DE19805994A1 - 3D-Trackball: Verfahren und Vorrichtung zur Manipulation von Körpern im virtuellen Raum eines Computers - Google Patents

3D-Trackball: Verfahren und Vorrichtung zur Manipulation von Körpern im virtuellen Raum eines Computers

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Description

Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Manipulation von Körpern im virtuellen Raum eines Computers, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehungen einer Kugel um Kombinationen der drei senkrecht aufeinanderstehenden Achsen vom Computer gemessen und in Rotationen und Translationen umgesetzt werden.
Stand der Technik
Bei 3D-Eingabeoberflächen müssen die Bewegungen entlang verschiedener Achsen bisher getrennt eingegeben werden.
Allenfalls Bewegungen entlang zweier Achsen sind gleichzeitig manipulierbar. Geräte, die bisher zur Manipulation von Körpern im dreidimensionalen Raum eingesetzt werden, sind:
  • - Tastatur
  • - Maus bzw. Trackball
  • - Datenhandschuh
Nachteile des Standes der Technik
  • - Tastatur
Die Eingabe mittels einer Tastatur ist zu langsam. Außerdem kann immer nur ein Wert erhöht bzw. erniedrigt werden. Also sind auch nur Änderungen an einer Achse möglich.
  • - Maus bzw. Trackball
Hiermit können auch nur höchstens zwei Werte gleichzeitig verändert werden.
  • - Datenhandschuh
Der Datenhandschuh ist kompliziert aufgebaut und damit sehr teuer.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur einfachen Eingabe von Werten für drei Variablen im Computer gleichzeitig und deren Umsetzung in Rotationen und Translationen von Körpern im virtuellen, dreidimensionalen Raum zu schaffen.
Lösung der Aufgabe
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteile der Erfindung
Der 3D-Trackball ist abwärtskompatibel zum 2D-Trackball und zur Computer-"Maus", der Datenhandschuh ist dies nicht.
Der 3D-Trackball ermöglicht eine absolute Manipulation der einzugebenden Variablenwerte (Größe und Richtung), wohingegen der 3D-Joystick nur eine relative Manipulation ermöglicht, nämlich Richtung und nur durch die Zeitdauer des Auslenkens in eine Richtung die Größe des Variablenwertes. Dies ist ein Vorteil insbesondere für CAD-Anwendungen, für die ein Joystick sehr ungeeignet ist.
Der Datenhandschuh ist viel komplizierter aufgebaut als der 3D-Trackball und erfordert größere Vorbereitungen für den Einsatz: Anziehen, Justieren, Rechnerleistung usw.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen Ausführungsbeispiel 1 mechanisch - optische Erfassung (Siehe auch Fig. 1)
Als zentrale Kugel dient ein Tennisball.
Der Tennisball ruht auf einem Quadrat aus waagerecht gelagerten Rädern mit glatter Oberfläche.
Zwei ebensolche Räder sind auf der einen Seite senkrecht aufgestellt.
Die Drehachsen dieser sechs Abgreifrollen sind jeweils nach außen hin verlängert und münden dort nach einer Übersetzung von 1 zu 3 in einer Lochscheibe mit 6 Löchern.
Diese Lochscheibe unterbricht den Lichtstrahl einer Lichtschranke.
Auf dem größeren Zahnrad der Übersetzung ruht eine als Zahnstange benutzte Schnecke, die auf einer Seite so befestigt ist, daß sie nur senkrecht beweglich ist.
Sie übernimmt die Funktion einer Richtungssperre, weil sie bei der einen Drehrichtung nach oben ausweicht und die Drehung freigibt, bei der anderen Drehrichtung aber nach unten gedrückt wird und das Zahnrad sperrt.
Diese "Drehrichtungs-Filter" sind so eingesetzt, daß sich die zwei Räder, deren Achsen jeweils parallel sind, nur in entgegengesetzte Richtungen drehen können.
Dabei hat es sich als günstig erwiesen, daß sich die Räder zum Lagerungsschwerpunkt hin drehen.
Die 6 Lichtschranken bestehen aus einer Platine, auf die eine Leuchtdiode mit Vorwiderstand und ein Fototransistor aufgelötet.
Der Fototransistor leitet den Basisstrom eines npn-Transistors zur Masse hin ab.
Der Kollektor ist jeweils mit einem Eingangsbit des LPT-Ports eines PCs verbunden.
Dreht man nun die Kugel in eine beliebige Richtung, so drehen sich nur die Räder mit, deren Drehrichtungs-Filter die entsprechende Richtung oder Komponenten davon zulassen.
Bei den anderen Rädern rutscht der Tennisball einfach durch, da diese Räder gebremst werden.
Oder der Berührungspunkt liegt ungefähr auf der Drehachse, dann kann keine Drehung übertragen werden.
Die Lichtschranken registrieren nun den Durchlauf der Lochscheiben und geben ihn an den Computer in Form von wechselnden Nullen und Einsen (Strom bzw. kein Strom) weiter.
Die Werte der Räder, die sich nicht drehen, ändern sich nicht.
Der Computer muß nun nur noch die Änderungen zählen und zu bestimmten Variablen addieren, bzw. die Änderungen der Gegenrichtung subtrahieren.
Hinzu kommen noch 3 Taster und eine Status-LED:
Linke Maustaste, rechte Maustaste und eine Taste, die zwischen Rotation und Translation umschaltet.
Die LED dient der Anzeige vom Status "Rotation", ähnlich wie beim "Num-Lock" auf der PC-Tastatur.
Als Eingänge dienen verschiedene Eingangsbits des LPT.
Auch die LED wird über den LPT geschaltet.
Ausführungsbeispiel 2 rein optische Erfassung (Siehe auch Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4)
Die Kugel dieses optischen Trackballs ist eine mit 12 Papierstreifen beklebte Acrylkugel (∅ = 12 cm).
Die Papierstreifen haben die Form von "Apfelsinenschalen-Stücken".
Sie laufen von Pol (der besseren Verständlichkeit halber werden geographische Begriffe für die Ortskodierung auf der Kugel verwendet) zu Pol und erreichen an ihrer breitesten Stelle eine Breite von ca. 3,2 cm, was 30 Längengraden entspricht.
Diese Aufteilung der Kugeloberfläche ermöglicht das Aufbringen eines "gekreuzten" Farbverlaufs durch Bedrucken der Papierstreifen.
Das fertige Muster auf der Kugeloberfläche läßt sich wie folgt beschreiben:
Es besteht aus zwei sich linear überlagernden Farbverläufen.
Der eine läuft von Weiß nach Grün, vom Nord- zum Südpol, entlang der Breitenkreise; der andere, von Weiß nach Rot laufend, hat die Pole als Drehpunkte und läuft parallel zu den Längengraden.
Der Sprung von Rot auf Weiß bei "Greenwich" (Längengrad 0) macht nichts aus; der Computer erledigt das.
Damit ist jeder Punkt auf der Oberfläche der Kugel eindeutig mittels "seiner" Kombination aus Rot- und Grünwert zu identifizieren; der Rotwert entspricht der geographischen Länge, der Grünwert entspricht der geographischen Breite.
Bei diesem 3D-Trackball liegt die Kugel direkt auf den Fototransistoren der optischen Sensoren.
Ein Sensormodul befindet sich senkrecht unter der Kugel, ein zweites steht senkrecht und stützt die Kugel an der Äquatorlinie.
Die Lage der Sensormodule definiert zugleich die fixen Meßpunkte ("Punkte") in den folgenden Ausführungen.
Zwei einfache Leuchtdioden übernehmen den Rest der Lagerung.
Das Ganze ist in eine Salatschüssel aus Plastik eingebaut und mit einem schwarzen Stoff, der das Tageslicht als Störquelle abhält, überzogen.
Jedes der zwei Sensormodule besteht aus zwei eigentlichen Sensoren:
Zwei Leuchtdioden, die über die Ausgänge des LPT-Ports und einen npn-Transistor geschaltet werden, beleuchten einen kleinen Teil der Kugeloberfläche farbig.
Ein Fototransistor mißt den reflektierten Teil dieses Lichts.
Sein Fotostrom wird durch einen Addier-Verstärker (mit Operationsverstärker) in Spannung umgewandelt.
Diese Spannung wird jeweils auf einen Eingang einer A/D-Wandler-Karte gelegt.
Somit ist die Menge des reflektierten LED-Lichts im Computer als digitaler Wert verfügbar.
Auf jedem der zwei Sensormodule ist jeweils ein Sensor mit roten und der andere mit grünen Leuchtdioden ausgestattet.
Der Computer schaltet nun der Reihe nach bei allen 4 Sensoren jeweils die Leuchtdioden an, mißt mit der A/D-Karte den in Spannung umgewandelten Fotostrom und schaltet die Leuchtdioden wieder aus.
Damit besitzt er nun die Werte des von zwei unterschiedlichen Oberflächenpunkten reflektierten Lichts jeweils getrennt in Rot- und Grünanteil.
Die Funktion des optischen Trackballs beruht auf folgenden Phänomenen:
Wird Papier mit rotem Licht beleuchtet, so kann anhand des reflektierten Lichts eine rote Fläche nicht von einer weißen unterschieden werden.
Um so deutlicher ist der Unterschied zwischen einer grünen und einer weißen Fläche.
Bei grüner Beleuchtung ist der Effekt genau andersherum zu beobachten:
Grün verschwindet; Rot tritt scheinbar hervor.
Auf der Kugeloberfläche befindet sich nun mehr oder wenigen Rot mit mehr oder wenigen Grün gemischt.
Der "rote" Sensor beleuchtet dieses Gemisch mit rotem Licht.
Also entfällt der Rotanteil seiner Messung: Er mißt nur noch den Grünanteil.
Dem "grünen" Sensor geht es umgekehrt: Er kann nur den Rotanteil auswerten.
So ergibt sich, daß der Computer die Rot- und Grünanteile an den beiden Sensoren getrennt erfassen kann.
Er kennt nun die Koordinaten der zwei Punkte in Länge und Breite.
Nähme ich nur einen Punkt, so könnte ich Drehungen um die Achse, auf der sich dieses Sensormodul befände, nicht feststellen.
So ist es aber möglich, die Lage der Kugel genau zu bestimmen.
Jede Änderung wird vom Computer registriert und in Drehungen umgesetzt:
  • - Ändern sich nur die Koordinaten des unteren Punkts, so liegt eine Drehung um die X-Achse vor.
  • - Ändern sich nur die Koordinaten des Äquatorpunkts, so dreht sich die Kugel um die beim 3D-Trackball neu eingeführte z-Achse.
  • - Ändern sich die Koordinaten beider Punkte in dieselbe Richtung, dann wird die Kugel um die Y-Achse rotiert.
Die jeweiligen Drehrichtungen sind auch feststellbar, weil die Koordinaten auf der Kugel schon durch die Farbverläufe absolut adressiert sind.
Ebenso sind Drehungen um mehrere Achsen gleichzeitig meßbar.
Hinzu kommen noch 3 Taster und eine Status-LED:
Linke Maustaste, rechte Maustaste und eine Taste, die zwischen Rotation und Translation umschaltet.
Die LED dient der Anzeige vom Status "Rotation", ähnlich wie beim "Num-Lock" auf der PC-Tastatur.
Als Eingänge dienen verschiedene Eingangsbits des LPT.
Auch die LED wird über den LPT geschaltet.

Claims (17)

1. 3D-Trackball: Verfahren und Vorrichtung zur Manipulation von Körpern im virtuellen Raum eines Computers, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehungen einer Kugel um Kombinationen der drei senkrecht aufeinanderstehenden Achsen vom Computer gemessen und in Rotationen und Translationen umgesetzt werden.
2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel selbst mit einer Ortskodierung versehen ist, die zur Identifizierung der Lage der Kugel dient.
3. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Drehungen des Trackballs (der Kugel) mechanisch nach Achsen getrennt und danach erfaßt werden.
4. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Ortskodierung und Dekodierung der Kugel optisch erfolgt. (Siehe Ausführungsbeispiel 2)
5. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Drehungen des Trackballs (der Kugel) mechanisch nach Achsen und Richtungen getrennt und danach optisch erfaßt werden. (Siehe Ausführungsbeispiel 1)
6. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei ineinander gemischte Farbverläufe verschiedener Farben auf die Kugeloberfläche aufgebracht sind, deren Verlaufsrichtungen senkrecht zueinander stehen.
7. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Stärken des von der Kugeloberfläche reflektierten Lichts von Fototransistoren in variierten Fotostrom umgewandelt werden.
8. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Kugel mit farbigem Licht beleuchtet wird.
9. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Kugel mit weißem Licht beleuchtet wird, und daß vor den Fototransistoren Farbfilter angebracht sind.
10. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Sensormodule die Farbwerte der Kugeloberfläche an zwei unterschiedlichen Punkten gemessen werden, wobei der Winkel erstes Sensormodul - Kugelmittelpunkt - zweites Sensormodul ein rechter Winkel ist.
11. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Sensormodul für einen Meßpunkt die Farbwerte beider Farbverläufe getrennt mißt.
12. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der variierte Fotostrom von Operationsverstärkern in Spannung unterschiedlicher Stärke proportional umgewandelt wird.
13. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß diese Spannung von einem Analog-Digital-Wandler digitalisiert wird.
14. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß diese digitalen Informationen dem Computerprogramm zur Verfügung gestellt werden.
15. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Computer anhand der Farbwerte der beiden Meßpunkte die Lage der Kugel bestimmt.
16. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Computer mittels eines Programms aus der Korrelation der Farbverlaufswerte an den beiden Meßpunkten und den Ausgangswerten vor der Bewegung Richtung und Winkel der Kugeldrehung in allen drei Achsen identifiziert und quantifiziert.
17. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Computer diese gemessene und erfaßte Kugeldrehung proportional wahlweise in Rotationen oder Translationen der Körper im virtuellen Raum umrechnet.
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