DE19827991A1 - Touchscreen, lichtgesteuert - Google Patents

Description

Die heute üblichen Touchscreens bedienen sich spezieller Hardware, wie Folientastaturen (EP 0 614 561 A1, EP 0 700 203 A1), Piezogebern oder z. B. einer oder zwei Reihen vor dem Monitor angebrachter Lichtschranken (EP 0 272 884 A2).

Lichtgriffel (DE 27 34 094, DE 32 45 785 ermöglichen durch die in ihrer Spitze eingebauten Lichtempfänger die Positionsbestimmung auf dem Bildschirm. .

Bei einer anderen Ausführung (EP 0 618 528 A1) wird die Unsicherheit der Erfassung wegen der Parallaxe oder benutzerbedingter Ungenauigkeiten durch Speichern eines typischen Fehlers und entsprechende Korrektur der folgenden Eingaben verringert, eine pixelgenaue Eingabe ist mit dieser Methode trotzdem nicht zu erreichen.

Bei der Positionserfassung des Zeigeobjektes mittels Glasplatte und druckempfindlichen Piezoelementen sind neben der Erschütterungsempfindlichkeit evtl. durch eine zusätzliche Glasscheibe die Verringerung des Kontrasts und zusätzliche Reflexionen von Nachteil.

Lichtgriffel sind durch das mit dem Rechner verbundene Kabel unhandlich und besonders vandalismusgefährdet. Kapazitive Verfahren sind empfindlich gegenüber Feuchtigkeit und erlauben prinzipiell auch keine hohen Auflösungen. Mit Lichtschranken lassen sich die zum Skizzieren erwünschten Auflösungen von wenigen, besser einem Pixel praktisch nicht sinnvoll realisieren. Durch die Verwendung spezieller Hardware sind die meisten Touchscreens relativ teuer in der Herstellung.

Aufgabe ist es, mit geringem Hardwareeinsatz folgende Eigenschaften zu ermöglichen:

• - Pixelgenaue Eingabe ohne Parallaxprobleme
• - Eingabe mit dem blanken Finger
• - Unempfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit, Erschütterungen und Fremdlicht
• - Auswertung des auf das Display ausgeübten Druckes
• - Möglichkeit der Anpassung an unterschiedlichste Betriebsbedingungen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen 1 bis 11 genannten Merkmale gelöst.

Gegenüber den bekannten Verfahren ergeben sich folgende Vorteile:
Die Eingabe ist mit der Genauigkeit entsprechend der Displayauflösung möglich.

Fehler durch Parallaxe treten nicht auf.

Die Eingabe kann mit Stift oder direkt mittels Finger erfolgen.

Der Druck des Fingers auf das Display läßt sich ohne weitere Hardware auswerten. Dadurch ist das Aktivieren von Feldern genauso möglich wie die graduelle Eingabe von Grössen.

Erschütterungen können kein Zeigeobjekt vortäuschen.

Der Hardwareaufwand ist gering.

Die Gefahr von Funktionsausfällen durch Vandalismus ist gering.

Durch verschiedene Vorkehrungen läßt sich die Störfestigkeit und die Funktion den Umgebungsbedingungen anpassen.

Im Ausführungsbeispiel sind vier Lichtsensoren an den Ecken des Bildschirms angeordnet.

Diese empfangen das vom Display ausgestrahlte und am Zeigeobjekt reflektierte Licht.

Eine vorgeschaltete Optik mit fächerförmiger Richtcharakteristik, welche nur den Bereich unmittelbar vor dem Bildschirm erfasst, vermindert den Zutritt von Fremdlicht. Ein Hochpaß vor der Analog/Digitalumwandlung mit einer Grenzfrequenz, die der Flankensteilheit des Helligkeitsanstiegs des Displays entspricht, bzw. etwas darunter liegt, reduziert Fremdlichteinflüsse weiter. Die höchste sinnvolle Grenzfrequenz liegt im Bereich von 10% der Pixelrate, falls die Flanken des Zeigeobjekts (Fingers) zur weiteren Auswertung noch als zusammenhängende Strukturen erkannt werden sollen. Durch die zeitliche Verteilung des empfangenen Signals in Bezug auf die Ansteuerung des Monitors wird in von Lichtgriffeln bekannter Weise auf die Position des Zeigeobjektes geschlossen. Die Koordinatenwerte, denen die Zeitintervalle, in denen Licht vom Display durch Reflexion am Zeigeobjekt auf die Sensoren fällt, entsprechen, werden zur Zuordnung der Position des Zeigeobjektes herangezogen. Diese wird beim erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel gespeichert und zu einer Plausibilitätsprüfung beim nächsten Bildaufbau herangezogen. Nur Werte, die plausibel sind, also gewissen, auf Erfahrungen beruhenden Erwartungen entsprechen, werden berücksichtigt. Liegt die nächste ermittelte Position nicht innerhalb eines bestimmten Bereiches, bezogen auf die zuletzt festgestellte Position, wird sie nicht berücksichtigt.

Zu diesem Zweck werden im folgenden Plausibilitätsfenster genannte Fenster definiert.

Deren Eigenschaften ergeben sich u. a. aus der Berücksichtigung einer oder mehr der folgenden Voraussetzungen:

• - Die höchste Geschwindigkeit des Zeigeobjektes beträgt z. B. 1000 Pixel/s.
• - Die maximale Grösse des Zeigeobjektes entspricht z. B. der einer Fingerkuppe.
• - Helligkeit und Farbe des Zeigeobjektes bleiben annähernd konstant.
• - Neuer Zeigevorgang an neuer Position findet immer nach einer Pause statt.
• - Die Abbildung eines Fingers als Zeigeobjekts ist etwa ringförmig, weil die am Bildschirm anliegende, abgeplattete Fingeroberfläche A von den Sensoren nicht einsehbar ist (Fig. 2).

Wird kein Zeigeobjekt festgestellt, wird das Plausibilitätsfenster auf die gesamte Eingabefläche vergrössert. Sobald ein Zeigeobjekt festgestellt wird, wird das Plausibilitätsfenster an der festgestellten Position auf eine vordefinierte Grösse verkleinert.

Befinden sich die darauffolgenden n Werte im Plausibilitätsfenster des letzten Wertes, wird die neue Position als aktuelle behandelt.

Die Wartezeit bis zu Aktualisierung und Neustart beträgt je nach geforderter Geschwindigkeit bzw. Zuverlässigkeit null bis z. B. 30 (n) Bildaufbauzyklen. Bei 85 Hz Bildwiederholfrequenz und fünf Bildaufbauzyklen liegt die Verzögerung bei etwa 60 ms.

Für die meisten Anwendungen kann eine grössere Trägheit in Kauf genommen werden, entsprechend mehr Bildaufbauzyklen können zur Erhöhung der Sicherheit gegenüber moduliertem Fremdlicht zur Auswertung herangezogen werden. Die Gefahr durch Fremdlicht ausgelöste Fehleingaben zu erhalten, ist somit weitestgehend reduziert.

Fällt keine ausreichende Anzahl von aufeinanderfolgenden Positionsermittlungen in das Plausibilitätsfenster, wird der vorhergehende Wert als aktueller beibehalten.

Störungen durch Fremdlicht, welche die anderen Hürden überwunden haben, führen also zu Verzögerungen und mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht zu falschen Positionswerten.

Treten häufig nicht plausible Werte auf, kann dynamisch die Anzahl n der zu vergleichenden Werte verändert werden bzw. können Plausibilitätskriterien verändert und/oder zusätzliche hinzugezogen werden. Es kann z. B. die Grösse des Zeigeobjekts vor jeder Zuordnung überprüft werden oder unter Zuhilfenahme von farbspezifischen Lichtsensoren die Farbe des Zeigeobjekts derart berücksichtigt werden, daß nur Licht mit einer bestimmten spektralen Zusammensetzung ausgewertet wird.

Die in Fig. 2 veranschaulichte Abplattung des Fingers bedingt eine etwa ringförmige Abbildung, da nur die Flanken von den Sensoren einsehbar sind, die Fläche A jedoch nicht.

Diese ringförmige Abbildung kann zur Verifizierung der Berührung des Bildschirms durch einen Finger herangezogen werden. Sie erlaubt die Unterscheidung von anderen Gegenständen und vor allem gegenüber Fremdlicht.

Eine wesentliche Verbesserung bezüglich Bedienungsfreundlichkeit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit wird durch die Anzeige eines Zeigers, analog einem Mauszeiger, eintge mm oberhalb der festgestellten Position des Zeigeobjektes erreicht. Fehler durch Parallaxe treten prinzipiell nicht auf, der Zeiger kann durch die visuelle Rückkopplung exakt positioniert werden. Auch wird es möglich, den Bereich, der vom Betrachter aus gesehen hinter dem Zeigeobjektes liegt, weiß oder zumindest heller darzustellen. Die auf die Sensoren am Rande der Bildfläche fallende Lichtmenge wird so grösser, unabhängig vom jeweiligen Bildinhalt und ohne daß dadurch die Darstellung der zu bearbeitenden Bildstelle beeinträchtigt würde. Der Störspannungsabstand an den Sensoren wird weiter erhöht.

Da die Ausdehnung der Auflagefläche des Fingers in dessen Längsachse Ausdruck der durch den Anpressdruck bedingten Überstreckung des Endgliedes ist, kann sie zur Auswertung des ausgeübten Druckes herangezogen werden. Die Differenzierung ist nur durch die Auflösung des Displays begrenzt. Neben der vertikalen Länge kann die Fläche zur Auswertung herangezogen werden. Dann ergibt sich die Auflösung nicht aus der Zahl der Zeilen in vertikaler Richtung, sie steigt entsprechend der Grösse des Fingers und liegt z. B. bei einer Auflagefläche von mindestens 8 mm×6 mm und höchstens 12 mm×20 mm bei 12×20 - 8×6 = 192 mm² entsprechend z. B. 2200 Bildpunkten, also 2200 Stufen. Sie läßt sich durch Berücksichtigung von Grauwerten weiter steigern.

Zeichnung

Fig. 1 zeigt das vereinfachte Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels.

Fig. 2 zeigt den am Bildschirm anliegenden Finger und dessen druckbedingte Abplattung und das von den Flanken in Richtung Sensoren reflektierte Licht.

Claims (11)

1. Touchscreen zur Eingabe mittels eines Zeigeobjektes an einem Bildschirm unter Ausnutzung der vom Bildschirm ausgehenden Lichtstrahlung, dadurch gekennzeichnet,
daß diese Lichtstrahlung am Zeigeobjekt reflektiert wird,
sich am Rand der Bildschirmfläche wenigstens ein Lichtsensor befindet, und
diese(r) Lichtsensor(en) das reflektierte Licht in elektrische Signale umwandeln.

2. Touchscreen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Sensoren am Rand des Bildschirms jeweils über eine vorgeschaltete Optik verfügen, welche nur einen Bereich unmittelbar vor dem Bildschirm erfasst.

3. Touchscreen nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Sensoren und der Analog/Digitalumwandlung ein Hochpaß liegt, dessen Grenzfrequenz entsprechend der elektrisch/optischen Ansprechgeschwindigkeit des Displays gewählt ist.

4. Touchscreen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Werte der Eigenschatten des Zeigeobjekts, deren Erkennung Störeinflüssen z. B. durch Fremdlicht unterliegt, gespeichert werden und der/die darauffolgend erfasste(n) Wert(e) mit diesen verglichen und auf ihre Plausibilität überprüft werden.

5. Touchscreen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die festgestellten Werte des Zeigeobjektes mit den vorhergehenden n Werten (1≦n≦30) verglichen und nur dann zur Bestimmung der aktuellen Position herangezogen werden, wenn sie den definierten Kriterien entsprechen.

6. Touchscreen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Fenster berechnet werden, in dem/denen die Werte des Zeigeobjekts bezüglich einem oder mehreren der Kriterien: Position, Geschwindigkeit, Richtung, Beschleunigung, Farbe, Grösse und Form während einer definierbaren Anzahl n von Bildaufbauzyklen liegen müssen, um für die Ermittlung der aktuellen Position herangezogen zu werden.

7. Touchscreen nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle häufiger unplausibler Werte die Anzahl der Kriterien und/oder die Grösse des jeweiligen Fensters und/oder die Zahl n der Wiederholungen verändert werden.

8. Touchscreen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Position außerhalb der vom Zeigeobjekt berührten Fläche, z. B. mittig 5 mm oberhalb der aktuellen Position des Zeigeobjekts berechnet wird, an dieser ein Zeiger auf dem Bildschirm angezeigt und diese neue Position zur weiteren Auswertung herangezogen wird.

9. Touchscreen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich vom Betrachter aus gesehen hinter dem Zeigeobjekt heller bzw. unabhängig vom Bildinhalt weiß dargestellt wird.

10. Touchscreen nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation der durch Kratzer, Verschmutzung oder Fremdkörper bedingten Reflexe eine Bitmap des gesamten Bildschirms bzw. des Bereiches, indem das Zeigeobjekt erfasst werden soll, abgespeichert wird. Die von den Lichtsensoren ermittelten Helligkeitswerte werden jeweils mit dieser Bitmap, welche die Fehlerquellen auf der Bildschirmoberfläche enthält, verglichen. Die Abweichungen von der Bitmap werden zur Positionsbestimmung des Zeigeobjekts ausgewertet.

11. Touchscreen nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge oder umschliessende Fläche der von den Sensoren erfassten Kontur des zeigenden Fingers zur Auswertung des Druckes auf die Bildschirmfläche herangezogen wird.