RU2514086C2 - Device for organisation of 3d user interface - Google Patents
Device for organisation of 3d user interface Download PDFInfo
- Publication number
- RU2514086C2 RU2514086C2 RU2012104367/08A RU2012104367A RU2514086C2 RU 2514086 C2 RU2514086 C2 RU 2514086C2 RU 2012104367/08 A RU2012104367/08 A RU 2012104367/08A RU 2012104367 A RU2012104367 A RU 2012104367A RU 2514086 C2 RU2514086 C2 RU 2514086C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- television camera
- emitters
- shadow
- location
- finger
- Prior art date
Links
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 13
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 17
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 11
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 9
- 238000011960 computer-aided design Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000005338 frosted glass Substances 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 235000019583 umami taste Nutrition 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Studio Devices (AREA)
- Image Input (AREA)
- User Interface Of Digital Computer (AREA)
- Position Input By Displaying (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технике оптико-электронных измерительных систем и устройств ввода информации в вычислительные устройства и системы. Оно может использоваться в информационно-справочных и платежных терминалах для организации новых типов взаимодействия с их программным обеспечением, для облегчения проектирования при трехмерном манипулировании объектами в системах автоматизированного проектирования (САПР) и прочих интерактивных и пассивных системах.The invention relates to techniques for optoelectronic measuring systems and devices for inputting information into computing devices and systems. It can be used in information and reference and payment terminals to organize new types of interaction with their software, to facilitate design during three-dimensional manipulation of objects in computer-aided design (CAD) systems and other interactive and passive systems.
Известен ряд устройств аналогичного применения. Это, например, устройства фирмы 3Dconnexion [1, 2] представляющие собой оптико-механические системы трехмерного позиционирования, с шариком или джойстиком. Они предназначены для работы в САПР или в приложениях, которые требуют контроля перемещения чего-либо в виртуальном пространстве (например, Google Earth, 3ds Max, Autodesk Inventor, Компас-3D и т.п.). Очевидным недостатком данной системы является необходимость физического контакта пользователя с джойстиком.A number of devices of similar application are known. These are, for example, 3Dconnexion devices [1, 2], which are optical-mechanical systems of three-dimensional positioning, with a ball or joystick. They are designed to work in CAD or in applications that require control of the movement of something in the virtual space (for example, Google Earth, 3ds Max, Autodesk Inventor, Compass-3D, etc.). The obvious disadvantage of this system is the need for physical contact of the user with the joystick.
Из бесконтактных оптико-электронных систем аналогичного назначения известно устройство, предложенное фирмой Apple [3]. Это устройство содержит лазер, который с помощью 2 подвижных, оптически сопряженных с ним зеркал осуществляет сканирование рабочей области, в которой могут располагаться пальцы человека-оператора. Отраженное от этих пальцев оптическое излучение попадает на фотоприемник, выход которого соединен с входом фазового детектора. Выходной сигнал фазового детектора пропорционален фазовому сдвигу между сигналом, модулирующим лазерный луч по амплитуде, и сигналом с выхода фотоприемника. Таким образом, в результате сканирования рабочей области можно получить набор расстояний до подсвечиваемых точек на пальцах человека-оператора. Эта информация используется далее для формирования изображений пальцев и выводится на экран монитора. Вычислительное устройство определяет моменты совпадения положения пальцев в рабочей зоне с координатами виртуальных объектов, с которыми осуществляется взаимодействие человека-оператора. Недостатком данного устройства является его сложность, связанная с необходимостью измерения малых фазовых сдвигов, и наличие механической развертки.Of non-contact optical-electronic systems of a similar purpose, a device proposed by Apple is known [3]. This device contains a laser, which with the help of 2 movable, optically conjugated mirrors scans the working area in which the fingers of a human operator can be located. The optical radiation reflected from these fingers is incident on a photodetector, the output of which is connected to the input of the phase detector. The output signal of the phase detector is proportional to the phase shift between the signal modulating the laser beam in amplitude and the signal from the output of the photodetector. Thus, as a result of scanning the working area, you can get a set of distances to the highlighted points on the fingers of a human operator. This information is further used to form finger images and is displayed on the monitor screen. The computing device determines the moments of coincidence of the position of the fingers in the working area with the coordinates of virtual objects with which the human operator interacts. The disadvantage of this device is its complexity associated with the need to measure small phase shifts, and the presence of mechanical sweep.
Наиболее близким по технической реализации с заявляемым является «Устройство для трехмерной манипуляции» [4]. Это устройство содержит первый и второй излучатели, поверхность, диффузно рассеивающую падающее на нее излучение, и оптически сопряженную с этими излучателями и называемую далее «поверхность теневой локации», на которую поочередно падают световые потоки от первого и второго излучателя. Кроме того, в устройство входит телевизионная камера, зоной обзора которой является оптически сопряженная с ней «поверхность теневой локации». Рабочая область устройства образуется пересечением конусов распространения потоков излучений, падающих на «поверхность теневой локации» от первого и второго излучателей. При этом при введении пальца оператора в рабочую область на «поверхности теневой локации» образуются поочередно, по сигналам вычислительного устройства управляющего включением излучателей, две тени. Их изображения с помощью телевизионной камеры вводятся в вычислительное устройство, которое определяет по ним пространственные координаты пальца и углы его наклона. Эта информация затем вводится в компьютер, к которому подключено данное устройство.Closest to the technical implementation with the claimed is "Device for three-dimensional manipulation" [4]. This device contains the first and second emitters, a surface diffusely scattering the radiation incident on it, and optically coupled to these emitters and hereinafter referred to as the “shadow location surface”, onto which the light fluxes from the first and second emitters alternately fall. In addition, a television camera is included in the device, whose field of view is the “shadow location surface” optically conjugated to it. The working area of the device is formed by the intersection of the propagation cones of the radiation flux incident on the "surface of the shadow location" from the first and second emitters. At the same time, when the operator’s finger is inserted into the work area, two shadows are formed alternately, according to the signals of the computing device controlling the inclusion of emitters, on the “shadow location surface”. Their images using a television camera are entered into a computing device, which determines the spatial coordinates of the finger and its tilt angles. This information is then entered into the computer to which this device is connected.
Недостатком данного устройства является пониженное быстродействие, связанное с необходимостью поочередного формирования теней от двух источников излучения и синхронный с этим процесс ввода в вычислительное устройство значений видеосигналов отдельно при включенном первом и втором излучателях.The disadvantage of this device is the reduced performance associated with the need for alternating the formation of shadows from two radiation sources and synchronous with this process of entering into the computing device the values of the video signals separately when the first and second emitters are turned on.
Целью предлагаемого изобретения является повышение быстродействия и упрощение устройства.The aim of the invention is to increase speed and simplify the device.
Для этого в известном устройстве, которое содержит первый и второй излучатели, оптически сопряженную с ними «поверхность теневой локации», выполненную в виде диффузно рассеивающей падающее на нее излучение поверхность телевизионную камеру, полем обзора которой является «поверхность теневой локации», и вычислительное устройство на вход которого поступает видеосигнал с выхода телевизионной камеры, упомянутые выше первый и второй излучатели выполнены таким образом, что формируют световые потоки ψ1 и ψ2 с различными спектральными максимумами γ1 и γ2, а телевизионная камера должна быть, по крайней мере, двухспектральной (цветной), причем значение γ1 должно принадлежать одному, а γ2 другому диапазону спектральной чувствительности телевизионной камеры. При появлении в рабочей зоне пальца оператора на «поверхности теневой локации» образуются две полутени, первая, связанная с отсутствием светового потока от первого излучателя, вторая, с отсутствием светового потока от второго излучателя. В вычислительное устройство вводятся изображения «поверхности теневой локации», в двух спектральных диапазонах телевизионной камеры и далее находятся границы обоих полутеней, по которым определяются пространственные координаты пальца оператора.To do this, in the known device, which contains the first and second emitters, an “shadow location surface” optically conjugated to them, made in the form of a television camera surface diffusely scattering incident radiation, the field of view of which is “a shadow location surface”, and a computing device for an input video signal is output from the television camera, the above-mentioned first and second radiators are arranged so that they form light fluxes ψ 1 and ψ 2 with different spectral maxi umami γ 1 and γ 2, and the TV camera must be at least dvuhspektralnoy (color), and the value of γ 1 shall belong to one and another range γ 2 of the spectral sensitivity of the television camera. When an operator’s finger appears on the “shadow location surface” in the working area, two penumbraes are formed, the first associated with the absence of light flux from the first emitter, the second with the absence of light flux from the second emitter. Images of the “surface of the shadow location” are entered into the computing device, in the two spectral ranges of the television camera and then the boundaries of both penumbraes are found, which determine the spatial coordinates of the operator’s finger.
На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства, Figure 1 shows the functional diagram of the proposed device,
где 1, 2 - первый и второй излучатели, формирующие световые потоки ψ1 и ψ2 с длинами волн γ1 и γ2 соответственно;where 1, 2 are the first and second emitters forming the light flux ψ 1 and ψ 2 with wavelengths γ 1 and γ 2, respectively;
3 - телевизионная камера с углом обзора Ф;3 - a television camera with a viewing angle f;
4 - вычислительное устройство;4 - computing device;
5 - «поверхность теневой локации»;5 - “surface of the shadow location”;
Устройство функционирует следующим образом.The device operates as follows.
Излучатели 1 и 2 представляют собой в достаточном приближении точечные источники излучения, например мощные светодиоды красного и зеленого цветового диапазонов, причем их оптические оси должны проходить через «поверхность теневой локации». Для того чтобы их излучение максимально эффективно было использовано, т.е. не выходить за пределы «поверхности теневой локации», они могут быть снабжены фокусирующей оптикой. Эти излучатели создают два потока излучения ψ1 и ψ2 с максимумом в спектрах γ1 и γ2, в частности для красного и зеленого светодиодов их значения равны 620-630 нм [5] и 520-530 нм [6] соответственно.The
Отраженные от «поверхности теневой локации» световые потоки φ1 (частичное отражение потока ψ1) и φ2 (частичное отражение потока ψ2) регистрируется телевизионной камерой 3, которая представляет собой стандартную камеру цветного изображения с выходными сигналами RGB (красная, зеленая и голубая составляющие яркости) в аналоговом или цифровом виде и которые поступают далее на вход вычислительного устройства 4. Рабочая область устройства образуется пересечением конусов распространения потоков ψ1 и ψ2, падающих на поверхность «теневой локации» 5. При этом в случае появления в рабочей области пальца человека-оператора на «поверхности теневой локации» образуются две полутени.The light flux φ 1 (partial reflection of the flux ψ 1 ) and φ 2 (partial reflection of the flux ψ 2 ) reflected from the “surface of the shadow location” is recorded by a
Сказанное иллюстрируется оптико-геометрической схемой, изображенной на фиг.2, The foregoing is illustrated by the optical-geometric scheme depicted in figure 2,
Где 6, 7 - полутени, образуемые на «поверхности теневой локации».Where 6, 7 are partial shadows formed on the “surface of the shadow location”.
8 - объектив телевизионной камеры;8 - a lens of a television camera;
9 - фотоприемная матрица в составе телевизионной камеры 3;9 - photodetector matrix as part of a
10, 11 - изображения полутеней 6 и 7 соответственно;10, 11 -
12 - кисть человека-оператора.12 - a brush of a human operator.
Изображение «поверхности теневой локации» на фотоприемной матрице 9 имеет следующие особенности:The image of the "surface of the shadow location" on the
- в области 10 отсутствуют спектральные составляющие светового потока формируемого излучателем 1 и присутствуют спектральные составляющие светового потока, формируемого излучателем 2;- in
- в области 11 отсутствуют спектральные составляющие светового потока формируемого излучателем 2 и присутствуют спектральные составляющие светового потока, формируемого излучателем 1;- in
- по остальному изображению «поверхности теневой локации» присутствуют световые потоки, формируемые как излучателем 1, так и излучателем 2.- the rest of the image "surface of the shadow location" there are light fluxes generated by both the
Таким образом, если 1-й излучатель представляет собой светодиод красного цвета, а второй излучатель светодиод зеленого цвета, то в видеосигнале телевизионной камеры 3 области 10 и 11 могут быть обнаружены на основании следующего правила:Thus, if the 1st emitter is a red LED, and the second emitter is a green LED, then in the video signal of the
где R(t) и G(t) - текущие значения цветовых R и G составляющих видеосигнала;where R (t) and G (t) are the current values of the color R and G components of the video signal;
Расчетные формулы, позволяющие определить пространственные координаты пальца человека-оператора, могут быть выведены на основании геометрической схемы, изображенной на фиг.3, Calculation formulas that allow you to determine the spatial coordinates of the finger of a human operator can be derived based on the geometric diagram shown in figure 3,
где I1(xI1,yI1,zI1) - координаты оптического центра первого излучателя;where I 1 (x I1 , y I1 , z I1 ) - coordinates of the optical center of the first emitter;
I2(xI2,yI2,zI2) - координаты оптического центра второго излучателя;I 2 (x I2 , y I2 , z I2 ) - coordinates of the optical center of the second emitter;
5 - «поверхность теневой локации»;5 - “surface of the shadow location”;
6,7 - полутени;6.7 - partial shade;
a, b - характерные точки, принадлежащие поверхности пальца человека-оператора (кончик пальца и любая из точек отстоящая от кончика пальца соответственно);a, b - characteristic points belonging to the surface of the finger of a human operator (the tip of the finger and any of the points spaced from the tip of the finger, respectively);
0XYZ - базовая система координат;0XYZ - basic coordinate system;
a 1(xa1,yа1,0) - координаты проекции точки а на плоскости 0XY, причем проектирующая прямая выходит из оптического центра первого излучателя; a 1 (x a1 , y a1 , 0) - the coordinates of the projection of point a on the 0XY plane, and the projecting line leaves the optical center of the first emitter;
a 2(xa2,yа2,0) - координаты проекции точки а на плоскости 0XY, причем проектирующая прямая выходит из оптического центра второго излучателя; a 2 (x a2 , y a2 , 0) - the coordinates of the projection of point a on the plane 0XY, and the projecting line leaves the optical center of the second emitter;
b1(xb1,yb1,0) - координаты проекции точки b на плоскости 0XY, причем проектирующая прямая выходит из оптического центра первого излучателя;b 1 (x b1 , y b1 , 0) - the coordinates of the projection of point b on the 0XY plane, and the projecting line leaves the optical center of the first emitter;
b2(xb2,yb2,0) - координаты проекции точки b на плоскости 0XY, причем проектирующая прямая выходит из оптического центра второго излучателя.b 2 (x b2 , y b2 , 0) - the coordinates of the projection of point b on the 0XY plane, and the projecting line leaves the optical center of the second emitter.
Координаты точек а 1, а 2, b1, b2 могут быть получены из значений координат их изображений на поверхности фотоприемной матрицы 9, умножением на величину линейного увеличения оптической системы [7].The coordinates of the points a 1 , a 2 , b 1 , b 2 can be obtained from the coordinates of their images on the surface of the
Уравнение прямой проходящей через 2 заданные точки (X1,Y1,Z1) и (X2,Y2,Z2) имеет вид [8]:The equation of a line passing through 2 given points (X 1 , Y 1 , Z 1 ) and (X 2 , Y 2 , Z 2 ) has the form [8]:
И может быть представлено в виде системы:And can be represented as a system:
Переходя к используемым в тексте значениям координат I1, I2, а 1, а 2, b1, b2, получаем следующие (переопределенные) системы уравнений.Passing to the coordinate values used in the text I 1 , I 2 , a 1 , a 2 , b 1 , b 2 , we obtain the following (overdetermined) systems of equations.
Для точки а:For point a:
Для точки b:For point b:
Решения систем 4 и 5 относительно неизвестных xa, ya, za и xb, yb, zb дает координаты точек а и b в системе OXYZ.The solutions of
Направляющие косинусы вектора проходящего через точки а и Ь, могут быть получены из формул[6]:The direction cosines of the vector passing through the points a and b can be obtained from the formulas [6]:
где
Во втором варианте исполнения данного устройства, «поверхность теневой локации» представляет собой оптически прозрачный, диффузно рассеивающий излучение материал (например, матовое стекло). При этом телевизионная камера 3 располагается под «поверхностью теневой локации», и оптически сопряжена с этой поверхностью, как показано на фиг.4, и регистрирует излучения, падающие на нее.In the second embodiment of this device, the "shadow location surface" is an optically transparent, diffusely scattering radiation material (for example, frosted glass). In this case, the
Вычислительное устройство может быть выполнено на базе производительного процессора, ориентированного на потоковую обработку видеоинформации, например типа TMS320DM8148 на основе технологии DaVinci [9]. Кроме того, в случае использования телевизионной камеры, имеющей стандартный USB интерфейс, она может быть подключена непосредственно к персональному компьютеру, на котором и будут реализованы вычисления пространственного положения.The computing device can be performed on the basis of a productive processor oriented to stream processing of video information, for example, of the TMS320DM8148 type based on DaVinci technology [9]. In addition, in the case of using a television camera with a standard USB interface, it can be connected directly to a personal computer, on which spatial position calculations will be implemented.
ЛитератураLiterature
1. http://www.3dconnexion.com/ 1. http://www.3dconnexion.com/
2. Патент США №8063883 В2 от 22 ноября 2011 г.2. US Patent No. 8063883 B2 of November 22, 2011
3. Патент США №8018579 В 1 от 13 сентября 2011 г.3. US Patent No. 8018579
4. Патент РФ №2362216 от 12.05.2008 г.(прототип).4. RF patent No. 2362216 dated 05/12/2008 (prototype).
5. http://www.transistor.ru/pdf/arlight/powerleds/ARPL Emitter 3W-RED-140-RER3E.pdf. 5. http://www.transistor.ru/pdf/arlight/powerleds/ARPL Emitter 3W-RED-140-RER3E.pdf.
6. http://www.transistor.ru/pdf/arlight/powerleds/ARPL_Emitter-3 W-GREEN-140-GNH3E.pdf. 6.http: //www.transistor.ru/pdf/arlight/powerleds/ARPL_Emitter-3 W-GREEN-140-GNH3E.pdf.
7. Справочник конструктора оптико-механических приборов. Под общ. ред. В. А. Панова. Ленинград, Машиностроение, 1980 г.7. Reference designer of optical-mechanical devices. Under the total. ed. V.A. Panova. Leningrad, Engineering, 1980
8. М. Я. Выгодский. Справочник по высшей математике. Москва, ACT, 2006 г.8. M. Ya. Vygodsky. Handbook of Higher Mathematics. Moscow, ACT, 2006
9. http://www.ti.com/lsds/ti/dsp/platform/davinci/device.page.9.http: //www.ti.com/lsds/ti/dsp/platform/davinci/device.page.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012104367/08A RU2514086C2 (en) | 2013-07-18 | 2013-07-18 | Device for organisation of 3d user interface |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012104367/08A RU2514086C2 (en) | 2013-07-18 | 2013-07-18 | Device for organisation of 3d user interface |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012104367A RU2012104367A (en) | 2013-08-20 |
RU2514086C2 true RU2514086C2 (en) | 2014-04-27 |
Family
ID=49162421
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012104367/08A RU2514086C2 (en) | 2013-07-18 | 2013-07-18 | Device for organisation of 3d user interface |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2514086C2 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2005120691A (en) * | 2004-08-03 | 2006-06-27 | Майкрософт Корпорейшн (Us) | MULTI-PLANE THREE-DIMENSIONAL USER INTERFACE |
RU2362216C1 (en) * | 2008-05-12 | 2009-07-20 | Михаил Герцевич Литманович | Device for three-dimensional manipulation |
RU2369897C2 (en) * | 2003-10-23 | 2009-10-10 | Майкрософт Корпорейшн | Graphic user interface for three-dimensional display of data collection based on data attribute |
RU2380763C1 (en) * | 2008-07-01 | 2010-01-27 | Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН | Method for creation of stereoscopic graphic interface for computer user |
US8018579B1 (en) * | 2005-10-21 | 2011-09-13 | Apple Inc. | Three-dimensional imaging and display system |
-
2013
- 2013-07-18 RU RU2012104367/08A patent/RU2514086C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2369897C2 (en) * | 2003-10-23 | 2009-10-10 | Майкрософт Корпорейшн | Graphic user interface for three-dimensional display of data collection based on data attribute |
RU2005120691A (en) * | 2004-08-03 | 2006-06-27 | Майкрософт Корпорейшн (Us) | MULTI-PLANE THREE-DIMENSIONAL USER INTERFACE |
US8018579B1 (en) * | 2005-10-21 | 2011-09-13 | Apple Inc. | Three-dimensional imaging and display system |
RU2362216C1 (en) * | 2008-05-12 | 2009-07-20 | Михаил Герцевич Литманович | Device for three-dimensional manipulation |
RU2380763C1 (en) * | 2008-07-01 | 2010-01-27 | Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН | Method for creation of stereoscopic graphic interface for computer user |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2012104367A (en) | 2013-08-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11989896B2 (en) | Depth measurement through display | |
US12298394B2 (en) | Detector for identifying at least one material property | |
KR102595391B1 (en) | Distance sensor with adjustable focus imaging sensor | |
CN113454419B (en) | Detector having a projector for illuminating at least one object | |
US20160328854A1 (en) | Distance sensor | |
US20180143018A1 (en) | Distance sensor projecting parallel patterns | |
KR20170072319A (en) | Distance sensor | |
CN108475145A (en) | Pattern recognition device, image-recognizing method and image identification unit | |
US12222197B2 (en) | Detector for determining a position of at least one object | |
RU2362216C1 (en) | Device for three-dimensional manipulation | |
RU2514086C2 (en) | Device for organisation of 3d user interface | |
US11920918B2 (en) | One shot calibration | |
KR102753459B1 (en) | Camera device | |
US20250003739A1 (en) | Eye safety for projectors | |
US20240418503A1 (en) | Recalibration of a 3d detector based on structured light | |
US20240284031A1 (en) | Emitter array with two or more independently driven areas | |
Liu et al. | Detectability of active triangulation range finder: a solar irradiance approach | |
CN112834434A (en) | 4D camera and electronic equipment | |
Kraus | Wireless Optical Communication: Infrared, Time-Of-Flight, Light Fields, and Beyond |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150719 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20160620 |
|
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180719 |