DE10219198A1

DE10219198A1 - Gerät zur Steuerung einer logischen Markierung auf einer Anzeige

Info

Publication number: DE10219198A1
Application number: DE2002119198
Authority: DE
Inventors: Christian Kaernbach
Original assignee: Universitaet Leipzig
Current assignee: Universitaet Leipzig
Priority date: 2002-04-29
Filing date: 2002-04-29
Publication date: 2003-11-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Steuerung einer logischen Markierung auf einer Anzeige, wie etwa eines Mauszeigers, einer Texteingabemarke, eines Cursors zur Steuerung von Computerprogrammen, aber auch im Bereich des Videotextes, oder ähnlicher Steuerung elektronischer Geräte. Besonders vorteilhaft ist die Anwendung des Gerätes in Fällen, wo keine Unterlage zur Bedienung und/oder Ablage einer Maus existiert, wie z. B. bei Präsentationen, wo der Vortragende sich frei im Raum bewegt, oder im Bereich des Web-TV, oder andere in den Wohnbereich verlegtesAnwendungen, wo die Bedienung bequem aus einem Sessel erfolgen soll, ohne den Nutzer zu zwingen, sich zu einem Couchtisch o. ä vorbeugen zu müssen. DOLLAR A Das Gerät zur Steuerung einer logischen Markierung auf einer Anzeige besteht aus einem Zeigegerät und einem Computer o. ä. mit einer Anzeige- und/oder Projektionseinrichtung. In dem Zeigegerät sind zur Erfassung der Freiheitsgrade einer Bewegung des Zeigegerätes im Raum je Freiheitsgrad mindestens ein Beschleunigungssensor angeordnet. Den Beschleunigungssensoren ist eine Schaltungsanordnung nachgeschaltet, die aus einer ersten Baugruppe zur Bestimmung der physikalischen Bewegungsparameter aus den Signalen der Beschleunigungssensoren besteht, der eine zweite Baugruppe zur Bestimmung zweier logischer Bewegungsparameter der Frontalebene nachgeschaltet ist, bei der physikalische Koordinatenänderungen auf zwei logische Parameter umgerechnet werden. Eine dritte Baugruppe ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Steuerung einer logischen Markierung auf einer Anzeige. Das Zeigegerät ist auf allen Gebieten anwendbar, wo die Steuerung von Mauszeigern, Texteingabemarken, eines Cursors oder ähnlichen logischen Markierungen wichtig ist, wie beispielsweise zur Steuerung von Computerprogrammen, aber auch im Bereich des Videotextes, oder ähnlicher Steuerung elektronischer Geräte. Besonders vorteilhaft ist die Anwendung des Gerätes in Fällen, wo keine Unterlage zur Bedienung und/oder Ablage einer Maus existiert, wie z. B. bei Präsentationen, wo der Vortragende sich frei im Raum bewegt, oder im Bereich des Web- TV oder anderen in den Wohnbereich verlegten Anwendungen, wo die Bedienung bequem aus einem Sessel erfolgen soll, ohne den Nutzer zu zwingen, sich zu einem Couchtisch o. ä. vorbeugen zu müssen. Die Erfindung soll auch im Falle der Notwendigkeit von Texteingaben Anwendung finden, die ansonsten einen Bruch im üblichen Handlungsmuster (Umhergehen im Raum, entspannt im Sessel liegen) erzwingen würden.
Die bekannteste Lösung zur Steuerung eines Mauszeigers o. ä. ist die Computermaus, die entweder auf der mechanischen Abtastung einer auf einer Oberfläche rollenden Kugel oder der optischen Abtastung des Untergrundes beruht. Aus dem Mediendienst 9/2001 der Fraunhofer Gesellschaft ist eine Beschleunigungsmaus bekannt, die auf Basis der Auswertung von Signalen von Beschleunigungssensoren arbeitet. Für den Bereich von Präsentationen werden Trackballs mit Funkfernsteuerung angeboten, z. B. der "Trackman" der Firma Logitech. Für die Eingabe von Text im Bereich des Web-TV u. ä. werden kabellose Tastaturen angeboten, z. B. "Cordless Desktop" der Firma Logitech.
Die aufgeführten Lösungen haben den Nachteil, daß sie eine Unterlage benötigen, auf der die Maus verschoben wird. Diese muß für eine mechanische Abtastung gewisse mechanische Anforderungen an die Ebenheit, Rauhigkeit, Schmutzfreiheit etc. erfüllen. Bei einer optischen Abtastung sind diese Probleme schon geringer, aber dafür muß die Oberfläche gewisse optische Eigenschaften erfüllen. Die Beschleunigungsmaus kann ganz auf solche Anforderungen verzichten, benötigt die Oberfläche aber immer noch zum Führen und Ablegen des Geräts. Das Ablegen des Gerätes ist ein meist nicht beachteter, aber sehr notwendiger Schritt, da die logische Markierung sich nicht fortlaufend bewegen soll, sondern nur bei Bedarf. Insgesamt ist diesen Geräten gemein, daß die Steuerung des Mauszeigers durch Bewegungen in der Transversalebene erfolgt. Bei zahlreichen Anwendungen wäre es allerdings wünschenswert, daß eine Steuerung in der Frontalebene erfolgt, da die zu bewegende Markierung sich meistens ebenfalls auf der Frontalebene bewegt (z. B. Computerbildschirm, Fernseher, Leinwand).
Beim "Trackman" ist das Steuerungsprinzip ganz anders: durch Drehen einer Kugel wird die Markierung bewegt. Dabei kann zwar auf eine Unterlage gänzlich verzichtet werden, auch das Ablegen entfällt. Andererseits ist diese Bedienung nicht ergonomisch und überfordert nach kurzer Zeit die Bewegungsfähigkeit des Daumens, mit dem die Kugel bewegt wird. Da dieser außerdem zum Bedienen der Maustasten benötigt wird, sind manche Aufgaben (drag & drop) mit diesem Gerät nicht zu bewältigen.
Die Gründe für die beschriebenen Nachteile der bekannten Geräte sind darin zu sehen, daß bisher keine Technologie vorlag, Bewegungen in der Frontalebene abzugreifen bzw. auszuwerten. Ein Hauptgrund für die Verwendung der Transversalebene zur Steuerung eines logischen Zeigers ist vor allem darin zu sehen, daß diese Steuerung in der Praxis häufig an einem Schreibtisch zu erfolgen hat und diese Ebene daher zur Verfügung steht. Es wurde bisher nicht erkannt, daß sich technische Entwicklungen auf anderen Gebieten, etwa die Einführung von Beschleunigungssensoren im KFZ-Bereich und die damit verbundenen Produktinnovationen, auch auf Geräte zur Steuerung von logischen Markierungen auf Anzeigen übertragen lassen und hier völlig neue Steuerungsmöglichkeiten eröffnen: Insbesondere wurde bisher dieses technische Prinzip noch nicht zur Frontalebenensteuerung eingesetzt.
Das Nichtvorliegen eines präsentationsgerechten bzw. für Web-TV o. ä. geeigneten Zeigegerätes bedingt ebenfalls das Fehlen der Kombination so eines Zeigegerätes mit kabelloser Mikrophontechnik, um die beiden Haupteingabequellen für Computerprogramme in einem Gerät zu vereinen.
Die Aufgabenstellung der Erfindung besteht demzufolge in einem Steuerungs- und Eingabegerät, das in der Frontalebene bedient werden kann, intuitiv korrespondierend zu der Ebene, in der sich die zu steuernde logische Markierung bewegt. Dieses Gerät muß einen Ersatz für das Ablegen einer üblichen Maus, also für das Nichtbewegen des Geräts und damit der logischen Markierung bieten. Außerdem muß das durch das freie Führen des Geräts ohne Unterlage bewirkte sichtbare Zittern der logischen Markierung als Folge des Muskeltremors sicher unterdrückt werden. Dabei ist eine intuitiv zu bedienende Eichung des Übersetzungsverhältnisses von physikalischer zu logischer Bewegung zu gewährleisten. Ferner ist es wünschenswert, in demselben Gerät Eingabemöglichkeiten für die zweite Haupteingabequelle von Computerprogrammen, für Texteingaben zu integrieren.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch das im Anspruch 1 dargestellte Gerät zur Steuerung einer logischen Markierung auf Anzeigen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gerätes werden in den Ansprüchen 2 bis 11 aufgeführt.
Das erfindungsgemäße Gerät ermöglicht die Steuerung einer logischen Markierung (Mauszeiger o. ä.) durch Bewegung des Zeigegerätes in der Frontalebene. Dabei werden sowohl Translationsbewegungen wie auch Neigungen erfaßt. Hierzu kommen Beschleunigungssensoren zum Einsatz. Drehbewegungen können dabei über spezialisierte Winkelbeschleunigungssensoren oder Winkelgeschwindigkeitssensoren oder besser über die Kombination zweier räumlich voneinander entfernter Translationssensoren (siehe Abb. 1) erfaßt werden. Insgesamt werden sechs Arten von Bewegung erfaßt:

- 3 translatorische Veränderungen der Raumkoordinaten, im folgenden Δx, Δy, und Δz benannt, mit x = links/rechts (rechts = positiv), y = vorne/hinten (vorne = positiv), und z = oben/unten (oben = positiv), gemessen in Zentimetern (siehe hierzu auch Abb. 2),
- sowie 3 Veränderungen der Winkelkoordinaten, Δφ_x, Δφ_y, Δφ_z, gemessen in Radian, wobei φ_x eine Drehung um die x-Achse beschreibt, Anheben der Spitze des Zeigegeräts = positiv, φ_y = Drehung um y-Achse, Gegenuhrzeigersinn aus Nutzersicht = positiv, φ_z = Drehung um z-Achse, Gegenuhrzeigersinn von oben = positiv.

Die Anordnung der Sensoren kann auf verschiedene Arten erfolgen. In Abb. 2 ist eine Anordnung gewählt, die alle 3 Raumrichtungen gleich behandelt. Andererseits können die Träger auch verschoben werden, wodurch sich andere Formen ergeben, z. B. als Zeigehaken (Abb. 3). Um zu einer flachen Bauweise zu gelangen, werden die Sensoren in einer Ebene angeordnet. Das erfordert bei Verwendung von Translationssensoren den Einsatz von 8 Sensoren anstelle von 6. Dies wird in Abb. 4 an einer symmetrischen Konstellation erläutert; Abb. 5 zeigt eine besonders günstige 2D-Konstellation. Der Bauartvorteil ist gegen den leicht erhöhten Aufwand (8 statt 6 Sensoren) zu gewichten. In der Regel wird man aus Gründen der Handhabung einen flachen Aufbau wählen.
Die Sensoren liefern Daten über die physikalischen Beschleunigungen, z. B. bzgl. der x-Achse die zweite Zeitableitung ≙. Diese müssen über die Zeit integriert werden, um Daten über Geschwindigkeiten zu erhalten, z. B. ∫ ≙dt = ≙, also die Geschwindigkeit in x-Richtung. Dasselbe gilt für die anderen beiden Translationen, und für die drei Winkelbeschleunigungen. Im Falle der Verwendung von Winkelgeschwindigkeitssensoren entfällt für die Drehbewegungen diese erste Integrationsstufe. Über ein Integrieren der Geschwindigkeiten erhält man wiederum Informationen über die absoluten Werte der Koordinaten. Allerdings ist dieser Prozeß bekanntlich fehlerbehaftet. Kleine Fehler bei den Ausgangsdaten führen zu stets steigenden Fehlern bei den Enddaten, da kleine, irrtümlich von Null verschiedene Werte ständig weiter aufintegriert werden. Erschwerend kommt hinzu, daß ständig eine Beschleunigungskraft von der Schwerkraft ausgeübt wird, die sehr präzise herausgerechnet werden muß, um zu fehlerfreien Bestimmungen der absoluten Koordinaten zu kommen.
Das erfindungsgemäße Gerät ist mit dem Vorteil verbunden, daß die absoluten Positionen zweitrangig sind. Hierbei wird von der Überlegung ausgegangen, daß die Bedienung eines Zeigegerätes in der Regel als Relativbewegung erfolgt: es geht um die Änderung der Lage im Raum und nicht um die absolute Lage im Raum. Erst mit der weiter unten beschriebenen Aktivierung des Zeigegerätes wird eine Ausgangslage definiert, und Änderungen von dieser Ausgangslage sind wichtig, nicht aber absolute Positionen. Eine etwas andere Situation ist mit der Lot-Achse gegeben: Die Information über die Lot-Achse ist wichtig, um zu bestimmen, welche Bewegung der Senkrechten der Frontalebene entspricht. Ist die ständige Anwesenheit der Schwerkraft für die Bestimmung der absoluten Koordinaten von Nachteil, so ist sie bei der Bestimmung der Lot-Achse gerade von Vorteil.
Zur Lösung dieser beiden Probleme werden erfindungsgemäß Hoch- bzw. Tiefpaßfilterung eingesetzt. Als einfacher Tiefpaßfilter kommt hierbei eine gewichtete Mittelung in Frage: so wird aus der Originalgröße ν die tiefpaßgefilterte Version ν, zum Zeitpunkt n ermittelt, indem sie aus dem aktuellen Wert von ν (zum Zeitpunkt n) und dem fetzten Wert (zum Zeitpunkt n - 1) von ν, gemittelt wird:
ν_t(n) = α.ν(n) + (1 - α).ν_t(n - 1). Eine Hochpaßfilterung erzielt man, indem man die Tiefpaßfilterung berechnet und vom Originalsignal abzieht: ν_h = ν - ν_t.
Zur Bestimmung der Lot-Achse wird vor jeder Integration eine Tiefpaßfilterung der drei Translationssignale durchgeführt. Der Beschleunigungsvektor der Schwerkraft überlebt die Tiefpaßfilterung, da die Lot-Achse sich relativ zum Gerät bei normaler Bedienung nur wenig ändert. Somit kann auch bei einer seitlichen Verkippung zuverlässig die Richtung der Schwerkraft und damit der Lot-Achse bestimmt werden.
Zur Bestimmung der Koordinatenänderungen erfolgt hingegen eine Hochpaßfilterung vor der Integration, da man auf diese Weise den Schwerkraftvektor subtrahiert und er nicht zur Integration gelangt. Auch Fehler der Eichung der Sensoren werden so eliminiert, da sie zeitlich stabil sind. Die hochpaßgefilterten Signale gehen gegen Null, wenn das Gerät nicht bewegt wird. Dieses Verfahren wird auf alle sechs Bewegungsparameter angewendet.
Die hochpaßgefilterten Signale werden dann integriert. So erhält man die jeweilige Geschwindigkeit. Auch hier stellt sich das gleiche Problem: Wenn das Gerät nach eine Bewegung wieder in Ruhe ist, sollte eine Geschwindigkeit von Null resultieren. Auf Grund kleiner Fehler wird sich allerdings ein geringfügig von Null abweichender Wert einstellen. Das hätte zur Folge, daß ein ruhig gehaltenes Zeigegerät zu einer gewissen konstanten Geschwindigkeit der logischen Markierung führen würde. Um das zu vermeiden, wird durch eine erneute Hochpaßfilterung nach der Integration die Geschwindigkeit des nicht bewegten Gerätes gegen Null geführt. Dies wird wiederum für alle sechs Bewegungsparameter durchgeführt.
Im Ergebnis liegt jetzt eine gegen kleinere Signalfehler stabile Datenform der physikalischen Bewegung vor. Diese wird bzgl. der Komponenten in der Frontalebene ausgewertet. Die Art der Bewegung eines Frontalzeigegeräts unterscheidet sich deutlich von der Bewegung einer Transversalmaus. Der Benutzer erwartet eine Veränderung der logischen Höhe Z des Mauszeigers bei einer Veränderung der physikalischen Koordinate z, aber auch bei einer Veränderung von φ_x, des Drehwinkels um die x-Achse. Dabei erfolgen beide Veränderungen in der Regel gleichzeitig und redundant (z. B. durch die Länge des Unterarms miteinander korreliert), so daß eine Ausnutzung beider Informationen die Interpretation der Intention des Nutzers verbessert. Entsprechend soll sich die logische Horizontalposition X verändern durch Veränderungen von x und φ_z. Veränderungen von y und φ_y sollen keine Veränderung der Position des Mauszeigers bewirken. Die Berechnung der logischen Veränderungen erfolgt nach den Formeln:

ΔX = N_x/W_x.(Δx - D_x.Δφ_z),
ΔZ = N_z/W_z.(Δz + D_z.Δφ_x).
Dabei bedeuten N die Gesamtzahl der Pixel und W und D die in Zentimetern gemessene Größe und Distanz eines virtuellen, in der Luft gedachten Bildschirms in der x- bzw. z-Dimension. Die Bewegung des Benutzers wird so interpretiert, als ob er mit einem Laserpointer o. ä. auf diesem virtuellen Luftbildschirm agieren würde. Es ist zwar denkbar, die Parameter für die beiden Gleichungen unterschiedlich einzustellen, aber aus Gründen der Vereinfachung und Praktikabilität sollen D und N/W im folgenden als für X und Z identisch gesetzt werden. Dies sollte auch zu einer intuitiveren Benutzung führen.
Somit erfolgt die Konfiguration der Übersetzung von physikalischen in logische Änderungen im wesentlichen über zwei Parameter: die Angabe der Größe W und der Distanz D eines virtuellen Bildschirms. Dabei wird W praktischerweise als Bildschirmdiagonale angegeben und zur (beim üblichen Seitenverhältnis von 4 : 3 ganzzahligen) "Diagonalzahl" der Pixel, √(Nx² + Nz²), in Beziehung gesetzt. Indem nicht eine Berechnung von logischen Koordinaten X und Z, sondern nur deren Änderungen vorgenommen wird, wird der virtuelle Bildschirm sozusagen während der Bewegung stets neu vor dem Zeigegerät zentriert, so daß keine Verzerrungen bei großen Winkeln auftreten, wie dies bei einem fixen Bildschirm der Fall wäre.
Bislang waren dabei die physikalischen Änderungen im internen Koordinatensystem des Zeigegeräts ausgedrückt worden. Einen weiteren Vorteil erzielt man, indem man mittels der Kenntnis der Lot-Achse den Verkippungswinkel φ_y um die "Zeigeachse" y auswertet, um die internen Koordinaten Δx, Δz, Δφ_x und Δφ_z zu Außenweltkoordinaten Δx', Δz', Δφ_x' und Δφ_z' zu korrigieren:
Δx' = Δx.cos(φ_y) - Δz.sin(φ_y),
Δz' = Δx.sin(φ_y) + Δz.cos(φ_y),
Δφ_x' Δφ_x.cos(φ_y) - Δφ_z.sin(φ_y),
Δφ_z' = Δφ_x.sin(φ_y) + Δφ_z.cos(φ_y),
wobei der Nullpunkt von φ_y aus Sicht des Nutzers rechts auf der echten Horizontalen liegt. Setzt man nun Δx', Δz', Δφ_x' und Δφ_z' in die Gleichungen für ΔX und ΔZ ein anstelle von Δx, Δz, Δφ_x und Δφ_z, dann ergibt sich eine noch intuitivere Benutzung des Zeigegerätes, da Verkippungen des Geräts um die Zeigeachse nicht zu einer Neigung der logischen Horizontalen und Vertikalen führen. Es ist wichtig, daß eine solche Anpassung an die Außenwelt nur bzgl. φ_y geschieht. So ist es Absicht, daß keine Anpassung z. B. bzgl. φ_z erfolgt: anderenfalls müßte der Benutzer sich stets zum Bildschirm wenden, um die Steuerung erfolgreich ausführen zu können. Gerade bei Präsentationen, wo der Vortragende oft zusätzlich auf einen Bildschirm schauen kann, ist es hingegen vorteilhaft, wenn die Steuerung sowohl mit dem Rücken zur Leinwand als auch in Richtung auf die Leinwand hin möglich ist.
Eine wichtige und oft nicht beachtete Eigenschaft eines auf der Transversalebene zu bewegenden Zeigegeräts (z. B. Maus) besteht darin, daß dieses auf der Unterlage, auf der es geführt wird, auch abgelegt werden kann. Dies geschieht natürlich zunächst aus dem rein praktischen Grund, etwas anderes tun zu müssen, um z. B. eine Tastatureingabe vorzunehmen. Aber ein wichtiger Aspekt ist auch, daß dabei der logische Mauszeiger nicht fortwährend über den Bildschirm geführt wird. Zum einen erwartet der Benutzer, ihn bei Wiederaufnehmen der Maus an der alten Stelle zu finden, zum anderen würde diese ständige überflüssige Bewegung der logischen Markierung auch ablenkend und störend wirken. Ein Zeigegerät, das auf die Transversalebene als Führung verzichtet, muß auch einen Ersatz für das Ablegen der Maus bieten. Dazu ist das erfindungsgemäße Gerät so eingestellt, daß es durch den Nutzer erst aktiviert werden muß, damit einer Bewegung der logischen Markierung erfolgt. Diese Aktivierung soll einfach zu bedienen sein, sich aber deutlich von der Benutzung der Maustasten (i.d.R. Zeige- und Mittelfinger) unterscheiden. Es kommen vier Möglichkeiten in Betracht: mit dem Daumen, mit dem Ring- und/oder kleinen Finger (evtl. beide gekoppelt auf derselben Taste), oder mittels Druck durch die Handfläche, wobei z. B. die Griffschalen des Geräts zusammengeführt werden. Die vierte Möglichkeit zur Aktivierung besteht in einer zu definierenden Bewegung des Geräts, z. B. eine Vorwärtsbewegung entlang der y-Achse, die ja nicht für die Steuerung der logischen Markierung ausgenutzt wird. Im Ruhezustand ist das Gerät nicht aktiviert. Nur bei gegebener Aktivierung (z. B. Zusammendrücken der Griffschalen) führt eine physikalische Bewegung zu einer logischen Bewegung des Mauszeigers auf dem Bildschirm bzw. der Präsentationsleinwand. Das führt dazu, daß die Bewegung des Mauszeigers durch das Gerät als eine Relativbewegung aufgefaßt wird: Man muß nicht wie bei einem Laserpointer exakt auf die gewünschte Stelle zeigen, sondern zeigt ungefähr in die richtige Richtung, aktiviert das Gerät, und zieht den Mauszeiger an die vorgesehene Position. Dann deaktiviert man das Gerät wieder, was ein Nachlassen des Drucks auf die Griffschalen oder die Taste oder ein Zurückziehen entlang der y-Achse bedeutet, also kein eigener Vorgang ist, sondern das Beenden der Gesamtaktion "Mauszeiger bewegen".
Ein weiterer Vorteil einer Aktivierungsvorrichtung besteht darin, daß größere Bewegungen aus mehreren kleineren zusammengesetzt werden können, wie dies etwa bei einer herkömmlichen Maus auf einer zu kleinen freien Tischoberfläche durch Hochheben und Neuansetzen geschieht.
Ein frei gehaltenes Gerät wird naturgemäß unruhiger geführt als ein auf einer Führungsebene geführtes Gerät. Auch führt der Muskeltremor bei freiem, ungestütztem Halten zu stärkeren unerwünschten Zitterbewegungen als bei der Führung des Zeigegerätes auf einer Ebene. Um diese Zitterbewegungen zu unterdrücken, wird zusätzlich zu den bereits beschriebenen Filterungen ein Tiefpaß auf die resultierenden Geschwindigkeiten gelegt. Dieser muß natürlich deutlich oberhalb des Hochpasses sein, der zur Unterdrückung kleinerer Geschwindigkeitsfehler (s.o.) eingeführt wurde. Da aber der Muskeltremor mit ca. 20 Hz eine recht rasche Schwingung darstellt, läßt sich ein großer Arbeitsbereich zwischen Hoch- und Tiefpaß einstellen, der eine gute Kontrolle über die logische Markierung erlaubt. Der Tiefpaß ist zudem durch den Nutzer konfigurierbar, um an spezielle Situationen (z. B. Vortrag mit hohem Aufregungsgrad und stärkerem Tremor, versus Computerspiel mit sehr schnellen Reaktionserfordernissen) angepaßt werden zu können.
Das Gerät ist leicht anpaßbar an unterschiedliche Benutzer, bzw. auch an unterschiedliche Nutzungssituationen, insbesondere unterschiedliche Entfernungen und Größen der Anzeigefläche (Bildschirm, Leinwand, Fernseher). Der Benutzer wird je nach Blickwinkel auf die Anzeigefläche und sogar je nach Aufgabe (schnelles Computerspiel, das den ganzen Bildschirm ausnutzt, versus Detailarbeit z. B. in einem Zeichenprogramm) andere Übersetzungsverhältnisse zwischen physikalischer und logischer Bewegung bevorzugen. Das Gerät stellt deshalb eine einfach und intuitiv zu bedienende Möglichkeit der Eichung dieses Verhältnisses zur Verfügung: wird die Eichtaste gedrückt, dann kann ein Bereich in der Frontalebene überstrichen werden, der der Oberfläche des virtuellen, in der Luft schwebenden Bildschirms entsprechen soll. Dabei ist es gleichgültig, ob zunächst die links-untere, dann die rechts-obere Ecke angesteuert wird, oder umgekehrt, oder gar eine Art Kreisbewegung ausgeführt wird. Es wird der Bereich der während des Drückens der Eichtaste ausgeführten Transversalbewegungen in beide Richtungen ermittelt, und daraus die Größe des virtuellen Bildschirms errechnet, und zwar derart, daß die Diagonale des überstrichenen Bereiches (rechteckig gedacht) der Diagonale des virtuellen Bildschirms entspricht.
In das Gerät ist in einer Ausführungsform ein Mikrophon integriert, das über eine spezielle Aktivierung leicht freigeschaltet werden kann. Dieses überträgt seine Signale drahtlos zum zu steuernden Gerät (i.d.R. Computer), wo ein herkömmlicher speech-to-text Algorithmus die eingesprochenen Worte in Tastatureingaben konvertiert.
Entsprechend dem gewünschten Einsatzgebiet sind vielfältige, dem Einsatzgebiet angepaßte Designbeispiele möglich. Für Computerspiele würden sich äußere Formen, die an Waffen erinnern, anbieten. Dies ist für einen Einsatz im Büro, bei seriösen Präsentationen, in Schulen und auch im Wohnzimmer unerwünscht.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Gerät in Ausführungsbeispielen erläutert.

Ausführungsbeispiel 1

Ein längliches rechteckiges Gehäuse von der Größe eines Mobiltelefons bildet das Zeigegerät und nimmt neben den Beschleunigungssensoren und weiteren Baugruppen zur Signalverarbeitung und -übertragung an den Computer die Mikrofontechnik auf. An der Seite des Geräts sind Bedienelemente angeordnet, die sich auf die Funktion als Zeigegerät beziehen. Diese Bedienelemente umfassen Tasten für die linke und rechte Maustaste, einen Aktivierungsmechanismus, eine Eichtaste, und eine Aktivierung der kabellosen Mikrofontechnik. Im Inneren des Geräts sind die Beschleunigungssensoren integriert. Um die Sensoren zur Erzielung einer hohen Empfindlichkeit und für eine gute Bewegungserfassung räumlich so weit wie möglich voneinander zu trennen, sind die Sensoren in den Ecken des Gehäuses angeordnet.
Dabei werden Winkelbeschleunigungen über je zwei Translationssensoren erfaßt. Abb. 1 zeigt zwei räumlich getrennte Translationssensoren (schwarze Striche an den Enden des Trägers), mit einer zu ihrer Fläche orthogonalen Sensitivität (graue Pfeile) für Beschleunigungen in z-Richtung (vergleiche hierzu x-Träger in Abb. 2). Durch Mittelung ( ≙₁ + ≙₂)/2 erhält man ein Maß für die z-Beschleunigung, durch gewichtete Subtraktion (siehe Formel in der Abbildung) ein Maß für die Winkelbeschleunigung um die y-Achse, wobei die Lage der Achse entlang dem Träger frei gewählt werden kann. Als Beschleunigungssensoren kommen miniaturisierte Translationssensoren zum Einsatz, wie sie zur Zeit immer häufiger im Fahrzeugbau (z. B. Airbagauslösung) verwendet werden.
In Abb. 5 wird eine möglich Anordnung der Sensoren in einem derartigen Gehäuse dargestellt. So kann die Drehung um die x-Achse die Daten der Sensoren 1-4 auswerten, wobei 1 und 4 zusammengefaßt werden, und 2 und 3. Eine Drehung um die y-Achse nutzt die Daten derselben Sensoren, in einer anderen Paarung (1 & 2 versus 3 & 4).
Der Raum zwischen den Sensoren nimmt die Baugruppen zur Signalverarbeitung und -übertragung an den Computer auf. Dabei werden die Signal zunächst mit herkömmlicher Technik digitalisiert, und mit digitaler Rechentechnik werden die einzelnen Verarbeitungsschritte realisiert. Dazu werden marktübliche Logikbausteine eingesetzt. Als erstes werden auf diese Weise aus den entsprechenden Translationssignalen die Signale für die Winkelbeschleunigungen ermittelt (siehe Abb. 1). Dabei werden die Gewichte L₁ und L₂ als gleich groß angesetzt, so daß ein logischer Schwerpunkt der berechneten Drehbewegungen in der Mitte des Gerätes zustande kommt. Dann müssen die resultierenden sechs Datenströme tiefpaßgefiltert werden entsprechend der oben erläuterten Gleichung ν_t(n) = α.ν(n) + (1 - α).ν_t(n - 1). Dabei erfolgt zunächst eine Filterung aller Sensoren bei ca. 2 Hz (die Schnittfrequenz ƒ[Hz] des Tiefpaßfilters ergibt sich aus dem Parameter α und der Digitalisierungsrate D [in Hz] über die Gleichung α = e^-ƒ/D), und das sich so ergebende Signal wird zwischengespeichert. Es steht somit zum einen zur Subtraktion zur Verfügung, so daß für alle sechs Datenströme eine hochpaßgefilterte Version errechnet werden kann. Zum anderen stehen die drei tiefpaßgefilterten Translationssignale als Lot- Signal zur Verfügung. Die gleichen programmierbaren Logikbausteine können gleich im Anschluß die Integration der gefilterten Signale, die erneute Hochpaßfilterung und die erneute Integration übernehmen.
Die gleiche logische Baugruppe oder eine zweite nachgeschaltete Baugruppe übernimmt nun die Ermittlung der zwei logischen Bewegungsparameter. Dazu werden neben den gefilterten und integrierten Signalen die Daten für die Lot-Achse und der Zustand der Aktivierungsschaltvorrichtung übermittelt und ausgewertet. Die internen Koordinaten Δx, Δz, Δφ_x und Δφ_z werden wie oben beschrieben mittels Kenntnis des Verkippungswinkels φ_y der internen Lot-Achse um die Zeigeachse zu Außenweltkoordinaten Δx', Δz', Δφ_x' und Δφ_z' verrechnet. Diese Berechnung wird nur im aktivierten Zustand durchgeführt: ansonsten wird als Koordinatenänderung Null übermittelt. Die Koordinatenänderungen (in Außenweltkoordinaten) werden in logische Verschiebungen ΔX und ΔZ wie oben angegeben umgesetzt.
Eine weitere nachgeschaltete Baugruppe dient zur Übertragung der Daten zum Computer über die Bluetooth Technik. Hierfür stehen miniaturisierte und von Funkleistung und Strombedarf her optimierte Baugruppen kommerziell zur Verfügung.
Eine weitere Baugruppe enthält die für Mobiltelefone übliche Mikrofontechnik. Deren Signale werden gleichfalls an die Übertragungsbaugruppe übermittelt, und werden über Bluetooth an den Computer übertragen.

Ausführungsbeispiel 2

Anstelle von 8 Translationssensoren können auch 3 Translationssensoren und 3 spezialisierte Winkelgeschwindigkeits- oder Winkelbeschleunigungssensoren zum Einsatz kommen. Hier ist der Einsatz entsprechend miniaturisierter Technik noch nicht so weit verbreitet. Als Vorteil kann angeführt werden, daß die Plazierung der Sensoren und somit auch die Gestaltung des Gehäuses freier erfolgen kann, da keine Vorgaben über die Abstände der Sensoren gegeben sind.

Ausführungsbeispiel 3

Die Abb. 2 zeigt eine Anordnung der Sensoren (dunklere Plättchen, mit Sensitivität orthogonal zu ihrer Fläche) in Form eines 3D-Kreuzes. Bei dieser Anordnung werden alle Raumrichtungen symmetrisch behandelt. Die Sensoren auf dem Träger in Richtung der z-Achse messen Translationsbeschleunigungen in Richtung der y- Achse und Winkelbeschleunigungen um die x-Achse, u.s.w. Es ist eine spiegelbildliche Konfiguration denkbar. Die Träger müssen physikalisch nicht vorhanden sein: die Sensoren können in einem Gehäuse derart angeordnet sein, daß in der Mitte Platz für die Elektronik ist. Das 3D-Kreuz ist eine vergleichsweise sperrige Anordnung (vergl. vor allem Abb. 5).

Ausführungsbeispiel 4

Eine Anordnung der Sensoren in Form eines Zeigehakens ist in der Abb. 3 dargestellt. Durch die freie Wahl der Lage der Rotationsachsen für die zu errechnende Winkelbeschleunigung (siehe Abb. 1) kann ein Koordinatenmittelpunkt im Bereich des Schwerpunktes des Geräts (siehe schwarze Linien) erreicht werden. Diese Anordnung bietet sich an, wenn für Spielanwendungen waffenartige Formen gewählt werden sollen. Für Präsentationen und Anwendungen im Wohnbereich bieten sich Anordnungen wie in den Ausführungsbeispielen 1, 3 oder 5 an.

Ausführungsbeispiel 5

Eine symmetrische Anordnung der Sensoren in Form eines 2-D Kreuzes zeigt die Abb. 4. Hier wird besonders deutlich, daß wie auch in Ausführungsbeispiel 1 (siehe Abb. 5) bei einer flachen Anordnung 8 Sensoren erforderlich sind. Dabei sind 4 Sensoren (1-4) für die Translation in z-Richtung sensitiv. Diese Redundanz wird dadurch erzwungen, daß Sensoren 1 und 3 die Winkelbeschleunigung um die y- Achse messen, und Sensoren 2 und 4 die um die x-Achse. Sensoren 5-8 messen die Winkelbeschleunigung um die z-Achse, aber jeweils paarweise eine verschiedene Transversalbeschleunigung. Im Vergleich von Abb. 4 und Abb. 5 erkennt man, daß vergleichbare Sensorenkonstellationen (z. B. 1 & 5) entlang der Normalen auf einem der Sensoren (5) und innerhalb der Ebene des anderen (1) verschoben wurden. Das ändert grundsätzlich nichts an der Berechnung. Bei diese symmetrischen Konfiguration bietet es sich an, die Achsen im Sinne der eingezeichneten virtuellen Träger (Balken) auszuwerten. Somit werden anders als beim Ausführungsbeispiel 1 nicht zwei Paare (z. B. 1 & 4 versus 2 & 3), sondern nur jeweils zwei Sensoren (z. B. 1 versus 3) für eine Winkelbeschleunigung ausgewertet.
Die graue Umrißlinie deutet ein mögliches Gehäuse an: um eine gute Separation der Sensoren zu erreichen, werden die Sensoren in die Ecken eingebaut. Die Träger (Balken) sind nur zur Verdeutlichung der Achsen eingezeichnet. Die Sensoren 1-4 können um 45° um die z-Achse gedreht werden, um einen leichteren Einbau in dieses Gehäuse zu erzielen.

Claims

1. Gerät zur Steuerung einer logischen Markierung auf einer Anzeige, bestehend aus einem Zeigegerät und einem Computer o. ä. mit einer Anzeige- und/oder Projektionseinrichtung, gekennzeichnet dadurch, daß zur Erfassung der Freiheitsgrade einer Bewegung des Zeigegerätes im Raum je Freiheitsgrad mindestens ein Beschleunigungssensor in dem Zeigegerät angeordnet ist und den Beschleunigungssensoren eine Schaltungsanordnung nachgeschaltet ist, die aus einer ersten Baugruppe zur Bestimmung der physikalischen Bewegungsparameter aus den Signalen der Beschleunigungssensoren besteht, der eine zweite Baugruppe zur Bestimmung zweier logischer Bewegungsparameter der Frontalebene nachgeschaltet ist, bei der physikalische Koordinatenänderungen auf zwei logische Parameter umgerechnet werden, wobei eine dritte Baugruppe zur Übertragung der die logischen Bewegungsparameter charakterisierenden Signale zum die Anzeige steuernden Gerät entweder zwischen den Beschleunigungssensoren und der ersten Baugruppe oder zwischen der ersten und zweiten Baugruppe oder nach der zweite Baugruppe angeordnet ist, und wobei eine weitere Baugruppe zur (De-)Aktivierung der Erfassung von Bewegungsparametern entweder zwischen den Beschleunigungssensoren und der ersten Baugruppe oder zwischen der ersten und zweiten Baugruppe angeordnet ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Beschleunigungssensoren entweder räumlich getrennte Translationssensoren oder eine Kombination von Translations- und Winkelbeschleunigungssensoren oder von Translations- und Winkelgeschwindigkeitssensoren im Zeigegerät angeordnet sind.

3. Gerät nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Anordnung der räumlich getrennten Translationssensoren in dem Zeigegerät entweder als 3-D Kreuz oder Zeigehaken oder in einer flachen 2-D Konfiguration erfolgt.

4. Gerät nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die erste Baugruppe zur Bestimmung der physikalischen Bewegungsparameter aus den Signalen der Beschleunigungssensoren in zwei Iterationsstufen besteht, die das Signal jedes Sensors zunächst zur Unterdrückung konstanter Eichfehler und der Gravitationsbeschleunigung bei einer konfigurierbaren Schnittfrequenz hochpaßfiltern und anschließend über die Zeit integrieren.

5. Gerät nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die zweite Baugruppe zur Bestimmung zweier logischer Bewegungsparameter der Frontalebene anhand eines virtuellen Bildschirms realisiert ist, der in einer gewissen Distanz und Größe vor dem Zeigegerät gedacht ist, auf den sich die Zeigehandlung bezieht.

6. Gerät nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Baugruppe zur (De-)Aktivierung der Erfassung von Bewegungsparametern aus einer mit dem Daumen, Ring- oder kleinen Finger oder mit dem Druck der Handfläche zu bedienenden Schaltvorrichtung besteht, die nicht explizit durch einen eigenen Vorgang deaktiviert wird, sondern durch Nachlassen des Drucks des jeweiligen Fingers bzw. der Handfläche.

7. Gerät nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß die (De-)Aktivierung der Erfassung von Bewegungsparametern über eine Analyse des Bewegungsmusters erfolgt, wobei insbesondere die für die logische Markierung irrelevanten Bewegungen, wie schnelle Vorwärtsbewegungen entlang der Zeigeachse, ausgenutzt werden.

8. Gerät nach Anspruch 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß Zitterbewegungen als Folge des freien Haltens des Zeigegerätes unterdrückt werden durch eine Schaltungsanordnung, die die beiden logischen Parameter oder die ihnen zugrunde liegenden physikalischen Bewegungsparameter einer konfigurierbaren Hochpaßfilterung, z. B. bei einer Frequenz von 15 Hz, unterzieht.

9. Gerät nach Anspruch 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß die Baugruppe zur Bestimmung der logischen Bewegungsparameter die tiefpaßgefilterten Signale der Translationssensoren als Lot-Signal nutzt, so daß Verkippungen um die Zeigeachse bei der weiteren Berechnung berücksichtigt werden und die die Ermittlung der logischen Bewegungsparameter sich auf die Lot-Achse der Außenwelt beziehen statt auf die interne Lot-Achse des Zeigegerätes.

10. Gerät nach Anspruch 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß zur intuitiven Eichung des Übersetzungsverhältnisses von physikalischer in logische Bewegung eine weitere Baugruppe in der Schaltungsanordnung vorgesehen ist, die es erlaubt, den Umriß oder die Größe des virtuellen Bildschirms einzustellen, auf den sich die Zeigehandlung bezieht, über eine Aktivierung der Eichvorrichtung bei gleichzeitigem Überstreichen der Größe bzw. Nachzeichnen des Umrisses des virtuellen Bildschirmes.

11. Gerät nach Anspruch 1 bis 10, gekennzeichnet dadurch, daß in das Handgerät eine Mikrophontechnik zur vollständigen Bedienung des Computers integriert ist.