DE4337602A1

DE4337602A1 - Dynamische Orientierungshilfe und Fernsehsimulator für Blinde

Info

Publication number: DE4337602A1
Application number: DE19934337602
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Lehmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-11-01
Filing date: 1993-11-01
Publication date: 1995-05-04

Description

Es ist allgemein bekannt, daß in Kompensation der fehlenden oder ausgefallenen Sehkraft die taktile Wahrnehmungs- und Unterscheidungsfähigkeit blinder Personen eine erstaunliche Leistungsfähigkeit erlangen kann. Auf dieser Fähigkeit beruhte beispielsweise die Entwicklung der Braille-Blindenschrift.

Auch verschiedene Verfahren, die das optische Bild in ein mechanisch abzutasten des Bildrelief verwandeln, machen sich die außerordentlich feine Unterscheidungs fähigkeit der Finger zunutze (z. B. DE 39 07 907 A1 oder DE 40 07 945 A1). Doch liegt hierin gleichzeitig die Grenze dieser Verfahren. Denn da der Bild eindruck durch Überstreichen mit den Fingern gewonnen wird, ergibt sich der Gesamteindruck des abgetasteten Bildes erst nach Abtasten des gesamten Bildfeldes, also im Laufe eines Abtastprozesses. Weil hierbei die Gesamtheit der Bildelemente nicht gleichzeitig wahrgenommen werden kann, ist es eine wesentliche Voraussetzung aller Abtastverfahren, daß das Bildrelief wenigstens für eine gewisse Zeit unverändert bleibt. Damit sind aber derartige Abtastverfahren nicht für die simultane Wahrnehmung einer bewegten Umgebung geeignet.

Wenn man es sich jedoch zum Ziel setzt, dem Blinden nicht nur zur Wahrnehmung unbewegter Bildstrukturen zu verhelfen, sondern ihm auch und vor allem eine Orientierung in bewegter Umgebung zu ermöglichen, so kommt es - vor allem auf der Straße - gerade auf die simultane Wahrnehmung sowohl der bewegten wie auch der unbewegten Anteile des Umgebungsbildes an, damit der Blinde einen realistischen Eindruck seiner Umgebung erhält - wobei der Begriff "Eindruck" hier fast wörtlich zu nehmen ist. Damit scheiden zwar nicht die Hände als Rezeptororgane aus, wohl aber die bisherigen Verfahren, die auf einem Abtastprozeß durch die Finger basieren.

Die hier beschriebene Vorrichtung beruht daher nicht auf einem Abtastvorgang mit Hilfe der Finger, sondern sie verschafft dem Blinden einen Eindruck seiner bewegten Raumumgebung bzw. des Fernsehbildes durch einen mitführbaren Reizumformer, der über eine feste oder biegsame Wahrnehmungsfläche mit einem Körperareal von relativ gleichmäßiger Hautoberfläche Kontakt hat (etwa der Oberbauchregion oder der Kopfhaut). Auf dieser Wahrnehmungsfläche werden die Bildimpulse, die entweder von einer mitgeführten Videokamera stammen, oder durch Fernsehsignal übermittelt werden, als Bildpunkte eines beweglichen Bildes nach Verarbeitung durch einen Rechner in ihrer Gesamtheit über eine entsprechende Anzahl von Reizpunkten simultan und in Echtzeit durch die Sinnesrezeptoren der Haut wahrgenommen.

Demnach besteht die Vorrichtung aus drei Hauptkomponenten:

- Aufnehmende Kamera (Fig. 1a) bzw. Empfänger für das Fernsehsignal (Fig. 1b);
- verarbeitender Rechner (Fig. 2);
- Reizumformer mit der auf einem Hautareal aufliegenden Wahrnehmungsfläche (Fig. 3), von der die durch Kamera oder Fernsehsignal übermittelten Bildpunkte nach Verarbeitung durch den Rechner simultan und in Echtzeit über eine Vielzahl punktueller Hautreize auf dieses Hautareal übertragen werden.

Jedem dieser Teile kommen hierbei spezielle Aufgaben zu. Es stellen sich auch eine Reihe von Problemen, die unterschiedliche Lösungen verlangen oder zulassen.

1a) Aufnehmende Kamera

Vergleicht man die Merkmale der Videokamera (Fig. 1a) mit denen des Auges, so zeigt sich u. a. ein wesentlicher Unterschied in ihrer (primär) mangelnden Fähigkeit, Gegenstände oder Bildausschnitte auch dann zu fixieren, wenn die Kamera bewegt wird. Ohne zusätzliche Maßnahmen läßt sich daher ein stabiles Bild nur im Stand erzielen, nicht jedoch im Gehen.

Üblicherweise ist dies nicht von Belang, da die Kamera mit Hand und Auge geführt wird, und da selten die Notwendigkeit besteht, Aufnahmen im Gehen zu machen.

Doch ist ja das Ziel der hier beschriebenen Orientierungshilfe gerade eine Verbesserung der Bewegungsfähigkeit des Blinden, auch und vor allem im Straßenverkehr. Daher sind Maßnahmen sinnvoll, die ein stabilisiertes Bild auch beim normalen Gehen gewährleisten.

Eine der Möglichkeiten hierfür liegt darin, das Objektiv der Kamera beweglich zu gestalten: nämlich vermittels einer kardanischen oder einer sonstigen geeigneten Aufhängung, wobei die Richtung des Objektivs mit einem elektronischen Steuerelement reguliert wird. Aufgabe dieses Steuerelementes ist es, die Richtung des Objektivs zu bei geringfügigen Schwankungen zu stabilisieren, und zwar so lange, bis ein definierter und veränderlich einstellbarer Winkel überschritten ist. Hierbei ist es sinnvoll, die Stabilisierung durch Richtungskorrektur des Objektivs mit einer elektronischen Bildstabilisierung zu kombinieren, die nachfolgend unter Punkt 2) beschrieben ist.

Zur umgebungsbezogenen Bildstabilisierung durch Korrektur des Kameraobjektivs läßt sich die vertikale Regulierung schwerkraftgesteuert durchführen, und die horizontale Stabilisierung in geeigneter Umgebung durch eine kompaßartige Orientierung am Erdmagnetfeld, oder auch durch Orientierung an einem Funk-, Schall- oder Radarsignal, das sowohl von extern kommen, wie auch geräteseitig ausgesandt werden kann.

1b) Fernsehempfänger

Treten an die Stelle der aufnehmenden Videokamera die Signale eines Fernsehsenders (Fig. 1b), so läßt sich die gesamte Vorrichtung mit geringen Abwandlungen auch als Fernsehsimulator verwenden. Die Probleme der Bildstabilisierung entfallen dabei.

2. Rechnerbearbeitung

Die Evolution hat im Zusammenspiel von Auge und Gehirn spezielle Mechanismen entwickelt, die unter anderem dem Ziel dienen, in einem Konglomerat fest stehender und bewegter Bildelemente nicht bloß eine Summe von Farbflecken wahrzunehmen, sondern eine Gestalt. Ein Merkmal hiervon ist es, daß die Wahrnehmung und Unterscheidungsfähigkeit für Konturen stärker ausgeprägt ist als diejenige für Flächen.

Wandelt man nun das optische Bild punktweise in Reize um, die über Hautrezeptoren wahrgenommen werden können, so hat man es bei der Haut mit einem Sinnesorgan zu tun, das nach gänzlich anderen Kriterien arbeitet.

Ein Beispiel dafür ist die Adaptation: Ein über längere Zeit bestehender gleich bleibender Hautreiz wird, wenn er nicht schmerzhaft oder aus sonstigen Gründen unangenehm ist, nach einiger Zeit nicht mehr oder nur noch stark abgeschwächt wahrgenommen. Hinsichtlich der Übertragung eines optischen Bildes auf die Haut in Form etwa von mechanischen Druckreizen bedeutet das: Die unbewegten Ele mente eines Bildes werden bereits nach Sekunden nicht mehr wahrgenommen.

Dies ist in der Praxis allerdings nicht von entscheidender Bedeutung. In bestimmten Situationen kann hierin sogar ein Vorteil liegen, da ja für den Blinden das größere Problem bzw. die größere Gefahr in dem liegt, was sich um ihn herum bewegt (vor allem natürlich der Straßenverkehr). Außerdem wird das Bild einer unbewegten Umgebung nach Bedarf sofort zum bewegten Bild, indem der Blinde die Richtung der aufnehmenden Videokamera kurzfristig verändert.

Hierbei nun ergeben sich zwei Aspekte, die eine Bearbeitung der Bildsignale durch den vermittelnden Rechner (Fig. 2) sinnvoll machen.

Der eine Aspekt liegt darin, daß mit der Übermittlung bzw. Umformung sämtlicher optischer Anteile des Bildes eine Vielzahl unnötiger Informationen übermittelt wird. So ist beispielsweise die Information über den optischen Inhalt von Flächen überwiegend bedeutungslos. Daher bietet sich eine Bearbeitung der optischen Signale dahingehend an, daß bei Bedarf lediglich die Konturen der einzelnen Bildinhalte auf die Haut übertragen werden, oder jedenfalls die Konturen gegenüber den Flächen hervorgehoben werden.

Ein weiterer Aspekt liegt in der bereits angesprochenen Bewegung der aufnehmenden Videokamera, vor allem beim Gehen. Wie beschrieben, liegt eine Möglichkeit zur Stabilisierung des Bildes in einer kompensierenden Bewegung des Objektivs. Eine weitere Möglichkeit liegt in einer rechnergesteuerten Stabilisierung des Bildausschnitts, wobei dann die jeweils entferntesten Punkte des Bildes die Bezugspunkte bieten. Sinnvoll ist es, durch rechnergesteuerte Kontrolle den Bild ausschnitt solange beizubehalten, bis die Richtungsänderung des aufnehmenden Objektivs einen definierten und einstellbaren Winkel überschritten hat. Auf diese Weise läßt sich verhindern, daß die Veränderungen im Aufnahmewinkel, wie sie sich zwangsläufig bei jedem Schritt ergeben, die Wahrnehmung erschweren. Hierbei können die Methoden zur Stabilisierung der Objektivrichtung mit den rechnerseitigen Methoden zur Beibehaltung eines Bildausschnittes kombiniert werden.

Weiterhin lassen sich bei Bedarf neben der jeweiligen Position eines Bildpunktes auf der Wahrnehmungsfläche noch weitere Informationen zu diesem Punkt berechnen: beispielsweise seine Entfernung vom Blinden. Wählt man (siehe hierzu nachfolgend Punkt 3) ein Umformungsverfahren, das zwei oder mehr Reizformen kombiniert, so lassen sich durch die eine Reizform (z. B. Druck) der jeweilige Ort eines Bildpunktes markieren, hingegen mit der anderen Reizform (z. B. elektrischer Reiz) die Entfernung oder eine sonstige Information.

Sinnvoll ist auch eine weitere Bearbeitung der Bildelemente: nämlich dahingehend, daß zum einen bewegte Elemente generell gegenüber unbewegten in verstärkter Form übertragen werden, zum andern aber zusätzlich verstärkt dann, wenn größere Teile des Bildfeldes eine schnelle Bewegung zeigen.

Eine weitere Möglichkeit der Rechnersteuerung liegt darin, bei statischen Bildern bzw. bei den statischen Bildelementen der Adaptation der Hautrezeptoren dadurch entgegenzuwirken, daß durch einen rechnergesteuerten geringfügigen Bewegungs ausschlag des Bildes oder seiner unbewegten Teile auf der übertragenden Wahr nehmungsfläche das Ansprechen der Hautsensoren reaktiviert wird.

3) Reizumformer mit Wahrnehmungsfläche

Das Prinzip ist die kontinuierliche und simultane Umwandlung der Gesamtheit der von der Kamera übertragenen Bildpunkte in eine Vielzahl hautsensorisch aufnehmbarer Punktreize, die über eine Wahrnehmungsfläche (Fig. 3) in Echtzeit auf ein Hautareal mit relativ homogener Oberfläche übertragen werden, beispielsweise in der Oberbauchregion oder auf der Kopfhaut.

Der Vielfältigkeit der Hautrezeptoren entsprechend sind die Möglichkeiten der Reizumformung, wobei die unterschiedlichen Möglichkeiten sowohl isoliert, als auch in Kombination angewendet werden können.

Neben der simultan stattfindenden punktförmigen Reizung vieler Hautpunkte durch direkte mechanische Stimulation etwa durch eine Vielzahl von nadelähnlichen dünnen Stiften lassen sich weitere Formen der Reizumformung anwenden:

- hydraulisch erzeugte Erhebungen auf der Wahrnehmungsfläche;
- Wärme- und Kältereize;
- elektrische Reize;
- vibratorische Reize;
- Luftaustritt durch feine Düsen;
- Ansaugen durch Unterdruck.

Exemplarisch für diese Verfahren soll hier auf die Übertragung des bewegten Bildes durch die Umformung in mechanische Druckreize eingegangen werden. Ein hierfür mögliches Denkmodell ist der Druckkopf eines vergrößerten Nadeldruckers mit mehreren hundert Nadeln, der in Echtzeit das von der Kamera aufgenommene bewegliche Bild quasi der Haut aufdruckt.

Hierbei zeigen sich zwei mögliche Ausformungen, die auch für die Mehrzahl der anderen Reizumformungen gelten:

- Raster: Für jeden der mehreren hundert Druckpunkte gibt es nur zwei Zustände, nämlich: mit Druck/ohne Druck.
- Abstufung: Nach bestimmten Kriterien wird auf den einzelnen Druckpunkt ein abgestufter Druckreiz ausgeübt.

Die weiteren angeführten Formen der Umwandlung und Übertragung des bewegten optischen Bildes können an die Stelle der mechanischen Reizübermittlung treten. Sie können aber auch zusätzlich zu dieser oder einer anderen Reizform angewandt werden, um zusätzliche Informationen zu vermitteln, beispielsweise die Distanz des jeweiligen auf der Haut dargestellten Bildelementes vom Aufnahmeort.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der gesamten Vorrichtung lassen sich Kamera und Rechner, gegebenenfalls einschließlich des Reizumformers mit der Wahrnehmungsfläche in einer hutartigen Konstruktion zusammenfassen, wobei die Richtung der aufnehmenden Kamera automatisch die des Gesichtes ist.

Claims

1. Dynamische Orientierungshilfe und Fernsehsimulator für Blinde, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildpunkte eines beweglichen Bildes nach Verar beitung durch einen Rechner in ihrer Gesamtheit durch einen Reizumformer in hautsensorisch wahrnehmbare Reize umgeformt und über eine Wahrnehmungs fläche, die einem Hautareal mit relativ homogener Oberfläche aufliegt, simultan und in Echtzeit durch die Sinnesrezeptoren der Haut wahrgenommen werden.

2. Vorrichtung nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bild der bewegten Umgebung durch eine Videokamera geliefert wird.

3. Vorrichtung nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegte Fernsehbild auf die Wahrnehmungsfläche übertragen wird.

4. Vorrichtung nach 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv an der Kamera durch kardanische Aufhängung oder sonstige geeignete Befestigung beweglich angebracht ist, und daß durch ein Steuerelement Schwankungen der Objektiv richtung, die einen bestimmten Winkel nicht überschreiten, durch kompensato rische Gegenbewegung des Objektivs ausgeglichen werden.

5. Vorrichtung nach 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikale Stabilisierung der Objektivrichtung schwerkraftgesteuert erfolgt.

6. Vorrichtung nach 4, dadurch gekennzeichnet, daß die horizontale Stabilisie rung der Objektivrichtung durch eine Orientierung am Erdmagnetfeld erfolgt.

7. Vorrichtung nach 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisierung der Objektivrichtung durch Orientierung an einem externen oder vom Gerät selber ausgesandten Funk-, Schall- oder Radarsignal erfolgt.

8. Vorrichtung nach 2, dadurch gekennzeichnet, daß rechnergesteuert der über tragene Bildausschnitt konstant gehalten wird, solange die an den Fernpunkten des Bildes gemessene Änderung des Aufnahmewinkels einen definierten Winkel nicht überschreitet.

9. Vorrichtung nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechnerbearbeitung der Bildimpulse Konturen hervorhebt und Flächen abschwächt oder reliefartig vereinheitlicht.

10. Vorrichtung nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Rechner bearbeitung der Bildimpulse bewegte Elemente verstärkt werden.

11. Vorrichtung nach 10, dadurch gekennzeichnet, daß die rechnerseitige Ver stärkung bewegter Bildelemente um so intensiver erfolgt, je schneller sich das betreffende Objekt bewegt.

12. Vorrichtung nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei statischen Bildelemen ten oder bei unbewegtem Bild der Adaptation der Hautsensoren rechnergesteuert durch einen geringfügigen Bewegungsausschlag entgegengewirkt wird.

13. Vorrichtung nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wahrnehmungsfläche zur dynamischen Übertragung der umgeformten Bildpunkte durch ein Feld von nadelartigen und einzeln anzusteuernden Stiften gebildet wird.

14. Vorrichtung nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wahrnehmungsfläche zur Übertragung der Bildpunkte durch ein Feld von hydraulisch anzusteuernden Einzelpunkten gebildet wird.

15. Vorrichtung nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wahrnehmungsfläche zur Übertragung der Bildpunkte durch ein Feld von einzeln anzusteuernden Luftdüsen gebildet wird.

16. Vorrichtung nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung der Bildpunkte durch elektrische Reize über ein Elektrodenfeld erfolgt.

17. Vorrichtung nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung der Bildpunkte durch thermische Reize erfolgt.

18. Vorrichtung nach 13-17, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Verfahren der Reizübertragung gekoppelt werden.

19. Vorrichtung nach 18, dadurch gekennzeichnet, daß durch unterschiedliche Reizarten unterschiedliche Informationen hinsichtlich der jeweiligen Bildpunkte übertragen werden.

20. Vorrichtung nach 2, dadurch gekennzeichnet, daß Kamera und Rechner, gegebenenfalls auch der Reizumformer mit Wahrnehmungsfläche in einer hutartigen Konstruktion zusammengefaßt sind.