DE19951322A1 - Anordnung zur Interaktion - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Anordnung zur Interaktion angegeben, bei der eine Oberflächeneinheit vorgesehen ist, die getrennt von einer Modulbox ausgeführt ist, wobei die Modulbox folgende Komponenten umfaßt: Einen Projektor, eine Kamera, und einen Rechner, der den Projektor steuert und Aufnahme der Kamera derart auswertet, daß eine Aufnahme einer Bewegung oder eines Verweilens einer Interaktionskomponente auf bzw. vor der Oberflächeneinheit als ein Eingabezeiger interpretierbar ist.
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Interaktion.
Eine solche Anordnung ist aus [1] bekannt. Dabei handelt es
sich insbesondere bei dem zu erkennenden Objekt um eine
Zeigereinheit, z. B. eine Hand oder einen Zeigestab. Mit der
Zeigereinheit kann ein Benutzer mit einer graphischen
Schnittstelle interagieren, indem er durch Gestenbedienung
die entsprechenden Aktionen auslöst. Solch eine Anordnung
wird auch als Gestik-Computer oder als "Virtual-Touch-Screen"
bezeichnet.
Die Funktionsweise des Virtual-Touch-Screens besteht darin,
daß die Schnittstelle auf eine vorgegebene Fläche projiziert
wird, wobei die Projektion vorzugsweise virtuelle
Schaltflächen aufweist, deren Betätigung jeweils vorgegebene
Aktionen auslöst. Ein Auslösemechanismus ist das Zeigen des
Benutzers mit seiner Hand als Zeigereinheit auf eine der
Schaltflächen. Nach einer vorgegebenen Zeitdauer des Zeigens
wird die mit der Schaltfläche assoziierte Aktion ausgelöst.
Die Position der Hand des Benutzers wird von einer Kamera
aufgenommen, die Aufnahme wird digitalisiert und ein Rechner
ermittelt die Position der Hand in Relation zu der
Projektion. So kann festgestellt werden, ob eine virtuelle
Schaltfläche bedient worden ist oder nicht. Dieser
Auslösemechanismus kann in seiner Wirkung verglichen werden
mit der Bedienung einer Computermaus als Eingabemedium für
eine graphische Schnittstelle. Der Mauszeiger wird bei dem
Virtual-Touch-Screen mit der Hand geführt, ausgelöst wird
statt des Doppelklicks mit dem Verharren der Hand über einer
ausgesuchten Schaltfläche für eine vorgegebene Mindestdauer.
Zur Erkennung des Zeigegegenstandes auf der Bedienoberfläche,
bzw. zur Unterscheidung der Projektion von dem
Zeigegegenstand, wird in [2] die Möglichkeit einer
zusätzlichen Beleuchtung der Bedienoberfläche mit Wellen im
nichtsichtbaren Spektralbereich vorgestellt. Anhand der
Beleuchtung der Bedienoberfläche mit Wellen im nicht-
sichtbaren Spektralbereich kann eine geeignete Unterscheidung
der Projektion von der Zeigereinheit erfolgen. Bei einer
Beleuchtung mit infrarotem Licht reflektiert die
Bedienoberfläche das infrarote Licht stärker als die
Zeigeeinheit (Hand). Der Hand kommt somit eine höhere
Absorption zu als der Bedienoberfläche. Dieser Effekt läßt
sich gemäß [2] dadurch verstärken, daß die Bedienoberfläche
zusätzlich mit einer reflektierenden Schicht versehen ist, so
daß die Absorption des infraroten Lichts auf der
Bedienoberfläche möglichst gering ist. Die Hand erscheint
somit dunkel vor der Bedienoberfläche.
Ein Vorteil des Virtual-Touch-Screens besteht in der
Robustheit seiner Konstruktion. Insbesondere vor Vandalismus
kann ein einfacher und wirksamer Schutz in der physikalischen
Trennung von Bedienoberfläche und Kamera, Rechner und
Projektor erreicht werden. Sollen allerdings auch in der
Bedienoberfläche bspw. Eingabekomponenten ausgeführt sein, so
sind diese und insbesondere deren Leitungen zu der
ansteuernden Einheit potentiell Vandalismus ausgesetzt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung zur
Interaktion anzugeben, die auch auf einer Oberflächeneinheit
Komponenten aufweist, deren elektrische Verbindungen gegen
Vandalismus geschützt sind.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des unabhängigen
Patentanspruchs gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Anordnung zur Interaktion
angegeben, bei der eine Oberflächeneinheit vorgesehen ist,
die getrennt von einer Modulbox ausgeführt ist. Die Modulbox
weist insbesondere folgende Komponenten auf:
- 1. Einen Projektor, anhand dessen auf der Oberflächeneinheit eine Abbildung darstellbar ist.
- 2. Eine Kamera, die die Oberflächeneinheit aufnimmt.
- 3. Einen Rechner, der den Projektor steuert und Aufnahme der Kamera derart auswertet, daß eine Aufnahme einer Bewegung oder eines Verweilens einer Interaktionskomponente auf bzw. vor der Oberflächeneinheit als Funktionalität eines Eingabezeigers interpretierbar ist.
Zwischen der Modulbox und der Oberflächeneinheit besteht
mindestens eine kabellose Schnittstelle.
Eine Ausgestaltung besteht darin, daß die
Interaktionskomponente eine Hand oder ein Finger eines
Benutzers bzw. eine Zeigereinheit ist. Der Benutzer kann mit
seiner Hand eine Eingabe auf der Oberflächeneinheit, auf die
zweckmäßig anhand des Projektors eine Benutzeroberfläche
(Graphisches User Interface (GUI)) projiziert ist, vornehmen.
Hierzu bewegt der Benutzer seine Hand über die
Benutzeroberfläche, wobei sich durch die Bewegung der Hand
ein Mauszeiger steuern läßt. Eine Auslösung einer
vorgegebenen Aktion auf der Benutzeroberfläche kann
beispielsweise durch ein Verweilen der Hand für eine
vorgegebene Zeitdauer auf einer bestimmten Stelle der
Projektion vorgenommen werden. Durch dieses Verweilen wird
diejenige Aktion ausgelöst, die mit einer projizierten
Bedienoberfläche assoziiert ist. Dies entspricht einem
Steuern einer Benutzerschnittstelle mittels einer
Computermaus auf einem herkömmlichen Personalcomputer.
Eine andere Ausgestaltung besteht darin, daß mindestens eine
kabellose Schnittstelle eine Schallschnittstelle ist. Dabei
kann bevorzugt die Schallschnittstelle eine
Ultraschallschnittstelle sein. Zweckmäßig weist die
Ultraschallschnittstelle einen Ultraschallsender und einen
Ultraschallempfänger auf, die auf der Oberflächeneinheit und
in der Modulbox ausgeführt sein können.
Eine Ausgestaltung besteht darin, daß die mindestens eine
kabellose Schnittstelle eine optische Schnittstelle ist.
Insbesondere kann die optische Schnittstelle einen
Infrarotsender und einen Infrarotempfänger aufweisen. Der
Infrarotsender ist bevorzugt eine Infrarot-Leuchtdiode oder
eine Infrarot-Laserdiode.
Auch ist es eine Ausgestaltung, daß die mindestens eine
kabellose Schnittstelle eine elektromagnetische Schnittstelle
ist. Dabei kann der Sender der elektromagnetischen
Schnittstelle als eine der folgenden Komponenten ausgeführt
sein:
- a) Sendeantenne,
- b) Richtantenne,
- c) Richtkoppler,
- d) Dipolantenne.
Der Empfänger der elektromagnetischen Schnittstelle kann
ausgeführt sein als eine der folgenden Komponenten:
- a) Antennenspule,
- b) Schlitzantenne,
- c) Dipolantenne.
Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, daß der jeweilige
Sender der mindestens einen kabellosen Schnittstelle in der
Modulbox und der jeweilige Empfänger der mindestens einen
kabellosen Schnittstelle in der Oberflächeneinheit ausgeführt
sind. Entsprechend kann der jeweilige Sender der mindestens
einen kabellosen Schnittstelle in der Oberflächeneinheit und
der jeweilige Empfänger der mindestens einen kabellosen
Schnittstelle in der Modulbox ausgeführt sein.
Eine andere Weiterbildung besteht darin, daß in der
Oberflächeneinheit eine Eingabevorrichtung vorgesehen ist.
Die Eingabevorrichtung kann folgende Ausprägungen umfassen:
- a) Joystick,
- b) Taster,
- c) Kipphebel,
- d) abstandssensitiver Sensor,
- e) berührungssensitiver Sensor,
- f) druckabhängiger Widerstand,
- g) Federblech,
- h) Schalter,
- i) Spracherkennungssystem,
- j) Trackball,
- k) Maus,
- l) Touchpad,
- m) Fingertip Sensor,
- n) Rolle, Handrad.
Die vorstehend genannten möglichen Eingabevorrichtungen
stellen hierbei nur eine Auswahl dar.
Eine zusätzliche Ausgestaltung besteht darin, daß die
Oberflächeneinheit einen Sensor zur Umwandlung von
Lichtenergie in elektrische Energie aufweist, wobei der
Sensor die Oberflächeneinheit mit Strom versorgt.
Insbesondere kann der Sensor zur Umwandlung von Lichtenergie
in elektrische Energie eine Solarzelle sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand
der Zeichnungen dargestellt und erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 eine Anordnung zur Interaktion;
Fig. 2 eine Prozessoreinheit;
Fig. 3 eine Anordnung zur Interaktion, die eine
Oberflächeneinheit mit zusätzlichen Funktionalitäten
aufweist;
Fig. 4 eine Oberflächeneinheit mit möglichen
Eingabevorrichtungen.
Fig. 1 zeigt die Funktionsweise eines Virtual-Touch-Screens.
Dabei wird zunächst die Oberflächeneinheit in Form einer
passiven Bedienoberfläche BOF vorgestellt.
Unter Oberflächeneinheit wird insbesondere die physikalische
Ausprägung der Grundfläche, auf die eine Projektion erfolgt
verstanden. Der Inhalt der Projektion ist z. B. die
Bedienoberfläche BOF.
Die Bedienoberfläche BOF (Interaktionsfläche, Abbildung einer
graphischen Benutzerschnittstelle GUI) wird auf einen
vorgebbaren Bereich (Oberfläche), hier ein Projektionsdisplay
PD (Interaktionsfläche), abgebildet. Das Projektionsdisplay
PD ersetzt dabei einen konventionellen Bildschirm. Die
Eingabe erfolgt durch direktes Zeigen mit der
Interaktionskomponente, hier einer Hand H auf die
Bedienoberfläche BOF. Dadurch können beispielsweise Tastatur,
Maus, Touchscreen oder Digitalisiertablett konventioneller
Systeme ersetzt werden. Die Erkennung der Gesten und die
Positionierung der Hand innerhalb der Bedienoberfläche BOF
werden durch ein videobasiertes System, das in der Lage ist,
Projektion und Form zum Beispiel der menschlichen Hand in
Echtzeit zu erkennen und zu verfolgen, realisiert. Ferner
wird in Fig. 1 das Projektionsdisplay PD mit Infrarotlicht
beleuchtet. Die Infrarotlichtquelle IRL kann vorteilhaft
mittels Infrarotleuchtdioden ausgeführt sein. Eine Kamera K,
die vorzugsweise mit einem speziellen Infrarotfilter IRF, das
in einem infraroten Spektralbereich besonders empfindlich
ist, ausgestaltet ist, nimmt das Projektionsdisplay PD
einschließlich der Hand H des Benutzers auf. Mit einem
Projektor P, der von einem Rechner R gesteuert wird, wird die
Bedienoberfläche BOF auf das Projektionsdisplay PD
abgebildet. Die Bedienoberfläche BOF kann dabei ausgestaltet
sein als ein graphische Benutzerschnittstelle (GUI) auf einem
Monitor des Rechners R. Ein Mauszeiger MZ wird durch die Hand
H des Benutzers bewegt. Anstelle der Hand H kann als
Interaktionskomponente auch eine Zeigereinheit eingesetzt
werden.
Soll auf der Bedienoberfläche BOF die mit der Betätigung
eines Feldes F assoziierte Funktion bzw. Funktionalität
ausgelöst werden, so wird die Hand H zu dem Feld F bewegt,
der Mauszeiger MZ folgt dabei der Hand H. Verharrt die Hand H
für eine vorgebbare Zeitdauer über dem Feld F, so wird die
mit dem Feld F assoziierte Funktion auf dem Rechner R
ausgelöst. Dies entspricht bei konventionellen Systemen dem
Doppelklick mit der Maus, wenn sich der Mauszeiger über einem
virtuellen Schalter befindet.
In Fig. 2 ist eine Prozessoreinheit PRZE (Rechner) darge
stellt. Die Prozessoreinheit PRZE umfaßt einen Prozessor CPU,
einen Speicher MEM und eine Input/Output-Schnittstelle IOS,
die über ein Interface IFC auf unterschiedliche Art und Weise
genutzt wird: Über eine Grafikschnittstelle wird eine Ausgabe
auf einem Monitor MON, insbesondere einen Projektor, sichtbar
und/oder auf einem Drucker PRT ausgegeben. Eine Eingabe
erfolgt über eine Maus MAS oder eine Tastatur TAST. Auch
verfügt die Prozessoreinheit PRZE über einen Datenbus BUS,
der die Verbindung von einem Speicher MEM, dem Prozessor CPU
und der Input/Output-Schnittstelle IOS gewährleistet.
Weiterhin sind an den Datenbus BUS zusätzliche Komponenten
anschließbar, z. B. zusätzlicher Speicher, Datenspeicher
(Festplatte), Kamera, Framegrabber, Detektionseinheit,
Eingabevorrichtungen, Netzwerkanschlüsse oder Scanner.
Fig. 3 zeigt eine Anordnung zur Interaktion, die eine
Oberflächeneinheit aufweist, welche Oberflächeneinheit
zusätzliche Funktionalitäten umfaßt.
Eine Modulbox 111 umfaßt einen Rechner (Prozessoreinheit,
Auswerteeinheit) 112, eine Kamera (Detektionseinheit für
Wellen, bevorzugt von IRL emittierte Strahlung) 113, einen
Projektor 127, eine Infrarotbeleuchtung 128 (Quelle für
Wellen für nichtsichtbares Licht, bevorzugt
Infrarotscheinwerfer).
Die Oberflächeneinheit 121 umfaßt eine Vielzahl von
Komponenten, die neben der oben beschriebenen berührungslosen
Interaktion auch eine berührungssensitive Interaktion
ermöglichen.
In der Anordnung von Fig. 3 sind einige kabellose
Schnittstellen dargestellt. Eine Laserdiode 114, die in der
Modulbox vorgesehen ist, strahlt gezielt auf eine Fotodiode
120, die in der Oberflächeneinheit 121 angeordnet ist, ab. Es
erfolgt somit eine optische Energieübertragung von der
Laserdiode 114 zum zugehörigen Sensor (Fotodiode 120). In der
umgekehrten Richtung wird von einem optischen Sender 119, zum
Beispiel einer Leuchtdiode oder einer Laserdiode, die beide
bevorzugt im nicht sichtbaren Spektralbereich Licht
emittieren, zu einer Fotodiode 115 Energie oder Daten/Signale
übertragen. Die übertragene Energie, insbesondere von der
Modulbox 111 zur der Oberflächeneinheit 121, kann durch
Wandlung in elektrische Energie beim Empfänger zum Betreiben
einer Eingabevorrichtung oder der Oberflächeneinheit selbst
eingesetzt werden. Teile der Oberflächeneinheit können
austauschbar ausgeführt sein.
Ein Joystick 118 zeigt eine signalgebende Eingabevorrichtung,
die den optischen Sender 119 ansteuert. Die Signale, die über
die Interaktion des Joystick 118 an die Auswerteeinheit 112
übermittelt werden, werden über die Duplexverbindung aus
Sendern 119, 114 und Empfängern 120, 115, übertragen. Die
Übertragung erfolgt ohne elektrische Leitungen, das heißt
sicher gegen Vandalismus und für den Benutzer unsichtbar.
Eine Energieversorgung der Oberflächeneinheit 121 erfolgt
über eine Solarzelle 122. Neben der Solarzelle kann gezielt
eine Energieübertragung von der Modulbox 111 zu der
Oberflächeneinheit 121 erfolgen, indem die Laserdiode 114 den
optischen Empfänger 120 speist, wobei der optische Empfänger
120 die Lichtenergie in elektrische Energie zum Betrieb der
Oberflächeneinheit umwandelt.
In Fig. 3 ist zusätzlich eine Vollduplex-Sender-Empfänger-Verbindung
auf Basis von Ultraschall dargestellt. Dazu sind
Ultraschallsender 123 und 125 bzw. Ultraschallempfänger 124
und 126 vorgesehen.
Eine weitere kabellose Schnittstelle elektromagnetischer Art
ist in Form der Empfangs- bzw. Sendespulen 130 und 116
dargestellt. Ein Tastenfeld 117 übermittelt Signale, die über
die Sendespule 116 von der Oberflächeneinheit 121 zu der
Modulbox 111, dort in die Empfangsspule 130, übertragen
werden. Der Rechner 112 übernimmt die Codierung der
übermittelten Signale in vorgegebene Aktionen.
Fig. 4 zeigt eine Oberflächeneinheit 216 mit möglichen
Eingabevorrichtungen. Eine Fläche 211 ist als
Informationsfläche vorgesehen. Zwei lichtempfindliche
Eingabevorrichtungen (Fotodioden) sind geeignet, bestimmte
Umgebungsbeleuchtungen aufzunehmen (optische Taste,
Reflexlichtschranke). Ansonsten sind in Fig. 4 vorgesehen: Ein
Joystick 214, Drucktaster bzw. Druckschalter 217, eine
Projektionsfläche 218, eine dreidimensionale Gestaltung einer
Interaktionsfläche in Form einer Erhöhung 219 und einer
Vertiefung 220 und eine Fläche 221, die von der Kamera 113 in
Fig. 3 aufgenommen wird.
[1] US 5,528,263
[2] DE 197 08 240.
[2] DE 197 08 240.
Claims (17)
1. Anordnung zur Interaktion,
- a) bei der eine Oberflächeneinheit vorgesehen ist, die getrennt von einer Modulbox ausgeführt ist;
- b) bei der die Modulbox die folgenden Komponenten
aufweist:
- 1. einen Projektor, anhand dessen auf der Oberflächeneinheit eine Abbildung darstellbar ist;
- 2. eine Kamera, die die Oberflächeneinheit aufnimmt;
- 3. einen Rechner, der den Projektor steuert und Aufnahmen der Kamera auswertet derart, daß eine Aufnahme einer Bewegung oder eines Verweilens einer Interaktionskomponente auf bzw. vor der Oberflächeneinheit als Funktionalität eines Eingabezeigers interpretierbar ist;
- c) bei der zwischen der Modulbox und der Oberflächeneinheit mindestens eine kabellose Schnittstelle existiert.
2. Anordnung nach Anspruch 1,
bei der die mindestens eine kabellose Schnittstelle eine
Schallschnittstelle ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2,
bei dem die Schallschnittstelle eine
Ultraschallschnittstelle ist.
4. Anordnung nach Anspruch 3,
bei dem die Ultraschallschnittstelle einen
Ultraschallsender und einen Ultraschallempfänger
aufweist.
5. Anordnung nach Anspruch 1,
bei der die mindestens eine kabellose Schnittstelle eine
optische Schnittstelle ist.
6. Anordnung nach Anspruch 5,
bei der die optische Schnittstelle einen Infrarotsender
und einen Infrarotempfänger aufweist.
7. Anordnung nach Anspruch 6,
bei der der Infrarotsender eine Infrarot-Leuchtdiode oder
eine Infrarot-Laserdiode ist.
8. Anordnung nach Anspruch 1,
bei der die mindestens eine kabellose Schnittstelle eine
elektromagnetische Schnittstelle ist.
9. Anordnung nach Anspruch 8,
bei der die elektromagnetische Schnittstelle als Sender
eine der folgenden Komponenten aufweist:
- a) Sendeantenne,
- b) Richtantenne,
- c) Richtkoppler,
- d) Dipolantenne.
10. Anordnung nach Anspruch 9,
bei der die elektromagnetische Schnittstelle als
Empfänger eine der folgenden Komponenten aufweist:
- a) Antennenspule,
- b) Schlitzantenne,
- c) Dipolantenne.
11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem der jeweilige Sender der mindestens einen
kabellosen Schnittstelle in der Modulbox und der
jeweilige Empfänger der mindestens einen kabellosen
Schnittstelle in der Oberflächeneinheit ausgeführt sind.
12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem der jeweilige Sender der mindestens einen
kabellosen Schnittstelle in der Oberflächeneinheit und
der jeweilige Empfänger der mindestens einen kabellosen
Schnittstelle in der Modulbox ausgeführt sind.
13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der in der Oberflächeneinheit eine Eingabevorrichtung
vorgesehen ist.
14. Anordnung nach Anspruch 13,
bei der die Eingabevorrichtung eine der folgenden
Möglichkeiten umfaßt:
- a) Joystick,
- b) Taster,
- c) Kipphebel,
- d) abstandssensitiver Sensor,
- e) berührungssensitiver Sensor,
- f) druckabhängiger Widerstand,
- g) Federblech,
- h) Schalter,
- i) Spracherkennungssystem,
- j) Trackball,
- k) Maus,
- l) Touchpad,
- m) Fingertip Sensor,
- n) Rolle, Handrad.
15. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der die Oberflächeneinheit einen Sensor zur
Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie
aufweist, welcher Sensor die Oberflächeneinheit mit Strom
versorgt.
16. Anordnung nach Anspruch 15,
bei der der Sensor zur Umwandlung von Lichtenergie in
elektrische Energie eine Solarzelle ist.
17. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der die Interaktionskomponente eine der folgenden
Möglichkeiten umfaßt:
- a) eine Hand eines Benutzers;
- b) ein Finger eines Benutzers;
- c) eine Zeigereinheit.
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