Brevet FR2604806A1 — publié le 19880408

Un dispositif de saisie graphique est un ensemble de moyens contribuant à introduire dans un système informatique des figures tracées par un opérateur: - soit en recopiant des figures existantes, - soit en créant des figures par les mouvements de la main, Un tel dispositif doit satisfaire aux conditions suivantes: - que l'opérateur puisse transmettre à l'ordinateur, au moment qu'il choisit, les coordonnées de l'objet qu'il tient pour matérialiser la position de sa main; - que l'opérateur puisse comparer, à tout instant, la position de cet objet à celles des éléments de l'image qu'il a commencé à constituer. Il existe déja de nombreux systèmes de saisie graphique; tous comportent un appareil de visualisation, un objet qui peut être déplacé à la main, ici désigné comme le "manipulateur", et divers moyens par lesquels l'opérateur peut communiquer å l'ordinateur toutes les instructions de saisie et de transformation des données représentant la figure à saisir. A titre d'exemple, ces instructions peuvent être: saisie de la position à un instant; début et fin de saisie d'une ligne; rotation ou changement d'échelle de l'image. Dans les dispositifs existants, ces instructions sont souvent saisies au moyen d'un ou deux interrupteurs portés par le manipulateur, et d'un clavier. Dans la plupart des systèmes existants, l'appareil de visualisation est un écran de tube à rayons cathodiques. Dans la plupart des systèmes existants, l'opérateur déplace le manipulateur, soit sur la face du tube cathodique (photostyle ou "light pen"), soit sur le plan de travail ou sur une tablette posée sur celui-ci (boule, souris ou stylet). Il existe également des écrans Usensitifs" sur lesquels la présence du doigt suffit pour désigner un point. Tout ceci montre que les systèmes existants de saisie graphique sont en fait presque toujours a deux dimensions seulement. Seules deux coordonnées de la position du manipulateur sont introduites dans l'ordinateur au moyen de celui-ci, et la troisième dimension de l'image à créer est introduite par un programme de calcul et des instructions données à l'aide du clavier. L'inconvénient d'une saisie graphique à deux dimensions, quand il s'agit de créer des représentations tridimensionnelles, est que la mise au point et l'utilisation des programmes de calcul spécifiques, nécessaires pour introduire la troisième dimension, prennent beaucoup de temps. C'est pourquoi les utilisateurs cherchent des moyens pour effectuer la saisie directement à trois dimensions. Si la saisie graphique est encore couramment effectuée à deux dimensions, c'est parce que les appareils de visualisation à trois dimensions ne sont pas développés; c'est aussi parce que les manipulateurs à trois dimensions, dont les principes sont inspirés des techniques de la robotique, sont complexes et opposent à la main de l'opérateur une inertie excessive qui gêne ses mouvements. L'objet de l'invention est un système complet permettant à l'opérateur de situer les figures qu'il saisit, en trois dimensions, par rapport aux figures déJà saisies et présentées sur un appareil de visualisation stéréoscopique d'images tridimensionnelles. Cet objet de l'invention implique la définition d'un manipulateur simple, léger et maniable, par lequel l'opérateur peut saisir rapidement des figures complexes. L'appareil de visualisation stéréoscopique d'images tridimensionnelles peut être réalisé selon l'un des principes connus suivants, ou selon tout autre principe donnant un résultat équivalent. Il a'agit des mêmes principes proposés pour la télévision en relief. Le premier principe connu consiste à substituer un écran cathodique à chacune des vues dans un "stéréoscope de VHEATSTO#E". Un deuxième principe connu consiste à projeter sur un même écran les deux images, polarisées dans des directions perpendiculaires, données chacune par un dispositif de visualisation à projection: tube cathodique ou écran matriciel à cristaux liquides, de petit diamètre, mais très lumineux. Un troisième principe connu consiste à alterner les vues de gauche et de droite sur un même écran, et à placer, devant l'écran ou sur les lunettes de l'opérateur, un obturateur périodique de lumière, par exemple à cristaux liquides. Un quatrième principe connu consiste à représenter chacune des deux vues stéréoscopiques dans des couleurs complémentaires, et à munir l'opérateur de lunettes & - anaglyphes. Un cinquième procédé connu consiste à attibuer à chacune des vues une moitié de l'écran, et à munir l'opérateur de lunettes à prismes pour fusionner les images. Selon le premier de ces principes, l'opérateur ne peut pas montrer ce qu'il fait h d'autres personnes. Tous ces principes ont en commun le fait que chaque oeil de l'opérateur ou d'un éventuel spectateur ne voit qu'une seule des deux vues représentant le même ensemble d'objets, de lignes ou de points. Le système décrit ci-dessous, pour illustrer l'invention, est basé sur le dernier de ces principes. Celui-ci, comme les précédents. est cité à titre d'exemple , mais d'autres principes donnant un résultat équivalent, à savoir une vision stéréoscopique d'images extraites en temps réel de la mémoire d'un ordinateur, peuvent être mis en oeuvre pour réaliser l'objet de l'invention. Dans cette représentation, le même point de coordonnées réelles x, y, z, est représenté sur chaque vue par des points de coordonnées fictives respectives X#, Z et X2 , Z. La coordonnée en hauteur Z est la même; les coordonnees latérales X1 et X2 diffèrent d'une quantité A inversement proportionnelle à la coordonnée de profondeur y selon la formule: ss = X2 - X1 = B y ) k ( d + y) ou B représente l'écartement des yeux de l'opérateur, d la distance de ceux-ci à l'écran et k le grandissement choisi pour la représentation de l'image, qui est aussi égal å X: + X1 et å Z 2x z La formule ci-dessus est établie dans l'hypothèse où, quand il demande un agrandissement de l'image stéréoscopique, l'opérateur fait croître dans le même rapport toutes les distances apparentes. Cette option, facultative, se justifie par la difficulté de bien voir en relief à la fois des objets très proches et d'autres objets beaucoup plus éloignés. Si une autre option est choisie, la formule à utiliser pour le calcul de la parallaxe stéréoscopique A peut être différente. Dans le cas décrit ci-dessous où l'écran est partagé entre les deux vues, la parallaxe 8 est comptée en sus de l'écart entre les deux demi-écrans: en fait l'image stéréoscopique d'un objet est reconstituée sur l'écran si ses deux vues coïncident. Selon la présente invention, dont l'exposé sera mieux compris en se référant aux figures 1, 2 et 3, Iw appareil de visualisation stéréoscopique (1), dans un exemple de réalisation, suit le principe connu des vues juxtaposées sur un même écran cathodique, le cinquieme principe de la liste exposée ci-dessus. L'opérateur, comme chaque spectateur éventuel, porte des lunettes (2) munies de prismes (24), (25), par lesquels il voit l'une sur l'autre deux vues qui, en fait sont séparées sur l'écran Les lunettes comprtent aussi des feuilles polarisantes (2zJ et (23), correspondant respectivement aux feuilles polarisantes (20) et (21) placées devant l'écran; les feuilles polarisantes (20) et (22) ont les mêmes directions de polarisation,perpendiculaires à celles des feuilles polarisantes (21) et (23). Ainsi chaque oeil voit exclusivement la vue du côté correspondant. L'ordinateur (13) est programmé pour présenter les deux vues côte à côte sur l'écran cathodique (33). Le manipulateur (3) est utilisé par l'opérateur pour desienel des points et des lignes dans un espace (5), qui pour simplifier la description sera supposé cubique, de côté égal à 2 a , dans lequel l'opérateur peut déplacer un petit objet (4), désigné comme la "boule". Celle-ci porte un ou deux interrupteurs (27) pour que l'opérateur puisse saisir ses coordonnées, afin de désigner ce point ou le parcours qu'il commence ou termine à cette position. Les dimensions de l'espace (5) sont choisies pour que les mouvements de la main de l'opérateur soient faciles dans tout cet espace: par exemple un cube de vingt à quarante centimètres de côté semble convenir. Il est d'autre part préféré que cet espace ne soit pas placé trop près de l'opérateur: la vision en relief par l'appareil de visualisation décrit ci-dessus est plus facile si la distance des yeux de l'opérateur â l'image des points représentée est toujours supérieure à cinquante centimètres environ. La boule est reliée au bâti fixe qui matérialise les limites du cube vide (5), par un jeu de fils ayant les fonctions suivantes: - empêcher la boule de retomber - la maintenir à peu près à sa position si l'opérateur la lâche - amortir les mouvements trop irréguliers de l'opérateur - capter les coordonnées de la boule à tout instant. Pour réaliser au mieux les deux premières de ces fonctions, les fils devraient être orientés dans toutes les directions à partir de la boule. Il a été estimé préférable de ne pas tendre de fil vers l'avant, car ce fil gênerait l'opérateur: les fils sont alors tendus seulement de la boule vers des sommets du cube. Il pourrait ainsi y avoir huit fils partant de la boule; mais la dernière des fonctions décrites ci-dessus est aussi bien réalisée avec seulement quatre fils (6), joignant la boule à des sommets (7), (8) (9), (10) du cube choisis en ce qu'ils forment un tétraèdre régulier: par exemple les sommets (7), en haut, à gauche, devant; (8 > , en haut, à droite, derrière; (9), en bas à gauche, derrière; (10), en bas, à droite, devant. Chacun de ces fils (6) passe sur un guide-fil (15) lui permettant, quelle que soit l'orientation du fil (6) qui relie le sommet de l'espace (5) à la boule (4) mobile dans tout cet espace, de bien coulisser à travers ce guide fil (15); puis ce fil s'enroule sur une poulie (16), et enfin il s'enroule et son extrémité est fixée sur un cylindre (11) placé par exemple contre une des faces latérales du cube (5), à l'extérieur de celui-ci. Ce cylindre est fixé sur l'axe (19) d'un codeur angulaire (12), qui peut être, soit un synchro-résolveur, soit un potentiomètre, soit, de préférence, un codeur numérique angulaire. Un ressort spiral de rappel (17) maintient le fil à une tension convenable. Un amortisseur à friction (18) freine légèrement le mouvement s'il y a lieu. Cet ensemble constitue les moyens (32) de mesure de la distance de la boule (4) à chacun des sommets (7), (8), (9), (10). Chaque guide-fil (15) est une simple pièce métallique percée d'un orifice largement évasé d'un côté; ce côté évasé est orienté vers le centre du cube (5). Dans cet exemple de réalisation, les fils (6) sont complétés par d'autres fils (29) , tendus chacun par un ressort (30) entre la boule et un point fixe (31) situé à un autre sommet ou au-dessus de l'espace (5), de manière à compenser la tendance naturelle de la boule (4) å descendre par gravité, ou à la maintenir en position si elle s éloigne du centre du cube. L'interrupteur (27) de la boule (4) est relié aux circuits d'accès à l'ordinateur (13) par des fils électriques (28) qui ne sont pas nécessairement tendus. Le diamètre du cylindre (11) est choisi de sorte que le déplacement de la boule (4), entre le sommet du cube le plus proche et le plus éloigné, fasse tourner le codeur presque exactement d'un tour. La rotation de l'axe de chaque codeur angulaire (12) définit la distance de la boule au sommet où se trouve le guide fil (15) correspondant. Les codeurs sont ainsi utilisés comme moyens de mesure de la distance du centre de la boule (4) à chacun des sommets (7), (8), (9), (10) du cube. Le codeur angulaire est de préférence choisi du type en code binaire inversé ("code de GRAY") pour que les données de position ne puissent pas être erronées par suite d'un défaut de synchronisme entre les diverses pistes de ce codeur. L'ordinateur (13) est agencé et programmé pour réaliser au moins les fonctions suivantes: Il calcule en permanence ou de façon périodique les coordonnées de la boule, par les formules suivantes: x = 82 + S2 - a2 - y2 y = 82 + y2 - a2 2a 2a z = a2 + 82 - y2 - 82 2a où , ss, Y, S représentent les longueurs respectives des fils entre la boule (4) et les sommets (7), (8), (9), (10). Ces formules sont ici données à titre indicatif; elles ne sont exactes que si les sommets (7), (8), (9), (10) de l'espace (5), utilisés pour la mesure de la position de la boule (4), forment exactement un tétraèdre régulier. D'autres formules aussi simples sont valables si sommets (7), (8), (9), (10) sont pris parmi ceux d'un parallépipède rectangle. L'ordinateur (13) calcule également l'image vue de gauche et l'image vue de droite, en appliquant un décalage b / 2 , de part et d'autre de la position moyenne indiquée ci-dessus, selon les formules de calcul indiquées précédemment. Le logiciel de l'ordinateur peut comporter en outre une grande variété de fonctions analogues à celles qui existent couramment sur les systèmes de saisie graphique à deux dimensions: par exemple lissage des courbes décrites par la main de l'opérateur, remplacement des lignes approximativement droites par des lignes exactement droites ou orientées selon des directions précises, génération de surfaces à partir de lignes représentant leurs contours, remplissage des lignes fermées, changements d'échelle, déplacements ou anamorphoses d'une des figures représentées, etc. Le dispositif décrit ci-dessus peut faire l'objet de diverses variantes qui ne dénaturent pas l'objet ni les principes de l'invention, par exemple: - les fils (6) peuvent être plus nombreux, par exemple huit fils joignant la boule (4) à tous les sommets de l'espace (5)( et leurs longueurs peuvent être également prises en compte pour calculer les coordonnées de la boule (4); - l'espace (5) peut avoir toute autre forme que cubique; - les ressorts de rappel (17) peuvent être remplaces par des petits moteurs, alimentés en courant de manière à compenser exactement la pesanteur de la boule, les courants étant calculés par l'ordinateur en fonction des coordonnées de la boule; - chaque codeur angulaire numérique (12) peut être remplacé par un potentiomètre ou un synchro-résolveur, suivis d'un convertisseur approprie;; - un interrupteur ou une touche du clavier de l'ordinateur peut actionner l'amortisseur (18), de sorte que la position de la boule (4? soit plus aisément maintenue ou retrouvée. - enfin l'appareil de visualisation stéréoscopique (1) peut être réalisé selon l'un ou l'autre des principes décrits ci-dessus. Le dispositif peut être complété par un système de traitement d'images approprié à l'application envisagée. Les applications de la présente invention peuvent concerner par exemple: - la NC.A.O."(conception assistée par ordinateur) dans les domaines ou les objets doivent être représentés en trois dimensions: mécanique, constructions navales ou aéronautiques; macromolécules, chimie, synthèse pharmaceutique; architecture, ouvrages d'art; - la synthèse d'images fixes ou animées pour la télévision; - la saisie d'éléments graphiques sur des images provenant de capteurs, par exemple dans les techniques médicales ou l'analyse des vibrations et déformations; - la télécommande en milieu inaccessible: exploration spatiale ou sous-marine, industrie nucléaire. REVENDICATIONS 1 Système de saisie graphique, dont l'objet est d'introduire dans la mémoire d'un ordinateur (13) les coordonnées de points désignés par les mouvements de la main d'un opérateur et de comparer leurs positions à celles des figures déjà introduites (14), permettant la saisie de ces coordonnées en trois dimensions à l'intérieur d'un espace (5), caractérisé en ce que ce système comporte un appareil de visualisation stéréoscopique (1) et un manipulateur (3) , par lequel l'opérateur peut déplacer à la main un objet (4) dans tout l'espace (5). 2 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le manipulateur (3) comporte des moyens (32) pour la mesure des distances respectives dudit objet a au moins quatre points fixes (7), (8), (9), (10) 3 Système selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens 4 Système selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les points fixes (7), (8), (9), (10), sont des sommets d'un cube ou d'un parallélipipède rectangle. 5 Système selon les revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que l'objet (4) n'est relié à des dispositifs fixes que par des fils.