DE10058244C2 - Measuring method for determining the position of an object in front of a screen and device for carrying out the method - Google Patents

Measuring method for determining the position of an object in front of a screen and device for carrying out the method

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DE10058244C2
DE10058244C2 DE2000158244 DE10058244A DE10058244C2 DE 10058244 C2 DE10058244 C2 DE 10058244C2 DE 2000158244 DE2000158244 DE 2000158244 DE 10058244 A DE10058244 A DE 10058244A DE 10058244 C2 DE10058244 C2 DE 10058244C2
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    • G06F3/0421—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by opto-electronic means by interrupting or reflecting a light beam, e.g. optical touch-screen

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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
The invention relates to a measuring method for determining the position of an object in front of a screen in an approved area for inclusion of the object position in the display of screen contents or optical image beam tracking by means of

  • - 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,- Active transmission of parallel to the lounge area Infrared light with closely bundled transmission characteristics on at least two Sending locations along a screen edge area at least horizontally diameter virtual line with at least a linear course,
  • - ortsabhängiger Messung des von der Objektoberfläche reflektierten Infra­ rotlichtanteils an zumindest einem Messort auf der virtuellen Zeile im Bildschirmrandbereich und- Location-dependent measurement of the infra reflected from the object surface red light component at at least one measuring point on the virtual line in the Edge of the screen and
  • - den Sendeorten zugeordneter Auswertung der Messergebnisse- Evaluation of the measurement results assigned to the send locations

und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.and an apparatus for performing the method.

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). Such measurement methods are primarily used to determine the head position of a Display user at a computer workstation (head tracking process). at Head movements can position the data for optical Tracking the image beams of an autostereoscopic 3D display, for Alignment of a video camera to the user or in virtual reality Applications for computational adaptation of the perspective of a picture Use the next scene to the current head position (movement parallax) be det. In general, movements of other objects that are in reflect sufficient infrared light, be tracked (for example Hand movements).  

Zur Messung der Kopfposition eines Displaynutzers werden gegenwärtig folgende Verfahren verwendet:
The following methods are currently used to measure the head position of a display user:

  • - 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.- Position measurement with measuring coils in one created by the measuring system electromagnetic field. This method is, for example, from the Technical description of the company's Star * Track Motion Capture Family Polhemus known (see website http: // www.polhemus.com/ stardstech.htm, as of 01.11.2000). With this electromagnetic Tracking procedures are measurements of movements in all 6 Degrees of freedom (translation and rotation) performed. They are disadvantageous Attachment of the measuring probe to the measuring object (head) and its connection with the measuring system through a cable. In addition, the procedure susceptible to interference in the vicinity of the measurement object due to the influence of the electromagnetic field and expensive in the realization.
  • - 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. - video-based techniques. The measurement is carried out by evaluating Camera images. There are a large number of different variants Categories: (1) It will exist in the user's area light or a special active light source with regard to the light color used permanently or intermittently. (2) It is feature based special features in the user's head area (mouth, pupils, nose) or area-based special areas (skin color, individual appearance the eye region, search for eyes using an eye database) Detected by the user. (3) One or more cameras (stereo evaluation) used. The disadvantages of video-based processes are especially in the high cost factor, the limited measuring frequency and to see the susceptibility to faults with changing lighting conditions. A high reliability is only possible with an individual calibration to reach.  
  • - 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.- Procedure with active infrared lighting and reflex mark. Such one The process is used, for example, in the company's "DynasightTM Sensor" Origin Instruments (see website http://www.orin.com/3dtrack/dyst.htm, As of 01.11.2000) implemented. The measurements are made here after Principle of optical radar with high accuracy. A serious one The disadvantage, however, is that a reflex mark on the forehead of the User attached or glued to the frame of (stereo) glasses must become. This method is very expensive and expensive to implement requires sensors with a large depth.

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).A fourth category of processes also includes the present invention appropriate procedures. It is a measurement method with a active infrared lighting without using reflex marks and cameos ras. The only implementation known so far is described in the Auf by 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) and "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.In the measuring method known from these articles, in Screen area two infrared light beams emitted and the one from the skin portion of the user reflected as an object again in the screen area detected. This is done on the monitor case as horizontal and linear running "virtual line" at its two corners two broadcasting locations, from which each have a narrowly limited infrared lobe in the continuous light mode Lounge is sent, and two, right next to it on the Screen housing arranged measuring locations provided. The two in parallel emitted clubs mark the two lateral boundaries of the approved lounge area for the user. The evaluation of the  Measurement takes place according to three criteria: (1) There is no reflected infrared light receive. The user is in the middle between the clubs in the approved lounge area. (2) Reflected at the right location Receive infrared light. The user is to the right of the center of the approved lounge area. (3) Reflected is at the left location Receive infrared light. The user is to the left of the center of the approved lounge. According to these three states in the system a pixel switching of the 3D display, which causes the Users do not reverse the depth (pseudoscopy) in lateral head movements Perceives stereo image. In the process, the position is evaluated only as a relative statement. So that this with the current position of the User head matches, its mapping is in a very narrow Projected frame, which is laterally delimited by the two infrared light lobes. The resolving power of the known method is accordingly limited, frequent switching even with the smallest lateral head movements is the result. Current head positions in absolute dimensions cannot be determined. The width of the measuring frame must also be increased each individual user can be individually calibrated or selected very broadly, which leads to correspondingly inaccurate measurement results. In a special one Design variant can from the position of the image of the reflected light also roughly on the image sensor of the camera used for the measurement the removal of the head can be closed. The distance information (the intensity of the received light decreases with increasing distance) is used to control the sensitivity of the sensors at the two measuring locations used.

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.It is also known from the prior art, with the aid of emitted signals Light rays scan a detection area in order to find there Identify objects and derive functions from them. Their triggering will realized by so-called "light barriers". Realize light barriers however, basically binary decision criteria and can either be open or closed. Intermediate states are irrelevant. A  there is no concrete measurement of light beam components. From the DE 29 20 804 A1 is a device for measuring the diameter of Round timbers with a vertically oriented arrangement of light barriers from a plurality of columns of infrared light transmitters assigned in pairs and -recipient known. In the known device, the individual Transmitted light barriers are controlled sequentially and cyclically, so that a pulsed beam of light scans the height of the log. About one simple registration of the discontinuous states on the basis of the Roundwood is interrupted and uninterrupted light rays Diameter from the sum of the successive open barriers determined between two closed barriers. A position determination in There is no dependency on a coordinate system.

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. From DE 35 14 982 A1 a reflection light barrier is known, with which Help a portion of reflected by an object in a detection area Light rays is detected. However, here too is a binary one Subordinate decision scheme. Depending on one The predetermined threshold value is a by the reflection light barrier Function, for example an alarm is triggered. Neither is done here Determination of the intensity curve of the reflected light via the detection Area. The mere presence of an unwanted object in the Detection area is sufficient for a function trigger. A similar Device is described in DE 30 20 483 A1, which the detection of Serves obstacles in a wide detection area. To do this, everyone Light transmitter controlled from a single source simultaneously, so that one special light distribution characteristic is generated. The signals of everyone Light receivers are combined into a common signal, so that a special reception characteristic is also created. Through the Adaptation of the transmission and reception characteristics to the detection area in the design of a single light barrier for reflection operation is the Detection area can be scanned particularly well, making obstacles better be recognized.  

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.Finally, DE 195 16 324 A1 describes a method for measuring the The location, shape and movement parameters of distant objects are known as Combination of detection using laser radar with a special one trained beam array is to be understood. However, this is also the case to an application of the principle of light barriers, because in the different Use cases counted the number of incident light beams becomes. About the known geometry of the object and the divergence of the The beam is then deduced from the distance of the object. This Very complex procedures are only possible with camera-oriented elements realize. The limiting low sampling frequency is disadvantageous here commercially available cameras and the load on the objects to be scanned in the Usually people looking at with laser radiation. An application of this well-known Measuring method in the edge area of a screen as a direct work area a user is therefore not possible.

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. The problems for the present invention are summarized therein see the known measurement method described using active infrared light and without the use of reflex marks and cameras to improve that relative object positions in residence area is defined and individually evaluated and processed can. The user should have the greatest possible freedom of movement to prevent physiological impairments. The measurement error that occurs should be very low, an adjustment to the required measurement resolution should to be possible. The measuring procedure should be simple in its sequence and therefore be cost-effective in its implementation components. It should continue without the need for individual, user-dependent calibration be feasible so that it can be used even with spontaneously changing users can be used. A device for performing the process is said to be compact in its dimensions, so that it can be used in a variety of ways problem-free connection with different designs and uses Screens is accessible.  

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.The measurement method according to the invention is to solve this problem provided according to claim 1. Advantageous continuations of the invention according procedure, to which in the course of the description in detail also is explained, the assigned subclaims remove.

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. In the method according to the invention, a is made along a virtual line Transmitting and receiving scheme designed with which the lounge area of the moving object continuously with a tightly bundled Infrared light beam is scanned, comparable to a rotating radar beam. For this purpose, the individual send locations along the virtual line are continuous caused to emit a single infrared light pulse. Is the last When the send location is reached in the line, the first send location is next controlled so that the scanning infrared light beam cyclically sweeps the room going from side to side again and again. Depending on The permissible area of residence can thus transmit the infrared light pulses scanned continuously and every current location of the to monitoring object immediately detected and by an appropriate Conversion to absolute position coordinates (based on the measuring system) be implemented. The selected number N of the send locations and their narrow limited transmission characteristics determine the spatial resolution, a choice of preferably N ≧ 8 measuring locations already guarantees a good opening solution value. Furthermore, the selected number N depends on the length of the virtual line and the transmission characteristics of the transmission locations. The measurement of reflected infrared light pulse components is at the clock of the emitted Adjusted infrared light pulses. The assignment to the individual broadcasting locations or the reception characteristics of the Measurement. In the case of a very broad reception characteristic, the measuring cycle can also be used match the transmission clock with a very narrowly limited characteristic it can be a multiple thereof, which affects the Measurement accuracy can be taken.  

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.The evaluation of the sensor results is based on the knowledge that the Position of the center of gravity of a surface of the characteristic parameters for is the position of the surface itself. The intensity can be obtained from each line scan course of the reflected infrared light components are determined, the Sections between the individual measuring locations are linearly interpolated can. Here, too, it can be seen that an increase in the number of measurement locations the approach to the real intensity curve is significantly improved. The Area under the intensity curve, which is made up of a variety of wider or composing narrower trapezoidal surfaces is related to reflecting the surface of the object. The coordinates of the centroid, the can be determined using known algorithms (see below), then correspond to the coordinates searched for the current object position. The orientation of the virtual line defines the orientation of the coordinates (horizontal, vertical) fixed.

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.In summary, the method of the invention fulfills the following requirements: The measuring method can cause lateral object movements (especially head or hand movement) Users) in a range of at least 30 cm so that none Restriction of the natural freedom of movement of the user take place got to. This can move naturally, the screen content or the optical image rays of an autostereoscopic 3D display tracked accordingly with high accuracy. The head position, defined as Center of gravity of the face area with (parallel) projection in Direction to the measuring location, can be within a defined distance range from 50 cm to 100 cm can be detected, which is a normal viewing distance for computer screens in a workplace. The local Resolution of the measured position data is better than 0.5 mm. Depending on Application may have greater measurement inaccuracy In this case, there are simple technical adjustments Effort to the required accuracy can be carried out. For further reduction  of the measurement error can occur before each emission of an infrared light pulse Brightness adjustment can be carried out at all measuring locations. Interference the environment are eliminated. The measuring method is extremely robust to changing ambient lighting conditions (adaptive) and with mechanical / thermal load. It can therefore also difficult locations, e.g. B. in mobile applications in the moving vehicle, be used. The measuring process does not require reflex marks or other components of a measuring apparatus to be carried on the object. About that in addition, it does not require any imaging equipment (camera). The for Components required to carry out the method have one small size on that an integration even in the housing of a Flat screen or in the cockpit of a vehicle is possible. On there is no need for individual, user-dependent calibration, which means that Switch users spontaneously. If necessary, in the context of a Application can be fine-tuned by the user. The Measuring method according to the invention can position coordinates in all three deliver translational spatial directions. If preferred, only the horizontal latitude coordinate, it is permissible that the measuring zone in vertical direction is limited to an angle of less than 20 degrees. Measurements in vertical and frontal direction related to the display can, if necessary, be positioned by additional sensors be recorded. Detecting the angle of rotation of the head, i. H. all six Degrees of freedom, is not intended.

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. The location-dependent measurement of the reflected infrared light pulse components with a wide-angle reception characteristics can be measured at a single location in the In the middle of the virtual line. The measuring cycle is then identical to that Transmit clock. Each reflected infrared light pulse component is then on one central measuring point detected. The location-dependent measurement can also with a narrow-angle reception characteristic on one with the selected number N of the transmission locations matching number M of Measurement sites that alternate with the individual send locations under uniform  Adaptation to their grid size along the virtual line are intended to take place in a continuous and cyclical sequence the sequence of the emitted infrared light pulses is adapted. Now is A measurement location is assigned to each transmission location along the virtual line. The line is therefore designed homogeneously, so that the entire permissible stay area can be scanned with the same measurement requirements. Thereby there are no measurement inaccuracies at the edge areas. With the same The transmission and measurement cycle is the neighboring one at each active transmission location Measurement location activated, so that one of the number of available ones per measurement cycle Sending or measuring locations corresponding number of measured values can be obtained. However, the location-dependent measurement of the reflected infrared light pulse components can also with a weighting in the area of the clocked active transmission location take place in the measurement cycle and in the evaluation of the measurement results is taken into account. When implementing this means that the measurement cycle is now a multiple of the transmit clock. To any active broadcast location several neighboring measuring locations are assigned as an associated measuring array queried. It can be a simultaneous query of the neighboring measuring locations take place, which is however relatively complex, so that the measurement sites are preferred can be queried one after the other. This array formation can do that Measurement result can be improved. In particular, when weighting four measuring locations adjacent to the active sending location on the right and left are included, with the two at the two outer broadcasting locations missing neighboring measuring locations can be assumed in their measured values and the measuring cycle eight times the transmission cycle of the transmitted Infrared light pulses. By choosing an eight array you get one reliable weighting, which is still completely uncritical with regard to the measuring cycle is. The measured value acceptance for the missing measuring locations can either be zero or by mirroring the corresponding ones that are symmetrical to the transmission location Measurement locations. The measurements at the relevant measuring locations in the Arrays can be used at the same time, but this means a larger component effort or delayed.  

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).The concept of the virtual line is simple and versatile. It will still supported by different possible combinations in the Positioning and geometric construction of the virtual line. With a linear row can vary depending on the orientation in which it is designed (horizontal or vertical), which correspond to the screen surface horizon tal (x) or vertical (y) position coordinates of the object to be detected be determined. A combination of both concepts can be used accordingly the x-y coordinates are determined in the surface. The most important Coordinate for image tracking is generally the x coordinate because with lateral head movements the picture contents vary most clearly, and especially with horizontally rastered images for autostereoscopic Displays (e.g. using the lenticular method or the parallax barriers technology) an optical image beam tracking in the horizontal direction is required. The distance of the user is also important from the screen surface, d. H. the z coordinate. Depending on their Values can also adjust (focus) the image content and the image rays are made. To capture the z coordinate in particular, it can be provided that the virtual line or the alignment the transmission or reception characteristics of the transmission or measurement locations has an even radially curved course to the object. By the The course of a line in the form of a circular arc section can be relatively short Line a relatively wide location area of the object can be detected. A even shorter lines in linear form are obtained with the radial Alignment of the transmission and reception characteristics, which also is easier to implement. The radially aligned arrangement corresponds to one Central perspective projection, d. H. the size of the depicted object decreases with increasing distance from the virtual line. By Evaluation of the spread of the measured intensity curves can therefore be based on relative changes in distance of the object can be concluded (relative Tracking in the direction of the z-axis). The absolute size of the one pictured You can use an additional linear line with a parallel object Alignment of receiving lobes can be determined. By combining one  The absolute distance can therefore be linear with a curved line of the object (preferably the head of the user) can be calculated (absolute Tracking in the direction of the z-axis).

Bei einer bevorzugten Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit
In a preferred device for performing the method according to the invention with

  • - zumindest zwei Infrarotlichtquellen mit eng gebündelter Sendecharakteristik als Sendeorte entlang einer einen Bildschirmrandbereich zumindest horizontal durchmessenden virtuellen Zeile mit zumindest linearem Verlauf,- At least two infrared light sources with closely bundled transmission characteristics as transmission locations along a screen edge area at least horizontally diameter virtual line with at least a linear course,
  • - zumindest einem Sensor zur ortsabhängigen Messung des von der Objekt­ oberfläche reflektierten Infrarotlichtanteils im Bildschirmrandbereich auf der virtuellen Zeile und- At least one sensor for location-dependent measurement of the object reflected infrared light portion in the edge of the screen on the virtual line and
  • - einer Auswerteeinheit zur den Sendeorten zugeordneten Auswertung der Messergebnisse,- An evaluation unit for evaluating the transmission locations Measurement results,

ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass
it is provided according to the invention that

  • - 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,- The virtual line is pre-selected by a rail impermeable to infrared light given length is implemented as a sensor line, in which a depending on the required resolution of the position determination predetermined number N Infrared light sources with a variable or constant grid dimension is integrated to each other, which is controlled by a control electronics in time continuous and cyclical sequence for the emission of clocked infrared light pulses can be controlled with a transmit clock,
  • - über die Steuerelektronik auch der zumindest eine Sensor im Sendetakt oder einem ganzzahligen Vielfachen davon als Messtakt angesteuert wird und- The at least one sensor in the transmission clock via the control electronics or an integer multiple thereof is driven as a measuring cycle and
  • - 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.- The evaluation unit has a microcontroller to the measuring cycle adapted implementation of calculation algorithms for the calculation the current position of the surface center of gravity from the determined current intensity profile of the reflected Infrared light pulse components along the sensor line.

Vorteilhafte Weiterführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, auf die im Zuge der Beschreibung im Einzelnen auch erläuternd eingegangen wird, sind den zugeordneten Unteransprüchen zu entnehmen.Advantageous developments of the device according to the invention, on which in In the course of the description is also explained in detail, are the assigned subclaims.

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.The device according to the invention can correctly be used as a "sensor line" be designated and represents the consistent constructive implementation of the virtual line as the basic concept of the inventive method Sensor line is simple and robust in its construction. It is extreme inexpensive because their components, generally simple infrared LEDs to implement the send locations and photo transistors for Realization of the measuring locations when mass parts are inexpensive. The sensor line is easy to manufacture and includes a simple, rail impermeable to infrared light. This can be, for example a massive aluminum rail. A single sensor can with a wide-angle reception characteristic in the middle of the rail be arranged. The sensor line can also be a homogeneous, have a symmetrical structure. This can be done with the number N of Number of sensors M with a corresponding infrared light source narrow-angle reception characteristics alternating with the individual Infrared light sources in the rail with uniform adjustment to their Grid dimension to be integrated and the M sensors via the control electronics in of a continuous and cyclical sequence, which are sent to the Sequence of the emitted infrared light pulses is adjusted, the Infrared light sources at a constant distance of 8 mm, 16 mm or 32 mm can be arranged to each other in the rail. The advantages of one such arrangement are related to a special Embodiment explained in more detail.

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.The infrared light sources and the sensors can be at the bottom of tubular openings or set back in optically sealed on the back Bores in the rail can be arranged. The openings serve as panels for the infrared light sources or for the sensors and limit their  Exit characteristic or reception characteristic, for example at 16 °. The Exit or reception characteristics may also (or additionally) be limited by miniature lenses in front of the light sources and the sensors. The optical seal can cause interference from stray light, side lobes and back scattered light can be avoided. The The length of the rail can be a proportion of the width of the screen edge area correspond. The sensor line can then be the width of the screen edge be composed of two or more rails. You can the rails on boards that cover the entire circuit, control and Wear evaluation electronics, be mounted one after the other accordingly are switched. The rails can also be finished in one housing be instrumented so that several housings are connected in series can. In addition, the sensor line can be curved per se or radially have aligned infrared light sources and sensors to help determine to allow the depth coordinate of the object. The arrangement of the Sensor line can be done in various ways in the edge of the screen. The sensor line can, for example, simply stand on the screen housing or on the side be mounted on it. But you can also in the housing edge accordingly be integrated. Furthermore, linear and curved sensor lines can be used be combined with each other. A device for determining all three Coordinates x, y and z of the moving object sees a linear and a curved sensor line in the horizontal and a linear sensor line in the vertical edge of the screen. Finally, at least one Sensor line horizontally in a removable lenticular attachment for one 2D / 3D screen can be integrated. Combinations of the invention Sensor line with other position detection devices are possible.

Ausbildungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:Forms of the invention are described below with reference to schematic figures explained in more detail. It shows:

Fig. 1 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 1 is a flow diagram of the method according to the invention,

Fig. 2 einen theoretischen Intensitätsverlauf, Fig. 2 shows a theoretical intensity profile,

Fig. 3 einen gemessenen Intensitätsverlauf, Fig. 3 shows a measured intensity profile,

Fig. 4 eine erste Ausführungsform einer Sensorzeile und Fig. 4 shows a first embodiment of a sensor line and

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer Sensorzeile. Fig. 5 shows another embodiment of a sensor line.

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. Fig. 1 shows a schematic flow chart of the measuring method according to the invention for determining the position Po of an object O in front of a screen in an approved location area OA for the integration of object position PO in the display screen contents or the optical Bildstrahlnachführung with a tracked 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.The measurement method according to the invention is based on the emission E of narrowly bundled infrared light pulses IRP from a number N of transmission locations EL into the permitted stay area OA of the object O and the location-dependent measurement SM of the infrared light pulse components IRPR reflected from the object surface OS at at least one measurement location ML. In a preferred embodiment, a number N (in the selected exemplary embodiment N = 32) infrared light-emitting diodes IRL are used as transmission locations EL and a corresponding number M of phototransistors PT as measurement locations ML, which are at a constant distance D in a straight virtual line VL are arranged side by side and form a sensor line SL. The sensor line SL is shown in FIG. 1 from the front and below from above, the positioning of the object O (viewer) can be seen in relation to the representation from above. The infrared light-emitting diodes IRL emit short infrared light pulses IRP in a continuous and cyclical sequence (light control approx. 250 µs). An array AR of eight in the selected embodiment, for example, phototransistors PT, which are selected symmetrically adjacent to the fourth infrared light-emitting diode IRL, detects the reflected infrared light pulse components IRPR. The infrared light-emitting diodes IRL and the phototransistors PT are arranged to bundle the transmission or reception characteristic in the selected exemplary embodiment to an angle of 16 ° at the bottom of tubular openings TO. The current position PO of the object O with respect to the sensor line SL can then be concluded from the measured intensity distribution of the received light IRPR.

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.Various signal processing steps ensure that the influence of extraneous light and the measurement noise is reduced so that the surface center of gravity OP of the object O in the direction of the sensor line SL can be determined with a distance of 80 cm to a few tenths of a millimeter. In Fig. 1 the flow of the measurement and calculation processes for a sensor line SL with 32 infrared light emitting diodes 32 and phototransistors PT IRL is illustrated. In each measurement cycle, 256 raw measured values MPT are obtained by reading out the 8 phototransistors PT in the vicinity of the infrared light-emitting diode IRL that is currently shining. The values of the "missing" photo transistors PT at the beginning and end of the sensor line SL are mathematically set to zero. The raw measured values MPT run up in a sample and hold unit SHU and are converted into digital measurement data MD in an analog-digital converter AD, for example with an 8-bit accuracy. These values MD are then read into the memory RAM of a microcontroller MC and reduced to 32 filtered measurement data MD by weighted averaging FI. By calculating the center of gravity OP under the measured intensity curve (see Fig. 2, 3), a refined index value IV is obtained, which by appropriate scaling (refinement through iterative application of the IBS input method) into a position value PV in metric units for the center the current object position PO can be converted in the direction of the sensor line SL. So that fluctuating infrared light components in ambient light have no influence on the measurement result PV, the dark value is measured at the phototransistors PT in a correction step COR before each individual light control of an infrared light-emitting diode IRL and after the light control has been carried out in the analog-digital converter AD from the measurement data MD deducted. The AD analog-digital converters are also readjusted before each light control in order to compensate for possible drift and individual inaccuracies.

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:
The signal processing used in the measurement method according to the invention is briefly and generally explained below with reference to FIG. 2, which shows the intensity profile of the reflected infrared light pulse portion IRPR over the sensor line SL. The measurement data MD pass through a filter FI, with which a new value Xnew is calculated from eight adjacent measurement data MD. The coefficients are chosen so (powers of 2) that you can divide with shifts. The sum of the coefficients is not equal to 1. This procedure is permissible since the absolute values of the averaging are not required. Only the differences between the evaluated infrared light-emitting diodes IRL are of interest. The filter FI outlined below was implemented for weighted averaging of the measurement data MD:

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:
As a result of the filtering, there is a result line with N values, which represents the intensity profile of the reflected infrared light pulse component IRPR over the sensor line SL. A surface is formed from the filtered measured values FI (MD) by linear interpolation (cf. FIG. 2). We are now looking for the x coordinate of the centroid under the curve. Their value is then taken as the result of the location determination of the head position in the x direction. The determination takes place in two steps:

  • 1. Die Position wird im ersten Schritt mit der Genauigkeit des halben Messwerteabstandes ermittelt. Zunächst wird dazu die Gesamtfläche S nach der Trapezregel berechnet:
    1. In the first step, the position is determined with the accuracy of half the measured value distance. First, the total area S is calculated according to the trapezoid rule:

Dann werden die Teilsummen sukzessiv mit der halben Fläche S/2 verglichen. Derjenige Indexwert IV, der diesen Wert nicht übersteigt, wird als Resultat ausgegeben:
Then the partial sums are successively compared with half the area S / 2. The index value IV that does not exceed this value is output as a result:

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.
This result is still relatively rough, since the measurement depends on the distance or the number of optical measuring elements (phototransistors). For reasons of effort, this should be as small as possible.

  • 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.
    1. In the next step, the result is refined. The index value IV obtained according to the above scheme is never greater than the horizontal center of gravity coordinate. It can be seen on the intensity curve according to FIG. 2 that the gray area ΔF of a trapezoid must be calculated for a more precise determination of the centroid. The base line Δx of the trapezoid refines the determination of the coordinate value sought.

Die Lösung dieser quadratischen Gleichung für Δx erfolgt mit der Methode der "Eingabelung" (Bisection Methode). Durch fortgesetzte Halbierung des anfänglichen Suchintervalls [xIV, xIV+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.This quadratic equation for Δx is solved using the "input" method (bisection method). By continuing to halve the initial search interval [x IV , x IV + 1 ] and checking whether the value is too large or too small, the searched Δx is encircled until the required accuracy is reached. The error is halved with each step, so that one binary decimal place is obtained. Normally there will be no mathematical coprocessor on the target computer. Then the execution of the algorithm in fixed point is to be preferred, since a floating point library not only occupies memory space, but also requires additional computing power. Both will always be limited on microcontrollers for reasons of effort.

Alle handelsüblichen Rechner arbeiten mit dem binären Zahlensystem. Um etwa P binäre Nachkommastellen zu berechnen, wird eine Iterationsformel für ΔX = 2PΔx aufgestellt, denn die Multiplikation mit der Basis 2 kann durch einfaches Stellenverschieben erzielt werden.
All commercially available computers work with the binary number system. In order to calculate P binary digits after the decimal point, an iteration formula is set up for ΔX = 2 P Δx, because the multiplication with the base 2 can be achieved by simply shifting the position.

22P+1ΔF = 2PΔx(2P+1xIV + 2PΔx[xIV+1 - xIV]) = ΔX(2P+1xIV + ΔX[xIV+1 - xIV])2 2P + 1 ΔF = 2 P Δx (2 P + 1 x IV + 2 P Δx [x IV + 1 - x IV ]) = ΔX (2 P + 1 x 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.Since the calculation of ΔF only has to be divided by 2 or 4, the left side of the equation for P ≧ 1 can be calculated without rounding errors. Of the iteration according to the bisection method then results in exactly P steps performed (or less if the equation matches any of the intermediate values can be solved exactly). A particularly effective implementation of the Algorithm can only deliver odd values if M is a power of Is two (as in the present case). The introduction of a is therefore recommended another digit (increase P by one) that is not output.

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). A practical realization showed that with a sensor distance of 15.24 mm a resolution of 0.48 mm can be achieved, which is a value of P = 64 makes sense. If the optical components are in the power of 2 That would be a distance of millimeters (8, 16 or 32 mm) Interpret the result decimally without conversion. So far The implemented method enables a measurement frequency of over 33 Hz (16-bit Processor from the Motorola 68HC family, automotive. suitable, CAN bus sub support, internal 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. Fig. 3 shows an example of a measured intensity curve with the inventive method after the first evaluation step, ie before the measurement described refinement in step 2). In the illustration, the x-axis describes the numerical position of the illuminating infrared light-emitting diode IRL. The intensity measurement value applied in each case is the weighted averaging of the measurement values from eight phototransistors PT in the vicinity of the respectively illuminating infrared light-emitting diode 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 FIG. 4, a simple device is a sensor according to the invention line SL on the horizontal edge of the screen area a screen DM D shown schematically. It can be clearly seen that the straight sensor line SL has only small structural dimensions and can therefore be installed in almost any location. The sensor line SL shown is used as an IR head tracker. It is built on two circuit boards, each with 16 IR transmission diodes IRL and 16 phototransistors PT (only indicated in FIG. 4). These are alternately arranged side by side and mounted in a metal MR rail made of aluminum in holes of 5 mm diameter at a depth of 10 mm and optically sealed on the back. The selected grid dimension D is 7.62 mm. The distance between two adjacent IR transmission diodes IRL or between two phototransistors PT is thus 15.24 mm. In the present embodiment, two boards have been cascaded and integrated in a common housing B, so that there is a total of N = 32 IR transmission diodes IRL and M = 32 phototransistors PT with N = M. The optical components have a total opening angle of 16 ° (nominal opening angle of the radiation or reception characteristic).

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. FIG. 5 shows a device in which a sensor line SL as head tracker is integrated horizontally in a removable lenticular lens attachment LP for a flat 2D / 3D screen FS. The user hangs the lenticular lens attachment LP over the screen FS and moves into a favorable viewing position for good image separation. The electronics for signal processing of the sensor line SL are located in a separate box (not shown in FIG. 5) with a "start" switch. The box also has a VGA input for connecting to a PC and a VGA output for connecting the FS screen. The user presses the start button when he is sitting in the favorable viewing position. The reference position for the head tracking is thus defined by the sensor line SL, an individual calibration is not necessary. When the head is moved, the pixels are switched in the box, so that pseudoscopic reproductions are avoided. The box may have an RS232 or USB interface so that the position data of the head can be transferred to the computer. Image changes (for example quasi-continuous changes in the image perspective during head movements) can then be provided in accordance with the head position. A pressure switch (button) is located below the sensor line on the contact surface to the display housing. When the lenticular lens attachment LP is removed, the sensor line SL is automatically switched off; the PC's VGA signal is then passed on to the FS screen unchanged. The user does not have to pull any cables if he wants to use the FS screen temporarily as a 2D monitor again.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

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
AD analog-digital converter
AR ML group
B housing
COR correction step
D distance EL / ML
The edge of the screen
DS screen
E emission of infrared light
EL sending location
FI weighted averaging (filter)
FS flat screen
IBS insertion method
IRL infrared light emitting diode
IRP infrared light pulse
IRPR reflected infrared light pulse component
IV refined index value
LP lenticular attachment
M number of measuring locations
MC microcontroller
MD digital measurement data
ML location
MPT raw reading
N number of send locations
O object (head, hand)
OP surface focus
OA approved lounge area
OS object surface
P Number of decimal places
PO current object position
PT photo transistor
PV position value
RAM
S total area under the intensity curve
SHU sample and hold unit
SL sensor line
SM location-dependent measurement of infrared light
TO tubular opening
VL virtual line

Claims (20)

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. 1. Measuring method for determining the position of an object (O) in front of a screen (DS) in an approved lounge area (OA) to include the object position (PO) in the display of screen contents or optical image beam tracking by means of
active in the lounge area (OA) parallel emission of infrared light with closely bundled transmission characteristics at at least two transmission locations (EL) along a single virtual line (VL) at least horizontally measuring the screen edge area (DM) with at least a linear course, the transmission (E ) of the infrared light in the form of clocked short infrared light pulses (IRP) at a predetermined number N of transmission locations (EL) as a function of the required resolution of the position determination, which are provided with a variable or constant grid dimension (D) to one another along the virtual line (VL) have been carried out in a continuous and cyclical sequence,
location-dependent measurement of the infrared light component reflected from the object surface (OS) at at least one measurement location (ML) on the virtual line (VL) in the screen edge area (DM), the location-dependent measurement (SM) being adapted to the area of incidence of the reflected infrared light pulse components (IRPR) Reception characteristic in time with the emitted infrared light pulses (IRP) or an integer multiple thereof, and
Evaluation of the measurement results assigned to the transmission locations (EL), the evaluation of the measurement results of each measurement cycle leading to an intensity profile of the reflected infrared light pulse components (IRPR) along the virtual line, from which the current position (PV) of the surface center of gravity (OP) is calculated as the relevant position parameter of the object (O) along the virtual line (VL) is determined. 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.2. Measuring method according to claim 1, characterized in that the location-dependent measurement of the reflected infrared light pulse components with a wide-angle reception characteristics at a single measurement location in the middle the virtual line. 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.3. Measuring method according to claim 1, characterized in that the location-dependent measurement (ML) of the reflected infrared light pulse components (IRPR) with a narrow-angle reception characteristic on one with the selected number N of the transmission locations (EL) corresponding number M of Measuring locations (ML), which alternate with the individual sending locations (EL) below uniform adjustment to their grid dimension (D) along the virtual line (VL) are provided in a continuous and cyclical sequence, which is adapted to the sequence of the emitted infrared light pulses (IRP). 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.4. Measuring method according to claim 3, characterized in that the location-dependent measurement (ML) of the reflected infrared light pulse components (IRPR) with a weighting (FI) in the area of the clocked active transmission location (IRL) takes place in the measurement cycle and in the evaluation of the measurement results is taken into account. 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.5. Measuring method according to claim 4, characterized in that for the weighting (FI) in particular four, the active sending location (IRL) neighboring measurement sites (ML, AR) on the right and left are included, whereby the neighboring ones that are missing at the two outer transmission locations Measuring locations are accepted in their measured values and the measuring cycle that Is eight times the transmission clock of the emitted infrared light pulses,  the measurements at the eight relevant locations (AR) being relevant at the same time or can be delayed. 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.6. Measuring method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the virtual line or the alignment of the send or receive shares the transmission or measuring locations have a uniformly radially curved course to the object. 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.7. Measuring method according to claim 6, characterized in that a virtual line with a linear and a curved course are provided in parallel one above the other in the horizontal screen edge area. 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.8. Measuring method according to one of claims 1 to 7, characterized in that at least two virtual lines with a linear course orthogonal to each other in horizontal and vertical screen area are provided. 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.9. Measuring method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the grid dimension (D) for the distance between the sending and measuring locations (EL, ML) is derived from a power of 2. 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. 10. Measuring method according to one of claims 1 to 9, characterized in that Before each emission of an infrared light pulse (IRP), a brightness adjustment (COR) is carried out at all measuring locations (ML).   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). 11. Device for carrying out the measuring method for determining the position of an object in front of a screen in an approved area for inclusion of the object position in the display of screen contents or optical image beam tracking according to one of claims 1 to 10 with
at least two infrared light sources with closely bundled transmission characteristics as transmission locations along a virtual line at least horizontally measuring an edge of the screen with at least a linear course,
at least one sensor for the location-dependent measurement of the infrared light component reflected from the object surface in the area of the screen edge on the virtual line and
an evaluation unit for evaluating the measurement results assigned to the send locations,
characterized in that
the virtual line (VL) is implemented as a sensor line (SL) with a predetermined length as a sensor line (SL) that is impermeable to infrared light, into which a number N of infrared light sources with a variable or constant grid dimension (D) predefined as a function of the required resolution of the position determination is integrated, which is controlled by a control electronics in a continuous and cyclical sequence for the delivery of clocked infrared light pulses with a transmit clock,
The at least one sensor (PT) in the transmission clock or an integral multiple thereof is also controlled as a measuring clock via the control electronics and
the evaluation unit has a microcontroller (MC) for carrying out computing algorithms adapted to the measuring cycle for calculating the current position (PO) of the surface center of gravity (OP) from the determined current intensity profile of the reflected infrared light pulse components (IRPR) along the sensor line (SL). 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein einzelner Sensor mit einer weitwinkeligen Empfangscharakteristik in der Mitte der Schiene angeordnet ist.12. The device according to claim 11, characterized in that a single sensor with a wide-angle reception characteristic in the Middle of the rail is arranged. 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.13. The apparatus according to claim 11, characterized in that a number M of corresponding to the number N of infrared light sources Sensors (PT) with a narrow-angle reception characteristic alternating with the individual infrared light sources (IRL) in the rail (MR) with uniform adjustment to their pitch (D) is integrated and the M sensors (PT) via the control electronics in continuous and cyclic sequence are controlled, which follow the sequence of the transmitted Infrared light pulses (IRP) is adapted. 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.14. Device according to one of claims 11 to 13, characterized in that the infrared light sources (IRL) and the sensors (PT) at the bottom of tubular openings (TO) or set back optically sealed holes in the rail (MR) are arranged. 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.15. The device according to one of claims 11 to 14, characterized in that the infrared light sources (IRL) according to powers of 2 in a constant Distance of 8 mm, 16 mm, 32 mm, etc. to each other in the rail (MR) are arranged. 16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Schiene (MR) einem Breitenanteil des Bildschirmrandbereichs (DM) entspricht. 16. The device according to one of claims 11 to 15, characterized in that the length of the rail (MR) a proportion of the width of the screen edge area (DM) corresponds.   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.17. The apparatus of claim 16, characterized in that the sensor line (SL) in the width of the screen edge area (DM) from two or more rails (MR) is assembled. 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.18. Device according to one of claims 11 to 17, characterized in that at least one sensor line (MR) in the upper horizontal and / or vertical Screen edge area (DM) arranged or integrated into this. 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.19. Device according to one of claims 11 to 18, characterized in that at least one horizontally arranged sensor line is radial to the object even curvature or radial even alignment of the Infrared light sources and sensors or their transmission or reception has characteristics. 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.20. Device according to one of claims 11 to 19, characterized in that at least one sensor line (SL) horizontally in a removable Lenticular lens attachment (LP) for a 2D / 3D screen (FS) is integrated.
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