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Die Erfindung betrifft ein System und ein, insbesondere mit diesem System durchführbares, Verfahren zur dynamischen Lichtstromfilterung, insbesondere zur Verringerung einer Blendeinwirkung auf ein menschliches Auge.
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Nach dem Stand der Technik ergeben sich immer wieder Situationen, in denen das menschliche Auge mit einer Blendung, ausgelöst durch eine entsprechend helle Lichtquelle, konfrontiert wird.
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Die Erfindung stellt sich somit die Aufgabe, ein System sowie ein Verfahren zur effektiven Reduzierung der Blendung bereitzustellen und so die Wahrnehmung des menschlichen Auges zu verbessern.
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Die Aufgabe wird, in Bezug auf das System, durch die im Patentanspruch 1 und, im Bezug auf das Verfahren, in dem Patentanspruch 2 aufgeführten Merkmale gelöst.
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Ein erfindungsgemäßes System zur dynamischen Lichtstromfilterung weist einen Filter, ein erstes Erfassungssystem und ein zweites Erfassungssystem sowie eine zentrale Rechen- und Steuereinheit auf.
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Der Filter ist erfindungsgemäß zwischen mindestens einer Lichtquelle und mindestens einem Auge eines Beobachters angeordnet und weist darüber hinaus eine Vielzahl von Teilflächen, nachfolgend auch als Pixel bezeichnet, auf.
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Der Filter zeichnet sich des Weiteren dadurch aus, dass die Lichtdurchlässigkeit jeder Teilfläche individuell anpassbar ist.
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Somit wird es durch den erfindungsgemäßen Filter auf besonders vorteilhafte Weise ermöglicht, bestimmte Teilflächen beispielsweise abzudunkeln, um so die Lichtintensität der Lichtquelle für das Auge des Beobachters soweit zu verringern, dass das Auge die Lichtquelle als nicht störend wahrnimmt. Insbesondere kann so eine Adaptation des Auges vermieden oder reduziert werden, sodass lichtschwächere Betrachtungsgegenstände gut erkennbar bleiben.
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Erfindungsgemäß ist der Filter mit der zentralen Rechen- und Steuereinheit verbunden, wobei die Verbindung sowohl drahtgebunden als auch drahtlos ausgebildet sein kann.
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Das erste Erfassungssystem ist ebenfalls mit der zentralen Rechen- und Steuereinheit verbunden, wobei durch das erste Erfassungssystem weiterhin die Position der mindestens einen Lichtquelle erfassbar ist und die Positionsdaten an die zentrale Rechen- und Steuereinheit übertragbar zur Verfügung gestellt werden.
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Erfindungsgemäß ist auch das zweite Erfassungssystem mit der zentralen Rechen- und Steuereinheit verbunden, wobei durch das zweite Erfassungssystem die Position des mindestens einen Auges erfassbar ist und die Positionsdaten des Auges an die zentrale Rechen- und Steuereinheit übertragbar zur Verfügung gestellt werden.
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Die Verbindungen der beiden Erfassungssysteme können erfindungsgemäß sowohl drahtgebunden als auch drahtlos ausgebildet sein.
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Darüber hinaus sind die Erfassungsbereiche beider Erfassungssysteme relativ zu dem Filter festgelegt, sodass für die Bestimmungen der Positionen von Lichtquelle und Auge stets ein Referenzpunkt innerhalb des Filters zur Verfügung steht und somit die Positionsdaten relativ zu dem jeweiligen Referenzpunkt ermittelbar sind.
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Durch die zentrale Rechen- und Steuereinheit werden aus den, durch die beiden Erfassungssysteme übermittelten, Positionsdaten der Lichtquelle und des Auges eine optische Achse zwischen dem Auge und der Lichtquelle sowie deren Schnittpunkt mit dem Filter berechnet.
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Mit der Berechnung des Schnittpunktes zwischen der optischen Achse und dem Filter erfolgt erfindungsgemäß eine Ermittlung der Teilfläche des Filters, in welcher der Schnittpunkt mit der optischen Achse liegt.
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Durch die zentrale Rechen- und Steuereinheit erfolgt des Weiteren eine Übertragung eines Signals zur Anpassung der Lichtdurchlässigkeit, in Abhängigkeit der Lichtintensität der Lichtquelle, mindestens einer Teilfläche an den Filter. Dabei wird die mindestens eine Teilfläche des Filters, deren Lichtdurchlässigkeit angepasst werden soll, erfindungsgemäß durch die Teilfläche gebildet, in welcher der Schnittpunkt des Filters mit der optischen Achse liegt, weshalb im weiteren Verlauf für eben diese Teilfläche auch der Begriff Schnittpunktteilfläche benutzt wird.
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Es wurde gefunden, dass bei einer genügend schnellen Anpassung der Lichtdurchlässigkeit eine Adaption des Auges an die vorherrschenden durchschnittlichen Umgebungshelligkeiten oder Leuchtdichten, nicht beeinträchtigt wird.
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Die Lichtdurchlässigkeitsanpassung erfolgt erfindungsgemäß vorzugsweise im Millisekundenbereich und somit als besonderer Vorteil schneller als die Reaktionszeit der Iris des Auges.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung erfolgt eine Ansteuerung der Teilflächen des Filters derart, dass sowohl die mindestens eine Teilfläche, in welcher der Schnittpunkt des Filters mit der optischen Achse liegt, als auch weitere Teilflächen um die mindestens eine Teilfläche herum, in deren Lichtdurchlässigkeit angepasst werden.
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Dabei wird die Lichtdurchlässigkeit der Teilflächen vorzugsweise so angepasst, dass die Teilflächen, welche die mindestens eine Schnittpunktteilfläche des Filters umgeben, eine höhere Lichtdurchlässigkeit als die Schnittpunktteilfläche aufweisen.
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Es wird somit auf besonders vorteilhafte Weise bewirkt, dass für das Auge des Beobachters ein sanfter und insbesondere fließender Übergang von der abgedunkelten Schnittpunktteilfläche zu den weniger oder gar nicht abgedunkelten Teilflächen des Filters herstellbar ist.
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Je nach Lichtintensität kann die Lichtdurchlässigkeit der Schnittpunktteilfläche des Filters, in einer ebenso vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, so angepasst werden, dass die Schnittpunktteilfläche komplett oder nur teilweise abdunkelbar ist. In einer Weiterbildung kann der transmittierende Lichtstrom der Schnittpunktteilfläche auf einen vordefinierbaren absoluten Maximalwert begrenzt werden. In einer Fortbildung hiervon kann auch ein degressives Verhältnis von Ausgangslichtstrom der Lichtquelle und nach Filterung transmittierenden Lichtstrom bewirkt werden, sodass unterschiedliche Helligkeiten von potenziell blendenden Lichtquellen bei gleichzeitiger Vermeidung einer Blendung wahrnehmbar sind.
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Das erfindungsgemäße System ist in einer bevorzugten Variante der Erfindung in der Lage, mehrere Lichtquellen und mehrere Augenpositionen eines oder mehrerer Beobachter zu erfassen. Es wird somit als besonderer technologischer Vorteil bewirkt, dass eine dynamische Lichtstromfilterung mehrerer Lichtquellen gleichzeitig sowohl für beide Augen eines Beobachters als auch zusätzlich für die Augen eines weiteren Beobachters erfolgen kann.
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Dabei erfolgt die Lichtstromfilterung, beziehungsweise die Anpassung der Lichtdurchlässigkeit der entsprechenden Teilflächen des Filters, für jede Lichtquelle unabhängig, je nach zughöriger Lichtintensität.
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Ein erfindungsgemäßes System ist in einer vorteilhaften Weiterbildung in ein Kraftfahrzeug, kurz Kfz, integriert, wobei der Filter an sich in die Frontscheibe des Kfz integriert ist.
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Die Integration des Filters erfolgt vorzugsweise derart, dass der Filter den gesamten Bereich der Frontscheibe des Fahrzeugs einnimmt.
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Hierzu besteht der Filter beispielsweise aus einem dauerhaft flexiblen, dioptrien- und interferenzfreien, transparenten Polycarbonat-Laminat, welches die bildgebenden Bauelemente aufnimmt.
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Durch die Integration des gesamten Systems in ein Kfz wird es auf besonders vorteilhafte Weise erreicht, dass für den Fahrer des Kfz insbesondere, sich auf diesen zubewegende und störende Lichtquellen, beispielsweise entgegenkommender Fahrzeuge, abgedunkelt werden können und so eine gefährliche Blendung des Auges durch die Lichtquellen vermieden wird.
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In einer ebenso vorteilhaften Weiterbildung ist das erfindungsgemäße System in ein Helmvisier oder in sonstige optische Einrichtungen integriert.
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Unabhängig von der Art der Integration des Systems ist der Filter in einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung so ausgebildet, dass dieser im inaktiven Zustand des Systems völlig durchsichtig ist. Diese sogenannte Fail-Safe-Ausführung bewirkt, dass bei einem Ausfall des Systems zwar keine Lichtstromfilterung mehr erfolgt, es aber auch zu keiner negativen Beeinträchtigung des Sichtfeldes des Beobachters durch eine teilweise oder vollständige Abdunklung des Filters kommt.
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In einer weiteren bevorzugten Variante der Erfindung ist der Filter frequenzselektiv ausgebildet. Die frequenzselektive Ausbildung erlaubt in diesem Zusammenhang das gezielte Filtern bestimmter Wellenlängen des, von der Lichtquelle emittierten Lichts.
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Ein erfindungsgemäßes System eignet sich insbesondere zur Verwendung in einem Verfahren zur dynamischen Lichtstromfilterung mit den nachfolgend aufgeführten Verfahrensschritten.
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In einem ersten Verfahrensschritt a) erfolgt die Erfassung der Position der mindestens einen Lichtquelle. Die Erfassung der Position der Lichtquelle erfolgt bei Verwendung des erfindungsgemäßen Systems durch das erste Erfassungssystem.
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In einem weiteren Verfahrensschritt b) erfolgt die Erfassung der Position des mindestens einen Auges, wobei die zeitliche Reihenfolge der Verfahrensschritte a) und b) nicht festgelegt ist.
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Insbesondere sind die Verfahrensschritte a) und b) auch gleichzeitig durchführbar.
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Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Systems erfolgt die Erfassung der Position des mindestens einen Auges durch das zweite Erfassungssystem.
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Ein dritter Verfahrensschritt c) sieht vor, dass eine optische Achse zwischen der mindestens einen Lichtquelle und dem mindestes einen Auge berechnet wird.
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Nach der Berechnung der optischen Achse erfolgt in einem weiteren Verfahrensschritt d) eine Ermittlung des Schnittpunktes zwischen der optischen Achse und dem Filter des Systems. Sowohl die Berechnung der optische Achse als auch die Ermittlung deren Schnittpunkts mit dem Filter, erfolgen bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Systems durch die zentrale Rechen- und Steuereinheit.
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In einem weiteren Verfahrensschritt e) erfolgt eine Übertragung eines Signals zur Anpassung der Lichtdurchlässigkeit mindestens einer Teilfläche an den Filter.
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Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Systems erfolgt die Signalübertragung an den Filter ebenfalls von der zentralen Rechen- und Steuereinheit.
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Die Verfahrensschritte sind bevorzugt fortlaufend wiederholbar ausgeführt, sodass auch bei Bewegungen der Lichtquellen und/oder der Augenpositionen die Lichtstromfilterung in der optischen Achse gewährleistet werden kann.
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Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel anhand von
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1 Prinzipdarstellung näher erläutert.
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1 zeigt dabei eine prinzipielle Darstellung der Elemente und der Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Systems.
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Einer optischen Komponente (z. B. Windschutzscheibe oder Prismen-geführten Spiegelsystemen, sog. Periskopen) wird ein Filter 1 hinzugefügt. Dieser kann sowohl vor als auch nach der konventionellen optischen Komponente angeordnet sein oder diese durch eine Kompaktausführung ersetzen.
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Die Funktion des Filters ist, Licht einer definierten Temperatur, Helligkeit und Wellenlänge am Passieren des Filters zu hindern. Damit wird die Helligkeit des passierenden Lichtes aus Sicht des Beobachters 2 auf ein Maximum begrenzt.
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Der definierte Blendeneffekt wirkt dabei jedoch nicht über die gesamte Fläche des Filters sondern selektiv, bis auf wenige Quadratmillimeter begrenzt, während seine verbleibende Fläche scheinbar inaktiv bleibt.
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Die Definition, welche Bereiche des Filters aktiviert werden, nimmt ein frei programmierbares Hilfssystem vor.
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Das Hilfssystem besteht aus 3 Komponenten:
zwei Erfassungssystemen 3 und 4 als Trackingsysteme und einer zentralen Rechen- und Steuereinheit 5.
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Während sich die beiden Trackingsysteme 3 und 4 jeweils den relativ zueinander räumlich verändernden Positionen von Lichtquelle 6, auch als Blendlichtquelle bezeichnet, und Beobachter 2 widmen, führt die Rechen- und Steuereinheit 5 die von beiden Trackingsystemen 3 und 4 generierten Daten zusammen und ermittelt den sich verändernden Schnittpunkt S der Achse A durch den Filter 1 (Lichtquelle 6 zu Beobachter 2 durch z. B. Windschutzscheibe).
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Die zweite Funktion der zentralen Rechen- und Steuereinheit 5 ist, den errechneten Schnittpunkt S in einen Steuerbefehl zu wandeln um den Filter 1 an der jeweiligen Position zu aktivieren.
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Für den Beobachter ergibt sich so folgender Effekt:
Trotzdem er von sehr unterschiedlich starken Lichtquellen umgeben ist, erreicht ihn nur ein Maximal-Lichtstrom dieser Quellen. Damit bleiben seine Pupillen soweit geöffnet, als wenn neben den Reflektionen seiner eigenen Lichtquelle ihn kein helleres Licht erreicht. Damit ist er stets in der Lage die im Rahmen seiner eigenen Leuchtstärke maximal möglichen Reflektionen aufzunehmen, – die Blendung durch Fremdlichtquellen ist auf diesen Wert minimiert bzw. gänzlich aufgehoben. Und dies ohne das Spektrum des ihn außerdem erreichenden Lichtes flächendeckend zu beinträchtigen/verfälschen.
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Der Filtereffekt macht sich als „wandernder” Punkt bzw. Bereich über seiner Windschutzscheibe bemerkbar, der genauso groß und geformt ist, wie die Blendlichtquelle 6 selbst und sich immer auf der Achse A seiner Augen und der Blendlichtquelle 6 befindet, während sich sowohl die Position der Blendlichtquelle 6 als auch die seiner Augen rasch zueinander verändern können.
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Das System kalibriert sich nach der Aktivierung binnen Sekunden und reagiert weit unter der Reaktionszeit der menschlichen Iris im Millisekunden-Bereich.
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Der in einem erfindungsgemäßen System zur Anwendung kommende Filter 1 zeichnet sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel wie folgt aus.
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Der Filter 1 ist im Wesentlichen ein Foliendisplay, nachfolgend auch nur als Display beschrieben, mit einer hohen Auflösung (mind. HD) und besteht aus einem dauerhaft flexiblen, dioptrien- und interferenzfreien, transparenten Polycarbonat-Laminat, welches in seinem sandwichhaften Aufbau die bildgebenden, Bauelemente aufgedruckt beherbergt. Es ist in den relevanten Bereichen temperatur-, UV-Licht- und mechanischbeständig.
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Sein Verdrahtungs-Terminal 7 befindet sich im Randbereich. Das Display kann sich auf oder in gläsernen, keramischen bzw. metallischen und künstlichen Trägern befestigen lassen, kann aber auch selbst ein tragendes Element einer Konstruktion oder in einer solchen eingespannt/eingelegt werden.
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Seine Matrix und Anbindung erlaubt ein Ansteuern einzelner Pixel.
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Im inaktiven Zustand ist das Display völlig durchsichtig (fail safe).
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Um die Effekte seiner Aktivierung erkennbar zu machen, benötigt es einer Hintergrundbeleuchtung beziehungsweise, wie in diesem Anwendungsfall, der Lichtquelle 6, vor deren Schein sich der angesteuerte Bereich 8 des Displays als Verdunkelung/Einfärbung bemerkbar macht.
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Eine Erweiterung der Funktionen des Komplettsystems kann sich die grundsätzlich bildgebende Eigenschaft des Displays zu Nutze machen und für den Fahrer/Piloten/Leitstand-Kommandeur relevante Daten oder Navigationsinformationen, wiedergeben, – die Anwendungen sind ebenso vielseitig wie die der Technik, die in der TV-Video-/Entertainment-/Visualisierungs-Branche Anwendung findet.
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Das erste Tracking- oder Erfassungssystem 3 zeichnet sich erfindungsgemäß durch die nachfolgend aufgeführten Merkmale aus.
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Das erste Trackingsystem 3 liefert eine genaue Positionsbestimmung einer Lichtquelle 6 relativ zu einem Referenzpunkt. Der Referenzpunkt ist ein Pixel (nicht dargestellt) auf dem Filter 1. Das heißt, es gibt so viele Referenzpunkte wie Pixel.
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Die Lichtquelle 6 wird in einem Ausführungsbeispiel durch einen CCD-Sensor (nicht dargestellt) etwa 60 Mal pro Sekunde erfasst. Über Triangulation/Theodoliten wird ihre Position jeweils relativ zu allen Pixeln des Filters 1 errechnet und als Datenprotokoll ausgegeben.
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Die Rechenleistung ergibt sich in etwa auf folgender Basis: 1920 × 1080 × 60 Hz = 124,4 Mio Datensätze/s pro Lichtquelle.
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Demgegenüber zeichnet sich das zweite Tracking- oder Erfassungssystem 4 wie folgt aus:
Grundsätzlich soll hier auf bereits bestehende und bewährte Systeme zurückgegriffen werden.
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Sogenannte Eye-Tracker ermöglichen die Durchführung berührungsloser Messungen (Infrarot). Hierbei entfallen mechanische Bauteile wie Übertragungskabel oder Kinnstützen. Der Fahrer/Beobachter kann sich nach erfolgreicher Kalibrierung in einem gewissen Bewegungsradius frei bewegen. Ein bedeutender Aspekt liegt hierbei in der Kompensation der Kopfbewegungen. Eine Person kann einen Ort fixieren und dabei Kopfbewegungen durchführen, ohne den Fixationsort zu verlieren. Zur Registrierung von Kopf- und Blickbewegungen können die Komponenten des Systems entweder direkt in einen Rückspiegel eingebaut oder unter, beziehungsweise neben diesem, angebracht werden. Die Augenkamera erkennt automatisch das Auge und „verfolgt” dieses. Es besteht kein Kontakt zwischen Fahrer und Gerät.
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Die nachfolgend aufgeführten Techniken werden dabei eingesetzt.
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Pan-Tilt-Systeme:
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Mechanisch bewegliche Komponenten führen die Kamera mit Kameraoptik den Kopfbewegungen des Fahrers nach. Aktuelle Systeme erreichen dabei Messraten von bis zu 120 Hz.
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Tilting-Mirror-Systeme:
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Während Kamera und Optik raumfest bleiben, erlauben servogetriebene Spiegel ein Nachverfolgen des Auges bei Kopfbewegungen.
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Fixed-Camera-Systeme:
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Diese Systeme verzichten auf jegliche mechanisch bewegliche Komponenten und erzielen den Bewegungsfreiraum mittels Bildverarbeitungsmethoden.
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Diese Varianten haben gegenüber der mobilen Bauart den Vorteil, dass sie Daten aufzeichnen, die eindeutig parametrierbar sind und so einer statistischen Auswertung zugeführt werden können (es lässt sich also in exakten Werten in situ/live ermitteln, wo genau sich die Augen der Person relativ zu allen Pixeln des Displays befinden.
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Die Rechenleistung hier ergibt sich ebenfalls wie folgt: 1920 × 1080 × 60 Hz = 124,4 Mio Datensätze/s pro Augenpaar.
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Die als drittes Hilfssystem arbeitende zentrale Rechen- und Steuereinheit 5 weist erfindungsgemäß die folgenden Merkmale auf:
In diesem dritten Hilfssystem 5 werden die aus dem ersten und zweiten Trackingsystem 3 und 4 gelieferten Daten zueinander ins Verhältnis gebracht.
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Das heißt konkret: gleiche Werte entsprechen dem Schnittpunkt der Sichtachse A des Fahrers 2 zur jeweiligen Lichtquelle 6. Die Rechen- und Steuereinheit 5 gibt direkt das Signal an den Filter 1 weiter und dunkelt mit nur wenigen Millisekunden Verzögerung (Verarbeitungs- und Reaktionszeit) den jeweiligen Bereich 8 um die Sichtachse A herum ab. Dies geschieht in einer Frequenz analog bzw. synchron zur Erfassung beider Trackingsysteme 3 und 4.
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Die Rechenleistung hier sollte mindestens 100 Blendlichtquellen, einen Fahrer und das Ausfiltern von hierarchisch priorisierten Datensätzen erlauben.
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Das heißt, wenn mehr als 100 Blendlichtquellen erfasst werden, die alle über dem Schwellwert (Temperatur, Wellenlänge und Helligkeit) liegen (z. B. bei Regentropfen, Schneefall, extrem beleuchteten Innenstadtfahrten, bzw. Leuchtspurgeschoss-Schweifen, Mündungsfeuer, Blendgranaten etc.), dann muss das System nach Größen der Schwellwertüberschreitung priorisieren und dabei die mit der größten Abweichung vorrangig vor denen mit geringerer Überschreitung berücksichtigen.
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Die Mindest-Rechenleistung der zentralen Rechen- und Steuereinheit wird wie folgt berechnet: (1920 × 1080 × 60 Hz = 124,4 Mio Datensätze/s × 100 Lichtquellen) + (1920 × 1080 × 60 Hz = 124,4 Mio Datensätze/s pro Augenpaar) + (x Faktor 2) + (1920 × 1080 × 60 Hz = 124,4 Mio Display Ansteuerungs-Datensätze/s = Mindestrechenleistung der Rechen- und Steuereinheit
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Dies entspricht 25,6 GHz Prozessorleistung Total, wobei somit ein Mehrkernprozessor mit zum Beispiel acht Kernen zu je vier GHz Kapazität benötigt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Filter
- 2
- Beobachter/Fahrer
- 3
- erstes Erfassungssystem
- 4
- zweites Erfassungssystem
- 5
- zentrale Rechen- und Steuereinheit
- 6
- Lichtquelle
- 7
- Verdrahtungs-Terminal des Filters
- 8
- abzudunkelnder Bereich des Filters
- A
- optische Achse
- S
- Schnittpunkt zwischen optischer Achse und Filter
