Устройство для отображения графической информации на экране электронно-лучевой трубки

 

ОП ИЗДАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ щ963079

Союз Советсиин

Соцмапистическми

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 13.04.81 (21) 3274165/18-24 (5) }М. Кд.

G 09 (з 1/16 с присоединением заявки РЙ

9кудоротоаннвй комитет

CCCP но делам изобретений н отнрнтнн (23) Приоритет (53) УДК681.327. . 1 1 (088.8) Опубликовано 30.09.82. Бюллетень № 36

Дата опубликования описания 30.09.82 (72) Авторы изобретения

Б, Г. Майоров, Н. П, Сергеев и С. А. Чумако

Пензенский попитехнический институт (7!) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТОБРАЖЕНИЯ ГРАФИЧЕСКОЙ

ИНФОРМАЦИИ НА ЭКРАНЕ ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВОЙ

ТРУБКИ

Изобретение относится к технике формирования сложных динамических изображений проекций трехмерных объектов на экране эпектроннопучевой трубки (ЭЛТ} и. может быть использовано в системах отображения информации тренажеров дпя обучения управлению подвижными объектами, в игровых автоматах, системах автоматизированного контропя ипи управле-. ния, а также везде, где необходим син.тез изображений проекций трехмерных .объектов на плоскость, динамика которых заключается в неограниченном перемешении и повороте изображения в реапьном

:времени на любой угол вокруг пюбых из трех осей трехмерной системы коор динат.

Известно устройство дпя отображения . информации на экране ЭЛТ, которое со- держит счетчики координат по осям )(и . т, генератор импульсов, блок ввода информации, синхрогенератор и другие бпо (1).

Однако данное устройство не обеспечивает перемешение и поворот формируемого изображения на тот ипи иной угол, а также спожно по конструкции, Нанбопее бпизким по технической суш5 ности к предлагаемому является устройство дпя отображения информации на экране телевизионного индикатора, содержашее блок синхронизации, первый выход которого соединен с первым входом пирро-аналогового преобразоватепя, а второй выход — с первыми входами блоков вычисления первой и второй координат, выходы которых соединены с первыми и вторыми входами бпока памяти, а вторые входы - с первым и вторым входами бпока ввода информации P), Однако известное устройство позвопяет формировать на экране ЭЛТ изображе20,ния проекций трехмерных объектов, имеюших только трн, а не шесть степеней .свободы.

Иель изобретения — расширение области применения устройства за счет попу9630

3 чения иэображений проекций трехмерных объектов, имеюших шесть степеней свободы и устранение изображений невидимых частей иэображения объекта.

Укаэанная цель достигается тем, что 5 в устройство, содержащее бпок синхро низации, первый выход которого соединен с первым входом цифре-aíàëîãîâîãî преобразоватепя, а второй выход — с первыми входами блоков вычисления первой и второй координат, выходы которых соединены с первым и вторым входами бпока памяти,.а вторые входы бпоков вычис- пения первой и второй координат — с первым и вторым выходами блока ввода ин- 15 формации,.введены блок буферной памяти, схема сравнения, бпок схем сравнения и блок вычисления третьей координаты, первый вход которого подкпючен к третьему выходу бпока ввода информации, второй вход бпока вычиспения третьей координа ты соединен с вторым выходом бпока синхронизации, а выход - с третьим входом блока памяти и первым входом блока схем сравнения, два другие входа которого под-g5 ключены к выходам блоков вычисления первой и второй координат, четвертый вход бпока схем сравнения подкпючен к, четвертому выходу блока ввода информации, а выход соединен с четвертым входом блока памяти, выход которого через схему сравнения подключен к входу блока синхронизации, третий выход которого соединен с первым входом блока буферной памяти, выход которого соединен с вторым входом цифро-анапогового преобразо-55 ватепя, второй вход блока буферной памяти — с выходом бпока памяти.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 ° эпюра, илпюстрируюшая поворот и параппельный перенос трехмерной системы координат; на фиг. 3 - структурная схема блока вычисления координат.

Блок памяти содержит матрицу запоминаюших устройств, организовайную по типу 3 D (трехкоординатная адресная система), а каждый блок вычиспения координат содержит три цифровых интегратора, выходы которых подключены к входам сумматора, а входы являются входами импупьсиых поспедовательностей с частотами сканирования матрицы по трем координатам, причем выход сумматора явпяется выходом блока.

Организация матрицы запоминающих 55 устройств (ЗУ) по типу ЭЯ) позволяет записать в каждую ее ячейку информацию о яркости и цвете каждой точки простран79 4 ства, в котором помешен трехмерный отображаемый объект. При этом значения ко« да яркости точек поверхности объекта выше значения кода яркости фона, т.е. среды, в которую помешен объект. Путем определенной органиэации процесса считывания информации можно попучить иэображение проекции объекта на плоскость экрана электроннолучевой трубки при любом повороте системы координат объекта относительно координат экрана.

Порядок считывания информации, определяется математическим описанием параллельного переноса и поворота трехмерной системы координат.

Поворот осей трехмерной системы координат описывается посредством так называемых направпяюших косинусов, т.е. косинусов девяти углов между каждой иэ осей развернутой системы координат и каждой осью опорной системы координат, Обозначения этих косинусов сведены в табпицу

C05@g С05 (. gp

COG 1 С05.pg С05

СО Ф сО.5 у сочХ

/ 1

С учетом параллепьного переноса выражение дпя поворота трехмерной системы координат можно записать в таком виде

Х =Х СОМ,+ ТСО л+2СО%-(ХО =О о(1+

+ +Y со Д +Z ccoos y„);

Y "-XCo54

+ .(оСО5 Р +2„СО У, ); (1)

2, "-ХСОМ + КЮ5 Ь +АССОЦ -()(СОЯ

+ (СО 5 P + 2о СО ), где Х, (, Z - текущие адреса опорной системы координат; у 2 — адрес центра врашения в си0 Ot 0 стеме координат; "

- текущие адреса врашаюшей т ся и перемешаюшейся системы координат.

Графическая интерпретация выражений (1) приведена на фиг. 2. (Отрицатепьные направпения координатных осей X, Y, - и

)(, не приведены. Значками Х,, обозначена система координат паралпепьная системе координат X

Для практического использования выражения (1 ) спедует уточнить, введя сме79 6

Все точки матрицы ЗУ, имеющие в системе координат растра (X и Ч ) одинаковые адреса (М. и 1 ) и отличающиеся

1 топько адресами по координате Z будут спроецированы в одну точку с координатами )(„, (; Zz причем 3о =О. Спедоватепьно, яркость этой точки на растре будет складываться из яркостей видимой и невидимой со стороны ппоскости Х и Т поверхности объекта, изображение которого записано в матрице ЗУ. Это нежелательный эффект, внешне выражающийся в одинаковой видимости на экране видимых и невидимых частей объекта. Объект отображается как бы прозрачным. В связи с этим необходимо введение в схему устройства, схемы сравнения, прекращающей процесс сканирования матрицы по координате Z в момент достижения развертывающей функции по Х точки лежащей нй видимой, т.е. ближашей к плоскости Х и У поверхности объекта. Такая точка может быть опознана по ве тичине уровня яркос ти, не равной нупевой, т,е. фоновой (изображение на черном фоне). Сканирование по координате ф прекращается до момента изменения адресов х ипи У, после чего начинается с нупя.

Устройство содержит (фиг. 1) бпок 1 синхронизации, блоки 2-4 вычиспения координат, блок 5 памяти, бпок 6 схем сравнения, блок 7 ввода информации, схему 8 сравнения, бпок 9 буферной памяти, цифро-аналоговый преобразоватепь 10.

Блок расчета координат содержит три двоичных дискретных делитепя частоты

1 1-1, 11-2, 11-3, три двоичных реверсивных счетчика 12-1, 12-2, 12-3 и сумматор 13. Частотные выходы двоичных делитепей частоты явпяются входами частот сканирования матрицы по трем координаr - f (, у, I z.

Выходы двоичных дискретных депителей частоты 11-1, 11-2, 11-3 соединены С0 счетными входами реверсивных счетчиков 12-1, 12-2, 12-3, выходы

I которых подключены к входам сумматора

13, а его выход явпяется выходом бпока

Установочные входы реверсивных счетчиков 12-1, 12-2, 12-3, их входы управпяюшие реверсом и входы установки коэффициентов пересчета двоичных дискретных депитепей частоты 11-1, 11-2, 113 являются управляющими входами бпока

Перед качаном процесса отображения информации в ячейки ЗУ блока памяти адресным способом заносятся коды яркости и цвета всех точек поверхности отображаемого объекта, поспе чего процесс форХ=Х к0х (= Y wax - аХ

Проекцию тела, помещенного в это 45 .цространство, на плоскость можно получить, если каждой точке ппоскости X, ( поставить в соответствие все точки пространства, лежащие на линии, параппепьной оси 2. и проходящей через. данную точку на плоскости Х и 1, Поставив в соответствие .системе координат Х, Y, систему координат матрицы

ЗУ, т.е. считывания ее адресными функциями, вычисляемыми по выражениям (2), 55 в системе координат растра, совмещенной с ппоскостью Х n (, попучим проекцию системы координат матрицы на ппоскость растра.

5 9630 шение точки центра вращения относитепь;но начала координат )(Ч Z на вецичины, ° 1

Е 1 г соответственно обозначаемые Ха f и 2, Это уточнение позвопяет описать вращение системы координат (, У, z не топь-5

I 1 у ко вокруг ее начала, но и вокруг любой другой точки системы. С учетом этого выражения (1) примут вид

X = ХСОМ1+УСО 1+ со6 1 (ХосОМ „+

+ (осс 1+2о<06+ )+Хо

= Х.СОМ1 ЧСО P + 2СО5 -(X

+ Yo ba. + о сОВ " ) +Чо (Z. =ÕñîÌ +Ч COS - Со У -(ХосОМ +

>v co6$ +z cos+> )+Z.o

15 где >о Vp,2. о — айрес центра вращения в

f $ системе координатХ,Ч1 .

Попученные выражения можно технически реализовать с помощью специализированных вычиспительных устройств, каж .— дое из которых содержит три интегратора и сумматор. Каждый интегратор, в свою очередь, содержит поспедоватепьно соединенные двоичный дискретный делитель частоты илвоичный реверсивныйсчет- 5 чик. Выходы интеграторов соединены с входами сумматора, На выходе сумматора формируется код текущего значения .1 координаты М., и пи У, и пи

Если изменять значения координат Х .и 1 по закону движения пуча по тепевизионному растру, а величину Z. от нупя до максимума за время одного шага величины X <, ïoïó÷èì некоторый трехмерный растр, т.е. сможем последоватепьно обойти все точки пространства, ограничен35 ного прямоугольником, три ребра которого являются координатными осями,(g Z

У а три других ребра описываются выраже-. нием

96307 9 мирования изображения происходит спедуюшнм образом

Блок 1 синхронизации формирует импупьсцые последовательности частот сканирования трехмерного растра f у,fz, 5

Эти последовательности поступают на входы бпоков 2-4 вычисления координат, на вторые входы которых через блоки ввода информации из управпяюшей вычислительной машины поступают значения коэффициентов и свободных членов выражений системы (2). Формируемые на выходах блоков 2-4 вычисления координат коды

i текуших значений адресных функций X,у и 2. поступают на соответствующие вхо- М ды бпока 5 памяти и блока 6 схем сравнения, где они сравниваются с кодами границ области системы координат матрицы ЗУ бпока 5 памяти, в которой записано иэображение объекта. Формируемый 20 блоком схем 6 сравнения сигнал запрешает считывание информации из матрицы ЗУ блока 5 памяти иэ обпастей, где нет иэображения объекта.

Выходной сигнал бпока 5 памяти, пред" 5 ставпяюший собой код яркости различных точек изображения, поступает на вход бпо. ка 9 буферной памяти и схемы 8 сравнения, где он сравнивается с кодом яркости фона. Выходной сигнап схемы 8 срав-З нения, поступающий на вход блока 1 синхронизации прекращает формирование на его выходе импупьсной посцедоватепьности частоты сканирования изображения по координате 2 в момент достижения кодом величины с . значения адреса ячейки ЗУ, в которой записан код яркости отличный от фонового. Сканирование по координате 2 возобновится с нулевого адре- са после изменения адреса по ординате

Х ипи (.

В блоке 9 буферной памяти производится согласование скоростей считывания информации из блока 5 памяти и скорос- тей разверток телевизионного растра. Фор-. мируемый на выходе бпока 9 буферной па45 мяти код яркости изображения поступает на вход блока цифро-аналогового преобра» зоватепя 10, где он преобразуется в видеосигнал изображения и снабжается необходимыми импульсами синхронизации разверток растра и гашения обратного хода пуча.

Пример. Максимальная частота сканирования матрицы ЗУ определяется допустимой скоростью выборки адресов при- Ы меняемой элементной базы. Наилучшие образцы современных отечественных элементов памяти дают возможность довести частоту смены адресов выборки до 5 мГц.

Остальные частоты (f и f ) опредепяются этой вепичиной и размерами матрицы ЗУ. Иэ анализа различных кпассов задач, решаемых устройством отображения можно сдепать вывод о том, что наиболее употребляемой может считаться матрица ЗУ кубической формы со стороной

128. элементов. Тогда частоты и, определяются спедуюшим образом

1 — 39 Гц х 128

1 — 305 Гц. у 128 х.

Блок синхронизации форм ируе т э ти импульсныее последовательности и они поступают на соответствующие входы бпоков

2-4 вычисления координат. На другие входы этих блоков из управляюшей вычислительной машины через бпок 7 ввода информации поступают коды направпяюших косинусов, которые устанавливают в них коэффициенты депения частот двоичными дискретным и де пи те пями частоты, а также свободные чпены выражения (2), как показано на фиг. 3 дпя случая формирования блоком расчета координат текущего кода выборки адреса g (ф.), Импульсные последовательности с выходов двоичных дискретных делителей. частоты поступают на счетные входы реверсивных счетчиков

12-1„12-2 и 12-3, На вход управления реверсом этих счетчиков поступает код знака косинуса соответствующего угла, а на установочные входы в качестве начапьных условий — коды свободных членов выражений системы (2). Выходные сигналы цифровых интеграторов, образованных двоичными дискретными делителями частоты н соответствуюшимн реверсивными счетчиками, поступают на входы сумматоров 13 (фиг. 3), на выходах которых, явпяюшихся выходами бноков расчета координат, формируются коды выборки адресов матрицы ЗУ Х, " и Z Эти коды поступают на адресные входы блока

5 памяти и входы блока 6 схем сравнения. В блоке 5 памяти эти коды производят выборку адресов ячейки ЗУ по координатам )(, (. и Z,а в бпоке 6 схем сравнения они сравниваются с максимальными и минимальными значениями адресов матрицы ЗУ, определяющими область

ЗУ, в которой записано иэображение отображаемого объекта. Зто необходимо делать потому, что в обшем случае в матрице ЗУ могут быть записаны нзображе9 9630 ния нескольких объектов и выбор отображаемого объекта может производиться изменением кодов максимапьных и минимальных значений адресов матрицы ЗУ, тем самым определяя обпасть, где находится требуемый объект. Выходной сигнал блока схем сравнения поступает на вход разрешения обрашения к ЗУ в те моменты, когда блоки вычисления координат фор. мируют коды выборки адреса в той обпас-10 ти, где находится отображаемый объект.

Код яркости изображения с выхода блока памяти поступает на вход схемы сравнения, на одном входе которой установпен нупевой код, соответствуюший фо- 1S новой яркости изображения. На выходе схемы сравнения формируется сигнап, ко..торый, поступая на вход блока 1 синхронизации, прекращает формирование импу raüской поспедоватепьности f z. Это равно- щ сильно прекрашению сканирования трехмерного растра по оси Z, бпагодаря чему предотврашается отображение невидимых частей объекта.

Период считывания информации из матрицы ЗУ принятого размера можно определить, испопьзуя следующее выражение

79 lO врашению самого объекта ипи его натуральной модели перед объективом тепекамеры, Сравнение технико-экономического эффекта предпагаемого устройства с известными показывает его преимушества в объеме испопьзуемого оборудования, оперативности управпения и качестве изображения.

11ействитепьно, при реализации метода фиксирования в .матрицах, организованных по типу 2З изображений отдепьных фаэ движения требуется 4,28 10"о бит памяти, в то время как в предпагаемом устройстве при теЖ же условиях используеть ся 14,68 10 бит, т.е. почти в 3000 раз меньше.

Устройство не требу-ет повышенного быстродействия от управпяюшей вычиспительной машины в связи с несложностью вычисления коэффициентов и свободных членов уравнений, описывающих процесс.

Кроме того, возможно использование несложного преобразователя спгнапов датчиков в величины, требуемые дпя расчета координат.

Т = — -128 = 0,42 с ..

С -1ч

Если сравнить эту величину с периодом кадровой развертки (0,02 с) становиться ясной необходимость применения блока 9 буферной памяти дпя согласования периодов считывания информации из биска 5 З памяти и отображения ее на экране ЭЛТ.

Блок 9 буферной памяти состоит из двух частей, каждая иэ которых представпяет собой ЗУ, организованное по типу 22<

Работают эти части с разделением вре» мени, т.е. в то время, когда информация из блока 5 памяти переписывается в одну часть ЗУ, из второй производится считывание и воспроизведение ее на экране ЭЛТ, В момент завершения процесса переписи информации части буферного- ЗУ меняются функциями и процесс возобновпяется.

Таким образом, на экране электронно50 лучевой трубки формируется изображение проекции трехмерного объекта на картинную плоскость. Воспроизводятся только видимые со стороны картинной ппоскости ,части иэображения поверхности объекта.

При повороте системы координат матрицы относительно системы координат растра происходит соответствующее изменение внешнего вида этой проекции анапогично

Формула изобретения

Устройство дпя отображения графической информации на экране эпектроннопу чевой трубки, содержашее блок синхронизации, первый выход которо;о соединен с первым входом пифро-анапогового преобразователя, а второй выход — с первыми входами блоков вычисления первой и второй координат, выходы которых соединены с первым и вторым входамп бпока памяти, а вторые входы бпоков вычпспения первой и второй координат соединены с первым и вторым выходами бпока вво, аа информации, о т и и ч а ю ш е е с я тем, что, с целью расширения области ,применения за счет получения пзображе— ний проекций трехмерных объектов, имеюших шесть степеней свободы и устранения изображений невидимых частей изображений объекта, в устройство введены блок буферной памяти, схема сравнения, бпок схем сравнения и бпок вычиспения третьей координаты, первый вход которого подкпючен к третьему выходу бпока ввода информации, второй вход блока вычиспения третьей координаты соединен с BTOрым выходом бпока синхронизации, а выход — с третьим входом бпока памяти и первым входом бпока схем сравнения, два других входа которого подкпючены к

11 963079 12 выходам блоков вычиспения первой и вто- тГифро-.аналогового преобразователя, второй координат, четвертый вход бпока схем рой вход бпока буферной памяти соединен сравнения подключен к четвертому выхо- с выходом бпока памяти, ду блока ввойа информации, а выход сое- Источники информации, динен с четвертым входом бпока памяти, у принятые во внимание при экспертизе выход которого через схему сравнения . 1. Авторское свидетепьство СССР подключен к входу бцока синхронизации N 485478, кл. G 06 К 15/20, 1975. третий выход которого соединен с пер- 2. Авторское свидетепьство СССР вым входом блока буферной памяти, вы- % 723624, кп. G 06 К l5I20, 1978 ход которого соединен с вторым входом 16 (прототип),