DE10058244C2

DE10058244C2 - Messverfahren zur Ermittlung der Position eines Objektes vor einem Bildschirm und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10058244C2
Application number: DE2000158244
Authority: DE
Inventors: Jin Liu; Eggert Feddersen; Siegmund Pastoor; Volkert Tietje
Original assignee: Fraunhofer Institut fuer Nachrichtentechnik Heinrich Hertz Institute HHI
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2000-11-19
Filing date: 2000-11-19
Publication date: 2003-02-06
Anticipated expiration: 2020-11-20
Also published as: WO2002041128A2; WO2002041128A3; DE10058244A1; EP1342150A2; AU2002216927A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Messverfahren zur Ermittlung der Position eines Objektes vor einem Bildschirm in einem zugelassenen Aufenthalts bereich zur Einbeziehung der Objektposition in die Darstellung von Bildschirminhalten oder optische Bildstrahlnachführung mittels

- aktiv in den Aufenthaltsbereich parallel ausgerichteter Aussendung von Infrarotlicht mit eng gebündelter Sendecharakteristik an zumindest zwei Sendeorten entlang einer einen Bildschirmrandbereich zumindest horizontal durchmessenden virtuellen Zeile mit zumindest linearem Verlauf,
- ortsabhängiger Messung des von der Objektoberfläche reflektierten Infra rotlichtanteils an zumindest einem Messort auf der virtuellen Zeile im Bildschirmrandbereich und
- den Sendeorten zugeordneter Auswertung der Messergebnisse

und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Derartige Messverfahren dienen primär der Ermittlung der Kopfposition eines Displaynutzers an einem Computerarbeitsplatz (Head-Tracking-Verfahren). Bei Kopfbewegungen können die Positionsdaten beispielsweise zur optischen Nachführung der Bildstrahlen eines autostereoskopischen 3D-Displays, zur Ausrichtung einer Videokamera auf den Anwender oder in Virtual-Reality- Anwendungen zur rechnerischen Anpassung der Bildperspektive einer geren derten Szene an die momentane Kopfposition (Bewegungsparallaxe) verwen det werden. Allgemein können aber auch Bewegungen anderer Objekte, die in ausreichendem Maße Infrarotlicht reflektieren, verfolgt werden (beispielsweise Handbewegungen).

Zur Messung der Kopfposition eines Displaynutzers werden gegenwärtig folgende Verfahren verwendet:

- Positionsmessung mit Messspulen in einem vom Messsystem erzeugten elektromagnetischen Feld. Dieses Verfahren ist beispielsweise aus der technischen Beschreibung der Star*Track Motion Capture Family der Firma Polhemus bekannt (vgl. Internetseite http://www. polhemus.com/ stardstech.htm, Stand 01.11.2000). Bei diesem elektromagnetischen Trackingverfahren werden Messungen von Bewegungen in allen 6 Freiheitsgraden (Translation und Rotation) durchgeführt. Nachteilig sind die Befestigung der Messsonde am Messobjekt (Kopf) und deren Verbindung mit dem Messsystem durch ein Kabel. Außerdem ist das Verfahren störanfällig gegen Metalle in der Nähe bzw. Umgebung des Messobjektes aufgrund der Beeinflussung des elektromagnetischen Feldes und teuer in der Realisierung.
- Video-basierte Techniken. Die Messung erfolgt durch Auswertung von Kamerabildern. Es gibt eine Vielzahl von Varianten verschiedener Kategorien: (1) Es wird das im Aufenthaltsbereich des Anwenders vorhan dene Licht oder eine spezielle aktive Lichtquelle hinsichtlich der Lichtfarbe permanent oder intermittierend genutzt. (2) Es werden merkmalsbasiert spezielle Merkmale im Kopfbereich des Anwenders (Mund, Pupillen, Nase) oder flächenbasiert spezielle Flächen (Hautfarbe, individuelles Aussehen der Augenregion, Suche nach Augen anhand einer Augendatenbank) des Anwenders detektiert. (3) Es werden eine oder mehrere Kameras (Stereo auswertung) eingesetzt. Die Nachteile der video-basierten Verfahren sind insbesondere in dem hohen Kostenfaktor, der begrenzten Messfrequenz und der Störanfälligkeit bei veränderten Beleuchtungsbedingungen zu sehen. Eine hohe Zuverlässigkeit ist nur bei einer individuellen Kalibrierung zu erreichen.
- Verfahren mit aktiver Infrarotbeleuchtung und Reflexmarke. Ein solches Verfahren wird beispielsweise in dem "DynasightTM Sensor" der Firma Origin Instruments (vgl. Internetseite http://www.orin.com/3dtrack/dyst.htm, Stand 01.11.2000) umgesetzt. Die Messungen erfolgen hier nach dem Prinzip des optischen Radars mit hoher Genauigkeit. Ein gravierender Nachteil besteht jedoch darin, dass eine Reflexmarke an der Stirn des Anwenders befestigt oder auf den Rahmen einer (Stereo-)Brille geklebt werden muss. In der Realisierung ist dieses Verfahren sehr teuer und erfordert Sensoren mit großer Bautiefe.

Einer vierten Verfahrenskategorie gehört auch das vorliegende erfindungs gemäße Verfahren an. Es handelt sich hierbei um ein Messverfahren mit einer aktiven Infrarotbeleuchtung ohne Verwendung von Reflexmarken und Kame ras. Die einzige bisher bekannte Umsetzung wird beschrieben in den Auf sätzen von N. Tetsutani et al., "Full-Color Stereoscopic Video Pickup and Display Technique Without Special Glasses" (SID 89 Digest, pp 188-191), "Consideration on Three-Dimensional Visual Communication Systems" (IEEE Journal on selected areas in communications, Vol. 9, No. 4, May 1991, pp 555- 560) und "Development of Direct-View 3D Display for Videophones Using 15 inch LCD and Lenticular Sheet" (IEICE Trans. Inf. & Syst., Vol. E77 D, No. 9, Sept. 1994, pp 940-947).

Bei dem aus diesen Aufsätzen bekannten Messverfahren werden im Bildschirmbereich zwei Infrarotlichtbündel abgestrahlt und der von der Haut des Anwenders als Objekt reflektierte Anteil wiederum im Bildschirmbereich detektiert. Dazu sind auf dem Bildschirmgehäuse als horizontal und linear verlaufende "virtuelle Zeile" an seinen beiden Ecken zwei Sendeorte, von denen jeweils im Dauerlichtbetrieb eine eng begrenzte Infrarotkeule in den Aufenthaltsraum gesendet wird, und zwei, direkt daneben auf dem Bildschirmgehäuse angeordnete Messorte vorgesehen. Die beiden parallel ausgesendeten Keulen markieren die beiden seitlichen Grenzen des zugelassenen Aufenthaltsbereichs für den Anwender. Die Auswertung der Messung erfolgt nach drei Kriterien: (1) Es wird kein reflektiertes Infrarotlicht empfangen. Der Anwender befindet sich in der Mitte zwischen den Keulen im zugelassenen Aufenthaltsbereich. (2) Am rechten Messort wird reflektiertes Infrarotlicht empfangen. Der Nutzer befindet sich rechts von der Mitte des zugelassenen Aufenthaltsbereichs. (3) Am linken Messort wird reflektiertes Infrarotlicht empfangen. Der Nutzer befindet sich links von der Mitte des zugelassenen Aufenthaltsraums. Entsprechend diesen drei Zuständen erfolgt in dem System eine Pixelumschaltung des 3D-Displays, die bewirkt, dass der Nutzer bei seitlichen Kopfbewegungen keine Tiefenumkehr (Pseudoskopie) im Stereobild wahrnimmt. Bei dem Verfahren erfolgt also die Positionsauswertung nur als relative Feststellung. Damit diese mit der aktuellen Position des Nutzerkopfes übereinstimmt, wird dessen Abbildung in einen sehr engen Rahmen projiziert, der seitlich von den beiden Infrarotlichtkeulen begrenzt wird. Das Auflösungsvermögen des bekannten Verfahrens ist dementsprechend begrenzt, ein häufiges Umschalten schon bei kleinsten seitlichen Kopfbewe gungen ist die Folge. Aktuelle Kopfpositionen in absoluten Maßangaben können nicht ermittelt werden. Außerdem muss die Messrahmenbreite auf jeden einzelnen Nutzer individuell kalibriert oder sehr breit gewählt werden, was zu entsprechend ungenauen Messergebnissen führt. In einer besonderen Ausführungsvariante kann aus der Lage der Abbildung des reflektierten Lichtes auf dem Bildaufnehmer der zur Messung verwendeten Kamera auch grob auf die Entfernung des Kopfes geschlossen werden. Die Entfernungsinformation (mit zunehmender Entfernung sinkt die Intensität des empfangenen Lichtes) wird zur Steuerung der Empfindlichkeit der Sensoren an den beiden Messorten verwendet.

Aus dem Stand der Technik ist es auch bekannt, mit Hilfe von ausgesendeten Lichtstrahlen einen Erfassungsbereich abzutasten, um sich dort befindende Objekte zu ermitteln und daraus Funktionen abzuleiten. Deren Auslösung wird durch sogenannte "Lichtschranken" realisiert. Lichtschranken realisieren jedoch grundsätzlich binäre Entscheidungskriterien und können entweder geöffnet oder geschlossen sein. Zwischenzustände sind irrelevant. Eine konkrete Messung auftretender Lichtstrahlanteile erfolgt nicht. Aus der DE 29 20 804 A1 ist eine Einrichtung zum Messen des Durchmessers von Rundhölzern mit einer vertikal orientierten Anordnung von Durchlichtschranken aus einer Vielzahl von Spalten paarweise zugeordneter Infrarotlichtsender und -empfänger bekannt. Bei der bekannten Einrichtung werden die einzelnen Durchlichtschranken zeitlich aufeinanderfolgend und zyklisch angesteuert, sodass ein gepulster Lichtstrahl die Höhe des Rundholzes scannt. Über ein einfaches Registrieren der diskontinuierlichen Zustände aufgrund der vom Rundholz unterbrochenen und nicht unterbrochenen Lichtstrahlen wird der Durchmesser aus der Summe der aufeinander folgenden offenen Schranken zwischen zwei geschlossenen Schranken ermittelt. Eine Positionsermittlung in Abhängigkeit von einem Koordinatensystem erfolgt nicht.

Aus der DE 35 14 982 A1 ist eine Reflexionslichtschranke bekannt, mit deren Hilfe ein von einem Objekt in einem Erfassungsbereich reflektierter Anteil von Lichtstrahlen detektiert wird. Auch hier ist jedoch wiederum ein binäres Entscheidungsschema nachgeordnet. In Abhängigkeit von einem vorgegebenen Schwellwert wird durch die Reflexionslichtschranke eine Funktion, beispielsweise ein Alarm ausgelöst. Auch hier erfolgt keine Ermittlung des Intensitätsverlaufs des reflektierten Lichts über den Erfassungs bereich. Bereits das bloße Befinden eines unerwünschten Objekts im Erfassungsbereich ist ausreichend für eine Funktionsauslösung. Eine ähnliche Einrichtung wird in der DE 30 20 483 A1 beschrieben, die dem Erkennen von Hindernissen in einem weiten Erfassungsbereich dient. Dazu werden alle Lichtsender von einer einzigen Quelle simultan angesteuert, sodass eine spezielle Lichtverteilungscharakteristik erzeugt wird. Auch die Signale aller Lichtempfänger werden zu einem gemeinsamen Signal zusammengefasst, sodass auch eine spezielle Empfangscharakteristik entsteht. Durch die Anpassung der Sende- und Empfangscharakteristik an den Erfassungsbereich in der Konzeption einer einzelnen Lichtschranke für Reflexionsbetrieb ist der Erfassungsbereich besonders gut abtastbar, sodass Hindernisse besser erkannt werden.

Schließlich ist aus der DE 195 16 324 A1 ein Verfahren zur Messung der Lage-, Form- und Bewegungsparameter entfernter Objekte bekannt, das als Kombination einer Detektion mittels Laserradar mit einem speziell ausgebildeten Strahlarray aufzufassen ist. Auch hierbei handelt es sich jedoch um eine Anwendung des Lichtschrankenprinzips, da in den unterschiedlichen Anwendungsfällen jeweils die Anzahl der auftreffenden Lichtstrahlen gezählt wird. Über die bekannte Geometrie des Objekts und die Divergenz des Strahlbündels wird dann auf die Entfernung des Objekts geschlossen. Dieses sehr aufwändige Verfahren ist nur mit kameraorientierten Elementen zu realisieren. Als nachteilig sind hierbei die begrenzende niedrige Abtastfrequenz handelsüblicher Kameras und die Belastung der abzutastenden Objekte, in der Regel Personen, mit Laserstrahlung anzusehen. Ein Einsatz dieses bekannten Messverfahrens im Randbereich eines Bildschirms als direktem Arbeitsbereich eines Anwenders ist daher nicht möglich.

Die Problematik für die vorliegende Erfindung ist zusammenfassend darin zu sehen, das beschriebene bekannte Messverfahren unter Verwendung von aktivem Infrarotlicht und ohne Verwendung von Reflexmarken und Kameras dahingehend zu verbessern, dass relative Objektpositionen im Aufenthalts bereich definiert erfasst sowie individuell ausgewertet und verarbeitet werden können. Dabei soll der Anwender größtmögliche Bewegungsfreiheit haben, um physiologische Beeinträchtigungen zu verhindern. Der auftretende Messfehler soll sehr gering sein, eine Anpassung an die geforderte Messauflösung soll möglich sein. Das Messverfahren soll einfach in seinem Ablauf und damit kostengünstig in seinen Realisierungskomponenten sein. Weiterhin soll es ohne die Notwendigkeit einer individuellen, benutzerabhängigen Kalibrierung durchführbar sein, sodass es auch bei spontan wechselnden Benutzern sofort einsetzbar ist. Eine Vorrichtung zur Verfahrensdurchführung soll kompakt in seinen Abmessungen sein, sodass eine vielseitige Einsetzbarkeit durch eine problemlose Verbindung mit unterschiedlich ausgeführten und eingesetzten Bildschirmen erreichbar ist.

Zur Lösung dieser Problematik ist das erfindungsgemäße Messverfahren gemäß Anspruch 1 vorgesehen. Vorteilhafte Weiterführungen des erfindungs gemäßen Verfahrens, auf die im Zuge der Beschreibung im Einzelnen auch erläuternd eingegangen wird, sind den zugeordneten Unteransprüchen zu entnehmen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird entlang einer virtuellen Zeile ein Sende- und Empfangsschema konzipiert, mit dem der Aufenthaltsbereich des sich bewegenden Objekts kontinuierlich mit einem eng gebündelten Infrarotlichtstrahl gescannt wird, vergleichbar einem umlaufenden Radarstrahl. Dazu werden die einzelnen Sendeorte entlang der virtuellen Zeile fortlaufend zur Abgabe eines einzelnen Infrarotlichtimpulses veranlasst. Ist der letzte Sendeort in der Zeile erreicht, wird als nächstes wieder der erste Sendeort angesteuert, sodass der scannende Infrarotlichtstrahl zyklisch den Raum immer wieder von einer Seite zur anderen durchläuft. In Abhängigkeit vom Sendetakt der Infrarotlichtpulse kann damit der zulässige Aufenthaltsbereich ununterbrochen gescannt und jeder aktuelle Aufenthaltsort des zu überwachenden Objekts sofort detektiert und durch eine entsprechende Umrechnung in absolute Positionskoordinaten (bezogen auf das Messsystem) umgesetzt werden. Die gewählte Anzahl N der Sendeorte und deren eng begrenzte Sendecharakteristik bestimmen dabei die Ortsauflösung, eine Wahl von vorzugsweise N ≧ 8 Messorten garantiert bereits einen guten Auf lösungswert. Weiterhin ist die gewählte Anzahl N abhängig von der Länge der virtuellen Zeile und der Sendecharakteristik der Sendeorte. Die Messung der reflektierten Infrarotlichtpulsanteile ist an den Takt der ausgesendeten Infrarotlichtpulse angepasst. Die Zuordnung zu den einzelnen Sendeorten bzw. zu deren Einfallsbereich bestimmt dabei die Empfangscharakteristik der Messung. Bei einer sehr breiten Empfangscharakteristik kann der Messtakt mit dem Sendetakt übereinstimmen, bei einer sehr eng begrenzten Charakteristik kann er ein Vielfaches davon betragen, wodurch Einfluss auf die Messgenauigkeit genommen werden kann.

Die Auswertung der Sensorsergebnisse basiert auf der Erkenntnis, dass die Position des Schwerpunkts einer Fläche der charakteristische Parameter für die Position der Fläche selbst ist. Aus jedem Zeilenscan kann der Intensitäts verlauf der reflektierten Infarotlichtanteile ermittelt werden, wobei die Abschnitte zwischen den einzelnen Messorten linear interpoliert werden können. Auch hier zeigt sich, dass eine Vergrößerung der Anzahl der Messorte die Annäherung an den realen Intensitätsverlauf wesentlich verbessert. Die Fläche unter der Intensitätskurve, die sich aus einer Vielzahl von breiteren oder schmaleren Trapezflächen zusammensetzt, steht in Relation zur reflektieren den Oberfläche des Objekts. Die Koordinaten des Flächenschwerpunkts, der sich nach bekannten Algorithmen (vgl. weiter unten) ermitteln lässt, entsprechen dann den gesuchten Koordinaten der aktuellen Objektposition. Dabei legt die Ausrichtung der virtuellen Zeile die Ausrichtung der Koordinaten (waagerecht, senkrecht) fest.

Zusammenfassend kann zu den von dem erfindungsgemäßen Verfahren erfüllten Anforderungen Folgendes ausgeführt werden: Das Messverfahren kann seitliche Objektbewegungen (insbesondere Kopf oder Hand einer Nutzers) in einem Bereich von mindestens 30 cm erfassen, sodass keine Einschränkung der natürlichen Bewegungsfreiheit des Anwenders erfolgen muss. Dieser kann sich ganz natürlich bewegen, der Bildschirminhalt bzw. die optischen Bildstrahlen eines autostereoskopischen 3D-Displays werden hochgenau entsprechend nachgeführt. Die Kopfposition, definiert als Flächenschwerpunkt der Fläche des Gesichtes bei (Parallel-)Projektion in Richtung auf den Messort, kann in einem definierten Abstandsbereich von 50 cm bis 100 cm detektiert werden, was einem üblichen Betrachtungsabstand für Computerbildschirme an einem Arbeitsplatz entspricht. Der örtliche Auflösung der gemessene Positionsdaten ist besser als 0,5 mm. Je nach Anwendung kann eine größere Messungenauigkeit zugelassen sein, in diesem Fall sind einfache Anpassungsmöglichkeiten des technischen Aufwandes an die geforderte Genauigkeit durchführbar. Zur weiteren Verringerung des Messfehlers kann vor jedem Aussenden eines Infrarotlichtpulses ein Helligkeitsabgleich an allen Messorten durchgeführt werden. Störeinflüsse aus der Umgebung werden so eliminiert. Das Messverfahren ist äußerst robust gegenüber wechselnden Verhältnissen der Umgebungsbeleuchtung (adaptiv) und bei mechanischer/thermischer Belastung. Es kann daher auch an schwierigen Einsatzorten, z. B. bei mobilen Anwendungen im fahrenden Kfz., eingesetzt werden. Das Messverfahren benötigt keine Reflexmarken oder andere am Objekt zu tragende Komponenten einer Messapparatur. Darüber hinaus benötigt es keine abbildenden Apparaturen (Kamera). Die zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen Komponenten weisen ein derart geringe Baugröße auf, dass eine Integration selbst in das Gehäuse eines Flachbildschirms oder in das Cockpit eines Fahrzeugs möglich ist. Ein individuelle, benutzerabhängige Kalibrierung entfällt, dadurch können die Benutzer spontan wechseln. Gegebenenfalls kann im Kontext einer Anwendung eine Feinabstimmung durch den Anwender erfolgen. Das erfindungsgemäße Messverfahren kann Positionskoordinaten in allen drei translatorischen Raumrichtungen liefern. Bei einer Bevorzugung nur der waagerechten Breitenkoordinate ist es zulässig, dass die Messzone in vertikaler Richtung auf einen Winkel von unter 20 Grad beschränkt ist. Messungen in vertikaler und frontaler Richtung bezogen auf das Display können bei Bedarf durch entsprechend positionierte zusätzliche Sensoren erfasst werden. Eine Erfassung des Drehwinkels des Kopfes, d. h. aller sechs Freiheitsgrade, ist nicht beabsichtigt.

Die ortsabhängige Messung der reflektierten Infrarotlichtpulsanteile mit einer weitwinkeligen Empfangscharakteristik kann an einem einzigen Messort in der Mitte der virtuellen Zeile erfolgen. Der Messtakt ist dann identisch mit dem Sendetakt. Jeder reflektierte Infrarotlichtpulsanteil wird dann an einem zentralen Messort detektiert. Die ortsabhängige Messung kann aber auch mit einer jeweils schmalwinkeligen Empfangscharakteristik an einer mit der gewählten Anzahl N der Sendeorte übereinstimmenden Anzahl M von Messorten, die abwechselnd mit den einzelnen Sendeorten unter gleichmäßiger Anpassung an deren Rastermaß entlang der virtuellen Zeile vorgesehen sind, in einer fortlaufenden und zyklischen Abfolge erfolgen, die an die Abfolge der ausgesendeten Infrarotlichtpulse angepasst ist. Nunmehr ist jedem Sendeort entlang der virtuellen Zeile ein Messort zugeordnet. Die Zeile ist somit homogen konzipiert, sodass der gesamte zulässige Aufenthalts bereich mit gleichen Messvoraussetzungen gescannt werden kann. Dadurch entstehen keine Messungenauigkeiten an den Randbereichen. Bei gleichem Sende- und Messtakt wird bei jedem aktiven Sendeort einmal der benachbarte Messort aktiviert, sodass pro Messzyklus einer der Anzahl der vorhandenen Sende- bzw. Messorte entsprechende Anzahl von Messwerten zu erhalten ist. Die ortsabhängige Messung der reflektierten Infrarotlichtpulsanteile kann aber auch mit einer Gewichtung im Bereich des getaktet aktiven Sendeortes erfolgen, die im Messtakt und in der Auswertung der Messergebnisse berücksichtigt wird. Bei der Umsetzung bedeutet dies, dass der Messtakt nunmehr ein Vielfaches des Sendetaktes ist. Zu jedem aktiven Sendeort werden mehrere benachbarte Messorte als zugeordnetes Messarray abgefragt. Dabei kann eine gleichzeitige Abfrage der benachbarten Messorte erfolgen, was jedoch relativ aufwändig ist, sodass auch die Messorte bevorzugt zeitlich nacheinander abgefragt werden. Durch diese Arraybildung kann das Messergebnis verbessert werden. Insbesondere können bei der Gewichtung jeweils vier, dem aktiven Sendeort rechts und links benachbarte Messorte einbezogen werden, wobei die bei den jeweils beiden äußeren Sendeorten fehlenden benachbarten Messorte in ihren Messwerten angenommen werden und der Messtakt das Achtfache des Sendetaktes der ausgesendeten Infrarotlichtpulse beträgt. Durch die Wahl eines Achterarrays erhält man eine zuverlässige Gewichtung, die bezüglich des Messtaktes noch völlig unkritisch ist. Die Messwertannahme für die fehlenden Messorte kann entweder zu Null oder durch Spiegelung der entsprechenden, zum Sendeort symmetrischen Messorte erfolgen. Die Messungen an den jeweils relevanten Messorten im Array können zeitgleich, was jedoch einen größeren Bauteilaufwand bedeutet, oder zeitversetzt erfolgen.

Das Konzept der virtuellen Zeile ist einfach und vielfältig einsetzbar. Das wird noch unterstützt durch unterschiedliche Kombinationsmöglichkeiten in der Positionierung und geometrischen Konstruktion der virtuellen Zeile. Mit einer linearen Zeile können je nach dem, in welcher Ausrichtung sie konzipiert ist (horizontal oder vertikal), die entsprechend zur Bildschirmoberfläche horizon talen (x) oder vertikalen (y) Positionskoordinaten des zu erfassenden Objekts ermittelt werden. Bei einer Kombination beider Konzepte können entsprechend die x-y-Koordinaten in der Oberfläche ermittelt werden. Die wichtigste Koordinate für eine Bildnachführung ist im Allgemeinen die x-Koordinate, weil bei seitlichen Kopfbewegungen die Bildinhalte am deutlichsten variieren, und insbesondere bei horiziontal gerasterten Bildern für autostereoskopische Displays (z. B. nach der Linsenrastermethode oder der Parallaxbarrieren technik) eine optische Bildstrahlnachführung in horizontaler Richtung erforderlich ist. Von Bedeutung ist aber auch die Entfernung des Anwenders von der Bildschirmoberfläche, d. h. die z-Koordinate. In Abhängigkeit von deren Werten können ebenfalls Anpassungen (Fokussierungen) der Bildinhalte und der Bildstrahlen vorgenommen werden. Zur Erfassung der z-Koordinate kann insbesondere vorgesehen sein, dass die virtuelle Zeile oder die Ausrichtung der Sende- bzw. Empfangscharakteristik der Sende- bzw. Messorte einen gleichmäßig radial gekrümmten Verlauf zum Objekt aufweist. Durch den Zeilenverlauf in Form eines Kreisbogenausschnitts kann über eine relativ kurze Zeile ein relativ weiter Aufenthaltsbereich des Objektes erfasst werden. Eine noch kürzere Zeile in linearer Ausprägung erhält man bei der radialen Ausrichtung der Sende- und Empfangscharakteristiken, die zudem noch einfacher zu realisieren ist. Die radial ausgerichtete Anordnung entspricht einer Projektion mit Zentralperspektive, d. h. die Größe des abgebildeten Objektes nimmt mit zunehmender Entfernung von der virtuelle Zeile ab. Durch Auswertung der Streubreite der gemessenen Intensitätskurven kann daher auf relative Abstandsänderungen des Objektes geschlossen werden (relatives Tracking in Richtung der z-Achse). Die absolute Größe des abgebildeten Objektes kann anhand einer zusätzlichen linearen Zeile mit einer parallelen Ausrichtung von Empfangskeulen ermittelt werden. Durch Kombination einer linearen mit einer gekrümmten Zeile kann daher auch der absolute Abstand des Objektes (bevorzugt Kopf des Anwenders) berechnet werden (absolutes Tracking in Richtung der z-Achse).

Bei einer bevorzugten Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit

- zumindest zwei Infrarotlichtquellen mit eng gebündelter Sendecharakteristik als Sendeorte entlang einer einen Bildschirmrandbereich zumindest horizontal durchmessenden virtuellen Zeile mit zumindest linearem Verlauf,
- zumindest einem Sensor zur ortsabhängigen Messung des von der Objekt oberfläche reflektierten Infrarotlichtanteils im Bildschirmrandbereich auf der virtuellen Zeile und
- einer Auswerteeinheit zur den Sendeorten zugeordneten Auswertung der Messergebnisse,

ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass

- die virtuelle Zeile durch eine für Infrarotlicht undurchlässige Schiene vorge gebener Länge als Sensorzeile realisiert ist, in die eine in Abhängigkeit von der geforderten Auflösung der Positionsermittlung vorgegebene Anzahl N Infrarotlichtquellen mit einem variablen oder konstanten Rastermaß zueinander integriert ist, die über eine Steuerelektronik in zeitlich fortlaufender und zyklischer Abfolge zur Abgabe getakteter Infrarotlicht pulse mit einem Sendetakt angesteuert werden,
- über die Steuerelektronik auch der zumindest eine Sensor im Sendetakt oder einem ganzzahligen Vielfachen davon als Messtakt angesteuert wird und
- die Auswerteeinheit einen Microcontroller aufweist zur an den Messtakt angepassten Durchführung von Rechenalgorithmen für die Berechnung der aktuellen Position des Oberflächenschwerpunkts aus dem ermittelten aktuellen Intensitätsverlauf der reflektierten Infrarotlichtpulsanteile entlang der Sensorzeile.

Vorteilhafte Weiterführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, auf die im Zuge der Beschreibung im Einzelnen auch erläuternd eingegangen wird, sind den zugeordneten Unteransprüchen zu entnehmen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zutreffenderweise als "Sensorzeile" bezeichnet werden und stellt die konsequente konstruktive Umsetzung der virtuellen Zeile als Basiskonzept des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Die Sensorzeile ist einfach und robust in ihrem Aufbau. Sie ist äußerst kostengünstig, da ihre Komponenten, im Allgemeinen einfache Infrarot- Leuchtdioden zur Realisierung der Sendeorte und Fototransistoren zur Realisierung der Messorte, als Massenteile preiswert sind. Die Sensorzeile ist einfach herzustellen und umfasst als tragendes Basiselement eine einfache, für Infrarotlicht undurchlässige Schiene. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine massive Aluminiumschiene handeln. Dabei kann ein einzelner Sensor mit einer weitwinkeligen Empfangscharakteristik in der Mitte der Schiene angeordnet sein. Die Sensorzeile kann aber auch einen homogenen, symmetrischen Aufbau aufweisen. Dazu kann eine mit der Anzahl N der Infrarotlichtquellen übereinstimmende Anzahl M von Sensoren mit einer schmalwinkeligen Empfangscharakteristik abwechselnd mit den einzelnen Infrarotlichtquellen in die Schiene unter gleichmäßiger Anpassung an deren Rastermaß integriert sein und die M Sensoren über die Steuerelektronik in einer fortlaufenden und zyklischen Abfolge angesteuert werden, die an die Abfolge der ausgesendeten Infrarotlichtpulse angepasst ist, wobei die Infrarotlichtquellen in einem konstanten Abstand von 8 mm, 16 mm oder 32 mm zueinander in der Schiene angeordnet sein können. Die Vorteile einer derartigen Anordnung werden im Zusammenhang mit einem speziellen Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Die Infrarotlichtquellen und die Sensoren können am Boden von röhrenförmi gen Öffnungen oder zurückversetzt in rückseitig optisch abgedichteten Bohrungen in der Schiene angeordnet sein. Die Öffnungen dienen als Blenden für die Infrarotlichtquellen bzw. für die Sensoren und begrenzen deren Austrittscharakteristik bzw. Empfangscharakteristik beispielsweise auf 16°. Die Austritts- bzw. Empfangscharakteristik kann ggf. auch (bzw. auch zusätzlich) durch Miniaturlinsen vor den Lichtquellen und den Sensoren begrenzt werden. Durch die optische Abdichtung kann eine Störwirkung durch Streulicht, seitliche Nebenkeulen und rückwärtiges Streulicht vermieden werden. Die Länge der Schiene kann einem Breitenanteil des Bildschirmrandbereichs entsprechen. Die Sensorzeile kann dann in der Breite des Bildschirmrand bereichs aus zwei oder mehr Schienen zusammengesetzt sein. Dabei können die Schienen auf Platinen, die die gesamte Schaltungs-, Steuerungs- und Auswerteelektronik tragen, montiert sein, die entsprechend hintereinander geschaltet sind. Die Schienen können aber auch in einem Gehäuse fertig instrumentiert sein, sodass mehrere Gehäuse hintereinandergeschaltet werden können. Außerdem kann die Sensorzeile an sich gekrümmt sein oder radial ausgerichtete Infrarotlichtquellen und Sensoren aufweisen, um die Ermittlung der Tiefenkoordinate des Objekts zu ermöglichen. Die Anordnung der Sensorzeile kann vielfältig im Bildschirmrandbereich erfolgen. Die Sensorzeile kann beispielsweise einfach auf dem Bildschirmgehäuse stehen oder seitlich daran montiert sein. Sie kann aber auch entsprechend in den Gehäuserand integriert sein. Weiterhin können lineare und gekrümmte Sensorzeilen miteinander kombiniert sein. Eine Vorrichtung zur Ermittlung aller drei Koordinaten x, y und z des sich bewegenden Objekts sieht eine lineare und eine gekrümmte Sensorzeile im horizontalen und eine lineare Sensorzeile im vertikalen Bildschirmrandbereich vor. Schließlich kann noch zumindest eine Sensorzeile horizontal in einen abnehmbaren Linsenrastervorsatz für einen 2D/3D-Bildschirm integriert sein. Auch Kombinationen der erfindungsgemäßen Sensorzeile mit anderen Positionserkennungsvorrichtungen sind möglich.

Ausbildungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 einen theoretischen Intensitätsverlauf,

Fig. 3 einen gemessenen Intensitätsverlauf,

Fig. 4 eine erste Ausführungsform einer Sensorzeile und

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer Sensorzeile.

Die Fig. 1 zeigt ein schematisiertes Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Messverfahrens zur Ermittlung der Position PO eines Objektes O vor einem Bildschirm in einem zugelassenen Aufenthaltsbereich OA zur Einbeziehung der Objektposition PO in die Darstellung von Bildschirminhalten bzw. zur optischen Bildstrahlnachführung bei einem getrackten 3D-Display.

Das erfindungsgemäße Messverfahren basiert auf der Aussendung E von eng gebündelten Infrarotlichtpulsen IRP von einer Anzahl N Sendeorten EL aus in den zugelassenen Aufenthaltsbereich OA des Objekts O und der ortsab hängigen Messung SM der von der Objektoberfläche OS reflektierten Infrarot lichtpulsanteile IRPR an zumindest einem Messort ML. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Anzahl N (im gewählten Ausführungsbeispiel N = 32) Infrarot-Leuchtdioden IRL als Sendeorte EL und eine damit überein stimmende Anzahl M von Fototransistoren PT als Messorte ML verwendet, die mit einem konstanten Abstand D in einer geraden virtuellen Zeile VL nebeneinander angeordnet sind und eine Sensorzeile SL bilden. Die Sensorzeile SL ist in der Fig. 1 von vorne und darunter von oben dargestellt, die Positionierung des Objektes O (Betrachter) ist in Relation zu der Darstellung von oben zu sehen. Die Infrarot-Leuchtdioden IRL senden in zeitlich fortlaufender und zyklischer Abfolge kurze Infrarotlichtpulse IRP aus (Hellsteuerung ca. 250 µs). Ein Array AR von im gewählten Ausführungs beispiel acht, Fototransistoren PT, die der vierten Infrarot-Leuchtdiode IRL symmetrisch benachbart gewählt sind, detektiert die reflektierten Infrarotlichtpulsanteile IRPR. Die Infrarot-Leuchtdioden IRL und die Fototransistoren PT sind zur Bündelung der Sende- bzw. Empfangs charakteristik im gewählten Ausführungsbeispiel auf einen Winkel von 16° am Boden von röhrenförmigen Öffnungen TO angebracht. Aus der gemessenen Intensitätsverteilung des empfangenen Lichtes IRPR kann dann auf die aktuelle Position PO des Objektes O bezüglich der Sensorzeile SL geschlossen werden.

Verschiedene Signalverarbeitungsschritte sorgen dafür, dass der Einfluss von Fremdlicht und das Messrauschen so reduziert wird, dass der Oberflächen schwerpunkt OP des Objektes O in Richtung der Sensorzeile SL bei einem Abstand von 80 cm auf wenige zehntel Millimeter genau bestimmt werden kann. In der Fig. 1 ist der Ablauf der Mess- und Rechenprozesse für eine Sensorzeile SL mit 32 Infrarot-Leuchtdioden IRL und 32 Fototransistoren PT dargestellt. In jedem Messzyklus werden 256 Rohmesswerte MPT durch Auslesen der 8 Fototransistoren PT in der Umgebung der gerade leuchtenden Infrarot-Leuchtdiode IRL gewonnen. Die Werte der "fehlenden" Foto transistoren PT am Anfang und Ende der Sensorzeile SL werden rechnerisch auf Null gesetzt. Die Rohmesswerte MPT laufen in einer Sample- and Hold- Einheit SHU auf und werden in einem Analog-Digital-Wandler AD beispielsweise mit einer 8 bit-Genauigkeit zu digitale Messdaten MD umgesetzt. Diese Werte MD werden dann in den Speicher RAM eines Microcontrollers MC eingelesen und durch gewichtete Mittelung FI auf 32 gefilterte Messdaten MD reduziert. Durch Berechnung des Oberfächenschwerpunktes OP unter der gemessenen Intensitätskurve (vgl. Fig. 2, 3) wird ein verfeinerter Indexwert IV gewonnen, der durch entsprechende Skalierung (Verfeinerung durch iterative Anwendung der Eingabelungs-Methode IBS) in einen Positionswert PV in metrischen Einheiten für das Zentrum der aktuellen Objektposition PO in Richtung der Sensorzeile SL umgerechnet werden kann. Damit fluktuierende Infrarotlichtanteile im Umgebungslicht keinen Einfluss auf das Messergebnis PV haben, wird vor jeder einzelnen Hellsteuerung einer Infrarot-Leuchtdiode IRL in einem Korrekturschritt COR der Dunkelwert an den Fototransistoren PT gemessen und nach erfolgter Hellsteuerung in den Analog-Digital-Wandlern AD von den Messdaten MD abgezogen. Die Analog-Digital-Wandler AD werden ebenfalls vor jeder Hellsteuerung neu abgeglichen, um eine mögliche Drift und individuelle Ungenauigkeiten auszugleichen.

Im Folgenden wird anhand der Fig. 2, die den Intensitätsverlauf des reflektierten Infrarotlichtpulsanteils IRPR über der Sensorzeile SL zeigt, kurz und allgemein die im erfindungsgemäßen Messverfahren angewandte Signalverarbeitung erläutert. Die Messdaten MD durchlaufen ein Filter FI, mit dem aus je acht benachbarten Messdaten MD ein neuer Wert Xneu errechnet wird. Dabei werden die Koeffizienten so gewählt (Potenzen von 2), dass mit Stellenverschiebungen (Shifts) dividiert werden kann. Die Summe der Koeffizienten ist dabei ungleich 1. Diese Vorgehensweise ist zulässig, da die Absolutwerte der Mittelung nicht benötigt werden. Nur die Unterschiede zwischen den ausgewerteten Infrarot-Leuchtdioden IRL sind von Interesse. Das im folgenden skizzierte Filter FI wurde zur gewichteten Mittelung des Messdaten MD implementiert:

Als Resultat der Filterung liegt eine Ergebniszeile mit N Werten vor, die den Intensitätsverlauf des reflektierten Infrarotlichtpulsanteils IRPR über der Sensorzeile SL darstellt. Durch lineare Interpolation wird aus den gefilterten Messwerten FI(MD) eine Fläche gebildet (vgl. Fig. 2). Gesucht wird nun die x- Koordinate des Flächenschwerpunktes unter der Kurve. Deren Wert wird dann als Resultat der Ortsbestimmung der Kopfposition in x-Richtung genommen. Die Bestimmung erfolgt in zwei Schritten:

1. Die Position wird im ersten Schritt mit der Genauigkeit des halben Messwerteabstandes ermittelt. Zunächst wird dazu die Gesamtfläche S nach der Trapezregel berechnet:

Dann werden die Teilsummen sukzessiv mit der halben Fläche S/2 verglichen. Derjenige Indexwert IV, der diesen Wert nicht übersteigt, wird als Resultat ausgegeben:

Dieses Ergebnis fällt noch relativ grob aus, da die Messung vom Abstand bzw. von der Zahl der optischen Messelemente (Fototransistoren) abhängt. Diese sollte aus Aufwandsgründen möglichst klein sein.

1. Im nächsten Schritt wird das Ergebnis verfeinert. Der nach dem obigen Schema gewonnene Indexwert IV ist nie größer als die horizontale Schwer punktkoordinate. An der Intensitätskurve gemäß Fig. 2 ist ersichtlich, dass für eine genauere Bestimmung des Flächenschwerpunktes die grau dargestellte Fläche ΔF eines Trapezes berechnet werden muss. Die Grundlinie Δx des Trapezes verfeinert die Bestimmung des gesuchten Koordinatenwertes.

Die Lösung dieser quadratischen Gleichung für Δx erfolgt mit der Methode der "Eingabelung" (Bisection Methode). Durch fortgesetzte Halbierung des anfänglichen Suchintervalls [x_IV,x_IV+1] und Überprüfung, ob der Wert zu groß oder zu klein ist, wird das gesuchte Δx solange eingekreist, bis die geforderte Genauigkeit erreicht ist. Mit jedem Schritt wird der Fehler halbiert, sodass jeweils eine binäre Nachkommastelle gewonnen wird. Normalerweise wird auf dem Zielrechner kein mathematischer Koprozessor zur Verfügung stehen. Dann ist die Ausführung des Algorithmus in Festkomma zu bevorzugen, da eine Gleitkomma-Bibliothek nicht nur Speicherplatz belegt, sondern auch zusätzliche Rechenleistung fordert. Beides wird auf Microcontrollern aus Aufwandsgründen stets knapp bemessen sein.

Alle handelsüblichen Rechner arbeiten mit dem binären Zahlensystem. Um etwa P binäre Nachkommastellen zu berechnen, wird eine Iterationsformel für ΔX = 2^PΔx aufgestellt, denn die Multiplikation mit der Basis 2 kann durch einfaches Stellenverschieben erzielt werden.

2^2P+1ΔF = 2^PΔx(2^P+1x_IV + 2^PΔx[x_IV+1 - x_IV]) = ΔX(2^P+1x_IV + ΔX[x_IV+1 - x_IV])

Da zur Berechnung von ΔF nur durch 2 oder 4 geteilt werden muss, kann die linke Seite der Gleichung für P ≧ 1 rundungsfehlerfrei berechnet werden. Von der Iteration nach der Bisection Methode werden dann genau P Schritte durchgeführt (oder weniger, wenn die Gleichung mit einem der Zwischenwerte exakt gelöst werden kann). Eine besonders effektive Implementierung des Algorithmus kann aber nur ungerade Werte liefern, wenn M eine Potenz von Zwei ist (wie im vorliegenden Fall). Daher empfiehlt sich die Einführung einer weiteren Stelle (P um Eins erhöhen), die nicht ausgegeben wird.

Eine praktische Realisierung ergab, dass bei einem Sensorenabstand von 15,24 mm eine Auflösung von 0,48 mm erreicht werden kann, was einen Wert von P = 64 sinnvoll macht. Wenn die optischen Bauteile im 2er-Potenz- Abstand von Millimetern (8, 16 oder 32 mm) angeordnet würden, wäre das Ergebnis ohne Umrechnung dezimal zu interpretieren. Das bislang implementierte Verfahren ermöglicht eine Messfrequenz von über 33 Hz (16-Bit Prozessor aus der Motorola 68HC-Familie, Kfz. tauglich, CAN Bus Unter stützung, interner Flash EPROM).

Fig. 3 zeigt als Beispiel eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemessene Intensitätskurve nach dem ersten Auswertungsschritt, d. h. vor der beschriebenen Messwertverfeinerung in Schritt 2). In der Darstellung beschreibt die x-Achse die numerische Position der jeweils leuchtenden Infrarot-Leuchtdiode IRL. Der jeweils darüber aufgetragene Intensitäts messwert ist die gewichtete Mittelung der Messwerte von acht Fototransistoren PT in der Umgebung der jeweils leuchtenden Infrarot-Leuchtdiode IRL.

In der Fig. 4 ist eine einfache Vorrichtung einer erfindungsgemäßen Sensor zeile SL auf dem horizontalen Bildschirmrandbereich DM eines Bildschirms D schematisch dargestellt. Deutlich ist zu erkennen, dass die gerade Sensorzeile SL nur geringe bauliche Abmessungen aufweist und deshalb an nahezu beliebigen Orten montierbar ist. Die dargestellte Sensorzeile SL wird als IR- Head-Tracker eingesetzt. Sie ist auf zwei Platinen mit je 16 IR-Sendedioden IRL und 16 Fototransistoren PT aufgebaut (in der Fig. 4 nur angedeutet). Diese sind abwechselnd nebeneinander angeordnet und in einer Metallschiene MR aus Aluminium in Bohrungen von 5 mm Durchmesser in 10 mm Tiefe angebracht und auf der Rückseite optisch abgedichtet. Das gewählte Rastermaß D beträgt 7,62 mm. Somit beträgt der Abstand zwischen zwei benachbarten IR-Sendedioden IRL bzw. zwischen zwei Fototransistoren PT 15,24 mm. In der vorliegenden Ausführungsform wurden zwei Platinen kaskadiert und in ein gemeinsames Gehäuse B integriert, sodass sich eine Gesamtzahl von N = 32 IR-Sendedioden IRL und M = 32 Fototransistoren PT ergibt mit N = M. Die optischen Bauelemente haben einen Gesamtöffnungs winkel von 16° (nomineller Öffnungswinkel der Abstrahl- bzw. Empfangs charakteristik).

In der Fig. 5 ist eine Vorrichtung dargestellt, bei der eine Sensorzeile SL als Head-Tracker horizontal in einen abnehmbaren Linsenrastervorsatz LP für einen flachen 2D/3D-Bildschirm FS integriert ist. Der Anwender hängt den Linsenrastervorsatz LP über den Bildschirm FS und begibt sich in eine günstige Betrachtungsposition für eine gute Bildtrennung. Die Elektronik zur Signalverarbeitung der Sensorzeile SL befindet sich dabei in einer in der Fig. 5 nicht weiter dargestellten separaten Box mit einem "Start"-Schalter. Die Box besitzt zudem einen VGA-Eingang zur Verbindung mit einem PC und einen VGA-Ausgang zum Anschluss des Bildschirms FS. Der Anwender drückt den Startknopf, wenn er in der günstigen Betrachtungsposition sitzt. Damit ist die Referenzposition für das Head Tracking durch die Sensorzeile SL definiert, eine individuelle Kalibrierung ist nicht erforderlich. Bei Kopfbewegungen erfolgt eine Pixelumschaltung in der Box, sodass pseudoskopische Wiedergaben vermieden werden. Die Box besitzt ggf. eine RS232 bzw. USB-Schnittstelle, sodass die Positionsdaten des Kopfes an den Computer übertragen werden können. Entsprechend der Kopfposition können dann Bildveränderungen (beispielsweise quasi-kontinuierliche Veränderungen der Bildperspektive bei Kopfbewegungen) vorgesehen werden. Unterhalb der Sensorzeile an der Auflagefläche zum Displaygehäuse befindet sich ein Druckschalter (Taster). Wenn der Linsenrastervorsatz LP abgenommen wird, erfolgt damit automatisch eine Ausschaltung der Sensorzeile SL; das VGA-Signal des PCs wird dann unverändert an den Bildschirm FS weitergegeben. Der Anwender muss also keine Kabel ziehen, wenn er den Bildschirm FS wieder vorübergehend als 2D-Monitor verwenden möchte.

Bezugszeichenliste

AD Analog-Digital-Wandler
AR ML-Gruppe
B Gehäuse
COR Korrekturschritt
D Abstand EL/ML
DM Bildschirmrandbereich
DS Bildschirm
E Aussendung von Infrarotlicht
EL Sendeort
FI gewichtete Mittelung (Filter)
FS flacher Bildschirm
IBS Eingabelungs-Methode
IRL Infrarot-Leuchtdiode
IRP Infrarotlichtpuls
IRPR reflektierter Infrarotlichtpulsanteil
IV verfeinerter Indexwert
LP Linsenrastervorsatz
M Anzahl der Messorte
MC Microcontroller
MD digitale Messdaten
ML Messort
MPT Rohmesswert
N Anzahl der Sendeorte
O Objekt (Kopf, Hand)
OP Oberflächenschwerpunkt
OA zugelassener Aufenthaltsbereich
OS Objektoberfläche
P Anzahl der Nachkommastellen
PO aktuelle Objektposition
PT Fototransistor
PV Positionswert
RAM Speicher
S Gesamtfläche unter der Intensitätskurve
SHU Sample- and Hold-Einheit
SL Sensorzeile
SM ortsabhängige Messung von Infrarotlicht
TO röhrenförmige Öffnung
VL virtuelle Zeile

Claims

1. Messverfahren zur Ermittlung der Position eines Objektes (O) vor einem Bildschirm (DS) in einem zugelassenen Aufenthaltsbereich (OA) zur Einbeziehung der Objektposition (PO) in die Darstellung von Bildschirminhalten oder optische Bildstrahlnachführung mittels
aktiv in den Aufenthaltsbereich (OA) parallel ausgerichteter Aussendung von Infrarotlicht mit eng gebündelter Sendecharakteristik an zumindest zwei Sendeorten (EL) entlang einer einzigen, den Bildschirmrandbereich (DM) zumindest horizontal durchmessenden virtuellen Zeile (VL) mit zumindest linearem Verlauf, wobei die Aussendung (E) des Infrarotlichts in Form von getakteten kurzen Infrarotlichtpulsen (IRP) an einer in Abhängigkeit von der geforderten Auflösung der Positionsermittlung vorgegebenen Anzahl N von Sendeorten (EL), die mit einem variablen oder konstanten Rastermaß (D) zueinander entlang der virtuellen Zeile (VL) vorgesehen sind, in zeitlich fortlaufender und zyklischer Abfolge erfolgt,
ortsabhängiger Messung des von der Objektoberfläche (OS) reflektierten Infrarotlichtanteils an zumindest einem Messort (ML) auf der virtuellen Zeile (VL) im Bildschirmrandbereich (DM), wobei die ortsabhängige Messung (SM) mit einer an den Einfallsbereich der reflektierten Infrarotlichtpulsanteile (IRPR) angepassten Empfangscharakteristik im Takt der ausgesendeten Infrarotlichtpulse (IRP) oder einem ganzzahligen Vielfachen davon erfolgt, und
den Sendeorten (EL) zugeordneter Auswertung der Messergebnisse, wobei die Auswertung der Messergebnisse jedes Messzyklus zu einem Inten sitätsverlauf der reflektierten Infrarotlichtpulsanteile (IRPR) entlang der virtuellen Zeile führt, aus dem rechnerisch die aktuelle Position (PV) des Oberflächenschwerpunkts (OP) als relevantem Positionsparameter des Objekts (O) entlang der virtuellen Zeile (VL) ermittelt wird.

2. Messverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsabhängige Messung der reflektierten Infrarotlichtpulsanteile mit einer weitwinkeligen Empfangscharakteristik an einem einzigen Messort in der Mitte der virtuellen Zeile erfolgt.

3. Messverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsabhängige Messung (ML) der reflektierten Infrarotlichtpulsanteile (IRPR) mit einer jeweils schmalwinkeligen Empfangscharakteristik an einer mit der gewählten Anzahl N der Sendeorte (EL) übereinstimmenden Anzahl M von Messorten (ML), die abwechselnd mit den einzelnen Sendeorten (EL) unter gleichmäßiger Anpassung an deren Rastermaß (D) entlang der virtuellen Zeile (VL) vorgesehen sind, in einer fortlaufenden und zyklischen Abfolge erfolgt, die an die Abfolge der ausgesendeten Infrarotlichtpulse (IRP) angepasst ist.

4. Messverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsabhängige Messung (ML) der reflektierten Infrarotlichtpulsanteile (IRPR) mit einer Gewichtung (FI) im Bereich des getaktet aktiven Sendeortes (IRL) erfolgt, die im Messtakt und in der Auswertung der Messergebnisse berücksichtigt wird.

5. Messverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Gewichtung (FI) jeweils insbesondere vier, dem aktiven Sendeort (IRL) rechts und links benachbarte Messorte (ML, AR) einbezogen werden, wobei die bei den jeweils beiden äußeren Sendeorten fehlenden benachbarten Messorte in ihren Messwerten angenommen werden und der Messtakt das Achtfache des Sendetaktes der ausgesendeten Infrarotlichtpulse beträgt, wobei die Messungen an den jeweils relevanten acht Messorten (AR) zeitgleich oder zeitversetzt erfolgen können.

6. Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die virtuelle Zeile oder die Ausrichtung der Sende- bzw. Empfangscharakte ristik der Sende- bzw. Messorte einen gleichmäßig radial gekrümmten Verlauf zum Objekt aufweist.

7. Messverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine virtuelle Zeile mit einem linearen und mit einem gekrümmten Verlauf parallel übereinander im horizontalen Bildschirmrandbereich vorgesehen sind.

8. Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei virtuelle Zeilen mit linearem Verlauf orthogonal zueinander im horizontalen und vertikalen Bildschirmrandbereich vorgesehen sind.

9. Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Rastermaß (D) für den Abstand zwischen den Sende- und Messorten (EL, ML) aus einer Potenz von 2 abgeleitet ist.

10. Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor jedem Aussenden eines Infrarotlichtpulses (IRP) ein Helligkeitsabgleich (COR) an allen Messorten (ML) durchgeführt wird.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Messverfahrens zur Ermittlung der Position eines Objektes vor einem Bildschirm in einem zugelassenen Aufenthaltsbereich zur Einbeziehung der Objektposition in die Darstellung von Bildschirminhalten oder optische Bildstrahlnachführung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit
zumindest zwei Infrarotlichtquellen mit eng gebündelter Sendecharakteristik als Sendeorte entlang einer einen Bildschirmrandbereich zumindest horizontal durchmessenden virtuellen Zeile mit zumindest linearem Verlauf,
zumindest einem Sensor zur ortsabhängigen Messung des von der Objektoberfläche reflektierten Infrarotlichtanteils im Bildschirmrandbereich auf der virtuellen Zeile und
einer Auswerteeinheit zur den Sendeorten zugeordneten Auswertung der Messergebnisse,
dadurch gekennzeichnet, dass
die virtuelle Zeile (VL) durch eine für Infrarotlicht undurchlässige Schiene (MR) vorgegebener Länge als Sensorzeile (SL) realisiert ist, in die eine in Abhängigkeit von der geforderten Auflösung der Positionsermittlung vorgegebene Anzahl N Infrarotlichtquellen mit einem variablen oder konstanten Rastermaß (D) zueinander integriert ist, die über eine Steuerelektronik in zeitlich fortlaufender und zyklischer Abfolge zur Abgabe getakteter Infrarotlichtpulse mit einem Sendetakt angesteuert werden,
über die Steuerelektronik auch der zumindest eine Sensor (PT) im Sendetakt oder einem ganzzahligen Vielfachen davon als Messtakt angesteuert wird und
die Auswerteeinheit einen Microcontroller (MC) aufweist zur an den Messtakt angepassten Durchführung von Rechenalgorithmen für die Berechnung der aktuellen Position (PO) des Oberflächenschwerpunkts (OP) aus dem ermittelten aktuellen Intensitätsverlauf der reflektierten Infrarotlichtpulsanteile (IRPR) entlang der Sensorzeile (SL).

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein einzelner Sensor mit einer weitwinkeligen Empfangscharakteristik in der Mitte der Schiene angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der Anzahl N der Infrarotlichtquellen übereinstimmende Anzahl M von Sensoren (PT) mit einer schmalwinkeligen Empfangscharakteristik ab wechselnd mit den einzelnen Infrarotlichtquellen (IRL) in die Schiene (MR) unter gleichmäßiger Anpassung an deren Rastermaß (D) integriert ist und die M Sensoren (PT) über die Steuerelektronik in zeitlich fortlaufender und zyklischer Abfolge angesteuert werden, die an die Abfolge der ausgesendeten Infrarotlichtpulse (IRP) angepasst ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarotlichtquellen (IRL) und die Sensoren (PT) am Boden von röhrenförmigen Öffnungen (TO) oder zurückversetzt in rückseitig optisch abgedichteten Bohrungen in der Schiene (MR) angeordnet sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarotlichtquellen (IRL) nach Potenzen von 2 in einem konstanten Abstand von 8 mm, 16 mm, 32 mm, usw. zueinander in der Schiene (MR) angeordnet sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Schiene (MR) einem Breitenanteil des Bildschirmrandbereichs (DM) entspricht.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorzeile (SL) in der Breite des Bildschirmrandbereichs (DM) aus zwei oder mehr Schienen (MR) zusammengesetzt ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Sensorzeile (MR) im oberen horizontalen und/oder vertikalen Bildschirmrandbereich (DM) angeordnet oder in diesen integriert ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine horizontal angeordnete Sensorzeile eine zum Objekt radiale gleichmäßige Krümmung oder eine radiale gleichmäßige Ausrichtung der Infrarotlichtquellen und Sensoren bzw. deren Sende- bzw. Empfangs charakteristiken aufweist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Sensorzeile (SL) horizontal in einen abnehmbaren Linsenrastervorsatz (LP) für einen 2D/3D-Bildschirm (FS) integriert ist.