Beschreibung
Blindenassistenzvorrichtung und Verfahren zum Assistieren eines Blinden
Die Erfindung bezieht sich auf eine Blindenassistenzvorrichtung mit den Oberbegriffliehen Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 bzw. auf ein Verfahren zum Assistieren eines Blinden mit den Oberbegriffliehen Merkmalen gemäß Patentanspruch 6.
Zum Bereitstellen einer Blindenassistenzvorrichtung zum Bestimmen einer Entfernung zu zumindest einem Objekt gibt es Ansätze, mittels Ultraschall-Entfernungsmesstechnik Blinden Entfernungsinformationen über verschiedene Signalisierungsar- ten, z. B. akustische Signalisierung oder haptische, das heißt tastende Signalisierung, zur Orientierungshilfe zur Verfügung zu stellen. Nachteilig ist dabei, dass bereits bei einigen Metern Entfernung eine laterale Auflösung zu gering wird. Außerdem müssen Entfernungsprofile sequenziell Punkt für Punkt durch Bewegung des Ultraschallsensors erfasst werden, was ebenfalls nachteilhaft ist.
Wesentliche Fortschritte bringt demgegenüber eine parallele Lichtlaufzeitmessung, bei der in einer größeren Zahl von Richtungen nahezu gleichzeitig Entfernungswerte erfasst werden können, wie dies aus WO 2006/074993 A2 bekannt ist. An einem tragbaren Gestell in Art einer Stirnlampe ist eine Lichtquelle zum Aussenden von Licht und zumindest eine Lichtempfängeranordnung zum Empfangen von reflektiertem Licht, das von dem zumindest einen Objekt reflektiert wurde, angeordnet. Mittels einer Steuereinrichtung wird eine Lichtlaufzeit- Entfernung aus einer Laufzeit des ausgesendeten und vom Objekt reflektierten Licht bestimmt. Entsprechend bestimmte Entfernungen werden an ein greifbares Element mit einer Viel- zahl von bewegbaren Stiften übertragen. Mittels der Stifte wird ein durch die Steuereinrichtung mittels der Lichtmessungen bestimmtes Abbild des Raums vor der das Gestell tragenden
Person dreidimensional abgebildet. Ein Blinder bekommt also ohne Bewegung des Sensors ein vollständiges Profil, das zusätzlich noch eine wesentlich bessere laterale Auflösung im Vergleich zu Ultraschall-Messverfahren aufweist. Jedoch weist auch die rein optische Entfernungsmesstechnik Nachteile auf. Dadurch, dass mittels optischer Verfahren Glasflächen in der Regel nicht als Objekt bzw. Hindernis erkannt werden, können beispielsweise Glastüren oder Schaufenster für den Blinden nicht erkennbar sein, so dass es zu Kollisionen kommt. Auch in Vitrinen hinter Glas eingeschlossene Gegenstände erscheinen einem Blinden direkt zugreifbar, obwohl eine Scheibe vor demden Gegenständen angeordnet ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Blindenassis- tenzvorrichtung bereitzustellen, welche ein verbessertes räumliches Abbild für einen Blinden bereitstellt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Blindenassistenzvorrich- tung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 bzw. durch ein Verfahren zum Assistieren eines Blinden mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
Ausgegangen wird von einer Blindenassistenzvorrichtung zum Bestimmen einer Entfernung zu zumindest einem Objekt mit einem tragbaren Gestell, mit zumindest einer Lichtquelle am Gestell zum Aussenden von Licht und zumindest einem Lichtempfänger zum Empfangen von reflektiertem Licht, das von dem zumindest einen Objekt reflektiert wurde, und mit zumindest ei- ner Steuereinrichtung in dem Gestell oder einer davon getrennten Einrichtung zum Bestimmen einer Lichtlaufzeit- Entfernung aus einer Laufzeit des ausgesendeten und reflektierten Lichts. Bevorzugt wird demgemäß, wenn diese zusätzlich zumindest eine akustische Sende- und/oder Empfangsein- richtung am Gestell zum Aussenden eines Schallsignals und zum Empfangen eines reflektierten Schallsignals von dem zumindest einen Objekt aufweist, wobei die zumindest eine Steuerein-
richtung eingerichtet und/oder programmiert ist zum Bestimmen einer Schalllaufzeit-Entfernung aus einer Laufzeit des ausgesendeten und reflektierten Schallsignals und wobei die zumindest eine Steuereinrichtung eingerichtet und/oder program- miert ist, die Entfernung zu dem zumindest einen Objekt sowohl mittels der Lichtlaufzeit-Entfernung als auch mittels der Schalllaufzeit-Entfernung zu bestimmen. Dies ermöglicht nicht nur das Bestimmen und Anzeigen von Objekten, welche optisch erfassbar sind, sondern auch von Objekten, welche op- tisch zumindest teilweise oder ganz durchsichtig sind. So können z.B. Glasscheiben, welche sogar von nicht sehbehinderten Menschen übersehen werden können, sicher erfasst werden.
Die zumindest eine Steuereinrichtung ist bevorzugt eingerich- tet und/oder programmiert, die Entfernung zu dem zumindest einen Objekt als die kleinste Entfernung von der Lichtlaufzeit-Entfernung und von der Schalllaufzeit-Entfernung zu bestimmen, wenn diese voneinander abweichen. Auf diese Art und Weise wird das erste mehrerer in Blickrichtung hinterein- ander liegender Objekte bestimmt und kann so angezeigt bzw. insbesondere akustisch und/oder haptisch signalisiert werden. Im Fall nur eines Signals wird in jedem Fall dieses zur Entfernungsbestimmung verwendet.
Die zumindest eine Steuereinrichtung ist bevorzugt eingerichtet und/oder programmiert, die Entfernung zu dem zumindest einen Objekt als die Schalllaufzeit-Entfernung zu bestimmen, falls diese kleiner als die Lichtlaufzeit-Entfernung ist. In diesem Fall ist von z.B. einer Glasscheibe als einem ersten Objekt vor einem dahinter liegenden Objekt auszugehen.
Die zumindest eine Steuereinrichtung ist bevorzugt eingerichtet und/oder programmiert, im Fall eines für das Licht zumindest teilweise durchlässigen ersten Objekts und eines dahin- ter gelegenen weiteren Objekts die Entfernungen sowohl des ersten Objekts als die Schalllaufzeit-Entfernung als auch des dahinter gelegenen Objekts als die Lichtlaufzeit-Entfernung
zu bestimmen. Dies ermöglicht die Signalisierung zweier oder mehr Objekte, von denen zumindest das erste Objekt zumindest teilweise durchsichtig ist. Dies entspricht aus Sicht eines Sehenden einem Blick durch eine Glastür oder ein Fenster z.B. einer Vitrine in einen hinter dem Glas liegenden Bereich mit weiteren Objekten oder Gegenständen.
Bevorzugt ist mit am Gestell einer Vielzahl an Lichtquellen oder einer Licht aufsplittenden Optik und einer Vielzahl an Lichtempfängern angeordnet, wobei die zumindest eine Steuereinrichtung eingerichtet und/oder programmiert ist, die Entfernung richtungsabhängig zu bestimmen und im Fall gleicher oder innerhalb eines Differenzwertbereichs gleicher Werte der Schalllaufzeit-Entfernung und der Lichtlaufzeit-Entfernung die Lichtlaufzeit-Entfernung als die Entfernung zu verwenden. So kann ein größerer Raum dreidimensional erfasst werden. Außerdem werden bei etwa gleichen Entfernungen der beiden Systeme die Werte der optischen Messung bevorzugt, da diese eine gemäß erster Betrachtungen eine bessere laterale Auflösung bieten und genauer sind.
Bevorzugt wird dem entsprechend ein Verfahren zum Assistieren eines Blinden, bei dem eine Entfernung zu zumindest einem Objekt bestimmt wird mittels einer Lichtlaufzeit-Entfernung, die aus einer Laufzeit eines ausgesendeten und reflektierten Lichts ermittelt wird, wobei zusätzlich eine Schalllaufzeit- Entfernung aus einer Laufzeit eines ausgesendeten und reflektierten Schallsignals bestimmt wird und die Entfernung zu dem zumindest einen Objekt sowohl mittels der Lichtlaufzeit- Entfernung als auch mittels der Schalllaufzeit-Entfernung bestimmt wird. Die Entfernung zu dem zumindest einen Objekt wird bevorzugt als die kleinste Entfernung von der Lichtlaufzeit-Entfernung und von der Schalllaufzeit-Entfernung bestimmt, sofern diese voneinander verschieden sind.
Dabei kann optional ein Schwellenwert für ähnliche Entfernungen der Lichtlaufzeit-Entfernung und der Schalllaufzeit-
Entfernung festgelegt werden, wobei im Fall beider Werte innerhalb des Schwellenwertes die optischen Werte bevorzugt als die zur Entfernungsbestimmung relevanten Werte angesetzt werden .
Die Entfernung wird zu dem zumindest einen Objekt insbesondere dann als die Schalllaufzeit-Entfernung bestimmt, falls diese kleiner als die Lichtlaufzeit-Entfernung ist. Die Entfernung zu dem zumindest einen Objekt wird bevorzugt als die Lichtlaufzeit-Entfernung bestimmt, falls diese kleiner als die Schalllaufzeit-Entfernung und/oder annähernd gleich der Schalllaufzeit-Entfernung ist.
Im Fall eines für das Licht zumindest teilweise durchlässigen ersten Objekts und eines dahinter gelegenen weiteren Objekts werden bevorzugt die Entfernungen sowohl des ersten Objekts als auch des dahinter gelegenen Objekts bestimmt und signalisiert .
Die Entfernung wird bevorzugt richtungsabhängig bestimmt, um ein räumliches Bild erstellen zu können. Die Entfernung der Lichtlaufzeit-Entfernung wird dabei bevorzugt über einen größeren seitlichen und/oder höhen-ausgerichteten Winkel bestimmt als über einen seitlichen und/oder höhen- ausgerichteten Winkel der Entfernung der Schalllaufzeit- Entfernung. Im Fall gleicher oder innerhalb eines Differenzwertbereichs gleicher Werte der Lichtlaufzeit-Entfernung und der Schalllaufzeit-Entfernung wird aufgrund der in der Regel höheren Auflösung bevorzugt die Lichtlaufzeit-Entfernung zum Bestimmen der Entfernung verwendet.
Wenn die zumindest eine bestimmte Entfernung signalisiert wird und zusätzlich zumindest für den Fall einer auf der Schalllaufzeit-Entfernung basierenden Entfernung eine darüber informierende Information signalisiert wird, bietet dies dem Benutzer eine zusätzliche Information, welche ihn auf eine
Annäherung an eine möglicherweise zerbrechliche Glasfläche hinweist .
Bevorzugt wird somit eine Ultraschallmessung und eine Licht- laufZeitmessung parallel durchgeführt, wobei die Ergebnisse logisch verknüpft werden, wodurch ein Blinder sogar eindeutig erkennen kann, wenn sich eine Glasfläche in seiner Hauptwegrichtung in einem bestimmten Abstand befindet. Dazu ist ein Ultraschallmessstrahl dem optischen Entfernungsmesssystem vorzugsweise so überlagert, dass im mittleren Bereich der optischen Entfernungsmesstechnik zusätzlich gleichzeitig eine Ultraschallmessung zur Entfernungsbestimmung durchgeführt wird.
Die besonders bevorzugte logische Verknüpfung der Entfernungsmessungen erfolgt folgendermaßen: Sind keine transparenten Flächen bzw. Glasflächen als Objekte vorhanden, so wird die Ultraschallmessung mit den optischen Entfernungsmessungen in etwa übereinstimmen. Zur Orientierung wird bevorzugt je- doch die optische Messung verwendet, da diese eine laterale Auflösung aufweist und bei entsprechender Ausgestaltung genauere Werte liefern kann. Liefert die Ultraschallmessung jedoch an der gleichen Stelle wie die optische Entfernungsmessung noch zusätzlich geringe Werte, so liegt eindeutig ein transparentes Objekt bzw. Glas vor, weshalb die Ultraschallmessung für die Orientierung bzw. die Entfernungsbestimmung verwendet wird. Befindet sich hinter der Glasscheibe kein Objekt, so wird ebenfalls die Ultraschallmessung verwendet. Wird in dem Messbereich überhaupt kein Ultraschall- Entfernungsmesswert festgestellt, so gilt zweckmäßigerweise stets die optische Entfernungsmessung als relevante Messgröße.
Durch derartige logische Kombinationen der beiden verschiede- nen physikalischen Arten von Entfernungsmessungen, das heißt Messungen auf Basis von Ultraschalllaufzeit und Messungen auf Basis von Lichtlaufzeit, sowie deren örtliche Überlagerung
kann ein Blinder eindeutig Glasflächen oder sonstige durchsichtige Flächen erkennen. Zum anderen wird die an sich wesentlich leistungsfähigere Entfernungsprofilmessung mittels Lichtlaufzeit nicht durch den häufigen Sonderfall von trans- parenten Flächen in der Einsatzbreite eingeschränkt. Der optische Lichtlaufzeitsensor sowie der Ultraschallsensor werden zweckmäßigerweise in eine Brille oder in ein am Kopf befestigbares Gestell, wie z.B. eine Stirnlampe, integriert.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch ein Brillengestell mit einer Vielzahl an Sende- und Empfangseinheiten zum Bestimmen einer Entfernung zu einem Objekt und
Fig. 2 schematisch einen Kopf einer Person, welche ein derartiges Gestell trägt, sowie überstrichene Raumbereiche der verschiedenen eingesetzten Messsyste- me.
Fig. 1 zeigt eine besonders bevorzugte Blindenassistenzvor- richtung zum Bestimmen einer Entfernung d zu zumindest einem Objekt 2, 3. In einem Gestell 1, beispielsweise einem Bril- lengestell, ist zumindest eine Lichtquelle oder vorzugsweise eine große Vielzahl an Lichtquellen 4 und Lichtempfängern 5 eingesetzt. Die Lichtquellen 4, welche auch durch eine einzelne Laserdiode und eine entsprechend aufsplittende und/oder richtende Optik ausgebildet sein kann, dienen dazu, Licht os auszusenden, wobei vorzugsweise eine Modulation aufgeprägt wird. Die Lichtempfänger 5 dienen dazu, das von den Lichtquellen 4 ausgesendete Licht os, welches an einem Objekt 2 reflektiert wurde, zu empfangen. Aus der Lichtlaufzeit ist eine Lichtlaufzeit-Entfernung do bestimmbar. Die Bestimmung der Lichtlaufzeit-Entfernung do erfolgt in einer Steuereinrichtung 7, welche vorzugsweise im Gestell 1 integriert ist.
Bevorzugt ist die Vielzahl an Lichtquellen 4 und Lichtempfängern 5 somit so ausgerichtet, dass ein räumliches Bild, insbesondere ein zweidimensionales zellenförmiges Bild oder ein mehrdimensionales räumliches Bild in Seiten- und Höhenrich- tung aufgebaut werden kann.
Als wesentliche zusätzliche Komponente ist in dem Gestell 1 zusätzlich zumindest eine Sende- und/oder Empfangseinrichtung 6 zum Aussenden einer Schallwelle s, insbesondere Ultra- Schallwelle, und zum Empfangen einer reflektierten Schallwelle sr angeordnet. Die Steuereinrichtung 7 dient vorzugsweise auch dazu, eine Schalllaufzeit-Entfernung ds zwischen dem Aussenden der Schallwelle s und dem Empfangen der reflektierten Schallwelle sr zu bestimmen. Vorteilhafterweise wird an einem undurchsichtigen Objekt 2 nicht nur eine solche Schallwelle s sondern auch optisches Licht os reflektiert. Zusätzlich werden solche Schallwellen s auch von für das optische Licht os durchlässige bzw. durchsichtige Materialien reflektiert, wie beispielsweise durch Plexiglas oder Glas.
Die von der Sende- und/oder Empfangseinrichtung 6 ausgesendete Schallwelle s wird somit an einem Reflexionspunkt Rg an einem nahegelegenen Objekt aus beispielsweise Glas reflektiert. Dahingegen dringt das optische Licht os durch das Glas hindurch und wird an einem Reflexionspunkt R an einem entfernteren Objekt 2 aus einem undurchsichtigen Material reflektiert.
Mittels der Steuereinrichtung 7 werden bei der beispielhaften Anordnung von einem undurchsichtigen Objekt 2 hinter einem durchsichtigen Objekt 3 somit zwei Entfernungswerte bestimmt. Im einzelnenEinzelnen werden eine Lichtlaufzeit-Entfernung do und eine Schalllaufzeit-Entfernung sr bestimmt. Durch eine entsprechende Signalisierung an den Benutzer der Blindenas- sistenzvorrichtung kann der Benutzer somit in Kenntnis gesetzt werden, dass er ein Objekt 3 vor sich hat. Besonders bevorzugt wird im Fall eines durchsichtigen Objekts 3 mit ei-
nem dahinter liegenden weiteren Objekt 2 der Benutzer zusätzlich auch über die Existenz des weiteren Objekts 2 und dessen Entfernung informiert.
Ganz besonders bevorzugt sind Ausgestaltungen, bei denen Benutzer generell bei Bestimmung der Entfernung d mittels des Ultraschallverfahrens auch über die Benutzung dieser Bestimmungsart zur Bestimmung des Abstands bzw. der Entfernung d informiert wird. Würde ein Benutzer ein Gebäude mit einer Glastür ohne einem weiteren Objekt dahinter verlassen, so würde der Benutzer zwar über die Existenz eines Objekts informiert, jedoch nicht erfahren, dass es sich bei dem Objekt um eine Glasfläche handelt, welche möglicherweise zu Bruch gehen kann. Die zusätzliche Signalisierung, dass dieses eine signalisierte Objekt mittels des Ultraschallsensors erfasst wurde, warnt den Benutzer einerseits vor einem zerbrechlichen Objekt, auf welches er zugeht. Andererseits erfährt der Benutzer die zusätzliche Information, dass in einer möglicherweise geschlossenen Wand vor ihm eine nur per Ultraschall de- tektierbare Glastür ist, welche zum Verlassen des Raums geeignet sein kann.
Die Signalisierung kann in für sich bekannter Art und Weise erfolgen. So kann mittels eines Funksignals rs die Entfernung d, welche als Entfernung abhängig von der Lichtlaufzeit- Entfernung und/oder Schalllaufzeit-Entfernung bestimmt wurde, an eine separate Einrichtung zur haptischen Darstellung eines räumlichen Bildes übertragen werden.
Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung der Entfernung d zu einem Objekt mittels einer logischen Verknüpfung von Entfernungswerten aus einer Lichtlaufzeit-Entfernung und einer oder mehreren Schalllaufzeit-Entfernungen. Vorzugsweise wird für den Fall, dass die Lichtlaufzeit-Entfernung aus dem gesendeten Licht os und dem reflektierten Licht or ungefähr gleich der Schalllaufzeit-Entfernung aus der gesendeten Schallwelle s und der reflektierten Schallwelle sr ist, die Entfernung d
gleich der mittels der Lichtlaufzeit-Entfernung do bestimmten Entfernung gesetzt. Die Lichtlaufzeit-Entfernung do wird vorzugsweise auch dann zum Bestimmen der Entfernung d festgelegt, falls keine reflektierte Schallwelle sr erfasst wird. Hingegen wird die Entfernung d abhängig von der Schalllaufzeit-Entfernung ds dann bestimmt, wenn die Schalllaufzeit- Entfernung einen kleineren, insbesondere deutlich kleineren Entfernungswert vorgibt, als die Lichtlaufzeit-Entfernung do . Die Schalllaufzeit-Entfernung ds wird vorzugsweise auch dann zum Bestimmen der Entfernung d festgelegt, falls kein reflektiertes Licht or erfasst wird.
Während Fig. 1 eine Ausgestaltung mit einer Steuereinrichtung 7 darstellt, welche sämtliche Funktionen und Entfernungsbe- Stimmungen steuert, kann auch eine nur einen Teil dieser
Funktionen übernehmende Steuereinrichtung 7 eingesetzt werden, wobei dann die weiteren Verfahrensschritte von einer zusätzlichen Steuereinrichtung übernommen werden. Insbesondere kann eine solche zusätzliche Steuereinrichtung nicht nur in dem Gestell 1 sondern auch in einer externen Einrichtung ausgebildet sein, wobei dann mittels des Funksignals rs beispielsweise nur die diversen gemessenen Laufzeitwerte übertragen werden.
Außerdem ist beispielhaft eine Sende- und/oder Empfangseinrichtung 6 als kombinierte Einrichtung zum Aussenden der Schallwelle s und zum Empfangen der reflektierten Schallwelle sr dargestellt. Bei Verwenden von beispielsweise piezoelektrischen Kristallen kann ein solcher Kristall eine entspre- chende Doppelfunktion als Sender und Empfänger übernehmen.
Prinzipiell ist jedoch auch möglich, entsprechende Sendequellen und Empfangseinrichtungen für Schallwellen als separate Komponenten vorzusehen.
Während zur Lichtmessung eine Vielzahl von Lichtquellen 4 und Lichtempfängern 5 dargestellt ist, zeigt Fig. 1 nur eine einzige Sende- und/oder Empfangseinrichtung 6 für die Schallwel-
len s. Eine solche Ausgestaltung wird besonders bevorzugt, da die Bestimmung einer Entfernung mittels Lichtwellen eine schnellere Messung und eine höhere Auflösung bietet. Jedoch können alternativ zu der dargestellten Ausführungsform auch Ausführungsformen umgesetzt werden, welche mehrere Sende- und/oder Empfangseinrichtungen für Schallwellen s aufweisen, insbesondere auch derart angeordnete Sende- und/oder Empfangseinrichtungen 6 für Schallwellen s, welche ebenfalls ein räumliches Bild aufnehmen.
Theoretisch könnte als weitere Alternative anstelle einer Vielzahl von Lichtquellen 4 und Lichtempfängern 5 zum Erfassen eines zellenförmigen Bildes oder eines Bildes in Höhen- und Seitenrichtung in einfachster Ausgestaltung auch nur eine einzelne Lichtquelle und ein einzelner Lichtempfänger vorgesehen sein, um ein nur punktförmiges Bild in Blickrichtung zu erfassen .
Fig. 2 zeigt beispielhaft einen Kopf 8 einer Person, welche ein derartiges Gestell 1 trägt. In dem Gestell 1 sind entsprechend Fig. 1 mehrere Lichtquellen 4 und Lichtempfänger 5 sowie eine Sende- und/oder Empfangseinrichtung 6 für Schallwellen eingesetzt. Vorzugsweise überdecken die Lichtquellen 4 und Lichtempfänger 5 bzw. deren ausgesendetes Licht und das reflektierte Licht einen wesentlich größeren Winkelbereich α und somit ein größeres optisches Sichtfeld O, als dies für ein akustisches Sichtfeld S der Fall ist. Das akustische Sichtfeld S weist einen deutlich kleineren Winkelbereich ß auf .