УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ВИРТУАЛЬНЫХ ТРЕХМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ

Изобретение относится к сфере компьютерных технологий и может быть использовано для создания у наблюдателя эффекта погружения в виртуальное трехмерное пространство, наблюдаемое на экране монитора, дисплея или иных устройствах отображения информации.
Для многих компьютерных тренажеров и игровых программ требуется высокое качество симулированного заэкранного пространства, называемого виртуальным трехмерным пространством. Чем ближе к реальности воспроизводится виртуальный мир, тем легче с тренажера перейти на реальную технику при подготовке, например, космонавтов, нейрохирургов и других специалистов, которые ранее обучались на макетах. Спортсмены, архитекторы и любители трехмерных компьютерных игр тоже хотели бы получить средство высококачественной визуализации тех заэкранных объектов, с которыми им приходится иметь дело.
Известны различные способы и устройства для повышения достоверности трехмерных изображений, в том числе основанные на эффекте стереоскопического зрения со специальными очками (см. патенты US №5,002,364 [1] и RU 2152066 [2]) или за счет особой конструкции экрана (см. патенты US №4,649,425 [3], RU №2221350 [4] и публикацию PCT WO 9515662 [5]). Некоторые решения позволяли видеть виртуальный объект объемным, создавая впечатление выдвижения объекта из виртуального пространства в реальное пространство (см. патенты RU №2237283 [6], JP №11-250285 [7], US 36,088,035 [8]). Несмотря на сложность применяемых устройств, из виртуального пространства удавалось выделить лишь отдельные объекты, что не позволяло добиться реалистичного воспроизведения заэкранного пространства как из-за отсутствия глубины или перспективы пространства, так и в связи с ограниченностью поля зрения. Для тренажеров эти недостатки являются весьма существенными.
Несколько более удачным является решение, предусматривающее использование специального шлема, позволяющего не только подавать на каждый глаз половину стереоскопического, но и позволяет осуществить смену видимого изображения виртуального пространства при повороте шлема (см. патенты RU №2106695 [9], RU 2128860 [10]). Для расширения возможностей наблюдателя были предложены специальные капсулы или оболочки, в которые помещался наблюдатель, окруженный дисплеями, создающими эффект погружения в виртуальное пространство, при этом осуществляется непрерывное преобразование виртуального пространства в соответствии с реальными физическими движениями руки, ноги, головы, туловища и глаз наблюдателя. Такие решения существенно повышают реалистичность контакта наблюдателя с виртуальным пространством, однако, сложность установок, реализующих эти способы весьма ограничивают сферу их применения.
Определенный интерес представляет техническое решение, описанное в опубликованной заявке на патент US №2004/0,075,735 [11]. В источнике [11] предлагается способ и система для установления связи между наблюдателем, находящимся в реальном пространстве, и объектами виртуального пространства за счет определения положения наблюдателя с помощью комплекта датчиков. В зависимости от положения наблюдателя рассчитываются его угол зрения, и изображения объектов на дисплее меняются с учетом перспективы (глубины) и взаимного расположения объектов. Основной недостаток этого решения заключается в том, что он исключает возможность изменения пространственного положения дисплея без изменения положений объектов виртуального пространства. Данное ограничение имеет принципиальное значение, например для пользователей мобильными устройствами, дисплеи которых могут изменять свое положение по воле владельца. Переход от системы «объект-наблюдатель» к системе «объект-дисплей-наблюдатель», где каждый элемент обладает собственной свободой перемещения, принципиальным образом изменяет восприятие трехмерного пространства и обеспечивает наиболее яркое проявление эффекта погружения в виртуальное пространство.
Наиболее близким к заявляемому решению являются идеи, положенные в основу международной заявки PCT/RU2005/000465 [12], где описаны система и способ визуализации виртуальных трехмерных объектов. В упомянутом решении формируют базовую систему координат для заданной области реального пространства и задают положение заранее созданных в цифровом формате трехмерных объектов виртуального пространства относительно базовой системы координат. При этом используют группу приемо-передающих устройств, закрепленных на устройстве отображения. В [12] не предложено конкретных практических конструкций устройств для реализации способа, положенного в основу системы.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка такого устройства для визуализации виртуальных трехмерных объектов, которое сочетало бы в себе возможность создания эффекта погружения в виртуальное пространство и простоту реализации, обеспечивающую возможность широкого применения нового способа.
Технический результат достигается за счет создания устройства для визуализации трехмерных объектов виртуального пространства, состоящего из набора таких взаимодействующих элементов, как базовый блок, включающий в себя базовый комплект приемо-передающих элементов, блок обработки первичных данных, блок приемо-передатчиков, закрепляемых на голове пользователя, блок отображения и электронно-вычислительный блок, при этом каждый из комплектов приемо-передатчиков включает, по меньшей мере, три приемо-передатчика; базовый комплект приемо-передатчиков выполнен с возможностью однозначной локации относительного положения каждого входящего в комплект приемо-передатчика; блок отображения представляет собой дисплей; блок обработки данных выполнен возможностью синхронизации работы приемо-передатчиков, предварительной обработки сигналов, аналогово-цифрового преобразования сигналов, вычисления координат и коммутации с электронно-вычислительным блоком; электронно-вычислительный блок включает модуль памяти, содержащий данные о характеристиках и координатах трехмерных объектов виртуального пространства, и процессор, выполненный с возможностью осуществления обработки информации о положении точки наблюдения; блока отображения и трехмерных объектов виртуального пространства.
Пример реализации заявляемого устройства приведен на Фиг.1. Блок-схема заявляемого устройства приведена на Фиг.2, где представлен пользователь 1, комплект 2 закрепленных на голове пользователя приемо-передатчиков, базовый комплект 3 приемо-передатчиков, блок 4 отображения (дисплей), электронно-вычислительный блок 5, беспроводной канал 6 связи и кабель 7, соединяющий блок отображения с электронно-вычислительным блоком, блок 8 первичной обработки данных.
Каждый из комплектов приемо-передатчиков включает, по меньшей мере, три приемо-передатчика. Базовый комплект приемо-передатчиков выполнен с возможностью четкой локации относительно положения каждого приемо-передатчика из комплекта, закрепленного на голове пользователя. Блок отображения представляет собой плоский дисплей. Блок первичной обработки данных, выполнен с возможностью синхронизации работы приемо-передатчиков, предварительной обработки сигналов, аналогово-цифрового преобразования сигналов, вычисления координат и коммутации с электронно-вычислительным блоком. Электронно-вычислительный блок включает в себя модуль памяти и процессор. Модуль памяти содержит данные о характеристиках и координатах трехмерных объектов виртуального пространства. Процессор, осуществляет обработку информации о положении точки наблюдения, т.е. головы пользователя, блока отображения и трехмерных объектов виртуального пространства, вычисляет набор отображаемых данных и управляет выводом данных на блок отображения, а также выполняет программы по обработке информации о положении точки наблюдения, блока отображения и трехмерных объектов виртуального пространства.
Для формирования системы существенно, чтобы базовая группа приемо-передающих устройств содержала устройство генерации последовательных синхроимпульсов, управляющих очередностью генерации сигналов приемо-передающими устройствами, закрепленными на пользователе и на устройстве отображения, включающие приемники синхроимпульсов и передатчики основного сигнала. При этом такие устройства генерации и приема синхроимпульсов целесообразно выполнять для работы в радиодиапазоне, а устройства генерации и приема основного, т.е. локационного, сигнала выполнять для работы в ультразвуковом диапазоне.