СИСТЕМЫ РУЧНОГО УПРАВЛЕНИЯ НЕПРЕРЫВНО МЕНЯЮЩИМИСЯ СИГНАЛАМИ
Г.Л.КУРДЮМОВ
УДК 681.327.0+612.76
Системы ручного управления непрерывно меняющимися сигналами могут
использоваться для ввода в ЭВМ графической и текстовой информации,
создания зрелищных световых эффектов. Несложные технические доработки
систем позволят создавать с их помощью мультфильмы, конструировать
электронные музыкальные инструменты, микшерские пульты для работы
звукооператоров, спортивные тренажеры и дистанционное управление
роботами.
Большинство существующих в настоящее время систем ручного управления
предполагает наличие отдельной клавиши или ручки для каждого
регулируемого сигнала (увеличение числа таких ручек требует от
оператора значительного напряжения внимания и памяти). Рассматриваемые
системы многомерного управления позволяют оператору свободно
перемещать в пространстве ручку управления, при этом техническое
устройство регистрирует ее координаты, выдавая по ним значения
выходных сигналов. С использованием одной ручки управления оператор
может задавать значения до шести независимо изменяемых параметров, а
при работе двумя руками максимальное их число увеличивается до
двенадцати. Системы такого типа учитывают возможности человека и
позволяют сделать его "общение" с компьютерной техникой более
эффективным и привлекательным.
Прототипами рассматриваемых устройств являются, например, устройство
ввода типа "Мышь" и "Планшет" [1], в которых используются две степени
свободы движения ручки управления, что дает возможность независимо
регулировать не более двух непрерывно меняющихся сигналов. Черты
сходства с рассматриваемыми системами управления имеет устройство,
реагирующее непосредственно на положение человеческого тела, -
электронно-музыкальный инструмент "Терменвокс" [2]. Устройства такого
типа не обеспечивают однозначности: одному и тому же набору значений
управляемых параметров соответствуют разные положения рук оператора.
Существенно большие возможности для управления непрерывно меняющимися
сигналами предоставляют оператору системы многомерного управления,
обладающие следующими свойствами:
возможность одновременного управления с помощью одной ручки
несколькими параметрами. Ручка управления движется как одно монолитное
тело (наличие в ней дополнительных подвижных частей, например кнопок,
изгибов, в данном случае не рассматривается);
диапазон перемещений ручки управления, точность регистрации ее
пространственных координат, максимальные скорость и ускорение движения
ручки и изменения управляемых параметров определяются возможностями
человека. Система неинерционна: момент инерции ее подвижных частей и
силы механического трения существенно не превышают соответствующих
параметров руки;
однозначность соответствия пространственных координат ручки управления
значениям управляемых параметров. Это позволяет оператору четко
выполнять поставленные задачи, запоминать и совершенствовать свои
действия.
Устройство, в полной мере обладающее перечисленными свойствами, можно
использовать в качестве универсального.
Способы технической реализации принципа многомерного управления.
Простейшая система ручного управления уровнями трех электрических
сигналов посредством свободного перемещения в пространстве ручки
управления описана в работе [3]. Усовершенствованный ее вариант
представлен в [4]. Для регистрации трех пространственных координат
конца ручки управления используется одна растяжимая тяга, три коротких
промежуточных тяги и три датчика натяжения. Особенности этого способа
- небольшие габариты устройства и отсутствие сил трения.
Существуют системы многомерного управления с помощью механических
стержней и шарниров. Технические требования к таким системам
оказываются довольно жесткими: малый вес подвижных частей, небольшие
силы трения, отсутствие люфтов, износостойкость и устойчивость к
значительным скоростям.
Силы, действующие на ручку управления в процессе ее движения, можно
использовать целенаправленно. В простейшем случае это позволяет
оператору убирать свою руку с ручки управления, фиксируя последнюю в
любом требуемом положении, и выполнять другие функции. Возможна также
передача информации в обратном направлении. Можно создать иллюзию
ощупывания палочкой предмета, "протыкания" его оболочек, сообщить
оператору о силах механического сопротивления, действующих на рабочие
органы манипулятора.
Наибольшую свободу перемещения ручки управления обеспечивают системы
многомерного управления, в которых механическая связь между ручкой
управления и самим устройством полностью отсутствует. Примеры таких
систем описаны в [1, 5-6].
Применение. Успешно используют системы трехмерного управления для
создания зрелищных световых эффектов [7, 8]. Другой реализованный в
настоящее время способ применения многомерного управления связан с
вводом в ЭВМ графической информации [5, 6]. Перемещая на плоскости
источник ультразвука, оператор вводит в ЭВМ информацию о траектории
его движения. Это позволяет, во-первых, вводить в ЭВМ графическую
информацию, уже имеющуюся, например, на бумаге, во-вторых, создавать
эту информацию в процессе творческой деятельности оператора. Второе из
перечисленных направлений применения представляется наиболее
перспективным. Оно охватывает как ввод в ЭВМ дополнительной
информации, относящейся к уже имеющимся изображениям (используется в
настоящее время при анализе медицинских рентгенограмм), так и создание
новых изображений, Имеется принципиальная возможность "рисовать"
контуры тел сразу в трех измерениях, наблюдая их на экране дисплея в
любом требуемом ракурсе.
Трехмерное управление цветом, основанное на соответствии каждому
оттенку некоторой точки пространства [8], позволяет эффективно
работать с полутоновым дисплеем. Для введения в память ЭВМ информации
о распределении цветовых оттенков в плоскости экрана оператору можно
предоставить широкий выбор "инструментов", в том числе таких, которые
имитируют традиционные инструменты художников и дизайнеров: различные
кисти, пульверизатор и т. п. Некоторые из этих возможностей в
настоящее время частично реализованы с помощью устройства "Мышь". Но
тот факт, что при его перемещении регистрируются только две
пространственные координаты, ограничивает возможности применения.
Проведем аналогию: художники уделяют немало внимания качеству и
состоянию их инструментов. Форма и вес кисти, оттенки красок и условия
их смещения на палитре - все имеет значение и становится составной
частью творческого процесса. Трехмерная ручка управления в сочетании с
компьютером и дисплеем позволяет развивать новое направление
изобразительного искусства - электронную живопись. Программными
средствами можно придавать получаемым изображениям различные виды
движения и деформации, что позволит использовать их для создания
мультфильмов. Полутоновые дисплеи можно использовать также для выдачи
оператору большого объема образно-упорядоченной визуальной информации
в системах управления разного функционального назначения. В этом
случае многомерное управление позволит вводить в интерфейс машины
достаточное количество исходных образов, выражаемых формой и цветом
предъявляемых объектов.
Известно, какой популярностью пользуются сейчас компьютерные игры, с
помощью многомерного управления они становятся еще и подвижными,
движение предметов может стать в них объектом моделирования,
потребовав от игрока точных, координированных движений.
Системы многомерного управления можно использовать взамен традиционной
клавиатуры для ручного ввода в ЭВМ текстовой или цифровой информации.
Потребуется установить подходящую знаковую систему, то есть
соответствие между вводимыми в машину символами и участками траектории
движения ручки управления. Один из вариантов - имитация клавиатуры.
Используя трехмерную ручку управления [4], можно за счет изменения
двух ее координат перемещать курсор по экрану дисплея, совмещая его с
видимыми изображениями клавиш. Одному фиксированному (но не крайнему)
значению третьей координаты ручки соответствует "поверхность ввода": в
те моменты, когда конец ручки пересекает эту "поверхность", знак
соответствующей клавиши считается введенным и отображается на экране
отдельно от изображения клавиатуры. Работу с такой системой можно
сравнить с печатью на клавиатуре одним пальцем; но возможность
проходить воображаемую клавиатуру "насквозь" позволяет уменьшить вдвое
число поворотов в движении руки, необходимое для ввода того или иного
текста, что повышает скорость работы. По мере приобретения оператором
соответствующего навыка изображение клавиш на экране окажется
ненужным. Использование воображаемой клавиатуры обеспечивает до
некоторой степени преемственность навыков работы по отношению к
традиционному устройству ввода.
Другой вариант знаковой системы сопоставляет знаки текста с
направлениями движения конца ручки. Чтобы вводить подряд несколько
одинаковых знаков, а также возвращать ручку в удобное положение в
случае преобладания в тексте тех или иных знаков, соответствующих
близким направлениям, часть направлений считается пустыми, то есть не
соответствующими определенному знаку. Таким образом, для ввода
повторяющихся знаков можно будет чередовать движение в направлении,
соответствующем этому знаку, с движением в каком-либо пустом
направлении. Последовательно перемещая ручку по различным пустым
направлениям, можно вернуть ее в любое удобное положение. В знаковой
системе такого рода длина участков траектории, соответствующих
отдельным знакам, может быть совсем небольшой; средняя величина углов
поворота траектории меньше, чем при знаковой системе, моделирующей
клавиатуру. Каждому вводимому слову соответствует определенный зигзаг,
последовательность смены направлений движения. Часто повторяемые
зигзаги со временем хорошо запомнятся, и их можно будет легко
повторять без напряжения внимания. Это можно сравнить с трехмерной
стенографией. Окончательный вывод о целесообразности использования той
или иной знаковой системы может быть получен в результате
экспериментов.
В связи со всем сказанным, при конструировании средств вычислительной
техники представляется в ряде случаев возможным отказаться от
использования традиционной клавиатуры, уменьшив тем самым габариты
устройств. Открывается перспектива создания переносной персональной
ЭВМ с широкими возможностями обмена информацией в диалоговом режиме.
ЛИТЕРАТУРА
1. У.Ньюмен, Р.Спрулл. Основы интерактивной машинной графики. М. Мир,
1976, с. 182-195.
2. Л.С.Термен. Физика и музыкальное искусство.М.: Знание, 1966.
3. Г.Л.Курдюмов, В. С. Смолин. Устройство управления световыми
эффектами. А. с. №1026821, СССР БИ №25, 1983.
4. Г.Л.Курдюмов. Координатное устройство управления цветом. А. с.
№1118381, СССР БИ № 38, 1984.
5. Э.К.Скворцов. Устройство для считывания графической информации, А.
с. № 877584, СССР БИ № 40, 1981.
6. Н.Лохов. Приоритет огромного значения.-Изобретатель и
рационализатор, 1984, №8, с. 6-8.
7. С.Волков. Пространство света. Изобретатель и рационализатор, 1983,
№8, с. 19.
8. Г.Л.Курдюмов. Трехмерный цвет. Изобретатель и рационализатор, 1985,
№2, с. 24.
Статья поступила 5 апреля 1985 г. "Микропроцессорные средства и
системы" №2, 1986, стр. 51.
КОМПЬЮТЕРНАЯ ЖИВОПИСЬ
(К ст. Курдюмова Г.Л.)
В отличие от известного устройства Mouse (мышь), трехмерная ручка
управления - назовем ее Bird (птица)-дает оператору большие
возможности для выражения эмоциональных состояний и развития
художественного мастерства в компьютерной графике. Для введения в
память ЭВМ информации о распределении цветовых оттенков в плоскости
"картины" можно предоставить оператору большой выбор "инструментов", в
том числе, имитирующих традиционные инструменты художников. Перемещая
в пространстве ручку управления, обозначающую, например, кисть, можно
легко менять ширину оставляемого ею "следа", в зависимости от
расстояния от конца ручки до воображаемой плоскости картины. При
движении "пульверизатора" меняются как радиус "области напыления",
так и его скорость. Моделирование свойств традиционных инструментов
изобразительного искусства призвано обеспечить преемственность навыков
работы и расширить круг пользователей, хотя "инструменты" могут быть
иными, не имеющими механических аналогов. Можно, например, с помощью
двух "птиц" в двух руках оператора одновременно вести линию на картине
и точно управлять цветом вновь наносимых ее участков. Такого же
эффекта можно достичь с одной ручкой, реагирующей на 6 степеней
свободы ее перемещения: пусть, например, положение конца ручки
определяет место и размеры оставляемого в данный момент цветового
пятна, а углы ее поворота - цвет "краски". Участки картины, требующие
детальной проработки, можно "растягивать" (то есть менять масштаб
отображения), выписывать в них мелкие детали, а затем - снова сжимать.
Это позволяет писать картины более тонкие, чем способен одновременно
показать экран дисплея. Их можно выдавать на печать фрагментами,
используя последующее совмещение. Подобные методы могут найти
применение, например, в архитектуре.