СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕКТАМИ ВИРТУАЛЬНОГО ПРОСТРАНСТВА

Полезная модель относится к сфере компьютерных технологий и может быть использована для создания у наблюдателя эффекта погружения в виртуальное пространство, в том числе трехмерное, наблюдаемое на экране монитора, дисплея или устройствах графического отображения информации.
Известно устройство для визуализации трехмерных объектов виртуального пространства, состоящее из набора таких взаимодействующих элементов, как базовый блок, включающий в себя базовый комплект приемо-передающих элементов, блок обработки первичных данных, блок приемопередатчиков, закрепляемых на голове пользователя, блок отображения и электронно-вычислительный блок, при этом каждый из комплектов приемопередатчиков включает, по меньшей мере, три приемопередатчика; базовый комплект приемопередатчиков выполнен с возможностью однозначной локации относительного положения каждого приемопередатчика, входящего в комплект закрепляемых на голове пользователя; блок отображения представляет собой дисплей; блок обработки данных выполнен с возможностью синхронизации работы приемопередатчиков, 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, RU 88836 U1.
Недостатком данного технического решения является сложность и громоздкость устройства в связи с использованием ультразвуковой аппаратуры. Качество визуализации невысокое.
Известна система для управления объектами виртуального пространства, включающая электронно-вычислительный блок (процессор), соединенный с блоком представления информации, видеокамеру, выполненную с возможностью восприятия инфракрасного излучения, по меньшей мере, один светодиод, размещенный на видеокамере, а также светоотражатели, установленные на голове пользователя, US 2006119576 А1.
Видеокамера воспринимает инфракрасное излучение светодиодов, отражаемое размещенными на голове пользователя светоотражателями. Сигнал от видеокамеры поступает в электронно-вычислительный блок. На мониторе отображен объект виртуального пространства, его координаты в электронно-вычислительном блоке увязаны с координатами светоотражателей. При изменении положения головы и, соответственно, координат светоотражателей изменяются координаты и положение отображаемого на мониторе объекта виртуального пространства.
При размещении светодиодов на видеокамере и использовании при этом отраженного инфракрасного излучения, видеокамера воспринимает не только излучение, отраженное светоотражателями, размещенными на голове пользователя, но и излучение, отражаемое другими предметами, обладающими отражательной способностью, например, очками, украшениями и т.п. Таким образом, полезный сигнал сопровождается значительными помехами, что снижает эффективность, а в отдельных случаях делает, практически, невозможным, управление объектами виртуального пространства.
Кроме того, в системе отсутствует возможность регулировки яркости светодиодов (интенсивности излучения) в зависимости от положения головы пользователя. При различной ориентации головы пользователя и, соответственно, находящихся на ней средств, направляющих инфракрасное излучение в видеокамеру, интенсивность воспринимаемого ею излучения существенно меняется (в десятки раз). Отсутствие регулировки яркости излучения сказывается на процессе выполнения системой ее функций и затрудняет управление объектами виртуального пространства.
Также следует отметить, что известная система позволяет осуществить лишь ограниченное управление объектами виртуального пространства, а именно изменять координаты и положение объекта, однако она не обеспечивает возможности взаимодействия управляемого объекта с другими объектами и предметами виртуального пространства.
Известно устройство RU 105503 U1, которое обеспечивает, в сравнении с указанным выше аналогом, определенное повышение эффективности работы системы управления объектами виртуального пространства за счет уменьшения помех, возникающих вследствие отражения инфракрасного излучения посторонними предметами, а также за счет регулировки интенсивности поступающего в объектив видеокамеры инфракрасного излучения; кроме того, обеспечивается взаимодействие управляемого объекта с другими объектами и предметами виртуального пространства. Данное устройство включает электронно-вычислительный блок, первый выход которого соединен со входом блока представления информации, цифровую видеокамеру, выполненную с возможностью восприятия инфракрасного излучения, и один или более светодиодов с инфракрасным спектром излучения, новым является то, что светодиоды размещены на теле пользователя или на предмете, перемещаемом пользователем, система дополнительно содержит приемопередатчик сигналов в инфракрасном диапазоне, приемник сигналов в инфракрасном диапазоне, контроллер и блок управления яркостью светодиодов, при этом первый вход-выход контроллера соединен с первым входом-выходом цифровой видеокамеры, второй вход-выход контроллера соединен со вторым входом-выходом электронно-вычислительного блока, третий вход-выход контроллера соединен со входом-выходом приемопередатчика сигналов в инфракрасном диапазоне, выход приемника инфракрасного излучения соединен с первым входом блока управления яркостью светодиодов, выход которого соединен со светодиодами; система может дополнительно содержать пульт управления, выход которого соединен со вторым входом блока управления яркостью светодиодов.
Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящей полезной модели.
Недостатком прототипа является то обстоятельство, что при передаче от светодиодов сигналов в инфракрасном диапазоне, как к цифровой видеокамере, так и к приемопередатчику, работающему в этом диапазоне, создаются помехи сигналу, поступающему от светодиодов на цифровую видеокамеру, что существенно снижает точность управления объектами виртуального пространства. Поэтому в устройстве-прототипе передача сигналов от светодиодов к цифровой видеокамере и к приемопередатчику должна осуществляться в разные промежутки времени, что ограничивает объем данных, передаваемых в единицу времени к контроллеру, и вызывает задержку в выполнении команд пользователя, а также, соответственно, усложняет синхронизацию работы элементов системы.
Задачей настоящей полезной модели является повышение скорости передачи данных и уменьшение задержки в выполнении команд пользователя, а также упрощение синхронизации работы элементов системы.
Согласно полезной модели в системе управления объектами виртуального пространства, включающей электронно-вычислительный блок, первый выход которого соединен со входом блока представления информации, цифровую видеокамеру, выполненную с возможностью восприятия инфракрасного излучения, и один или более светодиодов с инфракрасным спектром излучения, светодиоды размещены на теле пользователя или на предмете, перемещаемом пользователем, приемопередатчик сигналов, контроллер и блок управления яркостью светодиодов, при этом первый вход-выход контроллера соединен с первым входом-выходом цифровой видеокамеры, второй вход-выход контроллера соединен со вторым входом-выходом электронно-вычислительного блока, третий вход-выход контроллера соединен с первым входом-выходом приемопередатчика сигналов, первый выход блока управления яркостью светодиодов соединен со светодиодами, приемопередатчик сигналов выполнен с возможностью приема и передачи сигналов в радиочастотном диапазоне, система снабжена дополнительным приемопередатчиком сигналов в радиочастотном диапазоне, размещенным на теле пользователя или на предмете, перемещаемом пользователем, первый выход которого соединен с первым входом блока управления яркостью светодиодов, второй выход которого соединен с первым входом дополнительного приемопередатчика, второй вход-выход которого соединен со вторым входом-выходом приемопередатчика; система дополнительно содержит пульт управления, выход которого соединен со вторым входом блока управления яркостью светодиодов.
Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели критерию «Новизна».
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена:
на фиг.1 - блок-схема заявленной системы;
на фиг.2 - размещение светодиодов на голове пользователя.
Система управления объектами виртуального пространства включает электронно-вычислительный блок 1, в конкретном примере, стационарный компьютер.
Первый выход блока 1 соединен со входом блока 2 представления информации, в частности, монитора Samsung Sync Master Р2050. Система включает цифровую инфракрасную видеокамеру 3, построенную на базе видеоматрицы Omni Vision OV7720. В системе может использоваться, по меньшей мере, один светодиод 4 с инфракрасным спектром излучения. В этом случае система позволяет осуществить управление объектами двухмерного виртуального пространства. Для управления объектами трехмерного виртуального пространства необходимо, по меньшей мере, два светодиода, однако предпочтительнее использование трех или более светодиодов 4, так как при двух светодиодах возможно управление объектами виртуального пространства, предусматривающее их перемещение в направлении трех взаимно перпендикулярных осей без поворотов относительно этих осей. В конкретном примере использованы три светодиода типа OSRAM SFH4546. Светодиоды 4 размещены на теле, в частности, голове пользователя.
Система содержит приемопередатчик 5 сигналов в радиочастотном диапазоне, выполненный на базе микросхемы Texas Instruments СС2511, контроллер 6 типа DSP Analog Device ADSP-BF524, блок 7 управления яркостью светодиодов 4, представляющий собой микроконтроллер Atmel Mega16. Система также снабжена дополнительным приемопередатчиком 8 сигналов в радиочастотном диапазоне, выполненным на базе микросхемы Texas Instruments СС2510, размещенным на теле пользователя или на предмете, перемещаемом пользователем. Первый вход-выход контроллера 6 соединен с первым входом-выходом цифровой видеокамеры 3, второй вход-выход контроллера 6 соединен со вторым входом-выходом электронно-вычислительного блока 1, третий вход-выход контроллера 6 соединен со входом-выходом приемопередатчика 5, первый выход блока 7 управления яркостью светодиодов 4 соединен со светодиодами 4. Первый выход дополнительного приемопередатчика 8 соединен с первым входом блока 7 управления яркостью светодиодов 4, второй выход которого соединен с первым входом дополнительного приемопередатчика 8, второй вход-выход которого соединен со вторым входом-выходом приемопередатчика 5. Система может дополнительно содержать пульт 9 управления, представляющий собой джойстик с набором сенсорных датчиков касания построенных на базе микросхемы ANALOG AD7142 и кнопок типа Omron B3FS-1002P, выход пульта 9 соединен со вторым входом блока 7 управления яркостью светодиодов 4. Питание светодиодов 4 и блоков 7, 8, 9 осуществляется от аккумулятора ЕЕМВ LP402030, питание блоков 1, 2, 3, 5, 6 осуществляется от электрической сети. Фиксация светодиодов 4 и приемника 6 на голове человека осуществляется с помощью держателя 10. Возможно размещение светодиодов 4 и на другой части тела человека, например, на руке, или предмете, пространственное положение которого изменяется пользователем, например, на держателе 10, выполненном из пластмассы.
Система работает следующим образом.
В блоке 2 отражено трехмерное виртуальное пространство, созданное электронно-вычислительным блоком 1. Пользователь управляет обзором виртуальной видеокамеры, которая создается в виртуальном пространстве, и, изображение которой выводится в блок 2, а также взаимодействует с объектами в зоне видимости виртуальной видеокамеры. Цифровая видеокамера 3 с контроллером 6 и приемником 5 расположены рядом с монитором так, чтобы цифровая видеокамера 3 могла регистрировать перемещения светодиодов 4, закрепленных на голове пользователя с помощью держателя 10. Контроллер 6 посылает команду «Кто здесь?» блоку 7, используя приемопередатчик 5 сигналов в радиочастотном диапазоне; как только эта команда принята блоком 7, соответствующий сигнал поступает в дополнительный приемопередатчик 8, который посылает ответ «Я здесь» в радиочастотном диапазоне к приемопередатчику 5, от которого сигнал поступает к контроллеру 6. Это означает, что одно из устройств, находящихся на теле, в частности, на голове пользователя, опознано и готово к работе. Далее контроллер 6 через приемопередатчик 5 посылает команду блоку 7 «Снизить яркость светодиодов 4 до нуля», что позволяет программе, размещенной в контроллере 6, оценить внешние засветки в инфракрасном диапазоне, регистрируемые цифровой видеокамерой 3, и использовать эту информацию для более эффективного определения пространственного положения головы пользователя. Затем от контроллера 6 через приемопередатчики 5 и 8 передается команда «Включить светодиоды» к блоку 7. Пользователь изменяет положение головы относительно блока 2, не теряя его из виду, цифровая видеокамера 3 получает изображение светящихся светодиодов 4, преобразует его в электрические сигналы и передает контроллеру 6. Контроллер 6 обрабатывает полученные данные и передает их в электронно-вычислительный блок 1, где осуществляется вычисление пространственного положения светодиодов 4 и пространственного положения головы пользователя (или предмета, перемещаемого пользователем) относительно цифровой видеокамеры 3.
Полученные пространственные координаты с определенным масштабом и смещением используется для управления положением виртуальной видеокамеры, тем самым, позволяя пользователю рассмотреть на мониторе окружающее виртуальное пространство вокруг нее. При изменении положения головы пользователя видимая яркость светодиодов 4 изменяется на соответствующем изображении в цифровой видеокамере 3 вследствие определенной направленности излучения светодиодов 4. Для компенсации данного эффекта используется регулировка яркости светодиодов 4, осуществляемая блоком 7 управления яркостью светодиодов 4 (микроконтроллером).
Основываясь на предыдущем значении угла поворота головы, контроллер 6 через приемопередатчики 5 и 8 передает блоку 7 команду: «Выставить яркость светодиодов 4 на необходимую величину для компенсации изменения их яркости при данном угле поворота головы пользователя». Возможность управлять яркостью светодиодов 4 позволяет осуществлять сложные действия в виртуальном пространстве, например, такие, как переворот объекта, обеспечивается возможность распознавания нескольких устройств, находящихся в поле зрения цифровой видеокамеры 3. Пользователь может осуществлять взаимодействие с объектами виртуального пространства, попавшими в зону видимости виртуальной камеры и находящимися на определенном расстоянии от нее, путем задействования сенсорных датчиков касания, расположенных на пульте 9 управления. Значение сигнала соответствующего определенному сенсорному датчику на пульте 9, поступает в блок 7 управления яркостью светодиодов 4. Блок 7 через блоки 8, 5, 6 передает значение сигнала электронно-вычислительному блоку 1. После этого происходит определенное событие с объектом виртуального пространства, отображаемым в блоке 2. Например, человек на экране может открыть дверь помещения, оказать воздействие на другие объекты виртуального пространства и т.д.
Реализация признаков полезной модели позволяет устранить помехи сигналу, поступающему от светодиодов 4 на цифровую видеокамеру 3. Это позволяет осуществлять передачу сигналов от светодиодов 4 к цифровой видеокамере 3 и от приемопередатчика 8 к приемопередатчику 5 одновременно и, соответственно, увеличить объем данных, поступающих в единицу времени к контроллеру 6. При этом устраняются задержки в выполнении команд пользователя, упрощается синхронизация работы элементов системы.
Все вышеперечисленное позволяет пользователю данной системы максимально полно и комфортно погрузиться в виртуальное пространство и взаимодействовать с находящимися в нем объектами и предметами.
Сборка и регулировка системы осуществляется в заводских или лабораторных условиях; изготовлены и испытаны опытные образцы системы. Это обстоятельство, по мнению заявителя, позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели критерию «Промышленная применимость».