"Method for correct reproduction of moving spatial images on a... Patent Nо US 12/079,448 от 10.01.2009.

"Method for correct reproduction of moving spatial images on a flat screen"
Patent Nо US 12/079,448 от 10.01.2009.
G 06 T 17/20
Способ измерения глубины движущегося 3D пространства (варианты)
Изобретение
относятся
к
области
психологии
восприятия,
психофизиологии и нейрофизиологии работы мозга. И может быть
использовано
для
измерения
глубины
движущихся
виртуальных
пространства, при создании и экспертизе новых видеоигр, игровых
автоматов, создании и экспертизе мультипликационных фильмов, а также
создания нового класса тренажёров для более качественного обучения
водителей
автомобилей
и
морских
кораблей,
пилотов
космических
летательных аппаратов, лётчиков, особенно при посадке самолёта. Кроме
того, изобретение может быть полезным при
разработке систем
виртуального окружения для создания монокулярного стереоэффекта при
архитектурно-строительном проектировании, молекулярном моделировании,
медицине, для визуализации движущихся 3D пространств в системах
виртуального окружения, и предназначены для обеспечения правильного
восприятия
стереоизображений
без
использования
специального
оборудования на обычных компьютерных мониторах и проекционных
экранах.
Известно восприятие пространства, при котором человек определяет
расстояние между предметами, расположенными в пространстве за счет
бинокулярного зрения, так называемый Пульфрих–эффект.
Однако при изображении на плоском пространстве этот эффект не
работает. При наличии отграничивающего экрана для получения Пульфрих–
эффекта
необходимо
стереоскопа,
на
специальных очков.
использование
технических
стереоскопических
установках
средств,
с
например,
использованием
При нахождении наблюдателя на открытом пространстве, внутри
движущегося изображения/пространства,
центр вращения перемещается
линейно в том же направлении что и наблюдатель. Ближнее пространство
(экран) движется вместе с наблюдателем, а дальнее пространство (экран)
своим движением создает сферу, имеющую форму шара. Центр сферы и
местонахождение наблюдателя совпадают, расстояние от наблюдателя до
дальнего экрана рассчитывают по формуле: тангенс отношения расстояния от
наблюдателя до дальней точки вращения сферы к высоте точки наблюдения
от поверхности наблюдения.
Известен
«Способ
выявления
аномалий
пространственного
восприятия и устройство для его осуществления» (заявка WO 2006/132566 от
14.12. 2006), в котором используют ближнее и дальнее пространства, и два
экрана,
а по траекториям их движения изучают пространственное
восприятие человека.
Недостатком известного способа является
выявление аномалий
пространственного восприятия в статическом состоянии пространства, при
этом глубина пространственного восприятия является заданной величиной.
Задачами изобретений являются повышение эффективности и точности
измерения
глубины
движущихся
виртуальных
пространств
(3D
пространства), при различных условиях движения. А именно, с помощью
различения
ближнего
и дальнего пространства восприятия
в процессе
движения, и определение глубины движущегося пространства, а также, при
наличии или отсутствия отсекающего экрана, или без него.
Поставленные задачи достигаются тем, что измерение глубины
движущегося
3D-пространства,
пространство удаляется и/или
при
котором
перед
наблюдателем
приближается, а наблюдатель находится
внутри движущегося 3D-пространства, которое имеет центр вращения, и
перемещающийся линейно в том же направлении что и наблюдатель.
Ближнее пространство движется вместе с наблюдателем, а дальнее
пространство своим движением создает сферу, которая имеет форму шара,
центр сферы и местонахождение наблюдателя совпадают, расстояние от
2
наблюдателя до дальнего пространства рассчитывается по формуле: тангенс
отношения расстояния от наблюдателя до дальней точки сферы к высоте
точки наблюдения от поверхности наблюдения;
Способ измерения глубины движущегося 3D-пространства, при
котором перед наблюдателем пространство удаляется и/или приближается, а
наблюдатель
находится
вне
движущегося
3D-пространства,
между
наблюдателем и движущимся пространством расположен отграничивающий
экран, и движущееся пространство имеет центр вращения, который
перемещается линейно в направлении противоположном наблюдателю, при
этом различают ближнее и дальнее пространство, ближнее пространство
вращается в противоположном от наблюдателя направлении, а дальнее
пространство движется в направлении, в котором движется наблюдатель,
причем оба пространства вращаются и своим движением создают сферу,
которая имеет в разрезе форму эллипса, а в центре вращения расположено
ядро
вращения,
которое
перемещается
линейно
по
отношению
к
наблюдателю, глубина изображения определяется расстоянием до центра
сферы, расположение
ближнего пространства равно радиусу от ядра
вращения до наблюдателя, расположение
диаметру сферы, а
дальнего
пространства равно
расстояние от наблюдателя до центра вращения
рассчитывается по формуле: тангенс отношения расстояния от наблюдателя
до центра вращения
сферы к высоте точки наблюдения от поверхности
наблюдения.
Изобретения базируются на общих знаниях из области физиологии
человека и на проведённых экспериментах, в результате которых было
установлено, что визуальное восприятие каждого человека использует
изображения ближнего и дальнего планов, существующих независимо от
нашего сознания. Например, при чтении книг или при взгляде на клавиатуру
компьютера
человек
пользуется
пространством
ближнего
обзора.
Установлено, что у взрослого человека пространство ближнего обзора
расположено на расстоянии от 30 до 60 см от глаза, а центр пространства
ближнего обзора находится обычно ниже горизонтальной плоскости,
3
проходящей через зрачок глаза наблюдателя, примерно на 5°- 17°
ниже
горизонтальной плоскости. Пространство дальнего обзора простирается от
границ поля ближнего обзора до бесконечности, т.е. под углом 5°- 17° выше
или ниже линии горизонта до бесконечности.
Примеры пользования пространством дальнего обзора: слежение
водителем автомобиля за дорогой, пилота самолета при взлете и посадке,
наблюдение за дорогой во время движения через боковое окно автомобиля
или поезда.
Рассмотрим, как формируется изображение материальной точки на
сетчатке, затем как человек определяет, что система двух материальных
точек вращается, и как человек определяет направление вращения.
Для этого определим вращения объектов наблюдения в двух случаях:
- направление движения перпендикулярно направлению наблюдения
(например, наблюдение через боковое стекло автобуса);
- направление движения совпадает с направлением наблюдения
(например, наблюдение через лобовое стекло автобуса или самолёта,
летящего под некоторым углом к горизонту, например, в момент посадки).
Сущность изобретений поясняется чертежами.
На фиг. 1 показано изображение материальной точки на сетчатке глаза
наблюдателя;
На фиг. 2 изображено вращение системы двух материальных точек;
На фиг. 3 изображено движение материальной точки со скоростью υ // y;
На фиг. 4 изображена зависимость направления вращения T1T2 от положения
T2 при фиксированном положении T1 . Серым цветом закрашены области, для
которых вращение происходит против часовой стрелки, а белым - по часовой
стрелке;
На фиг. 5 показано изменение картины при изменении угла 1 ;
На фиг. 6 представлено движение материальной точки со скоростью υ // x;
4
На фиг. 7 показаны направления вращения;
На фиг. 8 показана зависимость направления вращения T1T2 от положения T2
при фиксированном положении T1 (случай 1  (0 2 ]) . Серым цветом
закрашены области, для которых вращение происходит против часовой
стрелки, а белым - по часовой стрелке;
На фиг. 9 изображена зависимость направления вращения T1T2 от положения
T2 при фиксированном положении T1 (случай 1  [ 2  0) . Серым цветом
закрашены области, для которых вращение происходит против часовой
стрелки, а белым - по часовой стрелке;
На фиг. 10 изображена зависимость направления вращения T1T2 от положения
T2 при фиксированном положении T1 (случай 1  0 ). Серым цветом
закрашены области, для которых вращение происходит против часовой
стрелки, а белым - по часовой стрелке;
На фиг. 11 изображено восприятие
внутри
движущегося открытого
пространства - вид сбоку;
На
фиг.12
показано
восприятие
внутри
движущегося
открытого
пространства – вид сверху;
На фиг. 13 изображено восприятие пространства движущегося мимо
наблюдателя при наличии отграничивающего экрана – вид сбоку;
На фиг. 13а – схема измерения глубины виртуального пространства в
условиях отграничивающего экрана;
На фиг.14 - изображено восприятие пространства движущегося
мимо
наблюдателя при наличии отграничивающего экрана – вид сверху;
На фиг. 15 - изображено восприятие пространства движущегося навстречу
наблюдателю при наличии отграничивающего экрана – вид сбоку;
На фиг. 15 изображено восприятие пространства движущегося навстречу
наблюдателю при наличии отграничивающего экрана – вид сбоку;
На фиг. 15а схема измерения глубины виртуального пространства,
движущегося навстречу, в условиях отграничивающего экрана;
На фиг. 16 изображено восприятие пространства движущегося навстречу
наблюдателю при наличии отграничивающего экрана – вид сверху;
5
Рассмотрим некоторую материальную точку (фиг.1). Её положение мы
будем задавать в полярных координатах (    ) . Примем за начало координат
оптический центр глаза наблюдателя, f - расстояние от оптического центра до
сетчатки, равное фокусному расстоянию. Тогда отклонение изображения
материальной точки на сетчатке можно представить в виде: yi  f   , а
скорость движения изображения материальной точки. υ i=f* φ
На примере
системы двух материальных точек T1 ( 1 1 ) и T2 ( 2  2 )
(фиг.2) рассмотрим, как человек определяет, что система материальных точек
вращается. Эти точки движутся относительно начала координат O с
угловыми скоростями 1 и  2 соответственно. Рассмотрим разность 1  2 .
Если эта разность больше нуля, то угловой размер отрезка T1T2 будет
увеличиваться, если меньше нуля - уменьшаться. Соответственно будет
изменяться размер изображения T1T2 на сетчатке. Исходя из этого, человек
делает вывод о вращении объекта. Очевидно, одного только увеличения
углового размера объекта недостаточно, чтобы судить о вращении.
Например,
при
приближении
к
точке
наблюдения
отрезка,
перпендикулярного направлению наблюдения, его угловой размер возрастает
при отсутствии вращения. Чтобы понять, есть ли вращение или нет, нужно
знать расстояния до материальных точек.
Проведём мысленный эксперимент: пусть в тёмной комнате два
точечных источника света (мы считаем, что изменение их яркости с
расстоянием незаметно для наблюдателя) закреплены на кольце, которое
вращается вокруг своей вертикальной оси симметрии и расположено на
уровне глаз наблюдателя. Если мы попросим наблюдателя закрыть один глаз,
то он увидит две то сближающиеся, то отдаляющиеся точки. Таким образом,
для осознания вращения человеку недостаточно только лишь изменения
углового расстояния между точками, необходимо ещё знать: какая из точек
находится ближе, а какая дальше. Зрительно оценивать расстояние до
предмета, человек может благодаря многим механизмам. Основной из них это бинокулярное зрение. Однако это возможно и при монокулярном зрении,
6
например, благодаря изменению аккомодации хрусталика, которое мы
ощущаем вследствие изменения напряжения мышц.
Для определения
направления вращения при изменении углового
расстояния между двумя точкам рассмотрим систему двух материальных
точек.
Пусть точка T1 находится дальше от наблюдателя, чем точка T2
( 1  2 ), точка M - середина отрезка T1T2 . Т.к. 1  2 , то угол  – острый.
Пусть отрезок T1T2 вращается относительно точки M. Очевидно, T1T2 будет
иметь максимальный угловой размер в том случае, когда OM  TT
1 2 . Значит,
при увеличении острого угла  до прямого угла (вращение против часовой
стрелки) угловой размер T1T2 будет увеличиваться. Затем расстояния 1 и  2
сравняются (при   90o ). При дальнейшем вращении против часовой стрелки
1  2
и угловой размер T1T2 будет уменьшаться. Теперь мы можем
сформулировать условие вращения системы материальных точек против
часовой стрелки:
 1   2  0

 1   2 
(1)
 1   2  0

 1  2 
(2)
или
Аналогичное условие вращения по часовой стрелке:
 1   2  0

 1   2 
(3)
 1   2  0

 1  2 
(4)
или
Далее рассмотрим случай движения наблюдателя перпендикулярно
направлению наблюдения (например, наблюдение через боковое стекло
автобуса).
Чтобы не усложнять модель и сделать её более наглядной, рассмотрим
двумерный случай (отвлечемся от высоты объектов). Пусть автобус движется
с некоторой скоростью u , параллельной оси y . Перейдем в систему отсчета,
7
в которой наблюдатель покоится, а окружающие объекты движутся со
скоростью v  u (фиг.3).
Тогда для приращения расстояния до точки наблюдения можно
записать:
d   v  dt  sin  
(5)
  v  sin  
(6)
Для приращения угла  имеем:
d 

d  

v  cos 

(7)

(8)

Рассмотрим точки T1 ( 1 1 ) и T2 ( 2  2 ) . Изменение углового размера
отрезка T1T2 :
 cos 1
1   2  v  
 1
cos 2 

2 

(9)
Воспользуемся сформулированными ранее условиями вращения T1T2 по
и против часовой стрелки (1) – (4).
Рассмотрим
первое
условие
в
системах (1) – (4).
Согласно (9),
уравнение 1   2  0 можно представить в виде:
cos 1
1

cos  2
2

(10)
Зафиксируем точку T1 и для каждого положения T2 определим
направление вращения T1T2 . Т.к. точку T1 мы зафиксировали, то
1
cos 1
 c где c
– некоторая постоянная. Поскольку мы рассматриваем только 1  [ 2  2 ]
(наблюдатель не видит то, что у него за спиной), то c  0 . Тогда (10) задает
множество точек T2 :
2  c  cos 2 
(11)
Это окружность с центром в точке (c 2 0) радиуса c 2 . Назовем ее
окружность O1 . Условие 1   2  0 задает внешнюю по отношению к
окружности O1 область, а условие 1   2  0 – внутреннюю.
8
Рассмотрим второе условие в системах (1) – (4). При фиксированной
точке T1 уравнение 1  2 задает окружность O2 с центром в точке (0 0)
радиуса 1 . Условие 1  2 задает внешнюю по отношению к окружности O2
область, а условие 1  2 – внутреннюю.
Окружности O1 и O2 пересекаются в точке T1 , а также в точке,
симметричной T1 относительно оси абсцисс.
Таким образом, система точек T1 и T2 будет вращаться против часовой
стрелки, если точка T2 принадлежит:
внутренней по отношению к O1 и внешней по отношению к
O2 области;
2.
внешней по отношению к O1 и внутренней по отношению к
O2 области.
Система точек T1 и T2 будет вращаться по часовой стрелке, если точка
1.
T2 принадлежит:
1.
внутренней по отношению к O1 и внутренней по отношению
к O2 области;
2.
внешней по отношению к O1 и внешней по отношению к O2
области.
Серым цветом на фиг.4 закрашены те области для точки T2 , для
которых вращение происходит против часовой стрелки, а белым - по часовой
стрелке.
Данная картина представляет интерес для небольших углов 1 2 , т.к.
чтобы рассмотреть объекты, которые расположены под большим углом, мы
поворачиваем голову. Кроме того, разность 1  2 должна быть малой (не
более примерно 10° градусов) - это точки, которые мы можем отчетливо
наблюдать одновременно.
Теперь интересно исследовать, как будет меняться эта картина при
изменении положения точки T1 . Изменение 1 , очевидно, приведет к
изменению масштаба картины. Более интересен случай изменения 1 .
Картины для различных 1 представлены фиг.5.
9
Вращение происходит как по часовой стрелке, так и против, что легко
наблюдать на опыте (например, при наблюдении из правого или левого окна
автомобиля).
С описанным выше явлением тесно связано явление монокулярного
параллакса движения (его также называют временным параллаксом). Он
является одним из факторов монокулярного стереоэффекта и возникает при
движении камеры (наблюдателя) перпендикулярно направлению съёмки
(наблюдения). Стереоэффект в данном случае основан на том, что точки,
находящиеся ближе и дальше точки фиксации взора имеют разную угловую
скорость относительно наблюдателя. Исходя из различия угловых скоростей,
наблюдатель может сделать вывод об удаленности объектов.
Действительно, это частный случай нашей задачи: если провести
прямую через точку наблюдения (точку фиксации взора), то все точки на
этой прямой, находящиеся ближе точки фиксации, будут двигаться с
большей угловой скоростью, а точки, находящиеся дальше, - с меньшей.
Объект, расположенный вдоль оси, проходящей через точку наблюдения,
всегда вращается по часовой стрелке (в том случае, если скорость
направлена, как показано на фиг.3). Однако в общем случае при
определённом расположении объекты могут вращаться против часовой
стрелки, что следует из фиг.4 - фиг.5.
Рассмотрим случай наблюдения через лобовое стекло самолета,
летящего под некоторым углом к горизонту. Нас будет интересовать
вращение
объектов
вокруг
горизонтальной
оси,
перпендикулярной
направлению движения. Ограничимся рассмотрением двумерного случая, а
именно
в
плоскости,
проходящей
через
направление
движения
и
перпендикулярной к интересующей нас оси вращения (т.е. мы рассматриваем
только объекты, находящиеся прямо по курсу самолета). Перейдем в систему
отсчета, в которой самолет покоится, а окружающие объекты движутся на
него со скоростью v . Кроме того, мы повернем систему отсчета так, чтобы
скорость v была направлена горизонтально. Тогда мы получим картину,
10
аналогичную фиг.3, за исключением того, что скорость будет направлена
вдоль оси абсцисс (см. фиг.6).
Тогда вращение «по часовой стрелке» будет означать, что верхняя
точка объекта вращается на нас, а нижняя от нас, вращение «против часовой»
- что нижняя точка объекта вращается на нас, а верхняя - от нас (см. фиг.7).
По аналогии с рассмотренным выше случаем для приращения расстояния до
точки наблюдения:
d   v  dt  cos  
(12)
  v  cos  
(13)
Для приращения угла  имеем:
d 
v  dt  sin 


v  sin 

(14)

(15)

Рассмотрим точки T1 ( 1 1 ) и T2 ( 2  2 ) . Изменение углового размера
отрезка T1T2 :
 sin 1
1   2  v  
 1

sin 2 

2 
(16)
Направление вращения будет определяться согласно (1) – (4).
Рассмотрим уравнение 1   2  0 . Согласно (16), его можно представить
в виде:
sin 1
1

sin  2
2

(17)
Зафиксируем точку T1 и для каждого положения T2 определим
направление вращения T1T2 . Т.к. точку T1 мы зафиксировали, то
1
sin 1
 c где c
– некоторая постоянная. В данном случае нам необходимо рассмотреть
1  [ 2  2 ] (наблюдатель не видит то, что у него за спиной). Здесь возможны
три различных варианта:
3.
1  (0 2 ] ; c  0 ;
11
4.
1  [ 2  0) ; c  0 ;
5.
1  0 .
Сначала рассмотрим первый случай. При фиксированной точке T1 (17)
задает множество точек T2 :
2  c  sin 2 
(18)
Это окружность с центром в точке (c 2 2 ) (в полярных координатах)
радиуса c 2 . Назовем ее окружность O1 . Условие 1   2  0 задает внешнюю
по отношению к окружности O1 область, а условие 1   2  0 – внутреннюю.
Рассмотрим второе условие в системах (1) – (4). При фиксированной
точке T1 уравнение 1  2 задает окружность O2 с центром в точке (0 0)
радиуса 1 . Условие 1  2 задает внешнюю по отношению к окружности O2
область, а условие 1  2 – внутреннюю.
Окружности O1 и O2 пересекаются в точке T1 , а также в точке,
симметричной T1 относительно оси ординат (но эта точка нас не интересует,
т.к. мы рассматриваем только правую полуплоскость).
Система точек T1 и T2 будет вращаться против часовой стрелки, если
точка T2 принадлежит:
1. внутренней по отношению к O1 и внешней по отношению к O2
области;
2. внешней по отношению к O1 и внутренней по отношению к O2
области.
Система точек T1 и T2 будет вращаться по часовой стрелке, если точка
T2 принадлежит:
1. внутренней по отношению к O1 и внутренней по отношению к O2
области;
2. внешней по отношению к O1 и внешней по отношению к O2
области.
12
На фиг.8 серым цветом закрашены те области для точки T2 , для
которых вращение происходит против часовой стрелки, а белым - по часовой
стрелке.
Аналогично рассмотрев второй случай: 1  [ 2  0) и учитывая, что
условие 1   2  0 задает внутреннюю по отношению к окружности O1 (с
центром (c 2  2 ) радиуса c 2 ) область, получим зависимость, изображенную
на фиг.9
В случае 1  0 имеем: 1   2  0 при 2 [ 2  0) и 1   2  0 при 2  (0 2 ) .
В этом случае получим зависимость, изображенную на фиг.10.
Как и в предыдущем случае, данная картина представляет интерес для
небольших
углов
1 2 ,
т.к.
чтобы
рассмотреть
объекты,
которые
расположены под большим углом, мы поворачиваем голову. Кроме того,
разность 1  2 должна быть малой (не более примерно 10 градусов) - это
точки, которые мы можем отчетливо наблюдать одновременно.
Таким образом, проанализировав механизм отображения объектов на
сетчатке глаза человека и механизм восприятия человеком вращения
объектов, можно сделать вывод, что эффект вращения объектов в
воспринимаемом пространстве (при поступательном движении наблюдателя в
реальном пространстве) действительно имеет место и объясняется простыми
физическими законами.
Способы
измерения
глубины
движущихся
3D
пространств
осуществляют следующим образом.
Рассмотрим
варианты
движения
3D
пространств.
Открытое
пространство, без отграничивающего экрана, с отграничивающим экраном,
вид сбоку, и при встречном движении.
Вариант 1. Открытое пространство без отграничивающего экрана.
13
При нахождении наблюдателя 1 внутри сферы 2 движущегося
открытого
пространства, например, на велосипеде или в открытом
автомобиле (на фиг.11 вид сбоку)
пространство 2, имеет сферическую
форму. Часть пространства 2 отграничено поверхностью 3,
на которой
находится наблюдатель 1. Экватор сферы 4 вращения пространства 2
совпадает с линией горизонта 5. Вертикальная ось 6 вращения сферического
пространства 2 проходит через наблюдателя 1. Наблюдатель 1 видит часть
сферического пространства 2 в секторе 7.
На фиг. 12 показано восприятие внутри движущегося
открытого
пространства – вид сверху - наблюдатель 1 находится внутри сферы.
Наблюдатель 1 находится внутри сферы движущегося открытого
пространства 2, которое имеет сферическую форму. Вертикальная ось 6
вращения сферического пространства 2 проходит через наблюдателя 1.
Наблюдатель 1 видит часть сферического пространства 2
в секторе
наблюдения 7. При движении наблюдателя 1 по оси Х-У – наблюдаемое
пространство 2 перемещается параллельно наблюдателю 1, но в обратном
направлении - оси Х¹- У¹, Х²- У².
Вариант 2 Движение пространств при наличии отграничивающего
экрана.
На фиг. 13 изображено восприятие пространства движущегося мимо
наблюдателя, при наличии отграничивающего экрана – вид сбоку.
При наблюдении за движущимся пространством, например, через окно
движущегося поезда, автомобиля и т.п. либо на экране монитора,
пространство 2 в разрезе имеет форму эллипса и начинает вращаться мимо
наблюдателя 1.
В этом случае, окно движущегося поезда, автомобиля, либо другая
прозрачная среда, имеющая рамку, является «отграничивающим экраном» 8.
При
этом
наблюдатель
наблюдателем
1
и
1
находится
движущимся
14
вне
пространства
пространством
2
2.
Между
находится
отграничивающий экран 8. Вертикальная ось 6 вращения пространства 2
проходит через «ядро вращения» 9 в секторе наблюдения 7 и находится под
углом 5°–17° ниже либо выше линии горизонта 5. Ядро вращения
располагается по центру 10 отграничивающего экрана 8, по линии А - С. При
этом, линия А - С проходит по оси, проходящей через наблюдателя 1, центра
экрана 10 и ядро вращения 9. В этом случае, образуется параллелепипед
АBCD, дополнительно показанный на фиг 3а.
На
фигуре
показана
13а
схема
измерения
глубины
виртуального/реального пространства в условиях отграничивающего экрана.
При наблюдении за движущимся пространством через отграничивающий
экран, образуется параллелепипед АBCD в котором угол α равен углу β, а
расстояние от наблюдателя до центра вращения определяется по формуле:
DC = h/ tg α
, где
- DC расстояние от наблюдателя 1 до центра (ядра) вращения реального или
виртуального пространства 9;
- h может варьировать в зависимости от высоты точки наблюдения – человек,
автомобиль, самолет;
- угол α (β) – является константой.
Таким образом, по приведённой формуле можно измерить глубину
виртуального (реального) движущегося пространства при наблюдении через
отграничивающий экран. Например, при управлении самолётом в момент
посадки, экспертизе качества виртуального пространства в игровой
приставке, обучающей программе, тренажёре.
На фиг. 14 изображено восприятие пространства движущегося мимо
наблюдателя, при наличии отграничивающего экрана – вид сверху.
При
наблюдении
за
движущимся
движущегося поезда, автомобиля и т.п.
пространством
через
окно
либо на экране монитора,
пространство 2 в разрезе имеет форму эллипса и начинает вращаться мимо
15
наблюдателя 1. Наблюдатель 1 видит пространство 2 в секторе 7. Между
наблюдателем
1
и
движущимся
пространством
2
находится
отграничивающий экран 8.
В этом случае, окно движущегося поезда, автомобиля, либо другая
прозрачная среда, имеющая рамку, является «отграничивающим экраном» 8.
При этом наблюдатель 1 находится вне пространства 2.
Вертикальная ось 6 вращения пространства 2 проходит через «ядро
вращения» 9 в секторе наблюдения 7 и находится под углом 5° – 17° ниже
либо выше линии горизонта 5 (см. фиг. 13). Ядро вращения располагается по
центру 10 отсекающего экрана 8, по линии А-С. При этом, линия А-С
проходит по оси, проходящей через наблюдателя 1, центра экрана 10 и ядро
вращения 9.
При движении
наблюдателя 1 по линии/траектории Х-У –
наблюдаемое пространство 2 перемещается параллельно наблюдателю 1, но
в обратном направлении – по линии/траектории – У3- Х3. При этом,
линия/траектория Х¹-У¹ движется по правилу «ближнего пространства
восприятия» 11, а линия/траектория Х²- У² движется по правилу «дальнего
пространства восприятия» 12
На фиг. 15 - изображено восприятие пространства движущегося
навстречу наблюдателю при наличии отграничивающего экрана – вид сбоку,
при этом 13 – это направление движения наблюдателя 1.
При наблюдении за движущимся пространством, например, через
переднее окно движущегося вперёд автомобиля и т.п.
либо на экране
монитора при движении вперёд, - пространство п. 2 в разрезе имеет форму
эллипса и начинает вращаться по отношению к наблюдателю (1). Верхняя
часть эллипса движется «от наблюдателя» по траектории Х²-У² (по закону
«дальнего пространства»), – а нижняя часть эллипса движется «навстречу
наблюдателю», по траектории Х¹-У¹. В этот момент наблюдатель 1 видит
пространство 2
в секторе 7. А между наблюдателем 1 и движущимся
пространством 2 находится отграничивающий экран 8.
16
В этом случае, окно движущегося вперёд автомобиля, либо другая
прозрачная среда, имеющая рамку, является «отграничивающим экраном» 8.
При этом, наблюдатель 1находится вне пространства 2.
Часть пространства 2 отграничено поверхностью 3, по которой движется
наблюдатель 1. Экватор 4 вращения эллипса пространства 2 совпадает с
поверхностью 3, по которой движется наблюдатель 1.
Горизонтальная ось 14 вращения пространства 2 (фиг. 16, вид сверху)
проходит через «ядро вращения» 9 в секторе наблюдения 7, и находится под
углом 5°-17° выше или ниже линии горизонта 5 до бесконечности. Ядро
вращения располагается по центру 10 отсекающего/отграничивающего
экрана 8, по линии А¹-С.
Линия А¹-С² (фиг.15а) совпадает с осью, проходящей через наблюдателя 1 и с
реальной/виртуальной линией горизонта.
В этом случае, образуется
параллелепипед А¹С²АC¹. При движении наблюдателя 1 по траектории А-С¹
наблюдаемое пространство 2 перемещается вертикально, по оси 14,
расположенной перпендикулярно наблюдателю.1. (фиг. 16, вид сверху).
На
фигуре
15а
приведена
схема
измерения
глубины
виртуального/реального пространства, движущегося навстречу, в условиях
отграничивающего экрана 8.
При наблюдении за движущимся навстречу пространством через
отграничивающий экран 8, образуется параллелепипед А¹С²DC в котором
угол α равен углу β, а расстояние от наблюдателя до центра вращения
эллиптического пространства определяется по формуле:
DC = h/ tg α, где
- DC расстояние от наблюдателя 1 до центра (ядра) вращения реального или
виртуального пространства 9;
- h может варьировать в зависимости от высоты точки наблюдения – человек,
автомобиль, самолет;
- угол α (β) – является константой.
17
Таким образом, по приведённой формуле можно измерить глубину
виртуального (реального) пространства, движущегося навстречу,
при
наблюдении через отграничивающий экран. Например, при управлении
самолётом
в
момент
посадки,
экспертизе
качества
виртуального
пространства в игровой приставке, обучающей школьной программе, при
работе на тренажёре.
На фиг. 16 изображено восприятие
навстречу наблюдателю при
пространства движущегося
наличии отграничивающего экрана – вид
сверху.
Направление
13
движения
наблюдателя
1
за
движущимся
пространством, например, через переднее окно движущегося вперёд
автомобиля и т.п., либо на экране монитора при движении изображения
вперёд, - пространство 2 в разрезе имеет форму эллипса и начинает
вращаться по отношению к наблюдателю 1. При этом наблюдатель 1
находится вне пространства 2.
Горизонтальная ось 14
вращения пространства 2 проходит через «ядро
вращения» 9 в секторе наблюдения 7. Ядро вращения располагается по
центру 10 отграничивающего экрана 8, по линии А¹-С¹, которая совпадает с
осью, проходящей через наблюдателя 1 и с направлением движения 13.
Использование
предлагаемых
способов
измерения
глубины
движущегося 3D пространства позволяет правильно оценивать расстояние
между наблюдателем и центром вращения.
Это позволяет
по-новому
подойти к разработке специальных устройств, предназначенных для создания
и экспертизы новых видеоигр, игровых автоматов, мультипликационных
фильмов с монокулярным стереоэффектом, а также создания нового класса
тренажёров для более правильного обучения водителей автомобилей и
морских кораблей, пилотов космических летательных аппаратов, лётчиков,
особенно при посадке.
18