ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДИСТАНЦИОННОГО ОПТИЧЕСКОГО УКАЗАТЕЛЯ ДЛЯ РАСТРОВЫХ ИНДИКАТОРОВ

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДИСТАНЦИОННОГО ОПТИЧЕСКОГО УКАЗАТЕЛЯ ДЛЯ РАСТРОВЫХ ИНДИКАТОРОВ
Заявляемая полезная модель относится к периферийным устройствам ввода информации в компьютер, в частности к дистанционным оптическим указателям (световым перьям) для дисплеев с растровыми электронно-лучевыми трубками. Преимущественно устройство может быть использовано для дистанционного управления компьютером со значительного расстояния от дисплея. Необходимость такого вида управления компьютером возникает в тех случаях, когда пользователь не может или не должен касаться экрана дисплея или клавиатуры.
Основной принцип действия большинства световых перьев заключается в следующем. Световое перо подносится непосредственно к поверхности экрана и фиксирует излучение экрана в момент прохождения сканирующего электронного луча под фотоприемным элементом светового пера. Для определения положения светового пера электрический сигнал с его выхода сравнивается с сигналами вертикального и горизонтального отклонения электронного луча, поступающими с электронно-лучевой трубки. Информация о положении светового пера может в дальнейшем использоваться в компьютере для обеспечения интерактивного изменения графического изображения на экране 1. Причем, нормальное функционирование светового пера возможно только при расположении его в непосредственной близости к экрану, таким образом, чтобы световое перо реагировало только на излучение очень маленького участка экрана. Если
МПК6: G09G1/18 световое перо находится на некотором расстоянии от экрана, то интенсивность
света при прохождении электронного луча уменьшается. При этом фотоприемник пера воспринимает свечение нескольких соседних строк растра, а также свет от внешних источников, в частности, свет, отраженный от стеклянной поверхности экрана. Все это приводит к снижению отношения сигнал-шум на выходе светового пера и, как следствие, к снижению точности при определении местоположения светового пера.
Известен ряд специализированных устройств дистанционного управления компьютером, разработанных для людей, утративших способность управления руками. Обычно такие системы состоят из устройства отображения информации (дисплея) и фотоприемника, закрепляемого на голове. Устройства отображения информации содержат изображения букв алфавита и цифр, а иногда - наиболее употребительные слова и выражения, что формирует словарь пользователя. Существуют системы, в которых рядом с каждым элементом словаря на дисплее располагается светоизлучающий диод, который последовательно испускает световой импульс. Фотоприемник воспринимает излучение одного из светодиодов, при этом сканирование светодиодов прекращается, и загорается светодиод выбранного элемента, до тех пор, пока пользователь не изменит положение фотоприемника. Если же пользователь не изменяет положение фотоприемника в течение некоторого определенного времени, то соответствующий элемент словаря выводится на экран или печатается. Такие системы со светодиодами имеют несколько недостатков. Один из них отсутствие непрерывной обратной связи о положении головы, поскольку для фиксации выбора элемента используются отдельные светодиоды. Пользователь не знает, направлен ли фотоприемник непосредственно на некоторый светодиод.
2 или же просто на область рядом с ним, достаточно близкую чтобы воспринять
излучение от него. В последнем случае пользователь может изменить положение фотоприемника прежде, чем пройдет время, необходимое для выборки элемента словаря. Кроме того, сам дисплей ограничен по размеру, количеству элементов словаря, и способу их отображения, что делает невозможным индивидуальную настройку системы в соответствии с требованиями конкретного пользователя. Изза узкой специализации, и как следствие - ограниченного применения таких устройств, их цена довольно высока, поскольку затраты на разработку и производство должны покрываться при сравнительно небольшом объеме производства.
Устройства другого типа используют управление с помощью светового луча. При этом на голове пользователя закрепляется небольшой импульсный светоизлучатель, генерирующий узкий световой луч. Луч направляется на специальную светочувствительную коммуникационную панель. В качестве такой панели может использоваться, например, матрица фотопроводящих элементов, каждому элементу которой соответствует определенная клавиша клавиатуры. Недостаток подобных фотопроводящих матриц - относительно высокая стоимость, обусловленная необходимостью изготовления матриц небольшими партиями по особому заказу, а также сложностью электронной схемы декодирования выбранного элемента. Кроме того, источником помех в системе является внешнее освещение, которое может ввести фотодетекторы в область насыщения, в результате чего устройство либо вообще не реагирует на выбор элемента пользователем, либо отображает не тот элемент.
3 собой фотоэлектрический преобразователь дистанционного оптического
указателя для видеоэкранов (растровых индикаторов), который состоит из фокусирующей линзы, оптически связанной с фотоприемником, выход которого соединен со входом усилителя, к выходу которого подсоединен компаратор. Выход компаратора является выходом фотоэле1арического преобразователя.
В целом известное устройство позволяет позиционировать курсор на экране без непосредственного физического прикосновения к его поверхности, как того требуют традиционные системы со световым пером. Для этого используется дистанционный оптический указатель, который регистрирует излучение участка экрана, попадающего в область визирования оптического указателя. Излучение этого участка экрана фокусируется и преобразуется фотоэлектрическим преобразователем указателя в серию импульсов, объединенных в отдельные пакеты. Количество импульсов в каждом пакете соответствует количеству строк растра, зарегистрированных фотоэлектрическим преобразователем. Импульсные сигналы с оптического указателя поступают в блок обработки, где сравниваются по времени с импульсами синхронизации полей и импульсами строчной синхронизации, выделяемыми из видеосигнала, для определения вертикального и горизонтального положения центра области визирования оптического указателя. Данные о координатах области визирования, получаемые на выходе блока обработки, могут использоваться компьютером для генерации курсора в соответствующем месте экрана. Пользователь по желанию может перемещать курсор по экрану путем манипулирования указателем и таким образом использовать указатель для обеспечения взаимодействия с компьютером традиционным способом, как при работе с мышкой или световым пером.
4 Однако описанный фотоэлектрический преобразователь обеспечивает
уверенное распознавание или заданную точность только при расстоянии не превышающем 80 см., из-за снижения соотношения сигнал-шум при увеличении дальности.
Задачей, решаемой заявляемой полезной моделью, является увеличение рабочего расстояния оптического дистанционного указателя для растровых индикаторов.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в следующем. В известный фотоэлектрический преобразователь оптического указателя для растровых индикаторов, содержащий фокусирующую линзу, оптически связанную с фотоприемником, выход которого соединен с входом усилителя, а также компаратор, выход которого является выходом фотоэлектрического преобразователя, дополнительно введен гребенчатый фильтр, адаптируемый к частоте строчной развертки растрового индикатора, соединенный своим входом с выходом усилителя, а своим выходом со входом компаратора.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение помехоустойчивости фотоэлектрического преобразователя оптического дистанционного указателя за счет использования адаптируемого гребенчатого фильтра, что приводит к увеличению рабочего расстояния оптического указателя до 10 м.
Достижение технического результата обусловлено повышением отношения сигнал-шум за счет использования принципа согласованной фильтрации 3,4. Спектр полезного сигнала от растрового индикатора имеет характерные составляющие кратные частоте строчной развертки индикатора. Принятый фотоэлектрическим преобразователем сигнал состоит из полезного сигнала и
5
шума. Для повышения соотношения сигнал-шум в фотоэлектрический преобразователь введен такой гребенчатый фильтр 5, амплитудно-частотная характеристика которого согласуется со спектром полезного сигнала от растрового индикатора. Частотная характеристика гребенчатого фильтра при этом оказывается согласованной со строчной частотой растрового индикатора.
Сущность заявляемого устройства поясняется следующими графическими материалами:
фиг. 1.-Функциональная схема заявляемого фотоэлектрического преобразователя.
фиг. 2.-Функциональная схема устройства дистанционного управления курсором на экране растрового индикатора.
Фотоэлектрический преобразователь дистанционного оптического указателя для растровых индикаторов (фиг.1) содержит фокусирующую линзу 1, оптически связанную с фотоприемником 2, выход которого соединен с усилителем 3, соединенным также с гребенчатым фильтром 4, адаптируемым к частоте строчной развертки растрового индикатора, выход которого соединен с компаратором 5. Выход компаратора 5 является выходом фотоэлектрического преобразователя. В качестве фотоприемника может быть использован лавинный фотодиод.
Предлагаемый фотоэлектрический преобразователь работает следующим образом. Если оптический указатель направлен на экран индикатора, то фокусирующая линза 1 фокусирует на фотоприемник 2 излучение фрагмента, состоящего из участков нескольких строк растра и попадающего в область визирования оптического указателя. Фотоприемник 2 в свою очередь преобразует это излучение в электрический сигнал, соответствующий интенсивности излучения экрана индикатора. Сигнал от фотоприемника 2
передается на усилитель 3. После необходимого усиления сигнал поступает на гребенчатый фильтр 4, где выделяется полезный сигнал. После этого сигнал подается на компаратор 5, который работает как пороговое устройство и сравнивает величину входного сигнала с некоторым заданным уровнем и вырабатывает прямоугольный импульс, если входной сигнал превышает пороговое значение. Сигнал с выхода компаратора 5 является выходным сигналом фотоэлектрического преобразователя и соответственно оптического указателя. Далее этот сигнал используется для формирования курсора на экране растрового индикатора, что требует соответствующей его обработки. Способы обработки могут быть различны. На фиг. 2 показана функциональная схема одного из возможных устройств дистанционного управления курсором на экране растрового индикатора. Входящая в состав этого устройства схема формирования курсора на экране аналогична блоку обработки по патенту 2.
Устройство на фиг. 2 состоит из фотоэлектрического преобразователя 6, схемы 7 формирования курсора на экране, которая содержит блок 8 выделения синхроимпульсов, микропроцессор 9, триггеры 10, 11, 12, синхронизатор 13, тактовый генератор 14, селектор 15, последовательно-параллельный счетчик 16, буферное устройство 17 и последовательный интерфейс 18.
Принцип работы схемы 7 формирования курсора совпадает с принципом работы блока обработки прототипа и подробно изложен в описании к патенту 2. Схема 7 обеспечивает определение координат центра области визирования оптического указателя, которые также являются координатами центра курсора. Координаты определяются в соответствии с импульсными сигналами от фотоэлектрического преобразователя 6, импульсами синхронизации полей и
7 импульсами строчной синхронизации, поступающими с блока 8. Схема 7
игнорирует импульсы от фотоэлектрического преобразователя 6, следующие за первым импульсом, который соответствует регистрации первой строки фрагмента растра, попавшего в область визирования оптического указателя. Кроме того схема 7 не воспринимает импульсы, которым предшествовал или за которыми следовал разрыв растровой структуры, т.е. когда не регистрируется ни одна строка. Такая нечувствительность схемы 7 к случайным разрывам и большому количеству импульсов от фотоэлектрического преобразователя 6 при регистрации излучения от некоторого участка изображения позволяет определять координаты курсора более точно и стабильно. Для определения горизонтальной координаты в схеме 7, с помощью тактового генератора 14, генерируется временной импульс, передний фронт которого совпадает с моментом прихода сигнала от фотоэлектрического преобразователя 6, а задний фронт - с моментом прихода импульса строчной синхронизации от блока 8. Продолжительность этого импульса оценивается путем подсчета в счетчике 16 последовательных коротких импульсов, количество которых пропорционально длительности импульса. Ввод импульсов от фотоэлектрического преобразователя 6 управляется микропроцессором 9, который блокирует первый и последний пакеты импульсов, в которых наиболее вероятно проявление помех. Таким образом, обеспечивается большая надежность получаемых данных. Для каждой регистрируемой строки растра в счетчике 16 подсчитывается общее количество коротких импульсов. После обработки всех строк фрагмента общая сумма делится на количество зарегистрированных строк растра - в результате получается усредненное значение горизонтальной координаты.
8 Микропроцессор также подсчитывает количество импульсов строчной
синхронизации, поступившее от момента прихода импульса синхронизации полей в начале каждого кадра до момента начала поступления импульсов от фотоэлектрического преобразователя. Усредненная вертикальная координата определяется как полусумма позиций первой и последней строк, которые использовались для оценки горизонтальной координаты.
Далее процесс определения координат центра курсора осуществляется программным путем с помощью микропроцессора 9, который получает данные о вертикальных координатах от счетчика 16, и данные о горизонтальных координатах от триггера 12, а также импульсы синхронизации полей и импульсы строчной синхронизации с блока 8.
Источники информации
1.Томпкинс у., Уэбстер Дж. Сопряжение датчиков ввода данных с компьютерами IBM PC/ Пер. с англ. - М.: Мир, 1992. -С.485-492.
2.Патент США № 4591841. Дистанционный оптический указатель для видеоэкранов, 1986. -Прототип
3.Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. - М.: Радио и связь, 1982. С.421-428.
4.Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1986.- С.356-366.
5.Хохлов Б.Н. Декодирующие устройства цветных телевизоров. - М.: Радио и связь, 1992.-С.259-260.
9