DE10308981A1

DE10308981A1 - Verfahren und Vorrichtungen zur Dateneingabe in eine Rechenvorrichtung

Info

Publication number: DE10308981A1
Application number: DE2003108981
Authority: DE
Inventors: Harald Sonntag
Original assignee: Harald Sonntag
Current assignee: WILL, ELMAR H., DIPL.-ING.DIPL.WIRTSCH.ING, 84036
Priority date: 2003-02-28
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2004-09-09
Also published as: WO2004077197A2; WO2004077197A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Eingabe von Daten in eine Rechenvorrichtung. DOLLAR A Aus den bekannten Positionen von Strahlsensoren (5), die durch auftreffende Hilfsstrahlen (15, 16) aktiviert werden, kann die Position des Auftreffpunkts (P0) eines auf eine Projektionsfläche gerichteten realen oder imaginären Referenzstrahls ermittelt werden, vorausgesetzt, die Hilfsstrahlen (15, 16) stehen in einer bekannten räumlichen Beziehung zu dem auf der Projektionsfläche auftreffenden Referenzstrahl. Die Positionsermittlung geschieht dadurch, daß die aktivierten Strahlsensoren sie jeweils individuell charakterisierende Signale auf eine Rechenvorrichtung schicken, und diese aus den Positionen der durch diese Signale identifizierten Sensoren die Position des Auftreffpunkts des Referenzstrahls ermittelt. Abhängig von der so ermittelten Position des Auftreffpunkts des Referenzstrahls löst die Rechenvorrichtung bestimmte Ereignisse aus, wie z. B. die positionsabhängige Generierung und/oder Ausgabe von Bild- und/oder Audiodaten. DOLLAR A Werden Referenstrahlpunkt und Hilfsstrahlpunkte mittels eines manuell manipulierbaren Strahlanzeigers (12) von einem Benutzer bewegt, so wird diesem durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Eingabehilfe zur Dateneingabe in die Rechenvorrichtung zur Verfügung gestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren ersetzt somit die Funktion einer herkömmlichen Computermaus mit mechanischen oder optischen Wegaufnahmesensoren zur Steuerung eines Zeigers ...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zur Eingabe von Daten in eine Rechenvorrichtung und die auf diesen eingegebenen Daten basierende rechnergestützte Auslösung bestimmter Ereignisse durch eine von einem Benutzer durchgeführte Betätigung von Eingabehilfsmitteln.
Im Stand der Technik sind eine Vielzahl von Verfahren und Vorrichtungen bekannt, wie ein Benutzer mittels Eingabehilfsgeräten Daten in eine Rechenvorrichtung eingeben kann.
Weitverbreitet sind insbesondere sogenannte „Joysticks" oder Computermäuse, bei denen die Bewegung eines manuell zu manipulierenden Eingabehilfsgeräts, nämlich des Joysticks oder der Maus, durch Wegaufnehmersensoren mechanisch oder optisch erfaßt wird. Durch die Übertragung von Steuersignalen auf eine Rechenvorrichtung wird z.B. die Bewegung der Maus in die Bewegung eines Zeigers (Cursors) auf einer auf einem Computermonitor dargestellten Benutzeroberfläche umgesetzt. Sodann werden je nach Position des Zeigers auf der Benutzeroberfläche bestimmte Ereignisse durch die Rechenvorrichtung ausgelöst. Zum Beispiel kann vorgesehen sein, daß wenn der Benutzer durch eine Maus einen Zeiger auf der auf dem Computermonitor dargestellten Benutzeroberfläche in eine bestimmte Position bewegt, daß dann ein die Rechenvorrichtung steuerndes Programm dafür sorgt, daß um die Position des Zeigers herum ein Feld dargestellt wird, welches dem Benutzer zusätzliche Informationsinhalte präsentiert oder diesen zur Eingabe von Daten auffordert. Dies kann insbesondere dadurch geschehen, daß in dem dargestellten Feld Informationsinhalte vorgeschlagen werden, die der Benutzer durch Betätigen von an der Maus angebrachten Eingabetasten als Eingabedaten bestätigen kann.
Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und zur Durchführung solcher Verfahren verwendete Eingabehilfen sind z.B. in den Offenlegungsschriften US 2003/0011565 A1 und WO02/101639 A1 offenbart.
Nachteilig bei diesem Stand der Technik ist unter anderem, daß die verwendeten manuellen Eingabehilfsgeräte bei der Bewegung einem mechanischen Verschleiß sowie allgemein einer Verschmutzung unterliegen. Werden die Joysticks oder Computermäuse bei der Durchführung von in Echtzeit auf einem Monitor dargestellten Computerspielen als Eingabehilfsgeräte verwendet, so stellt sich zudem oft das Problem der mechanischen Trägheit dieser Eingabehilfsgeräte, die die Handbewegungen eines Benutzers dann unter Umständen nicht schnell genug umsetzen können. Oft gibt es auch Probleme hinsichtlich der Präzision, mit der die Handbewegungen eines Benutzers bei der Bedienung eines bekannten Eingabehilfsgeräts aufgenommen werden.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine alternative Vorgehensweise bei der Eingabe von Daten für die rechnergestützte Auslösung von Ereignissen bereitzustellen und zudem geeignete Vorrichtungen für die Durchführung solcher Verfahren bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Vorrichtungen nach Anspruch 22 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Weiterhin werden Strahlanzeiger nach Anspruch 17 vorgestellt, die in einem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafterweise eingesetzt werden, so ein Computerprogrammprodukt nach Anspruch 23, mittels dem das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafterweise in Form einer Software implemtiert werden kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Eingabe von Befehlen in eine Rechenvorrichtung werden manuell betätigbare Eingabehilfsgeräte benutzt, die Strahlung auf eine Projektionsfläche werfen. „Strahlung" bedeutet dabei allgemein Energiestrahlung in Form elektromagnetischer Strahlung oder auch Partikelstrahlung. Insbesondere bedeutet Strahlung aber elektromagnetische Strahlung in Form von sichtbarem Licht, Infrarotstrahlung oder Ultraviolettstrahlung.
Zu Veranschaulichungszwecken wird deshalb in den im folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen statt von „Strahlung" oft einfach nur von „Licht" gesprochen, und zur Veranschaulichung wird von „Lichtstrahlen" gesprochen, wenn allgemein „Strahlen" gemeint sind. Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Eingabehilfsgeräte optische Strahler in Form von manuell betätigbaren Laserstrahlzeigegeräten (sogenannte „Laserpointer") verwendet werden. Auch wenn die Verwendung solcher Laserpointer vorteilhaft ist, da sie scharf gebündelte Lichtstrahlung emittieren, benötigt die nachfolgend detailliert beschriebene Erfindung im Prinzip keine der für Laserstrahlung typischen Eigenschaften wie geringe Strahldivergenz, Monochromasie oder Kohärenz. Insbesondere kann dann, wenn aus Kostengründen oder weil Strahlenschutzaspekte zu berücksichtigen sind, Bedenken gegen die Verwendung von Laserpointern bestehen, auf andere Lichtquellen zurückgegriffen werden. Dabei kann es sich insbesondere um lichtemittierende Dioden (LED) handeln.
Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, daß die Auftreffposition (der „Referenzpunkt") eines auf eine in einer abstrakten Projektionsebene liegenden realen Projektionsfläche projizierten Referenzstrahls zu ermitteln ist.
Dabei ist zu beachten, daß „projizieren" hierbei nicht nur das physikalische Emittieren eines auf der realen Projektionsfläche real auftreffenden Strahls aus elektromagnetischer Energie oder aus Partikeln (z.B. Elektronenstrahl) bedeuten soll, also einen Energiestrahl, sondern verallgemeinernd es sich hierbei auch um eine rein abstrakt geometrische Projektion eines Punkts längs gedachter Projektionslinien auf eine abstrakte Ebene handeln soll, in der die Projektionsfläche liegt. Insofern soll das Wort „Referenzstrahl" einerseits einen realen Energiestrahl bezeichnen, der auf einer Projektionsfläche auftrifft, andererseits aber lediglich eine imaginäre (rein abstrakte geometrische) Projektionslinie bezeichnen. Soweit nötig, wird im folgenden zwischen realen und imaginären Referenzstrahlen bzw. Referenzpunkten unterschieden. Entsprechend bedeutet „Referenzpunkt" einerseits den Auftreffpunkt Energie transportierender realer Strahlung auf der Projektionsfläche, andererseits aber auch den abstrakten geometrischen Schnittpunkt einer rein abstrakten Projektionslinie mit einer abstrakten geometrischen Ebene. Dieses Konzept wird weiter unten in Verbindung mit 1 bis 3 noch näher erläutert werden.
Die Projektionsfläche liegt z.B. in der Bildebene eines Computermonitors. Alternativ kann sie auch eine Leinwand sein, auf die Bilder mittels eines Projektors („Beamers") projiziert werden.
Da die reale Projektionsfäche zur Ausstrahlung (z.B. mittels eines Computermonitors) oder zur Reflektion (z.B. mittels einer Leinwand) von Bildern dient, darf sie nicht unmittelbar mit Strahlsensoren belegt sein. Deshalb kann die Auftreffposition (der Referenzpunkt) im Falle eines auf die Projektionsfläche auftreffenden (in diesem Falle ausdrücklich realen) Referenzstrahls nicht durch direkt auf der Projektionsfläche liegende Strahlsensoren erfaßt werden. Für einen imaginären Referenzstrahl gilt im Ergebnis natürlich dasselbe, wobei dieser imaginäre Referenzstrahl schon deshalb nicht erfaßbar ist, weil er physikalisch gar nicht existiert. Statt Sensoren auf der Projektionsfläche sind erfindungsgemäß also um die Projektionsfläche herum Strahlsensoren an wohlbekannten Positionen angebracht.
Erfindungsgemäß wird zumindest ein Teil der Strahlsensoren durch auf ihnen auftreffende Hilfsstrahlen aktiviert. Bei den Hilfsstrahlen handelt es sich in jedem Fall um Energie transportierende reale Strahlen. Dadurch werden die durch die eintreffende Energie in den Hilfsstrahlen Strahlsensoren aktiviert und zur Abgabe eines jeweils für jeden einzelnen aktivierten Strahlsensor spezifischen Signals auf eine Rechenvorrichtung angeregt.
Dabei nutzt die Rechenvorrichtung die Tatsache aus, daß eine bekannte räumliche Beziehung zwischen den die Strahlsensoren aktivierenden realen Hilfsstrahlen und dem (realen oder imaginären) Referenzstrahl besteht. Somit kann die Auftreffposition des Referenzstrahls auf der Projektionsebene berechnet werden. In Abhängigkeit von der Lage des Auftreffpunkts des Referenzstrahls kann dann die Rechenvorrichtung spezifische Ereignisse auslösen. Wird als Referenzstrahl sichtbares Licht verwendet, so kann der auf der Projektionsfläche auftreffende Lichtstrahl einem Benutzer unmittelbar als Zeiger auf einer auf der Projektionsfläche dargestellten Benutzeroberfläche dienen. Handelt es sich nur um einen imaginären Referenzstrahl oder aber um einen unsichtbaren realen Referenzstrahl, so kann von der Rechenvorrichtung veranlaßt werden, daß auf der Projektionsfläche am Ort der errechneten Auftreffposition des imaginären oder unsichtbaren realen Referenzstrahls das Bild eines Zeigers (Cursors) als optische Orientierungshilfe für den Benutzer eingeblendet wird.
Die Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Erläuterung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen.
Es zeigen:
1 eine geometrische Skizze, die für das grundlegende Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreich ist, und eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der Hilfsstrahlpunkte auf zwei sich kreuzenden Geraden liegen und ein Refernezstrahlpunkt, dessen Position zu ermitteln ist, im Schnittpunkt der beiden Geraden liegt;
2 ein perspektivische Darstellung einer in einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten ersten Ausführungsform eines Eingabehilfsgeräts in Form eines Strahlanzeigers, welcher in zwei gekreuzt zueinander stehenden Ebenen Strahlbündel auf eine Projektionsebene E projiziert, sowie die Lage von auf der Ebene E auftreffenden Strahlpunkten;
3 eine Draufsicht auf die in 2 gezeigte Projektionsebene E samt der darin liegenden Projektionspunkte, wobei die Ebene E von rechtwinklig zueinander angeordneten Reihen von Strahlsensoren umgeben ist;
4 eine alternative Anordnung von Strahlsensoren, welche eine in 2 gezeigte Projektionsebene E umgeben, samt auftreffenden Strahlpunkten;
5 eine zweite Ausführungsform eines Eingabehilfsgeräts in Form eines Strahlanzeigers, welcher ein Bündel von in einer Austrittsebene zueinander verdreht angeordneten Strahlbündel emittieren kann;
6 eine der in 2 gezeigten Darstellung entsprechende Draufsicht auf eine Projektionsebene E samt einer Anordnung von Strahlsensoren, wobei ein mittels des in 5 gezeigten Eingabehilfsgeräts emittiertes Strahlbündel auftrifft;
7 eine perspektivische Darstellung einer beispielhaften Spielsituation, in welcher ein erfindungsgemäßes Verfahren Anwendung Verfahren findet, wobei eine Reihe von Spielern mittels manuell betätigbaren Eingabehilfsgeräten Strahlbündel auf eine mit Strahlsensoren versehene Projektionsfläche werfen, und wobei eine Rechenvorrichtung die Positionen der Strahlauftreffpunkte der emittierten Strahlbündel ermittelt, und dann situationsspezifisch neue Bilddaten generiert, die dem Spielverlauf entsprechend mittels einer Projektionseinheit auf die Projektionsfläche projiziert werden;
8a eine schematische Darstellung eines Zeitschlitzverfahrens zur Steuerung und Erfassung der von den einzelnen Spielern in der in 7 gezeigten Spielsituation emittierten Strahlbündel, wodurch eine individuelle Identifikation der den einzelnen Spielern zugeordneten Strahlbündel möglich ist;
8b das auf eine von Sensorelementen umgebene Projektionsfläche während eines in 8a gezeigten Teilzeitschlitzfensters S1 auftreffende Paar von gekreuzten Lichtlinien, wobei eines teilweise verdeckt ist, so daß keine Bestimmung des Schnittpunkts des Linienpaars möglich ist;
8c das auf eine von Sensorelementen umgebene Projektionsfläche während eines in 8a gezeigten Teilzeitschlitzfensters S2 auftreffende Paar von gekreuzten Lichtlinien, wobei eine Bestimmung des Schnittpunkts des Linienpaars möglich ist;
9a eine perspektivische Darstellung eines Eingabehilfsgeräts, mit dem ein realer Referenzstrahl zusammen mit im Strahlquerschnitt auf einem Kreis um den Referenzstrahl liegenden Hilfsstrahlen gemeinsam emittiert werden kann;
9b Strahlmuster, wie sie mittels des in 9a gezeigten Eingabegeräts auf eine Projektionsebene projizierbar sind;
10a eine perspektivische Darstellung eines Eingabehilfsgeräts, mit dem ein im Mittelpunkt eines gleichschenkligen Dreiecks liegender realer Referenzstrahl zusammen mit im Strahlquerschnitt auf den Eckpunkten des Dreiecks liegenden Hilfsstrahlen gemeinsam emittiert werden kann;
10b ein Strahlmuster, wie es mittels des in 10a gezeigten Eingabehilfsgeräts auf eine Projektionsebene projizierbar ist; und
11 eine perspektivische Darstellung zweier hintereinander gestaffelt angeordneter Projektionsebenen, die jeweils von Strahlsensoren umgegeben sind, und wie sie in einer weiteren Ausführungsform des erfinderischen Verfahrens Verwendung finden, um aus den Auftreffpunkten eines auf die Ebenen auftreffenden Referenzstrahls dessen Lage im dreidimensionalen Raum ermitteln zu können.
1 zeigt eine für das grundlegende Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreiche geometrische Überlegung. 2 zeigt dazu ein manuell betätigbares Eingabehilfsgerät in Form eines Laserpointers, mit dem bestimmte Strahlmuster auf eine Projektionsebene projiziert werden. 6 zeigt eine Anwendungssituation eines erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem mehrere Spieler beim Spielen eines Computerspiels in Form einer Quizshow gezeigt sind.
Die Erfindung beruht auf der Ausnutzung elementarer geometrischer Überlegungen, wie sie anhand 1 beispielhaft veranschaulicht sind:
Bekanntermaßen ist die Lage einer Geraden durch zwei auf der Geraden liegenden Punkte eindeutig determiniert. Bekannt ist auch, daß zwei nichtparallele Geraden in einer Ebene genau einen Schnittpunkt haben.
In einem ebenen kartesischen x-y-Koordinatensystem läßt sich der Verlauf einer Geraden g₁ , auf der zwei Punkte P₁₁= (x₁₁, y₁₁) und P₁₂= (x₁₂₁, y₁₂) liegen, analytisch z.B. durch die sogenannte Zweipunkt-Darstellung beschreiben (vgl. z.B. Bronstein/Semendjajew: „Taschenbuch der Mathematik", Verlag Harri Deutsch, Frankfurt) Thun; 20. Auflage, 2.6.6.1 „Analytische Geometrie in der Ebene"):
Durch Äquivalenzumformung dieses Ausdrucks erhält man: (y12 – y11)x + (x11 – x12)y – x11(y12 – x11) + y11(x12 – x11) = 0 (2),bzw.
a1x + b1y + c1 = 0 (3),mit
a1 = (y12 – y11), b1 = (x11 – x12), c1 = –x11(y12 – x11) + y11(x12 – x11).
Weiterhin lassen sich die Koordinaten des Schnittpunktes P₀ = (x₀, y₀) zweier Geraden g₁, g₂ auf denen jeweils die Punkte P₁₁= (x₁₁, y₁₁) und P₁₂= (x₁₁, y₁₁) bzw. P₂₁= (x₂₁, y₂₁) und P₂₂ = (x₂₂, y₂₂) liegen, und die analog zu Gleichung (3) durch Gleichungen a1x + b1y + c1 = 0 (4)und
a2x + b2y + c2 = 0 (5)beschrieben werden, wie folgt mittels Determinanten berechnen:
Um nun den Auftreffpunkt (Referenzstrahlpunkt P₀) eines im folgenden als Referenzstrahl bezeichneten Strahls auf einer Oberfläche E eindeutig zu ermitteln, wird von geeigneten Strahlzeigemitteln ausgesandte Strahlung mittels geeigneten Abbildungsmitteln im Strahlprofil z.B. so geformt, daß mindestens zwei gekreuzt stehende Strahlen in der in 2 gezeigten Form auf eine von Strahlsensoren umgebene Projektionsfläche auftreffen, die in einer Ebene E liegt.
2 zeigt eine Draufsicht auf eine Projektionsfläche, bei der es sich z.B. um einen (planen) Bildschirm eines Computermonitors oder aber eine Leinwand handeln kann, auf die von einem rechnergestützten Projektor Bilder projiziert werden. Dabei ist die Position des Auftreffpunkts (Referenzpunkts P₀) auf der Ebene E zu bestimmen. Auf der Projektionsfläche dürfen dabei aber, wie schon erläutert, keine Sensorelemente liegen, da diese sowohl im Falle einer aktiv leuchtenden Projektionsfläche (z.B. eines Computermonitors) als auch im Falle einer passiv leuchtenden Projektionsfläche (z.B. einer Leinwand) die Ausstrahlung bzw. Reflektion von Bildern gänzlich verhindern oder zumindest beeinträchtigen würden. Die Geraden g₁, g₂ aus 1 entsprechen nun z.B. Lichtlinien 15, 16, die z.B. durch Schlitze 41, 41' in einem Laserpointer 12 (vgl. 2) emittiert werden.
3 zeigt in Draufsicht, wie eine Projektionsfläche in der Ebene E von mehreren Strahlsensorreihen 1, 2, 3 und 4 eingerahmt ist. Die Strahlsensorreihen bestehen aus einzelnen Sensorelementen 5, die durch eintreffende Strahlung aktiviert werden und sodann ein Signal auf eine Rechenvorrichtung (60 in 7) ausgeben. Die Lage eines jeden Sensors in einer Sensorreihe und damit seine Koordinaten in der durch die Projektionsfläche verlaufenden Ebene sind genau bekannt. Ferner sind in der Rechenvorrichtung Maßnahmen getroffen, so daß die von verschiedenen Sensoren bei der Rechenvorrichtung eintreffenden Signale voneinander unterschieden werden können. Im einfachsten Fall kann dies z.B. dadurch erreicht werden, daß jeder Sensor über eine nur von ihm benutzte dezidierte Signalleitung mit der Rechenvorrichtung verbunden ist. Die bei der Rechenvorrichtung eintreffenden Signale verschiedener Sensoren können aber auch durch Unterschiede in anderen geeigneten Signalparametern, wie z.B. der Signalfrequenz oder dem Signalauslesezeitpunkt, voneinander differenziert sein. Dadurch können alle Sensorelemente in den Sensorreihen ausgelesen werden, um festzustellen, ob ein bestimmter Sensor von einem außerhalb der Projektionsfläche auftreffenden Hilfsstrahl getroffen wurde oder nicht.
Bei der in 3 gezeigten Darstellung werden z.B. die Sensoren aktiviert, auf denen Hilfsstrahlen an den Auftreffpunkten P₁₁, P₁ ₂, P₂₁, P₂₂ auftreffen. Da diese Punkte P₁₁, P₁ ₂, P₂₁, P₂₂ auf den in 3 gezeigten Strahllinien 15, 16 liegen, die z.B. von dem in 2 gezeigten Eingabehilfsgerät emittiert sein können, kann wie in Verbindung mit 1 erläutert, die Position des Auftreffpunkts P₀ des Referenzstrahls auf der Projektionsfläche in der Rechenvorrichtung auf Grundlage der bekannten x-, y-Koordinaten der durch die Hilfsstrahlen aktivierten Sensorelemente 5 ermittelt werden. Dies gilt natürlich nur innerhalb der durch die Ausdehnung eines einzelnen Sensorelements in x- und y-Richtung bedingten Fehlergenauigkeit bei der Positionsbestimmung der Auftreffpunkte P₁ ₁, P₁₂, P₂₁, P₂₂ der Hilfsstrahlen auf den Strahlsensorreihen.
4 zeigt eine alternative Ausführungsform für die Anordnung von Strahlsensorreihen längs den Kanten einer Projektionsfläche E. Hierbei sind insgesamt vier Strahlsensorreihen 10, 11, 12 und 13 vorgesehen, die allesamt parallel zueinander und parallel zu einem Kantenpaar der in der Ebene E liegenden Projektionsfläche ausgerichtet sind. Die Sensorreihen sind kürzer als die in 3 gezeigten Sensorreihen und decken jeweils nur den in 4 oben liegenden Teil der Projektionsfläche ab.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Eingabehilfe zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Verfahren. Hierbei ist ein Strahlanzeiger 12 in Form eines Laserpointers vorgesehen, welcher ein rosettenförmig angeordnetes Strahlbündel (vgl. 6) emittiert. Dazu sind in der Austrittsebene 40 für die Strahlung am Strahlanzeiger 12 jeweils um ein bestimmtes Winkelinkrement zueinander verdreht angeordnete Austrittbereiche 41, 41', 41'' etc. vorgesehen. Diese Austrittsbereiche können in Form von Schlitzen ausgeführt sein. Alternativ können bei einem als Laserpointer ausgeführten Strahlzeigegerät in der Austrittsebene Beugungsgitter vorgesehen sein, die die gewünschte Strahlformung bewirken.
Durch die Strahlformung ergibt sich auf einer Projektionsfläche in der Ebene E das in 6 gezeigte Strahlmuster von rosettenförmig angeordneten Strahlen 15 bis 22. Hierbei treffen wieder einige Hilfsstrahlen, deren Auftreffpunkte auf der Ebene E in 6 als segmentierte Kreise dargestellt sind, auf neben der Projektionsfläche angeordneten Sensorreihen 10 bis 13 auf. Das verwendete rosettenförmige Strahlmuster erhöht auch bei kleinen Flächen der Sensorreihen die Wahrscheinlichkeit, daß unabhängig von der Orientierung des Strahlzeigers relativ zur Projektionsfläche eine ausreichende Anzahl von Sensoren in den Sensorreihen getroffen wird, um die zur rechnerischen Bestimmung der Auftreffposition P₀ des Referenzstrahls notwendige Anzahl von Koordinaten von Auftreffpunkten von Hilfsstrahlen zu ermitteln.
Bewegt der Benutzer das Strahlzeigegerät so, daß das von ihm emittierte Strahlenbündel über die Projektionsfläche wandert, so kann die Rechenvorrichtung einhergehend zur Ermittlung der Lage des auf die Projektionsfläche auftreffenden Referenzstrahls auch in Abhängigkeit von der Position des zugehörigen Refernzstrahls bestimmte Ereignisse auslösen. Zum Beispiel kann in der Rechenvorrichtung ein Algorithmus implementiert sein, der fortlaufend in Abhängigkeit von der gerade eben ermittelten Auftreffposition des Referenzstrahls Bild- und/oder Audiodaten generiert und/oder von einem Speichermedium abruft und diese Daten auf geeignete Ausgabevorrichtungen gibt.
Werden durch die Rechenvorrichtung (60 in 7) Bilddaten generiert, die auf eine Projektionseinheit (61 in 7) gegeben werden, die ihrerseits Bilder auf die Projektionsfläche (80 in 7) wirft, so kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens in interaktiver Weise ein Zeiger (Cursor) über eine auf die Projektionsfläche geworfene Bildschirmoberfläche projiziert werden oder in Abhängigkeit von dem Auftreffpunkt des Referenzstrahls auf der Projektionsfläche zusätzliche Bildelemente eingeblendet werden.
Die vorliegende Erfindung findet neben interaktiven Benutzeroberflächen zur Steuerung von Programmabläufen in einem Computer insbesondere im Bereich von computergestützten Spielen Verwendung, bei denen eine Vielzahl von Benutzern mit im Raum frei beweglichen Strahlquellen, wie insbesondere z.B. handbetätigten Laserzeigegeräten, Strahlpunkte über einen Bildschirm bewegt, und dann abhängig vom Auftreffpunkt der Strahlpunkte auf dem Bildschirm bestimmte Ereignisse im Spielablauf auslösen können.
7 veranschaulicht eine solche Spielsituation:
Mehrere Spieler A, B, C und D stehen vor einer in einer Projektionsebene E liegenden Projektionsfläche 80, die z.B. aus einer Leinwand besteht. Auf diese Leinwand wird mittels eines Projektors 61 ein Bild projiziert. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich hier um ein Bild für eine Quizshow. Dabei werden den Mitspielern A, B, C und D in ausgesuchten Feldern 90 auf der Leinwand Fragen gestellt und eine Auswahl von möglichen Antworten in weiteren Feldern (Antwortfeldern 91) vorgegeben. Die Antwortfelder 91 sind jeweils von Sensorreihen (in 7 nicht gezeigt) in der in Verbindung mit 3, 4 und 6 erläuterten Weise umgeben. Die einzelnen Sensorelemente in den Sensorreihen sind an wohlbekannten Positionen angebracht. Werden die Sensorelemente aktiviert, so erzeugen sie jeweils ein Signal, welches über geeignete Signalübertragungsmittel auf eine Rechenvorrichtung gegeben werden kann. In 7 ist ein solches Signalübertragungsmittel schematisch als Übertragungskabel 50 (gestrichelt) gezeichnet. Statt Übertragungskabeln können zwischen den Sensorelementen und der Rechenvorrichtung allerdings auch andere geeignete Signalübertragungsmittel wie insbesondere optische Schnittstellen, Infrarotschnittstellen oder Funkschnittstellen vorgesehen sein.
Jeder Spieler A, B, C und D hat z.B. ein manuell führbares Eingabehilfsgerät in Form eines Strahlanzeigers 12 zur Verfügung, wie er z.B. in Verbindung mit 5 beschrieben worden ist.
Zunächst soll die Spielsituation für einen einzelnen Spieler betrachtet werden:
Richtet ein Spieler A seinen Strahlanzeiger 12 so auf die Projektionsfläche 80, daß der durch die Orientierung des Strahlanzeigers definierte Referenzstrahlpunkt im Inneren eines Antwortfelds 91 auftrifft, so trifft auf dem und um das Antwortfeld 91 ein Strahlmuster auf, wie es z.B. in 6 gezeigt ist. Dabei werden einige der das Antwortfeld 91 umgebenden Sensoren durch einfallenden Hilfsstrahlen aktiviert. Diese aktivierten Sensoren übertragen nun jeweils ein sie eindeutig charakterisierendes Signal auf die Rechenvorrichtung 60.
Die Rechenvorrichtung 60 kann sodann aus den vorab wohlbekannten Koordinaten der aktivierten Sensoren die Position des Auftreffpunkts des Referenzstrahls in der zuvor erläuterten Weise rechnerisch ermitteln, und so entscheiden, ob ein, und wenn ja, welches Antwortfeld mit einem Strahl getroffen worden ist.
Abhängig von den getroffenen Antwortfeldern generiert die Rechenvorrichtung 60 nun weitere Bilddaten, die auf die Projektionseinrichtung 61 gegeben werden. Diese projiziert sodann ein den neu generierten Bilddaten entsprechendes Bild auf die Leinwand. So kann z.B. bei der in 7 gezeigten Quizshow dann, wenn eine richtige Antwort durch einen Treffer auf eine passende Antwortfläche gegeben worden ist, eine Änderung des auf die Leinwand projizierten Bildes erfolgen, mit der die Information übermittelt wird, daß ein eine richtige Antwort auf die im Fragefeld 90 gestellte Frage vorliegt.
Wird durch die als Eingabehilfe dienende Strahlanzeige 12 unsichtbare Strahlung wie insbesondere Infrarot oder Ultraviolett auf die Projektionsfläche 80 geworfen, so kann die Rechenvorrichtung 60 Bilddaten für ein mit dem Referenzstrahlpunkt über die Projektionsfläche 80 wanderndes Zeigersymbol (Cursor) generieren. Da mehrere Spieler beteiligt sind, ist es zu Unterscheidungszwecken zweckmäßig, jedem Spieler ein eigenes Zeigersymbol (z.B. unterschiedliche geometrische Figuren und/oder unterschiedliche Farben) zuzuordnen, welches sich in seiner Gestalt und/oder Farbe von den Zeigersymbolen anderer Mitspieler unterscheidet.
Somit ist ein von dem Spieler interaktiv beeinflußbarer Spielablauf möglich.
Um eine Aktivierung von Sensoren durch einen von einem Spieler ohne Absicht auf ein Antwortfeld ausgerichteten Strahlanzeiger zu unterbinden, kann das Strahlanzeigegerät mit einer Auslösevorrichtung, z.B. in Form von manuell betätigbaren Eingabetasten versehen sein. Nur in dem Falle, daß eine entsprechende Eingabetaste von einem Spieler betätigt wird, wird dann die vom Strahlanzeiger 12 emittierte Strahlung von der Rechenvorrichtung verarbeitet. Die genaue Vorgehensweise hierbei wird weiter unten in Verbindung mit 8a und insbesondere den dort dargestellten Teilzeitschlitzen S5 bis S8 erläutert.
Um bei einem wie in 7 veranschaulichten Computerspiel für mehrere Mitspieler A, B, C, D zwischen den von den Strahlanzeigern 12 der verschiedenen Mitspieler auf die Leinwand 80 gerichteten Strahlen 70 unterscheiden zu können, und jeden Strahl 70 eindeutig einem bestimmten Spieler zuordnen zu können, wird ein Zeitschlitz- Synchronisationsverfahren verwendet, um Zeitabschnitte aufeinander abzustimmen, in denen jeweils nur ein bestimmter Spieler einen Strahl „abschießen" kann.
Diese Synchronisation der einzelnen Phasen erfolgt gemäß dem in 8a gezeigten Synchronisationsschema.
Von einer zentralen Steuerungseinheit werden Synchronisationsimpulse 1 ausgesandt. Eine solche zentrale Steuerungseinheit kann z.B. bei der in 7 gezeigten Spielsituation eine über dem Spielfeld angebrachte Sendevorrichtung 62 sein, die elektromagnetische Steuerungsimpulse in Form von Funkwellen oder optischen Impulsen in den unter ihr liegenden Raum ausstrahlt. Sowohl die Rechenvorrichtung 60 als auch die von den einzelnen Spielern betätigten Strahlanzeiger 12 enthalten jeweils ein Empfangsteil, welches die von der zentralen Steuerungseinheit ausgestrahlten Steuerungsimpulse empfangen kann.
Die einzelnen Empfangsteile werden mittels des in 8 gezeigten Synchronisationsimpulses SYN miteinander synchronisiert. In 8 ist eine Situation gezeigt, wo bis zu 50 Spieler mit ihren jeweiligen Strahlanzeigegeräten beteiligt werden können. Jedem Spieler ist eines der auf den Synchroniationsimpuls folgenden Zeitschlitzfenster (1) bis (50) individuell zugeordnet.
Ist dem Spieler A z.B. das Zeitschlitzfenster (1) zugeordnet und hält der Spieler A sein Strahlanzeigegerät 12 während des Zeitschlitzfensters (1) so auf die in 7 gezeigte Leinwand 80, daß ein Antwortfeld 91 vom Referenzstrahl getroffen wird, so werden die um das Antwortfeld 91 liegenden Sensorelemente (in 7 nicht gezeigt) durch die auf sie dann auftreffenden Hilfsstrahlen aktiviert und senden während des Zeitschlitzfensters (1) Signale an die Recheneinheit 60. Diese ordnet die Signale der aktivierten Sensorelemente dem Spieler A zu und errechnet die Position des Referenzpunkts, auf den der Spieler A seinen Strahlanzeiger 12 ausgerichtet hat. Während des Zeitschlitzes (1) sind die Strahlanzeigegeräte aller anderen Spieler nicht aktivierbar, so daß nur Spieler A durch Betätigung mittels seines Strahlanzeigers einen „Schuß" auf die Leinwand „abfeuern" kann.
Nach Ablauf des Zeitschlitzes 1 wird der Strahlanzeiger des Spielers A gesperrt. Auch wenn er die Eingabetaste seines Strahlzeigers immer noch betätigen sollte, kann dann der von ihm gehaltene Strahlanzeiger keine Strahlung auf die Leinwand emittieren. Dies dauert solange, bis ein neuer Zyklus durch einen darauffolgenden Synchronisationsimpuls ausgelöst wird und ein neuer Zeitschlitz (1) für den Spieler A vorliegt. Der Spieler A kann also zyklisch nur jeweils während der Zeitschlitzfenster (1) feuern.
Ist das Zeitschlitzfenster (1) verstrichen, so wird während des darauffolgenden Zeitschlitzfensters (2) der bis dahin gesperrte Strahlanzeiger des Spielers B freigeschaltet, so daß dieser nun auf Wunsch durch Betätigung einer an seinem Strahlanzeiger angebrachten Eingabetaste „feuern" kann. Nach Beendigung des Zeitschlitzfensters (2) wird das Strahlanzeigegerät des Spielers B gesperrt und erst wieder nach dem zweiten Synchroniationsimpuls während des nächsten Zeitschlitzfensters 2 freigegeben.
Entsprechend wird reihum mit den Strahlanzeigern aller weiteren Spieler verfahren: Spieler C kann nur während der Zeitschlitzfenster 3 feuern, Spieler D nur während der Zeitschlitzfenster 4 usw.
Durch die individuelle Zuweisung von Zeitschlitzen werden also jedem Spieler individuelle zeitliche „Schußfenster" zugewiesen, durch die die auf Projektionsfläche auftreffenden Strahlen jeweils eindeutig einem bestimmten Spieler zugeordnet sind.
Das in 8a gezeigte Synchronisationsschema sieht zudem die Möglichkeit vor, neben den Synchronisationsbefehlen SYN bestimmte weitere Befehle CMD auszusenden. Dadurch ist es möglich, das Schema der Zuordnung der einzelnen Zeitschlitze zu bestimmten Spielern gegenüber dem oben beschriebenen Schema zu ändern. Im soeben diskutierten Ausführungsbeispiel sind z.B., nur vier Spieler involviert, es liegen aber 50 Zeitschlitzfenster vor. Bei der gegebenen Zuordnung (Spieler A zum Zeitschlitzfenster 1, Spieler B zum Zeitschlitzfenster 2; Spieler C zum Zeitschlitzfenster 3 und Spieler D zum Zeitschlitzfenster 4, würden die Zeitschlitzfenster 5 bis 50 also ungenutzt bleiben. Durch eine Neuzuordnung der Zeitschlitzfenster in der Art, daß zum Beispiel Spieler A die Zeitschlitzfenster 1, 5, 9,.. 45 belegt, Spieler B die Zeitschlitzfenster 2, 6, 10,... 46, Spieler C die Zeitschlitzfenster 3, 7, 11,.. 47 und Spieler D die Zeitschlitzfenster 4, 8, 12,..., 48 läßt sich eine bessere Kapazitätsauslastung des Systems erzielen.
Alternativ können durch die Steuerbefehle CMD z.B. bestimmte Stahlanzeiger 12 blockiert werden. So kann es bei einer Präsentation vor Publikum z.B. erwünscht sein, daß nur ein einziges Stahlanzeigegerät, welches von einem Vortragenden benutzt wird, aktivierbar ist, damit der Vortragende auf einer Projektionsfläche einen Zeiger (Cursor) auf einer auf die Projektionsfläche projizierten Benutzeroberfläche aktivieren kann, wohingegen Strahlanzeiger, welche anderen potentiellen Benutzern zur Verfügung stehen, die aber während der Präsentation ein passiv zuhörendes Publikum bilden sollen, während des Vortrags deaktiviert sind.
Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß die einem einzelnen Spieler zugeordneten Zeitschlitzfenster nochmals in sich in einzelne Zeitschlitzfenster (S1 bis S8 in 8a) unterteilt sind, und daß bei Verwendung eines z.B. in 5 gezeigten Strahlanzeigers mit einer rosettenförmigen Strahlaufteilung in einem bestimmten der Teilzeitschlitzfenster S1 bis S4 jeweils nur ein bestimmtes Paar von Lichtlinien aufblitzen kann.
Zunächst werden nur die vier ersten dem Spieler A in 8 zugeordneten Teilschlitzfenster S1, S2, S3 und S4 betrachtet. Der Zweck der Zeitschlitzfenster S5 bis S8 wird weiter unten erläutert.
Bei dem in 8a mit „5" bezeichneten Gesamtstrahlmuster wird im ersten Teilschlitz S1 nur eine vertikale verlaufende Lichtlinie und eine dazu senkrecht stehende horizontale Lichtlinie von dem Strahlanzeiger des Spielers A emittiert. Im zweiten Teilzeitschlitz leuchtet ein Paar von Lichtlinien auf, die gegenüber dem unter dem Teilzeitschlitz S1 gezeigten Lichtlinien um ein bestimmtes Winkelinkrement im Uhrzeigersinn verdreht ist. Mit fortschreitender Teilzeitschlitznummer (von S1 bis S4) wird das angezeigte Linienpaar jeweils um das vorbestimmte Winkelinkrement gedreht.
Typischerweise haben die in 8 gezeigten Zeitschlitzfenster 1, 2,..., 50 jeweils eine Länge in der Größenordnung von je 1 Millisekunde. Die einem solchen Zeitschlitzfenster zugeordneten acht Teilzeitschlitzfenster S1, S2, S3,.. S8 haben dementsprechend eine Länge von je 125 Mikrosekunden. Während eines einem einzelnen Spieler zugeordneten Zeitschlitzfensters werden vier Einzelmessungen in den ersten vier Zeitschlitzfenstern S1 bis S4 zur Ermittlung der Koordinaten der Auftreffpunkte der Hilfsstrahlen auf den Sensoren neben der Projektionsfläche gemacht.
Dies ist in folgender Situation hilfreich: Es kann passieren, daß ein Spieler seinen Strahlanzeiger so hält, daß zum Beispiel wie bei der in 4 gezeigten Anordnung eines auftreffenden Bündels von Lichtlinien 15, 16 nur ein Teil auf Sensorelemente trifft. Die anderen Lichtlinien treffen nicht auf Sensorelemente. Dies kann z.B. dadurch bedingt sein, daß die Sensorreihen, wie in 6 gezeigt, nur längs eines Teils der Projektionsfläche angeordnet sind. Dies kann aber auch daran liegen, daß ein Teil der von einem Strahlanzeiger emittierten Strahlen durch ein davorliegendes Hindernis blockiert sind. Dies kann insbesondere bei einer wie in 7 gezeigten Spielsituation der Fall sein, wenn sich mehrere Spieler in einem Raum vor der Projektionsfläche bewegen und es dabei passieren kann, daß ein Spieler in den Strahlkegel tritt, den ein hinter ihm stehender Mitspieler mit seinem Strahlanzeiger auf die Leinwand wirft.
Die in 8a gezeigte Maßnahme, Teilzeitschlitzfenster S1, S2, S3, S4 einzurichten, die jeweils nur einem der um ein bestimmtes Winkelinkrement in dem rosettenförmigen Strahlmuster zugeordneten Lichtlinien in 8a zugeordnet sind, sorgt dafür, daß in jedem Teilzeitschlitzfenster höchstens zwei sich kreuzende Linien von Hilfsstrahlen auf die Sensoren auftreffen. Aus diese Weise kann dann innerhalb des betreffenden Teilzeilschlitzfensters ein Wert für ihren Kreuzungspunkt, d.h also für den Referenzpunkt, ermittelt werden.
8b zeigt eine Situation, bei der innerhalb eines solchen Teilzeitschlitzfensters (z.B. S1) ein Lichtstrahl z.B. durch einen im Weg stehenden Mitspieler blockiert wird und deshalb nicht auf die Sensoren fallen kann. Hier fehlt ein zur Bestimmung eines vierten Auftreffpunkts P₂₁ benötigter Strahlabschnitt (gestrichelte Linie in 8b).
In der Rechenvorrichtung ist deshalb ein Algorithmus vorgesehen, der die übrigen drei Meßpunkte (Auftreffpunkte P₁₂, P₁₁, P₂₂ der Hilfsstrahlen auf den Sensoren) in diesem Teilzeitschlitzfenster S1 verwirft, da – zumindest mittels des in Verbindung mit den Gleichungen (1) bis (6) aufgezeigten Algorithmus – keine Möglichkeit besteht, aus den drei Punkten P₁₂, P₁₁, P₂₂ in 8b den gesuchten Referenzpunkt P₀ zu ermitteln.
Es sei unterstellt, daß nun aber im nächsten Teilzeitschlitzfenster S2 ein neues und gegenüber dem im Teilszeitschlitz S1 ausgestrahlten Strahlmuster verkipptes Strahlmuster auf Sensoren auftrifft, so wie dies in 8c dargestellt ist. Nun kann der in Verbindung mit den Gleichungen (1) bis (6) erläuterte Algorithmus zur Bestimmung der Koordinaten des Referenzstrahlpunkts P₀ durchgeführt werden.
Ein wie in 5 beispielhaft als Strahlanzeiger 12 ausgeführtes Eingabehilfsgerät kann zusätzlich mit manuell betätigbaren Eingabetasten (in 5 nicht gezeigt) versehen sein. Wird eine solche mit manuell betätigbaren Eingabetasten versehene Eingabehilfe in einem wie in 7 gezeigten Computerspiel eingesetzt, so können die einzelnen Mitspieler durch Drücken der jeweiligen Eingabetasten bestimmte Befehle an die zentrale Rechenvorrichtung übermitteln.
Das Auslesen dieser Befehle kann, wie im folgenden beschrieben, unter Verwendung der in 8a gezeigten Teilzeitschlitzfenster S5 bis S8 erfolgen: Jedem diesen vier Teilzeitschlitzfenster S5 bis S8 ist bei diesem Ausführungsbeispiel eine von insgesamt vier verschiedenen Eingabetasten in dem Sinne zugeordnet, daß bei Betätigen einer bestimmten Eingabetaste ein Strahlmuster in dem zugeordneten Teilzeitschlitzfenster von dem Strahlanzeiger 12 auf eine von Sensoren umgebene Projektionsfläche emittiert wird. Ist z.B. eine erste Eingabetaste in diesem Sinne dem Teilzeitschlitzfenster S5 in 8a zugeordnet, so wird bei Drücken dieser ersten Eingabetaste von dem Strahlanzeiger im Teilzeitschlitzfenster S5 ein Strahlmuster emittiert. Wird die erste Eingabetaste des Stralanzeigers nicht gedrückt, so emittiert der Strahlanzeiger im Teilzeitschlitzfenster S5 keine Strahlung. Trifft also im Teilzeitschlitzfenster S5 Strahlung auf Sensoren, die die Projektionsfläche umgeben, so kann aus dieser Tatsache von der Rechenvorrichtung darauf zurückgeschlossen werden, daß die erste Eingabetaste gedrückt wurde. Da es hierbei nicht mehr um eine Positionsbestimmung eines auf der Projektionsfläche auftreffenden Referenzstrahls geht, sondern nur noch um die Überprüfung der Frage, ob während des Teilzeitschlitzfensters (S5) überhaupt Strahlung auf den Sensoren auftrifft oder nicht, ist es in den zur Überprüfung der Frage, ob eine bestimmte Eingabetaste gedrückt wurde oder nicht, dienenden Teilzeitschlitzfenstern S5 bis S8 belanglos, wieviele und welche Sensoren von einem Lichtstrahl getroffen worden sind, solange wie nur zumindest irgendein Lichtstrahl einen Sensor trifft, um das Drücken einer einem jeweiligen Teilzeitschlitzfenster zugeordneten Eingabetaste zuverlässig nachweisen zu können.
Da die Teilzeitschlitzfenster S1 bis S8, wie erwähnt, jeweils eine Länge von typischerweise 125 Mikrosekunden aufweisen, dauert der Vorgang des Drückens einer Eingabetaste durch eine Bedienperson aufgrund der menschlichen Reaktionszeiten über mehrere der in 8a veranschaulichten Zyklen von Zeitschlitzen 1 bis 50 hinweg.
Obwohl dies in Verbindung mit 1 bis 3 und den Gleichungen (1) bis (6) obenstehend so diskutiert wurde, setzen die erfindungsgemäßen Maßnahmen nicht voraus, daß die Auftreffpunkte der Hilfsstrahlen auf den Sensoren auf gekreuzten Geraden liegen und der Referenzstrahlpunkt der Schnittpunkt solcher Geraden ist.
Vielmehr reicht es generell aus, daß die Koordinaten von Auftreffpunkten von Hilfsstrahlen auf an wohlbekannten Positionen angebrachten Sensoren ermittelt werden können und eine bekannte geometrische Beziehung zwischen den Koordinaten der Auftreffpunkte der Hilfsstrahlen und den zu ermittelnden Koordinaten eines Referenzstrahlpunkts besteht.
Dies soll im weiteren unter Bezugnahme auf 9a bis 10b erläutert werden.
9b zeigt beispielhaft einen Fall, wo die Hilfsstrahlen in einem Querschnitt senkrecht zur Strahlebene auf einem Kreis liegen, und der gesuchte Referenzstrahl in diesem Querschnitt auf den Mittelpunkt des Kreises fällt.
9b veranschaulicht, daß ein Kreis um den Mittelpunkt M mit gegebenem Radius r eindeutig durch drei Punkte auf dem Kreisumfang festgelegt ist. Nur zwei Punkte P₁ und P₂ würden den Kreis noch nicht eindeutig festlegen, da auch ein zum gesuchten Kreis (mit durchgezogenener Umfangslinie gezeichnet) an der Verbindungsstrecke P₁P₂ gespiegelter Kreis mit Radius r (gestrichelt gezeichnet) als Lösung in Frage käme.
Aus den Koordinaten der drei Punkte P₁, P₂, P₃ lassen sich wiederum analytische Formeln für die Berechnung der Koordinaten des Kreismittelpunktes M ableiten, was hier nicht vertieft zu werden braucht.
Das in 9b gezeigte Strahlmuster kann z.B. durch den in 9a gezeigten Strahlanzeiger 12 mit einem mittigen Austrittsloch 41' und einer konzentrisch dazu verlaufenden Kreisschlitzblende 41 erzeugt werden.
Eine Alternative ist in 10b gezeigt, wo die Hilfsstrahlen in einem Querschnitt senkrecht zum Strahlverlauf auf den Eckpunkten eines gleichschenkligen Dreiecks liegen und der gesuchte Referenzstrahl auf den Mittelpunkt M dieses Dreiecks fällt.
Auch hier kann man durch elementare geometrische Überlegungen einen analytischen Zusammenhang zwischen den auf den Eckpunkten des gleichschenkligen Dreiecks und liegenden Hilfsstrahlpunkten P₁, P₂, P₃ und seinem Mittelpunkt M finden (10b). Auch das muß hier nicht vertieft werden.
Das in 10b gezeigte dreiekförmige Strahlmuster läßt sich durch den in 10a gezeigten Strahlanzeiger mit mittig zentriertem Strahlaustrittsloch 41''' und den dieses umgebenden dreieckförmig angeordneten geradlinigen Schlitzen 41'' erzeugen.
Die in Verbindung mit den 1, 9b und 10b diskutierten elementargeometrischen Zusammenhänge zwischen den Koordinaten von gegebenen Hilfspunkten und den Koordinaten von gesuchten Referenzpunkten ermöglichen es letztlich immer, lineare Gleichungssysteme mit mehreren Unbekannten für die gegebenen Koordinaten der Hilfspunkte und die gesuchten Koordinaten des gesuchten Referenzpunktes aufzustellen. Solche Gleichungssysteme können mittels der Methoden der linearen Algebra gelöst werden. Dies gilt auch, wenn andere Strahlmuster verwendet werden, bei denen die elementargeometrischen Zusammenhänge zwischen gegebenen und gesuchten Koordinaten bekannt sind.
Alternativ kann man auch auf die Verwendung von heute weit verbreiteten Softwarebibliotheken zurückgreifen, in denen derartige Probleme aus der analytischen Geometrie gelöst werden.
In 9b und 10b war unterstellt, daß die Strahlung senkrecht auf eine Bildebene auftrifft. Ist dies nicht der Fall, so treten Bildverzerrungen eines schief auf die Bildebene projizierten Bildes auf. Diese Verzerrungsprobleme lassen sich auch mittels geeigneter Software numerisch behandeln.
11 zeigt in perspektivischer Darstellung eine schematische Anordnung von zwei hintereinander angeordneten Ebenen E1, E2, die jeweils von Sensorreihen 10, 11, 12, 13 bzw. 10', 11', 12', 13' eingefaßt sind. Mit einer solchen Anordnung lassen sich in jeder Ebene E1, E2 die Auftreffpunkte P₁, P₂ eines einfallendes Strahls ermitteln. Die beiden Auftreffpunkte legen für sich wieder eine Gerade im Raum fest, die längs des einfallenden Strahls verläuft. Mit anderen Worten: aus den von einer Rechenvorrichtung ermittelten Auftreffpunkten P₁, P₂ kann die Rechenvorrichtung auch den Verlauf des einfallenden Lichtstrahls (Referenzstrahls) im Raum ermitteln.
Dies kann bei bestimmten Computerspielen dazu verwendet werden, von der Orientierung des einfallenden Strahls 70 abhängig Ereignisse auszulösen. Dies ist insbesondere für Computerspiele interessant, wo zwischen den Ebenen E1 und E2 dreidimensional animierte Bildsequenzen dargestellt werden, und wo virtuelle Situationen simuliert werden, bei denen im Spielgeschehen dreidimensionale Objekte nur aus bestimmten Raumwinkelbereichen vor der Ebene E2 „abgeschossen" werden können sollen. Konkret bedeutet das, daß in der virtuellen Bildsituation ein angezeigtes „Objekt" ein anderes „Objekt" aus bestimmten Blickrichtungen überdeckt und deshalb z.B. bei einem „Schießspiel" verhindert werden muß, daß ein von einem Mitspieler aus diesem Raumwinkelelement versehentlich abgefeuerter „Schuß" als „Treffer" zählt.
Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung der Lage eines Auftreffpunkts auf einer Projektionsfläche vorstehend immer in Verbindung mit „aktiven" Projektionsflächen wie Computermonitoren oder Projektionsleinwänden beschrieben worden ist, auf denen im Lauf der Zeit wechselnde Bilder dargestellt werden, ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf solche „aktiven" Projektionsflächen mit sich ändernden Bildern beschränkt, und bei den von der Rechenvorrichtung in Abhängigkeit von den ermittelten Koordinaten des Referenzstrahlpunkts auf einer Projektionsfläche ausgelösten Ereignissen muß es sich nicht notwendigerweise um die Generierung von Bildfolgen handeln.
Weitere sinnvolle Verwendungen eines erfindungsgemäßen Verfahrens können zum Beispiel sein:
Ein interaktives Museumsführersystem, bei dem ein Museumsbesucher z.B. mittels eines manuell zu führenden Laserpointers sichtbares Licht auf ein Gemälde wirft, welches von Sensorreihen umgeben ist. Die auffallenden Strahlbündel sind dabei z.B. wieder in der in 6 gezeigten Weise geformt. Die das Gemälde umgebenden Sensoren werden wieder durch auftreffende Hilfsstrahlen aktiviert und ermöglichen die Bestimmung der Lage des Auftreffpunkts eines auf dem Gemälde auftreffenden Referenzstrahls, welcher z.B. wiederum im Schnittpunkt zweier sich kreuzender Geraden liegt. Der Museumsbesucher kann also mit dem Referenzstrahlpunkts das Gemälde abtasten. Ruht der von dem vom Betrachter gehaltenen Laserpointer ausgesandte sichtbare Referenzstrahlpunkt auf einem Bilddetail, zu dem der Museumsbesucher weitere Einzelheiten zu wissen wünscht, so betätigt er z.B. eine an dem Laserpointer angebrachte Eingabetaste. Damit wird ein Signal auf eine Rechenvorrichtung gegeben, die auch für die Ermittlung der Koordinaten des aktuell abgetasteten Bilddetails verantwortlich ist. Die Rechenvorrichtung ruft sodann Audiodaten ab, die in einem Speichermedium (z.B. einer CD) zu dem betreffenden Bilddetail gespeichert sind. Konkret kann es sich dabei z.B. um eine Erläuterung zu dem aktuell abgetasteten Bilddetail handeln. Diese Audiodaten können dem Museumsbesucher über einen von ihm getragenen Kopfhörer eingespielt werden. Somit wird ein interaktiver Audioführer für den Museumsbesucher zur Verfügung gestellt. Wollen mehrere Besucher gleichzeitig dasselbe Bild mit ihnen jeweils individuell gehörenden Strahlanzeigegeräten „abtasten", so kann vorgesehen sein, daß jeder Laserpointer über eine spezielle Strahlvorrichtung verfügt, mit der sich um den Referenzstrahlpunkt ein individuelles Symbol (z.B. eine dem jeweiligen Laserpointer individuell zugeordnete Nummer) darstellen läßt, so daß die verschiedenen Benutzer den ihnen jeweils eigenen Strahl anhand der zugehörigen Nummer identifizieren und von den Strahlen anderer Benutzer unterscheiden können.
Eine weitere Verwendung kann z.B. bei der Aufgabe von Bestellvorgängen vorliegen. Zum Beispiel kann ein Angestellter in einem Restaurant Bestellungen von Kunden entgegennehmen und in der Küche einen Bearbeitungsvorgang zum Bereitstellen der gewünschten Speisen auslösen, indem er mit einem Strahlanzeigegerät Strahlung auf eine Bilderwand richtet, auf der Fotos der gewünschten Speisen dargestellt sind und welche von Sensoren umgeben ist. Ruht der Refernzstrahlpunkt auf der Abbildung der gewünschten Speise, so wird eine Eingabetaste gedrückt, um den Bestellvorgang auszulösen.
Es sei nochmals betont, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch dann funktioniert, wenn gar kein realer Referenzstrahl auf einer Projektionsfläche auftrifft, sondern der Referenzstrahl lediglich eine gedachte Projektionslinie von einem Punkt auf der Austrittsfläche eines Strahlanzeigers hin zur Projektionsfläche ist, welche von Sensoren umgeben ist, auf die reale, Energie tragende Hilfsstrahlen auftreffen, wobei die realen Hilfsstrahlen in einer bekannten geometrischen Beziehung zu dem in diesem Falle imaginären Referenzstrahl stehen.

Claims

Verfahren zur Eingabe von Befehlen in eine Rechenvorrichtung unter Ausnutzung manuell betätigbarer Eingabehilfsgeräte, dadurch gekennzeichnet, daß die Position des Auftreffpunkts (P₀, M) eines aus Energiestrahlung bestehenden realen oder aber auch eines lediglich geometrisch abstrakten imaginären Referenzstrahls, der mittels manuell betätigbarer Strahlanzeiger (12) auf eine in einer Ebene (E) liegende Projektionsfläche (80) ausgerichtet wird, dadurch ermittelt wird, daß um diese Projektionsfläche liegende Strahlsensoren (5) mit jeweils bekannter Position durch von dem manuell betätigbaren Strahlanzeiger (12) emittierte Hilfsstrahlen aktiviert werden, und sodann die aktivierten Strahlsensoren jeweils ein für jeden einzelnen aktivierten Strahlsensor spezifisches Signal auf eine Rechenvorrichtung (60) geben, wobei die Rechenvorrichtung (60) unter Ausnutzung der Tatsache, daß eine bekannte geometrische Beziehung zwischen den verwendeten Hilfsstrahlen und dem realen oder imaginären Referenzstrahl besteht, die Position des Auftreffpunkts (P₀, M) des Referenzstrahls auf der Projeketionsfläche aus den Positionen der durch die Hilfsstrahlen aktivierten Sensoren (5) ermittelt, und daß die Rechenvorrichtung sodann spezifische weitere Ereignisse in Abhängigkeit von der Position des Auftreffpunkts (P₀, M) des Referenzstrahls auslöst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsstrahlen aus elektromagnetischer Strahlung, nämlich insbesondere Infrarotstrahlung, sichtbarem Licht oder Ultraviolettstrahlung bestehen, oder aber aus Partikelstrahlung, und daß der Referenzstrahl, sofern es sich um einen realen Referenzstrahl handelt, ebenfalls insbesondere aus Infrarotstrahlung, sichtbarem Licht, Ultraviolettstrahlung oder Partikelstrahlung besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Rechenvorrichtung (60) ausgelösten spezifischen Ereignisse die Generierung von Bilddaten betreffen, und die Rechenvorrichtung die Darstellung von den Bilddaten entsprechenden Bildern auf der Projektionsfläche veranlaßt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die durch die Rechenvorrichtung (60) ausgelösten spezifischen Ereignisse die Generierung von Audiodaten betreffen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die auf zumindest einen Teil der Strahlsensoren (5) auftreffenden Auftreffpunkte (P₁, P₂, P₃, P₄) von Hilfsstrahlen auf mindestens zwei in sich jeweils gerade verlaufenen und relativ zueinander gekreuzt stehenden Linien liegen (g₁, g₂) und der Auftreffpunkt (P₀, M) des Referenzstrahls im Schnittpunkt dieser Linien liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die auf zumindest einen Teil der Strahlsensoren (5) auftreffenden Auftreffpunkte (P₁, P₂, P₃, P₄) der Hilfsstrahlen auf einem Kreis liegen und der Auftreffpunkt des Referenzstrahls auf dem Mittelpunkt des Kreises liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die auf zumindest einen Teil der Strahlsensoren (5) auftreffenden Auftreffpunkte (P₁, P₂, P₃, P₄) der Hilfsstrahlen auf den Eckpunkten eines gleichschenkligen Dreiecks liegen und der Auftreffpunkt des Referenzstrahlsauf dem Mittelpunkt (P₀, M) des gleichschenkligen Dreiecks liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei je eine Reihe (1, 2, 3, 4) von in gerader Linie ausgerichteten Strahlsensoren (5) längs einer Kante einer rechteckförmig ausgestalteten Projektionsfläche angebracht ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei je zwei Reihen (10, 11, 12, 13) von Strahlsensoren parallel zueinander angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Strahlsensoren längsgegenüberliegenden Kanten einer rechteckförmig ausgestalteten Projektionsfläche angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, die Strahlung mittels manuell auslösbarer Strahlanzeiger (12) auf die Projektionsfläche gerichtet werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mehrere Strahllinien (15 bis 22) quer zur Strahlaustrittsrichtung eines auf die Projektionsfläche zu richtenden Strahlanzeigers jeweils um ein vorbestimmtes Winkelmaß zueinander verdreht sind.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei eine oder mehrere manuell betätigbare Strahlanzeigevorrichtungen (12) vorgesehen sind, die jeweils in einem Zeitschlitzverfahren von Steuerungsvorrichtungen (62) in jeweils individuell zugeordneten Zeitschlitzintervallen so angesteuert werden, daß jede Strahlanzeigevorrichtung nur während des individuell zugeordneten Zeitschlitzintervalls den Strahlung aussenden kann, so daß die Rechenvorrichtung (60) für jeden Zeitschlitz jeweils nur Signale von Strahlungssensoren (5) empfängt, die aufgrund des Auftreffens von Strahlung aus einer bestimmten manuell betätigbaren Strahlzeigevorrichtung während des Zeitschlitzintervalls aktiviert worden sind, wodurch in der Rechenvorrichtung eine Identifizierung der die Strahlungssenoren aktivierenden Strahlanzeigevorrichtungen ermöglicht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei jeder einer bestimmten Strahlanzeigevorrichtung zugeordnete Zeitschlitz nochmals in sich in feinere Intervalle (S1 bis S8) unterteilt ist, und zumindest in einer ersten Gruppe (S1 bis S4) dieser feineren Intervalle nur jeweils ein Teil der von der Strahlanzeigevorrichtung emittierten Hilfsstrahlen emittiert wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei jede Strahlanzeigevorrichtung mit mindestens einer manuell zu betätigenden Eingabetaste versehen ist, wobei jede Eingabetaste einem der weiteren Intervalle (S5 bis S8) so zugeordnet ist, daß ein Strahlanzeiger Strahlung nur dann in einem bestimmten Intervall emittieren kann, wenn die diesem Intervall zugeordnete Eingabetaste betätigt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in einer vor oder hinter der einer ersten Ebene E1 liegenden zweiten Ebene E2 zusätzliche Strahlsensoren angebracht sind, die ebenfalls durch auftreffende Hilfsstrahlen aktivierbar sind, um Signale auf die Rechenvorrichtung (60) auszugeben, wobei die räumlichen Positionen der zusätzlichen Strahlsensoren ebenfalls bekannt sind, und wobei die Rechenvorrichtung aus den Signalen der von Hilfsstrahen getroffenen Strahlsensoren die Positionen der Auftreffpunkte eines mit den Hilfsstrahlpunkten in bekannter räumlicher Beziehung stehenden Referenzstrahls sowohl auf der ersten Ebene als auch auf der zweiten Ebene ermittelt, und sodann aus der Lage der Auftreffpunkte des Referenzstrahls auf den beiden Ebenen auch die Lage des auf diese beiden Ebenen einfallenden Referenzstrahls (70) im Raum ermitteln kann.
Strahlanzeiger (12) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Strahlanzeiger in einer Austrittsebene Strahlformungsmittel, insbesondere in Forn von Schlitzen oder Beugungsgittern enthält, um austretende Hilfsstrahlen und wahlweise auch austretende reale Referenzstrahlen so zu formen, daß diese in einer bekannten räumlichen Beziehung zueinander auf einer Projektionsfläche auftreffen können.
Strahlanzeiger (12) nach Anspruch 17, wobei eine Strahlformung der austretenden Hilfsstrahlen so erfolgt, daß die auf zumindest einen Teil der Strahlsensoren (5) zum Auftreffen zu bringenden Auftreffpunkte (P₁, P₂, P₃, P₄) von Hilfsstrahlen auf mindestens zwei in sich jeweils gerade verlaufenen und relativ zueinander gekreuzt stehenden Linien liegen (g₁, g₂) und der Auftreffpunkt (P₀, M) des Referenzstrahls im Schnittpunkt dieser Linien zu liegen kommt.
Strahlanzeiger nach Anspruch 17, wobei die Strahlformung so erfolgt, daß die auf zumindest einen Teil von Strahlsensoren (5) zum Auftreffen zu bringenden Auftreffpunkte (P₁, P₂, P₃, P₄) der Hilfsstrahlen auf einem Kreis zu liegen kommt und der Auftreffpunkt des Referenzstrahls auf dem Mittelpunkt des Kreises zu liegen kommt.
Strahlanzeiger nach Anspruch 17, wobei die Strahlformung so erfolgt, daß die auf zumindest einen Teil von Strahlsensoren (5) zum Auftreffen zu bringenden Auftreffpunkte (P₁, P₂, P₃, P₄) der Hilfsstrahlen auf den Eckpunkten eines gleichschenkligen Dreiecks zu liegen kommen und der Auftreffpunkt des Referenzstrahls auf dem Mittelpunkt (P₀, M) des gleichschenkligen Dreiecks zu liegen kommt.
Strahlanzeiger (12) nach einem der Ansprüche 17 bis 20 , wobei die Strahlanzeigevorrichtung einen Empfänger für elektromagnetische Strahlung, bevorzugterweise Infrarotstrahlung enthält, der von einer Steuerungsvorrichtung (62) ausgehende elektromagnetische Steuerimpulse in einem zugeordneten Zeitschlitzfenster empfangen kann, wodurch die Aussendung von Strahlung gesteuert wird.
Synchronisationsanordnung zur zeitlich synchronisierten Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16 für mehrere Benutzer, wobei die Synchronisationsanordnung umfaßt: mindestens zwei Strahlanzeiger (12) nach einem der Ansprüche 17 bis 20; eine Rechenvorrichtung (60) zur Ermittlung der Auftreffpunkte von mittels der Strahlanzeiger emittierten Hilfsstrahlen auf Sensorflächen und zur darauf basierenden Berechnung von Auftreffpunkten der Referenzstrahlen auf einer Projektionsfläche, und zur weiteren Auslödung von Ereignissen; eine Sendevorrichtung (62) zur Aussendung von von elektromagnetischen Signalen an Empfangseinheiten in der Rechenvorrichtung (60) und den Strahlanzeigern (12), wobei die Sendevorrichtung die einzelnen Empfangsteile mittels eines Synchronisationsimpulses in einem Zeitschlitzverfahren miteinander synchronisieren kann, um jedem Benutzer einer der Strahlzeiger ein wohldefiniertes Zeitfenster zuzuordnen.
Computerprogrammprodukt, gespeichert auf einem computerlesbaren Medium, wobei das Computerprogrammprodukt maschinenlesbare Programmmittel zum Einlesen von in dem Computerprogrammprodukt enthaltenen Befehlsfolgen enthält, mittels denen aus den in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16 ermittelte Koordinaten von Auftreffpunkten von Hilfsstrahlen auf Sensorfeldern die Koordinaten eines zu den Hilfsstrahlen in einer wohlbekannten räumlichen Beziehung stehenden Referenzstrahls ermittelt werden und abhängig von den so ermittelten Koordinaten des Referenzstrahls weitere Ereignisse ausgelöst werden.