal considéré ligne à ligne soit nulle, et que les composantes de signal qui ont des durées mettant en jeu plusieurs lignes soient éliminées. Un étage 16 de commande automatique de gain ayant une constante de temps longue (de l'ordre de la seconde) peut être adjoint à l'ensemble de façon à obtenir un signal d'amplitude indépendante du réglage de l'écran utilisé. Cet ensemble détecilon-amplification est représenté sur la figure 5. Cet étage traite le signal amplifié et filtré, dont l'allure est représenté à la figure 6 pendant la durée d'une ligne (17) sans la présence d'un doigt en contact et pendant la durée d'une ligne (18) avec présence d'un doigt en contact. Il est important de noter que l'amplitude VB de la partie négative du signal est peu modifiée par l'apparition du pic, celui-ci ayant une largeur faible par rapport à la longueur de la ligne. Ce phénomène est exploité pour détecter la présence d'un doigt en contact avec le guide d'onde. Le dispositif de l'invention permet de comparer le maximum de la valeur positive du signal VA au maximum de la valeur négative du signal VB En présence d'un objet diffusant, la partie positive est très supérieure à la partie négative, par exemple VA? |3y|. I1 #. Il permet de générer un signal de validation, indépendant de l'amplitude du signal optique, et indépendant de l'amplitude du bruit. Une amélioration peut encore être apportée en supprimant la partie du signal provenant du retour trame, grâce à un "switch" analogique; le signal résultant est représenté à la figure 7. Un tel circuit existe dans le commerce: ce peut être par exemple le Nard7512" de "ANALOG DEVICE". Ceci permet d'améliorer encore l'immunité au bruit optique, qui peut être dû à une dégradation du guide d'onde. On compare donc après filtrage 15, comme représenté à la figure 8, la valeur crête négative avec le signal positif convenablement atténué, à l'aide d'un détecteur de minimum 19 qui délivre un signal qui entre dans un inverseur 20. Un atténuateur 21 (atténuateur par 3 par exemple) permet d'atténuer le signal, un comparateur 22 permet d'effectuer la comparaison des signaux issu de l'inverseur 20 et de l'atténuateur 21. L'ensemble détecteur de minimum 19 suivi par l'inverseur 30 peut être réalisé à l'aide du circuit représenté à la figure 9. Ce circuit comporte un amplificateur opérationnel 33 dans un montage amplificateur, suivi d'un filtre passe-bas 34. On règle le gain de l'amplificateur en jouant sur la valeur des résistances R1 et R2. Ce gain peut être, par exemple, unitaire: on peut prendre alors R1 = 100kil R2 = 150 un le filtre R3,C est un filtre passe-bas. Il peut avoir une constante de temps comprise entre 50/us et 10 s', par exemple 100 ms. Le comparateur 22 est suivi d'un circuit 25 permettant de traiter les informations ainsi obtenues concernant la position du point de contact P sur J'écran. Ce circuit peut comporter notamment un dispositif d'affichage de cette position sur l'écran par rapport à deux axes rectangulaires Ox et Oy. Les différents signaux a(t), bits c(t), d(t) obtenus en présence d'un objet diffusant aux différents points A, B, C, D du dispositif sont représentés à la figure 10. En l'absence d'objet diffusant, le bruit est symétrique par rapport à la valeur moyenne et la sortie du comparateur est toujours négative. Comme représenté à la figure 11 le signal optique amplifié contient les informations de retour ligne 23 et retour trame 24, qui sont situés aux minima du signal reçu. Le retour trame 24 ayant la durée de plusieurs lignes, on peut détecter les signaux de retour ligne et de retour trame en faisant une détection de minimum. et une mesure de durée. A titre d'exemple on peut utiliser le dispositif représenté à la figure 12. Le retour trame permet d'avoir un signal de début d'image. D'autre part, en multipliant par 16, par exemple, la fréquence ligne, on obtient une horloge H permettant de résoudre 16 positions dans une ligne. Si J'on compte grâce à un compteur 12 bits, (25) à 16 fois la fréquence ligne, jusqu'à l'apparition du signal de présence doigt, on obtient alors la position pointée sur 12 bits, 8 pour le numéro de la ligne, et 4 pour la position dans la ligne. Ce nombre 16 de points par ligne a été choisi à titre d'exemple compte tenu de la résolution désirée et de la bande passante disponible; si des résolutions plus élevées sont nécessaires, un nombre plus élevé peut être choisi. Le dispositif de l'invention permet ainsi, de connaître la position d'un point sur l'écran sans avoir à utiliser le signal électrique vidéo. Il constitue donc un dispositif complètement autonome. Il permet de traiter ce signal issu du photodétecteur et possède les qualités suivantes: Le fonctionnement se fait sans réglage, quel que soit le type de moniteur utilisé, et quelle que soit la façon dont est réglé celui-ci. Le fonctionnement est sûr, même dans des conditions difficiles (augmentation du bruit de fond par déterioration du guide d'onde par exemple). Les perturbations extérieures (éclairage ambiant par tube fluorescent...) n'influent pas sur le dispositif. L'ensemble peut être rendu modulaire, de façon à fonctionner indépendamment de la connaissance du signal vidéo appliqué (Ce dernier point permet de fabriquer un dispositif transportable d'un écran cathodique à un autre sans difficulté). Le dispositif est assez simple pour pouvoir être fabriqué à un coût peu élevé. REVENDICATIONS 1. Dispositif interactif d'affichage comportant un écran à balayage, des moyens de détection (11) du pointage d'au moins une position spécifique de cet écran (1) délivrant un signal composite (S(t)) relatif à cette position, ce signal composite étant un signal de type vidéo comportant des tops de synchronisation lignes et des tops de retour trame à un premier niveau de tension et un signal d'information compris entre ces tops lignes pouvant prendre des valeurs instantanées d'amplitude élevée lors de ce pointage, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de filtrage passe-haut (15) pour transmettre sur une sortie la composante de ce signal de fréquences supérieures à une fréquence déterminée, des moyens d'atténuation (21) par un coefficient prédéterminé de cette composante, et des moyens de détection et de mémorisation (19) du premier niveau de tension de cette composante, des moyens d'inversion (20) de cette valeur détectée par rapport à une valeur référence, ces moyens d'inversion comportant une sortie, un comparateur (22) à deux entrée dont l'une est reliée à la sortie de ces moyens d'atténuation (21) et l'autre à la sortie de ces moyens d'inversion (20), ce comparateur (22) délivrant une impulsion synchrône avec les valeurs instantanées d'amplitude élevée présentes lors de ce pointage, des moyens de traitement (25) de signal issu du comparateur (22) permettant de déterminer cette position spécifique ce cet écran (1). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un étage (16) de commande automatique de gain en série avec le filtre passe-haut (15). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur référence est égale à zéro. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que cette fréquence déterminée est égale à la fréquence de balayage ligne répondant au standard 50 trames/seconde. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ce coefficient prédéterminé est compris dans la gamme 1 à 10. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ces moyens de traitement (25) sont des moyens de traitement numérique comportant un compteur 12 bits.