DE10041085A1 - Tragbares Orientierungssystem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein tragbares Orientierungssystem, das dazu geeignet ist, beispielsweise bei Ausfall des menschlichen Sehsinns Umgebungsinformationen einem anderen menschlichen Sinn zugängig zu machen. Dazu weist es eine Sensoreinheit (1; 11, 12) zur selektiven Aufnahme von Umgebungsinformationen, die normalerweise von menschlichen Sinnen aufgenommen werden, eine Signalverarbeitungseinheit (2; 13, 14, 17), die mit der Sensoreinheit (1; 11, 12) verbunden ist, zur Verarbeitung der Signale der Sensoreinheit (1; 11, 12), ein Kontrollmodul (4; 18, 19) zur Steuerung von Aufnahme- und/oder Verarbeitungs- und/oder Ausgabeoptionen der Sensor-, Signalverarbeitungs- und Ausgabeeinheit und eine Stromversorgungseinheit (5; 23, 24) auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein tragbares Orientierungssystem, das dazu geeignet ist, beispielsweise bei Ausfall des mensch­ lichen Sehsinns Umgebungsinformationen einem anderen mensch­ lichen Sinn zugänglich zu machen.

Bei blinden Menschen sind die Gehirnzentren, die für das Ta­ stempfinden und das Gehör zuständig sind, besonders akti­ viert. Viele Umgebungsinformationen, die für normal sehende Menschen nicht bewußt wahrnehmbar sind, werden bei blinden Menschen erfaßt und zur Orientierung zu Hilfe gezogen. So wurde schon im Mittelalter in verschiedenen Regionen Europas eine Methode zur akustischen Orientierung praktiziert, die auf der Reflektion von Schall durch Gegenstände in der Umge­ bung basiert. Die für eine Echo-Erzeugung notwendigen Geräu­ sche, beispielsweise Klack- oder Schnalzgeräusche, wurden mit der Zunge oder beim Aufeinanderprallen zweier harter Holz­ stücke erzeugt. Gemäß den Überlieferungen konnten so blinde Menschen nach einigen Monaten Lernphase auch im Freien Hin­ dernisse, z. B. Bäume, mit einem Durchmesser bis zu 10 cm er­ kennen.

Auch aus der Tierwelt ist bekannt, sich zur Orientierung in der Umgebung anderen Sinnen als des Sehsinns zu bedienen. So senden Fledermäuse Ultraschallwellen aus, deren Reflektionen sie erfassen und zur Bestimmung der Umgebung verwenden. Man­ gels der Hörempfindlichkeit in diesem Frequenzbereich ist es dem Menschen jedoch nicht möglich, sich auf diese Weise zu orientieren.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein tragbares Orientie­ rungssystem anzugeben, das es ermöglicht, sich bei Ausfall eines Sinnes in einer fremden Umgebung zu orientieren oder sich in einer Umgebung unter Verhältnissen zu orientieren, in denen dies dem Menschen normalerweise nicht möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein tragbares Orien­ tierungssystem gelöst mit einer Sensoreinheit zur selektiven Aufnahme von Umgebungsinformationen, die normalerweise von menschlichen Sinnen aufgenommen werden, einer Signalverarbei­ tungseinheit, die mit der Sensoreinheit verbunden ist, zur Verarbeitung der Signale der Sensoreinheit, einer Ausgabeein­ heit, die die Umgebungsinformationen menschlichen Sinnen übermittelt und die mit der Signalverarbeitungseinheit ver­ bunden ist, einem Kontrollmodul zur Steuerung von Aufnahme- und/oder Verarbeitungs- und/oder Ausgabeoptionen der Sensor-, Signalverarbeitungs- und Ausgabeeinheit und einer Stromver­ sorgungseinheit.

Durch das erfindungsgemäße Orientierungssystem körnen Umge­ bungsinformationen aufgenommen und so umgewandelt werden, daß sie verschiedenen Sinnen zugänglich gemacht werden können. Ein bedeutendes Einsatzgebiet ist die Unterstützung für seh­ geschädigte bzw. blinde Menschen. In einer günstigen Ausge­ staltung sammelt eine stereoskopische Bilderkennungseinheit, die entweder nach dem optischen oder aber nach dem akusti­ schen Prinzip arbeitet, die Umgebungsinformationen und leitet sie an die Signalverarbeitungseinheit weiter. Als Ausgabeein­ heit kommen in erster Linie Lautsprecher oder Ohrhörer in Be­ tracht, die Umgebungsinformationen dem Hörsinn zugänglich ma­ chen. Eine andere vorteilhafte Möglichkeit insbesondere für Taub-Blinde sind Schwingungsübertragungselemente, die z. B. Schwingungen über Knochen oder über induktive Kopplung mit Kolchea-Apparatprothesen übertragen.

Das Kontrollmodul ermöglicht die Steuerung der verschiedenen Systemkomponenten. Entsprechend der Positionierung der Augäp­ fel und der Fokussierung auf ein nahes oder fernes Objekt bei sehenden Menschen, kann somit die Wahrnehmung gesteuert wer­ den. Eine vorteilhafte Steuerung des Kontrollmoduls erfolgt über Bewegungen der Augenbrauen, die über Sensoren aufgenom­ men werden. Bei optischer Erfassung der Umgebungsinformatio­ nen werden Kameras eingesetzt, allerdings ist auch der Ein­ satz von Ultraschall-Empfängern möglich, wenn diese mit einem Ultraschallsender kombiniert werden, so daß das System das Echo auswertet. Kameras können auch im Infrarotbereich arbei­ ten. Vorteilhafterweise werden sie mit Infrarot-Sendern kom­ biniert.

Durch die Verwendung von Sensoren für Infrarotlicht oder Ul­ traschall kann das Wahrnehmungsspektrum auch von normal se­ henden Menschen erweitert werden.

Vorteilhaft ist es, wenn sämtliche Komponenten des Systems in einem Brillengestell integriert werden, so daß eine komforta­ ble und unauffällige Mitführung des Orientierungssystems er­ möglicht ist.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spieles näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Übersichts-Blockschaltbild eines erfindungsge­ mäßen Orientierungssystems,

Fig. 2 ein detaillierteres Blockschaltbild und

Fig. 3 die Ausgestaltung des tragbaren Orientierungssy­ stems als Brille.

In der Fig. 1 ist die prinzipielle Funktionsweise des trag­ baren Orientierungssystems anhand eines Blockschaltbildes dargestellt. Umgebungsinformationen werden durch eine Sen­ soreinheit 1 aufgenommen. Diese nun in elektronischer Form vorliegenden Umgebungsinformationen werden an eine Signalverarbeitungseinheit 2 weitergegeben. Dort erfolgt eine Verar­ beitung der elektronischen Informationen, wobei Gegenstände der Umgebung erkannt werden und die Informationen so weiter­ verarbeitet werden, daß sie einer Ausgabeeinheit 3 zugeführt werden können. So können die erkannten Gegenstände an einen menschlichen Sinn übermittelt werden. Nach einer Lern- und Eingewöhnungsphase kann das Gehirn die übermittelten Reize interpretieren und daraus das gleiche Umgebungsbild rekon­ struieren, wie es von sehenden Menschen wahrgenommen wird. Durch ein Kontrollmodul 4 können Optionen sowohl der Sen­ soreinheit 1 als auch der Signalverarbeitungseinheit 2 und der Ausgabeeinheit 3 eingestellt werden. Bezüglich der Sen­ soreinheit 1 sind dies beispielsweise Filtereinheiten bei op­ tischen Kameras sowie Zoomeinstellungen, bezüglich der Si­ gnalverarbeitungseinheit ebenfalls Zoomeinstellungen als auch die Wiedergabe von Kontrasten und anderen einstellbaren Para­ metern einer Bildverarbeitungseinheit. Bezüglich der Ausgabe­ einheit muß die Signallautstärke für Ohrhörer bzw. Schwin­ gungsamplituden für Vibrationsaktoren einstellbar sein. Da es sich um ein tragbares Orientierungssystem handeln soll, muß eine Stromversorgungseinheit 5 vorgesehen werden. Vorteilhaft ist die Kombination von einer batteriegestützten Stromversor­ gung und einer Unterstützung durch Solar-Module.

Zusätzliche Vorteile entstehen, wenn eine Sendeeinheit 6 hin­ zugefügt wird, beispielsweise ein Infrarotsender oder ein Ul­ traschallsender, um durch entsprechende Sensoren 1 eine Wahr­ nehmung der Umgebung unter Bedingungen, beispielsweise im Dunkeln, zu ermöglichen, in denen eine Orientierung normaler­ weise nicht möglich ist.

In der Fig. 2 ist das Blockschaltbild von Fig. 1 in einer detaillierteren Form dargestellt. In diesem Fall werden ver­ schiedene Methoden der Umgebungserkennung kombiniert. Die Sensoreinheit 1 weist sowohl optische Kameras 11 als auch ei­ nen Ultraschall-Matrixempfänger 12 auf. Um ein dreidimensio­ nales Bild erzeugen zu können, sind mindestens zwei Kameras notwendig. Die Kameras besitzen Filtereinheiten 26 mit Farb-, Polarisations- und Infrarotfiltern. Die Filtereinheit 26 wird unmittelbar vor den Objektiven der Kameras 11 plaziert und in einem Objektivmodul zusammen mit den Linsen untergebracht. Die unterschiedlichen Filter 26 ermöglichen eine Erkennung der Hindernisse oder Plazierung der Gegenstände unter ver­ schiedenen Umgebungsbedingungen sowie eine Erweiterung der Wahrnehmung auch von "sehenden" Personen. Die von der Sen­ soreinheit 1 erfaßten Daten werden an ein Bildverarbeitungs­ modul 13 weitergeleitet. Dieses Modul erkennt zuerst die ein­ zelnen Gegenstände und ihre Abgrenzung gegenüber dem Hinter­ grund, verändert den Kontrast zwischen den Gegenständen ent­ sprechend der Einstellungen durch das Kontrollmodul 4, wan­ delt anhand der geringfügigen Unterschiede zwischen den er­ kannten Bildern von beiden Kameras diese Information in ein virtuelles dreidimensionales Bild um und kombiniert die In­ formation des optischen 11 und des Ultraschall-Systems 12. Die von dem Bildverarbeitungsmodul 13 gelieferten 3D- Informationen werden in der nachgeschalteten Prozessoreinheit 14 zuerst ausdecodiert und danach einzeln für einen linken und einen rechten Ohrhörer 15 bzw. für die Knochenübertra­ gungsaktoren 16 vorbereitet. Diese Informationen werden an die für die unterschiedlichen Aktoren 15 und 16 vorgesehenen Signalverstärker 17 weitergeleitet.

Die Umwandlung in der Prozessoreinheit 14 erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel derart, daß kleinere Gegenstände mit hö­ heren und größere Gegenstände mit tieferen Tönen abgebildet werden. Für die Codierung der Entfernungsinformation werden größere Amplituden für nahe Gegenstände und kleinere Amplitu­ den für entfernte Gegenstände verwendet. Entsprechend dem hörbaren Spektrum und dem individuellen Empfinden der Laut­ stärke wird in einer Anpassungsphase ein Diagramm für Laut­ stärke und Frequenz erstellt und im Gerät als Benutzerprofil hinterlegt. Somit ist entsprechend der individuellen Wahrneh­ mungcharakteristik eine optimale Geräteeinstellung festleg­ bar. Anstelle der oben genannten Zuordnung zwischen Umgebungsinformationen und Reizerzeugung können auch andere Zu­ ordnungen gewählt werden, allerdings ist oben genannte die physiologisch günstigste.

Zur Kontrolle der Einstellungen ist ein Augenbrauen- Bewegungssensor 18 vorgesehen, der nach der entsprechenden Decodierung und Datenerkennung durch eine Befehlsaufberei­ tungseinheit 19 die einzelnen Module des Systems steuert. Von der Prozessoreinheit 14 werden über entsprechende Ver­ stärker und Treiber 20 die Sendeeinheiten 21 und 22 für In­ frarotlicht beziehungsweise für Ultraschall angesteuert. Zur Versorgung des Systems mit Energie ist eine Batterie 23 und ein Solarmodul 24 vorgesehen. Für Zusatzgeräte ist darüber hinaus eine Schnittstelle 25 in das Systems integriert.

Für normal Hörende hat die Knochenübertragung den Vorteil, daß sie unabhängig von Außengeräuschen immer verständliche Signale liefert und die Aufnahme der anderen akustischen In­ formationen nicht behindert. Gleichzeitiges Benutzen beider Systeme, nämlich Luft- und Knochenschallübertragung, ermög­ licht extrem genaues Plazieren der akustisch abgebildeten Elemente in einem vom Gehirn gebauten akustischen dreidimen­ sionalen Raum.

Die Fig. 3 zeigt eine mögliche Ausgestaltung des Systems als Brille. Dort, wo sich normalerweise die Brillengläser befin­ den, sind nun Solar-Module 24 vorgesehen. Auf der jeweils äu­ ßeren Seite der Solar-Module 24 befindet sich je eine Kamera 11 und ein Ultraschall-Matrixempfänger 12. In der Mitte ober­ halb der Nasen-Abstützfläche sind der Infrarotsender 21 und der Ultraschallsender 22 angeordnet. Am oberen Rand der Fas­ sung befinden sich die Augenbrauen-Bewegungssensoren 18. Die elektronischen Elemente für die Bildverarbeitung, der Prozes­ sor und die Verstärker für die Ausgabeeinheit sind in dem Brillengestell bzw. in den Bügeln untergebracht. Durch die heute verfügbare Halbleitertechnologie es ist möglich, alle elektronischen Elemente so herzustellen, daß eine Bildverarbeitung und Umsetzung in Echtzeit bei hoher Qualität möglich ist. Die Vibrationsaktoren 16 für die Knochenschallübertra­ gung sind im hinteren Bereich des Bügels angeordnet, wo die Übertragung auf die Knochen hinter der Ohrmuschel erfolgt. Kleine Ohrhörer 15 sind ebenfalls am Bügel befestigt. Elemen­ te für induktive Kopplung bei Taub-Blinden mit Kolchea- Apparatprothesen sind in diesem Ausführungsbeispiel nicht dargestellt, aber ähnlich wie die Vibrationsaktoren problem­ los integrierbar.

Claims (10)

1. Tragbares Orientierungssystem mit
einer Sensoreinheit (1; 11, 12) zur selektiven Aufnahme von Umgebungsinformationen, die normalerweise von menschlichen Sinnen aufgenommen werden,
einer Signalverarbeitungseinheit (2; 13, 14, 17), die mit der Sensoreinheit (1; 11, 12) verbunden ist, zur Verarbei­ tung der Signale der Sensoreinheit (1; 11, 12),
einem Kontrollmodul (4; 18, 19) zur Steuerung von Aufnah­ me- und/oder Verarbeitungs- und/oder Ausgabeoptionen der Sensor-, Signalverarbeitungs- und Ausgabeeinheit und
einer Stromversorgungseinheit (5; 23, 24).

2. Tragbares Orientierungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinheit (1) mindestens eine Kamera (11) und die Si­ gnalverarbeitungseinheit eine Bilderkennungseinheit (13) zur Erkennung von Objekten in einer Umgebungsinformation auf­ weist.

3. Tragbares Orientierungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Kamera (11) eine Filtereinheit (26) auf­ weist.

4. Tragbares Orientierungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ultraschallsender (12) vorgesehen ist und die Sensorein­ heit (1) einen Ultraschallempfänger (12) aufweist.

5. Tragbares Orientierungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Infrarotsender (21) vorgesehen ist und die Kamera (11) für Infrarotlicht empfindlich ist.

6. Tragbares Orientierungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgabeeinheit (3) Vibrationsaktoren (16) aufweist.

7. Tragbares Orientierungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontrollmodul (4) Bewegungssensoren (18) zur Erfassung von Augenbrauenbewegungen aufweist.

8. Tragbares Orientierungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinheit (1; 11, 12), die Signalverarbeitungsein­ heit (2; 13, 14), die Ausgabeeinheit (3; 15, 16, 17, 25), das Kon­ trollmodul (4; 18, 19) und die Stromversorgungseinheit (5; 23, 24) in ein Brillengestell integriert sind.

9. Tragbares Orientierungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgungseinheit (5) ein Solar-Modul (24) auf­ weist.

10. Tragbares Orientierungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bilderkennungseinheit (13) aus den Bildinformationen von mindestens zwei Kameras (11) ein dreidimensionales Bild er­ stellt.