DE69227211T2

DE69227211T2 - Interaktives Anzeigesystem

Info

Publication number: DE69227211T2
Application number: DE69227211T
Authority: DE
Inventors: Henri Eduard Michel Melotte; Xue Wang
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1991-05-10
Filing date: 1992-05-04
Publication date: 1999-05-20
Anticipated expiration: 2012-05-05
Also published as: EP0513895B1; EP0513895A2; JPH05127816A; DE69227211D1; EP0513895A3; US5126513A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein interaktives Wiedergabesystem, wie im Oberbegriff von Anspruch 1 beschrieben.
Ein solches System ist aus dem US Patent Nr. 4.885.433 bekannt.
Aufgabe des bekannten Systems ist es, die Position des Senders in einer Ebene oder in einem dreidimensionalen Raum zu ermitteln. Im Falle einer Ebene funktioniert die Anordnung wie eine Computermaus und die Zielstelle wird beispielsweise durch einen Cursor am Wiedergabeschirm dargestellt.
Wenn der Sender in einer Ebene bewegt wird und es gibt an bekannten Stellen Empfänger, gibt eine ermittelte Differenz erster Phase zwischen dem Empfang an dem ersten und zweiten Empfänger an, daß der Sender auf einer ersten zweidimensionalen Fläche von Positionen im Raum geortet werden muß. Eine auf gleiche Weise ermittelte Differenz zweiter Phase zwischen dem Empfang an einem dritten und vierten Empfänger (von denen einer der zweite Empfänger sein kann), bedeutet, daß der Sender auf einer zweiten Fläche in dem raum geortet werden muß. Wenn auch die Beschränkung benutzt wird, daß der Sender in der Ebene liegt, wird die Position des Senders durch Lösung des Schnittpunktes der ersten und der zweiten Fläche und der Ebene bestimmt.
Auf alternative Weise benutzt das bekannte System einen fünften und einen sechsten Empfänger zum Ermitteln einer Differenz dritter Phase, wodurch eine dritte Fläche geschaffen wird, die statt der Ebene verwendet werden kann, wenn die Position durch Berechnung des Schnittpunktes dreier Flächen gelöst wird.
Das bekannte System hat den Nachteil, daß die Position aus einem satz nicht linearer Gleichungen gelöst werden soll, welche die Flächen definieren. Dies erfordert einen wesentlichen Rechenaufwand.
In der US Patentanmeldung Nr. 4.862.152 wird eine Positionssteueranordnung beschrieben, wobei ein Sender periodisch HF-Impulse ausstrahlt. Die Zeit punkte der Ausstrahlung und des Empfangs der Impulse werden signalisiert. Die Quadrate der Dauer der jeweiligen Zeitintervalle zwischen Ausstrahlung und Empfang der impulse werden ermittelt. Eine Differenz zwischen Quadraten, die für verschiedene Empfänger berechten wurde, wird verwendet zur Steuerung einer Cursor-Position. Zur Steuerung nur einer Cursor-Koordinate erfordert die Anordnung nach US 4.862.152 ein Signal, das die Übertragung der Impulse angibt und zwei Signale, die den Empfang der Impulse angeben; auch das Quadrat der Dauer der Zeitintevalle soll berechnet werden.
Es ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein interaktives Wiedergabesystem zu schaffen, das weniger Rechenaufwand erfordert als das bekannte System.
Das interaktive Wiedergabesystem nach der Erfindung erfüllt diese Aufgabe, weil es das Kennzeichen aufweist, wie dies in dem kennzeichenen Teil des Anspruches 1 beschrieben wird.
Auf diese Weise wird eine Einphasendifferenz benutzt zur Steuerung einer einzigen Koordinate. Dies verringert den erforderlichen Verarbeitungsaufwand im Vergleich zu dem Fall, wo verschiedene Phasendifferenzen kombiniert werden zum Ermitteln eines Schnittpunktes. Ein Nachteil ist aber, daß zwei Bewegungen des Senders gegenüber den Empfängern mit gleicher Richtung und Amplitude, aber ausgehend von verschiedenen Positionen, im Allgemeinen nicht Bewegungen der Zielstelle mit entweder gleicher Richtung oder gleicher Amplituden entsprechen werden. Dieser Effekt kann örtlich durch eine geeignete Anordnung der Empfänger minimiert werden, aber er kann nicht völlig ausgeschaltet werden. Dies ist, weil durch Verwendung einer unabhängigen Koordinate zwischen der Zielstelle einerseits und der Lage des Senders gegenüber den Empfängern andererseits nicht länger eine lineare Beziehung möglich ist. Weil aber die Zielstelle am Wiedergabeschirm dargestellt wird, kann aber ein Gebraucher des Systems dies korrigieren. Wenn weiterhin der Sender beispielsweise durch Kopfbewegung oder Handbewegungen in dem freien Raum manipuliert wird, ist eine genaue Steuerung der Senderposition ohne Rückkopplung von dem Wiedergabeschirm sowieso nahezu unmöglich.
Für eindimensionale Anwendungen des Systems nach der Erfindung, wie den Gebrauch der Zielstelle zum Selektieren aus einem Menü von Wahlmöglichkeiten, ist nur ein einzigen Empfängerpaar erforderlich. Bei zweidimensionalen Anwendungen sind nur zwei Empfängerpaare erforderlich; dazu schafft die Erfindung einen interaktiven Wiedergabeschirm nach Anspruch 2.
Bei einer weiteren Ausführungsform des interaktiven Wiedergabeschirms nach der Erfindung, wobei der erste, zweite, dritte und vierte Empfänger einen ersten, zweiten, dritten bzw. vierten räumlichen Kegel von Richtungen höchster Richtungsempfangsempfindlichkeit zeigt, weist das Kennzeichen auf, daß der erste, zweite, dritte und vierte Empfänger derart gerichtet sind, daß der räumliche erste, zweite, dritte und vierte räumliche Kegel einander in einem Manipulationsbereich überlappen, wobei der Manipulationsbereich nicht eine Ebene durch den ersten, zweiten und dritten Empfänger einschließt. Die Richtungsempfindlichkeit der Empfänger ist ein gemeinsames Phänomen, das die Gebiete beschränkt, in denen der Sender mit Vorteil benutzt werden kann. Dadurch daß das Gebiet, in dem der Sender die beste Position hat für eine optimale Respons der Empfänger, außerhalb der Ebene der Empfänger positioniert wird, wird die optimale Respons in einem Gebiet erzielt, wo die beziehung zwischen den Senderbewegungen und den gemessenen Phasenabweichungen mehr linear ist als unter den Empfängern untereinander.
Ein zusätzlicher Vorteil der Anordnung des genannten Gebietes außerhalb der Ebene ist, daß die Empfindlichkeitskegel maximal ausgenutzt werden können, weil in diesem Gebiet die Bewegungen des Senders nicht durch Empfänger gesperrt werden. Die relative Manipulierbarkeit des Senders in Bezug auf die Empfänger ist in der genannten Ebene der Empfänger physikalisch gesperrt, und zwar durch das physikalische Vorhandensein der Empfänger (dies ist insbesondere wichtig, wenn beispielsweise der sender auf dem Kopf getragen wird, da der Kopf meistens ziemlich voluminös ist und folglich empfindlich für eine Sperrung; weiterhin ist die Ebene der Empfänger ebenfalls nachteilig aus dem Gesichtspunkt des hindurchgehenden Signals, da der Kopf das periodische Signal auf seinem Weg von dem Sender zu jedem beliebigen Empfänger sperren kann; ähnliche Beobachtungen gelten für handgeführte Sender).
Vorzugsweise ist das genannte Manipulationsgebiet ein Manipulationskegel, der sich ins Unendliche erstreckt. Auf diese Weise ist das Manipulationsgebiet nicht geometrisch begrenzt und es kann eine verbesserte Linearität erzielt werden durch Vergrößerung des Abstandes zwischen den Empfängern und dem Sender. Da die Messung von Phasendifferenzen zwischen Empfängern auch ohne Phasenbezugssignaltransport über Kabel durchgeführt werden kann, braucht auch der Abstand von einem Verbindungskabel nicht eine Beschränkung zu bedeuten.
Es ist nicht notwendig, daß die Koordinatenachse und die weitere Koordinatenachse sich rechtwinklig kreuzen. Damit aber Bewegungen des Senders gegenüber den Empfängern den bewegungen des Ziels am Schirm ungefähr entsprechen, ist es bequem, wenn die erste Koordinatenachse und die zweite Koordinatenachse einander in einem Winkel kreuzen, wobei eine erste Linie durch den ersten und zweiten Empfänger denselben Winkel mit einer zweiten Linie durch den dritten und vierten Empfänger einschließt.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Winkel 90 Grad beträgt. Bei beispielsweise PCs, gibt es Verbindungen zur Ortsregelung (wie Mausverbindungen) über orthogonale Koordinatenachsen. Ein interaktives Wiedergabesystem nach der Erfindung kann auf vorteilhafte Weise solche Verbindungen benutzen, wenn der Winkel 90 Grad beträge.
Die Anzahl Empfänger kann auf drei beschränkt werden, wenn der zweite Empfänger ebenfalls der vierte Empfänger ist. In diesem Fall ist es bequem, wenn der erste, zweite und dritte Empfänger drei Ecken eines gleichschenkligen Dreiecks bilden, wobei der dritte Empfänger der Scheitelwinkel ist, während die zweite Koordinatenachse senkrecht auf der Koordinatenachse steht, wobei die Differenz zweiter Phase als Summe weiterer Phasendifferenzen zwischen dem Empfang im ersten und dritten und dem Empfang im zweiten bzw. vierten Empfänger bestimmt wird. Da in einem gleichschenkligen Dreieck die Seitenhalbierende, die von dem Scheitelwinkel ausgeht und die Basis halbiert, zwangsläufig senkrecht auf der Basis steht, können die Koordinatenachse und die weitere Koordinatenachse orthogonal genommen werden, während die erforderliche Verarbeitung auf einen Summierungsvorgang beschränkt wird.
Alle Verarbeitungsvorgänge, mit der Absicht die Strapazierfähigkeit oder die Benutzerfreundlichkeit des interaktiven Wiedergabesystems nach der Erfindung zu verbessern, können auch einzeln für einzelne Phasendifferenzen durchgeführt werden. Dies verringert den Aufwand solcher Verarbeitungsvorgänge im vergleich zu dem Fall, wo die Phasendifferenzen zunächst kombiniert werden zum Lösen der Position des Senders. Weiterhin läßt sich, durch Bearbeitung der unabhängigen Phasensignale an sich, eine bessere Leistung erzieln, da es keine Artefakte verursacht durch den Schnittpunktslösungsmechanismus geben wird.
An erster Stelle weist eine Ausführungsform des interaktiven Wiedergabesystems nach der Erfindung das Kennzeichen auf, daß die Stellensteuermittel Koordinatenaktualisierungsmittel aufweisen zum Hinzufügen eines Koordinatenaktualisierungswertes zu jeder der genannten ersten und zweiten Koordinate, wobei dieser Koordinatenaktualisierungswert aus dem ersten bzw. zweiten Phasensignal ermittelt wird. Es sei bemerkt, daß bei dem bekannten System, bei dem Flächen sich schneiden, ein solcher Vorgang nur dann sinnvoll ist, wenn er auf die Position angewandt wird, die aus der Lösung der Kreuzungerhalten worden ist und nicht, wenn angewandt auf die Phasendifferenzen, weil dies zu einer nicht linearen Mapping aus den Senderpositionen zu Zielstellen führen würde.
Wenn Aktualisierungen verwendet werden, ist es vorteilhaft, wenn die Stellensteuermittel Skalierungsmittel aufweisen, zum zu einem ersten Zeitpunkt Skalieren des genannen Aktualisierungswertes um einen Faktor, wobei dieser Faktor proportional zu einem zweiten Aktualisierungswert zunimmt, wobei der zweite Aktualisierungswert zu einem zweiten Zeitpunkt auftritt, wobei der zweite Zeitpunkt in der Zeit vor dem ersten Zeitpunkt liegt. Auf diese Weise wird die Empfindlichkeit des Systems variiert, und zwar abhängig von der erforderlichen Bewegung: große Bewegungen lassen sich erzielen mit reduzierten bewegungen des Senders, während kleine Bewegungen kaum gemacht werden zum Erzielen von Genauigkeit, und zwar durch Überempfindlichkeit. Bei der zweidimensionalen Stellenregelung sollte der faktor vorzugsweise für beide Koordinaten identisch sein.
Bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen interaktiven Wiedergabesystem speist jedes der ersten und/oder zweiten Phasendifferenzmeß mittel die Stellensteuermittel über Phasendifferenziermittel, wobei die Phasendifferenziermittel eine erste und/oder zweite zeitdifferenzierte Phasendifferenz speisen als Phasensignal zu den Stellensteuermitteln. Zeitdifferenzierung läßt sich durch Subtrahierung aufeinanderfolgender Phasenwerte implementieren. In Kombination mit den Aktualisierungsmitteln schafft die Zeitdifferenzierung eine proportionale Steuerung der Zielstelle. Es sei bemerkt, daß ohne Zeitdifferenzierung die Aktualisierungsmittel eine integrierende Steuerung schaffen, wodurch es ermöglicht wird, große Bewegungen mit nur kleinen Senderverlagerungen zu machen.
Ein Problem beim Gebrauch von Phasendifferenzmessungen ist, daß die Phasenmessung eine inhärente Vollzyklusphasenmehrdeutigkeit hat. Dies verursacht eine Stellenmehrdeutigkeit, reflektiert möglicherweise zu plötzlichen Zielpositionssprüngen in Antwort auf kleine Senderbewegungen. Es ist möglich, eine solche Positionszweideutigkeit dadurch zu vermeiden, daß der Abstand zwischen den Empfängern von jedem Empfängerpaar zum Ermitteln einer Phasendifferenz, die kleiner ist als eine Wellenlänge des periodischen Signals benutzt wird, oder dadurch, daß die Bewegung des Senders auf einen beschränken Bereich von positionen beschränkt wird.
Diese Lösung kann aber unerwünscht sein. Wenn beispielsweise der Sender in einem bestimmten Abstand von den Empfängern manipuliert wird, wird die Phasenänderung in Antwort auf eine Bewegung des Senders proprtional zu einem ersten und zweiten Empfindlichkeitsverhältnis sich ändern, wobei das erste Verhältnis ein Verhältnis der Bewegung des Senders zu dessen Abstand von den Empfängern ist und wobei das zweite Verhältnis ein Verhältnis des gegenseitigen Empfängerabstandes zu der periodischen Wellenlänge ist. Wenn also das erste Verhältnis gering ist, und zwar durch einen großen Abstand des Senders von den Empfängern, ist es erwünscht, zum Erzielen einer guten Phasenempfindlichkeit, ein großes zweiten verhältnis zu haben. Dies wird aber erreicht auf Kosten von Phasenmehrdeutigkeit und deswegen sind Maßnahmen erforderlich zum Behandeln der Phasenmehrdeutigkeit.
Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen interaktiven Wiedergabesystems speisen die Phasendifferenzierungsmittel die Stellensteuermittel über Trägheitsaufrechterhaltungsmittel zum Einstellen jede erste und/oder zweite Phasensignals möglichst nahe bei einer weiteren zeitdifferenzierten Phasendifferenz, die aufrechterhaltbar ist, indem der zeitdifferenzierten Phasendifferenz eine ganze Zahl hinzugefügt wird, wobei die weitere zeitdifferenzierte Phasendifferenz der zeitdifferenzierten Phasendifferenz zu einem vorhergehenden Zeitpunkt vor einem aktuellen Zeitpunkt entspricht. Stellen können sich schnell ändern, aber Änderungen in der Bewegungsrate sind viel langsamer, weil sie Beschleunigungen erfordern, die entsprechend dem Trägheitsgesetzt von Newton umgekeht proportional zu Masse sind. Wenn also beispielsweise der Sender auf einem menschlichen Kopf angebracht wird, oder in der Hand gehalten wird, wird die Masse des Kopfes oder der Hand die Änderungsrate oder die Bewegungsrate beschränken. Bei der Ausführungsform wird dies unabhängig angewandt auf unabhängige Phasensignale und wird gebraucht, zum Entfernen der den Phasenmessungen inhärenten Vollzyklusphasenmehrdeutigkeit.
Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wiedergabesystems weist das Kennzeichen auf, daß die Phasendifferenzmeßmittel die Stellensteuermittel über Phasenreduziermittel speisen, zum Reduzieren des Phasensignals auf einen Wert, der so nahe bei einem Nullphasenwert liegen kann wie durch Hinzufügung einer ganzen Zahl Phasenzyklen zu der Phasendifferenz nur erzielbar ist. Solange Vollphasenzyklen zugeordnete Verlagerungen im Vergleich zu Bewegungen groß sind, beispielsweise weil aufeinanderfolgende Differenzwerte schnell genug nacheinander genommen werden, wird dies auch Phasenmehrdeutigkeit entfernen.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Phasendifferenzmeßmittel die Stellensteuermittel über Jitterreduktionsmittel speisen zur Beschränkung des Phasensignals auf einen Nullwert, es sei denn, daß das Phasensignal sich außerhalb eines vorbestimmten Abstandes von dem genannten Nullwert befindet. Auf diese Weise wird vermieden, daß kleine Bewegungen, verursacht beispielsweise durch eine Zitterung der Hand oder durch Störung im Empfang, Zielstellenbewegungen verursachen.
Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen interaktiven Wiedergabesystems weist das Kennzeichen auf, daß es Mittelwertbestimmungsmittel aufweist zum Zuführen eines gemittelten Phasensignals zu den Stellensteuermitteln. Auch dies reduziert den Effekt einer Zitterung oder einer Störung.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen interaktiven Wiedergabesystems wird die genannte Zielstelle am Schirm angegeben durch eine Cursorform, wobei diese Cursorform unabhängig ist von der Zielstelle.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen interaktiven Wiedergabesystems ist der Sender in einer Halterung vorgesehen, die geeignet ist zum Befestigen an einem menschlichen Kopf.
Dadurch wird eine Freihandsteuerung der Zielstelle geschaffen. Die Vorteile dieser Anordnung im Vergleich zu einer Maus kann dadurch zusammengefaßt werden, daß der Sender als "Laus" bezeichnet wird:
- er ist kleiner als eine Maus
- er braucht keinen Schwanz
- er kann auf dem Kopf getragen werden.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen interaktiven Wiedergabesystems weist das Kennzeichen auf, daß die Empfänger auf einem manipulierbaren Rahmen vorgesehen sind, versehen mit Mitteln zur schnurlosen Kopplung des Phasensignals mit den Stellensteuermitteln. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Rahmen in einem Abstand von dem Sender benutzt werden soll, der größer ist als die Abstände um den Empfänger herum: durch Drehung des Rahmens kann die relative Lage des Senders gegenüber der Konfiguration von Empfängern völlig umgekehrt werden ohne daß der Rahmen kaum verlagert wird, zum Erreichen desselben Effektes durch Bewegung des Senders, wobei dieser Sender über einen größeren Abstand verlagert werden sollte.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Das erfindungsgemäße interaktive Wiedergabesystem wird unter Verwendung der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes interaktives Wiedergabesystem,
Fig. 2 ein erfindungsgemäßes interaktiven Wiedergabesystem, wobei zwei Koordinaten gesteuert werden,
Fig. 3 Gebiete maximaler Empfindlichkeit der Empfänger,
Fig. 4 eine geometrsiche Anorndung von Empfängern,
Fig. 5 ein erfindungsgemäßes interaktives Wiedergabesystem mit drei Empfängern,
Fig. 6 eine Anzahl Signalverarbeitungsvorgänge, die bei einem erfindungsgemäßen interaktiven Wiedergabesystem angewandt werden können,
Fig. 7 den Effekt der Manipulation eines Senders,
Fig. 7a den Effekt der Manipulation einer Anzahl Empfänger.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt schematisch ein System zur Steuerung der Koordinaten an einer ersten und einer zweiten Koordinatenachse 17, 18 entlang einer Zielstelle 16 auf einer Wiedergabefläche 15. Die Zielstelle ist beispielsweise durch einen Cursor oder durch ein Fadenkreuz an einem Wiedergabeschirm angegeben, wie an einem Elektronenstrahlröhenschirm oder an einem Flüssigkristallschirm.
Die Position der Zielstelle wird unter Verwendung einer Anordnung aus einem Sender 10 und aus zwei Empfängern 11, 12 gesteuert. Die Empfänger 11, 12 sind mit einem Phasendetektor 8 gekoppelt, der die Stellensteuermittel 14 speist. Im Gebrauch überträgt der Sender ein periodisches Signal, wie ein akustisches (Ultraschall) Signal oder ein elektromagnetisches Signal, oder irgendein Signal, das eine abstandabhängige Zeit dauert um von dem Sender 10 zu den Empfängern 11, 12 durch den Raum zu gehen. Wenn das Signal bei einem Empfänger anlangt, ist die Phase des Empfangs des Signals abhängig von dem Abstand zwischen dem Sender und dem betreffenden Empfänger. Der Phasendetektor mißt die Phasendifferenz zwischen der phase des Empfangs des gesendeten Signals an den zwei Empfängern 11, 12. Der Phasendetektor kann jeder beliebige Phasendetektor sein, beispielsweise ein Detektor, der eine Anzahl Zyklen eines Bezugstaktsignals zwischen zwei gleichen Phasenpunkten bei den an dem ersten und zweiten Empfänger 11, 12 empfangenen Signalen zählt. Die gemessene Phasendifferenz wird benutzt zum Steuern der Zielstelle längs der Koordinatenachse 17, beispielsweise dadreuch, daß man die erste Koordinate 19 proportional zu der Phasendifferenz macht.
Die Empfänger 11, 12 befinden sich an einer festen Stelle gegenüber einander, aber der Sender kann sich bewegen gegenüber den Empfängern, oder umgekehrt, die Empfänger können sich gegenüber dem Sender bewegen Eine solche Bewegung wird eine Änderung in der Phasendifferenz verursachen und folglich eine Änderung in der Zielstelle.
In Fig. 2 ist ein ähnliches System zur Steuerung der Zielstelle in zwei Dimensionen dargestellt. Gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 bezeichnen dieselben Elemente, und werden nicht weiter beschrieben. Im Vergleich zu Fig. 1 enthält Fig. 2 einen zusätzlichen dritten und vierten Empfänger 21, 22, die nicht auf derselben Linie liegen wie der erste und zweite Empfänger 11, 12. Die zusätzlichen Empfänger speisen ebenfalls einen Phasendetektor 23 und steuern die Zielstelle längs der zweiten Koordinatenachse 18 am Wiedergabeschirm.
Die zwei Koordinaten werden unabhängig voneinander gesteuert. Dies hat den Vorteil, daß das System von einfachem Entwurf sein kann, aber es hat zur Folge, daß die relative Lage des Senders 10 gegenüber den Empfängern 11, 12, 21, 22 nicht in linearem Zusammenhang mit der Zielstelle stehen kann: beispielsweise zwei Bewegungen des Senders 10 oder der Empfänger 11, 12, 21, 22 mit derselben Richtung und Amplitude, aber ausgehend von anderen Stellen, wird Bewegungen mit anderen Richtungen und Amplituden am Wiedergabeschirm 15 verursachen. Wie nachstehend noch erläutert wird, kann dieser Effekt minimiert werden. Weiterhin kann eine bedienende Person, welche diese Bewegungen verursacht, deren Effekt amWiedergabeschirm beobachten und die Bewegungen korrigieren zum Erhalten der gewünschten Bewegungen.
Fig. 3 zeigt schematisch die Anordnung der Empfänger. Die meisten Empfänger 11 sind richtungsempfindlich, d. h. sie sind empfindlicher für den Empfang von Signalen aus der einen Richtung als von Signalen von einander. Die Richtungen höchster Empfindlichkeit bilden einen Kegel 31, der nicht unbedingt einen kreisrunden Querschnitt haben muß, der sich aber längs gerader Linien von dem Empfänger 11 bis ins Unendliche erstreckt. Das Gebiet höchster Empfindlichkeit eines Paares von Empfängern 11, 12 ist die Überlappung solcher Kegel 31, 32. Falle drei oder vier Empfän ger benutzt werden, nicht in Fig. 3 dargestellt, beschränkt eine ähnliche Überlappung, nun aber von drei oder vier Kegeln das Gebiet höchster Empfindlichkeit.
Vorzugsweise enthält eine solche Überlappung keine Empfänger, und liegt denselben auch nicht nahe. Dadurch wird die Linearität der Übereinstimmung zwischen den Senderbewegungen und den Zielstellenbewegungen in dem maximal empfindlichen Gebiet verbessert. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn vermieden wird, daß das empfindlichste Gebiet um die Empfänger herum liegt, da dies die Manipulation des Senders gegenüber den Empfängern in dem empfindlichsten Bereich stören würde. Wenn beispielsweise der Sender auf dem Kopf vorgesehen wird, ist es erwünscht, daß der Kopf nicht um die Empfänger herum bewegt wird, weil dadurch das Signal zwischen dem Sender und den Empfängern abgefangen wird. Auch wenn das System als Fernsteuerung benutzt wird, ist ein gebiet maximaler Empfindlichkeit in einem bestimmten Abstand von den Empfängern erwünscht.
Es ist möglich, die Überlappung der Kegel sich bis ins Unendliche erstrecken zu lassen. Dies ist vorteilhaft, weil dadurch ein großer Manipulationsraum geschaffen wird. Weiterhin wird dies, wie nachstehend noch erläutert wird, die Linearität der Beziehung zwischen Bewegungen verbessern und zu Phasenänderungen führen, weil Bewegungen in einem solchen Überlappungsbereich kleineren Bewegungen entsprechen in dem Winkel zwischen den Linien, die den Sender mit den Empfängern verbinden, als ähnliche Bewegungen unter den Empfängern.
Fig. 6 zeigt eine Anzahl Signalverarbeitungsvorgänge, denen eine Phasendifferenzmessung einzeln ausgesetzt werden kann. Als erster Schritt kann die Phasendifferenzmessung einem Mittelwertbestimmungsvorgang in Mittelwertbestimmungsmitteln 60 ausgesetzt werden. Dies dient zum Reduzieren von Störung in der Phasendifferenzmessung. Zur Steuerung der Cursor-Position am Wiedergabeschirm 15 kann eine Integrationssteuerung 62 benutzt werden, welche die Zielstellenkoordinate aktualisiert, indem ein Betrag, der von den Phasendifferenzmeßmitteln empfangen wird, dem alten Zielstellenkoordinatenwert hinzugefügt wird (symbolisiert durch ein einfaches Abtastwertverzögerungselement 61). Dies kann zur reinen Integrationssteuerung benutzt werden, was die Möglichkeit bietet, die Zielstelle über einen großen Be reich zu steuern unter Verwendung kleiner aber lange dauernder Verlagerungen des Senders gegenüber den Empfängern.
Das Aktualisierungssignal kann skaliert 64 werden, und zwar unter Verwendung einer vohergehenden Änderung in den Koordinaten zur Steigerung oder Verringerung des Aktualisierungswertes. Auf diese Weise wird, wenn der Sender große Bewegungen macht, die Empfindlichkeit des Systems gesteigert und Im Falle kleiner Bewegungen wird die Empfindlichkeit verringert. Dies hat den Effekt, daß große Bewegungen ihr Ziel schneller erreichen, während kleine Bewegungen keine Überempfindlichkeit aufweisen, was zu Jitter fuhren könnte, und zwar verursacht durch beispielsweise zitternde Hände, welche die Position des Senders steuern. Diese Art von Jitter kann auch durch Eliminierung sehr geringer Aktualisierungswerte in Jitterreduktionsmitteln 65 entfernt werden, wobei diese Mittel im Falle eines kleinen Eingangssignals ein Null-Ausgangssignal erzeugen.
In der Skalierung 64 sind viele Abwandlungen möglich: so kann beispielsweise der Skalierungsfaktor aus einem Mittelwert früherer Aktualisierungswerte erhalten werden, statt aus einem einzigen früheren Aktualisierungswert, wie bei Fig. 6 vorgeschlagen; Skalierung kann auch nicht-linear sein, beispielsweise dadurch, daß der Skalierungsfakor abgeflacht wird um zu vermeiden, daß er zu groß oder zu klein wird. Wenn das System zwei Koordinaten der Zielstelle steuert, wird weiterhin bevorzugt, daß beide denselben Skalierungsfaktor empfangen, hergeleitet aus einer Kombination von Aktualisierungswerten für die beiden Koordinaten.
Es kann auch bequem sein, in der Kopplung der Phasendifferenzierungsmittel 13 zu dem Integrator 62 einen Differenzierer 66 vorzusehen. Im Grunde ergibt die Kombination der Differenzierung 66 und der Integration 62 eine Erkennung, aber durch die Einfügung anderer Signalverarbeitungsvorgänge zwischen dieselben (64, 65), kann die Erkennung geopfert werden zur Verbesserung der Bequemlichkeit und der Strapazierfähigkeit.
Eine andere Option, die nützlich ist in Kombination mit der Differenzierung ist die Entfernung der Phasenmehrdeutigkeit. Im Grunde leidet jede Messung unter Vollzyklusphasenmehrdeutigkeit. Dies kann zu Stellenmehrdeutigkeit oder zu plötzlichen Sprüngen in der Zielstelle führen. Dieser Effekt kann dadurch vermieden plötzlichen Sprüngen in der Zielstelle führen. Dieser Effekt kann dadurch vermieden werden, daß die Empfänger 11, 12 um weniger als eine Wellenlänge voneinander angeordnet werden. Dies beschränkt aber die Empfindlichkeit des Systems; die Phasen- zu Senderpositionsempfindlichkeit kann beschrieben werden durch:
d Phase = (a/Wellenlänge) · (dr/Abstand)
wobei "d Phase" die Änderung in der Phase ist, verursacht durch eine Verlagerung "dr" des Senders gegenüber den Edmpfängern; "Abstand" der Abstand zwischen den Empfängern und dem Sender ist; "a" der Abstand zwischen den Empfängern ist. Aus der Formel für d Phase geht hervor, daß bei zunehmendem Abstand die Empfindlichkeit des Systems verringert. Es ist dennoch erwünscht, den Abstand zu vergrößern, und zwar zur Steigerung der Linearität der Positionssteuerung und zur Steigerung der Bequemlichkeit für den gebraucher. Wie aus der Formel hervorgeht, kann die Empfindlichkeit wieder gesteigert werden, indem der Abstand zwischen den Empfängern im Vergleich zu der Wellenlänge des periodischen Signals verringert wird. Wenn aber der Abstand unterhalb der Wellenlänge gewählt wird, werden die Phasenmehrdeutigkeiten ein Problem.
Zum Entfernen der Phasenmehrdeutigkeiten werden Trägheitsaufrechterhaltungsmittel 68 vorgesehen. Der Grundgedanke dabei ist, daß Bewegungen des Senders sehr schnell sein können, wodurch sehr große Phasenänderungen verursacht werden. Beschleunigungen "a" aber, d. h. Änderungen in der Phasenänderungsrate, sind langsam, weil durch das Trägheitsgesetzt von Newton (F = ma) für eine bestimmte Kraft "F" sie durch die Masse "m" reduziert werden. Die Änderungsrate der Kopfbewegung wird sich beispielsweise nur langsam ändern, so daß wenn der Sender auf dem Kopf vorgesehen ist, nur geringfügige Änderungen der Änderungsrate der Phasendifferenz auftreten werden. Dies kann benutzt werden 68, beim Korrigieren einer Phasenmehrdeutigkeit durch Hinzufügung einer ganzen Anzahl Phasenzyklen zu zeitdifferenzierten Phasendifferenzen, wobei die ganze Anzahl derart gewählt wird, daß die neue Phasendifferenz möglichst nahe bei der alten Phasenänderung liegt.
Wenn die Senderbewegung nicht zu schnell ist im Vergleich zu der Geschwindigkeit, mit der Phasenabtastwerte genommen werden, statt der oben beschriebenen Phasenkorrektur, kann eine einfache Korrektur der zeitdifferenzierten Phasendifferenz mit einem Wert, möglichst nahe bei Null benutzt werden statt einer Trägheitsregelung 68.
Zu jeder Zeit in Fig. 6 können zusätzliche Mittelwertbestimmungsvorgänge 60 durchgeführt werden zum Reduzieren von Störung. Obschon Fig. 6 ein "pipeline"-artiges Verarbeitungssystem vorschlägt, dürfte es einleuchten, daß jede Verarbeitung beispielsweise unter Verwendung eines Mikroprozessors angeandt werden kann zum Implementieren der Fig. 6. Weiterhin sind die Vorgänge einfachheitshalber zusammen dargestellt; die Vorgänge 60, 62, 64, 65, 66, 68 können einzeln oder in Kombination angewandt werden. Fig. 6 will nicht den Eindruck erwecken, daß sie nur in Kombination nützlich sind.
Entweder der Sender oder die Empfänger 11, 12 oder beide können manipuliert werden zur Steuerung der Zielstelle. Wenn aber eine einwandfreie Empfindlichkeit in großem Abstand erforderlich ist, ist es bequem, die Empfänger zu manipulieren. Der Grund dazu ist in Fig. 7 und 7a dargestellt. Eine gleiche seitliche Verlagerung 70 des Senders wird für eine geringfügige abnehmende Änderung in dem Winkel sorgen, wenn der Abstand zwischen Empfängern und dem Sender zunimmt.
Andererseits wird eine geringfügige Drehung 72 der Empfänger eine große Winkeländerung herbeiführen, unabhängig von dem Abstand zwischen dem Sender und den Empfängern. Für Anwendungen über große Abstände ist es deswegen bequem, die Wandler auf einer manipulierten Plattform anzuordnen; dies gilt für jedes interaktives Wiedergabesystem, wobei die Winkellage des Senders gegenüber dem Empfänger benutzt wird; es beschränkt sich nicht auf Systeme, bei denen die Phasendifferenz des Empfangs zwischen Paaren von Empfängern benutzt wird zur unabhängigen Steuerung der Zielstelle. Zur Aufrechterhaltung des Vorteils einer schnurlosen Steuerung, sollte ein Übertragungssystem zum Speisen der Zielstelle am Wiedergabeschirm eingeschlossen sein.
Für nicht allzu große Abstände wird bevorzugt, den Sender zu manipulieren, da dieses Element sehr klein und leicht im Gewicht hergestellt werden kann. Für einige Zwecke kann eine Kopfbefestigung vorgesehen werden, wie eine Klemme, verbunden mit dem Sender, zum Festklemmen desselben an einer Brille, oder eine Brille mit einem Sender. In dem Fall ist es vielleicht angebracht, einen solchen Sender als "Laus" zu bezeichnen, da er eine ähnliche Funktion hat wie eine "Maus", aber:
- kleiner ist als eine Maus,
- keinen Schwanz hat zur Verbindung mit dem restlichen Teil des Systems,
- auf dem Kopf getragen werden kann.
Für das periodische Signal können Ton- oder elektromagnetische Signale verwendet werden. Die Wahl der Frequenz dieses Signals wird durch die Bequemlichkeit der Wellenlänge bestimmt. Die Empfindlichkeit des Systems nimmt zu, je nachdem kleinere Wellenlängen benutzt werden, aber auf kosten größerer Phasenmehrdeutigkeiten. In der Praxis, wobei die Empfänger um einen herkömmlichen Wiedergabeschirm eines PCs oder eines Fernsehempfängers vorgesehen sind, hat sich eine Wellenlänge in der Größenordnung eines Zentimeters, wie beispielsweise bei Ultraschall-Fernsteuereinheiten für Heim-Fernsehgeräte benutzt, die mit etwa 40 kHz arbeiten, als bequem gezeigt. Die vorliegende Erfindung beschränkt sich aber nicht auf solche Wellenlängen oder auf Schall.

Claims

1. Interaktives Wiedergabesystem mit

- einem Sender zum Ausstrahlen eines periodischen Signals, das geeignet ist zur Fortpflanzung durch die Luft;

- einer Anzahl nahezu punktförmiger Empfänger, vorgesehen an betreffenden festen Stellen in Bezug auf einander, während eine relative Position des Senders gegenüber den Empfängern manipulierbar ist, wobei die Empfänger das genannte periodische Signal empfangen können, wobei die Empfänger wenigstens einen ersten und einen zweiten Empfängen enthalten;

- ersten Phasendifferenzmeßmitteln, die von dem ersten und dem zweiten Empfänger gespeist werden, zum Messen einer ersten Phasendifferenz zwischen dem genannten Empfang des periodischen Signals beim ersten und zweiten Empfänger;

- Stellensteuermitteln, die von den ersten Phasendifferenzmeßmitteln gespeist werden um auf Basis eines empfangenen Phasensignals eine Zielstellung an einem Wiedergabeschirm zu steuern,

dadurch gekennzeichnet, daß die Stellensteuermittel eine erste Koordinate der Zielstelle längs einer ersten vorbestimmten Koordinatenachse auf dem Wiedergabeschirm steuern, einzig und allein unter Ansteuerung der ersten Phasendifferenz.

2. Interaktives Wiedergabesystem nach Anspruch 1, wobei die Empfänge einen dritten und einen vierten Empfänger aufweist, wobei das interaktive Wiedergabesystem die nachfolgenden Elemente aufweist:

- zweite Phasendifferenzmeßmittel, die von dem genannten dritten und vierten Empfänger gespeist werden, zur Ermittlung einer zweiten Phasendifferenz, wobei der genannte Empfang des periodischen Signals bei dem dritten und vierten Empfänger benutzt wird,

- die Stellensteuermittel, die von den genannten zweiten Phasendifferenzmeßmitteln gespeist werden, um auf Basis des zweiten empfangenen Phasensignals die Zielstelle zu steuern,

wobei eine erste Ebene durch den Sender und den ersten und zweiten Empfänger nicht mit einer zweiten Ebene durch den Sender und den dritten und vierten Empfänger zusammenfällt, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellensteuermittel eine zweite Koordinate der Zielstelle gegenüber einer zweiten Koordinatenachse steuern, die über die erste Koordinatenachse ausgerichtet ist, ausschließlich unter Ansteuerung der zweiten Phasendifferenz.

3. Interaktives Wiedergabesystem nach Anspruch 2, wobei der erste, zweite, dritte und vierte Empfänger (11, 12, 21, 22) einen ersten, zweiten, dritten bzw. vierten räumlichen Kegel (31, 32) von Richtungen höchster Richtungsempfangsempfindlichkeit zeigt, dadurch gekennzeichnet, daß der erste, zweite, dritte und vierte Empfänger (11, 12, 21, 22) derart gerichtet sind, daß der räumliche erste, zweite, dritte und vierte räumliche Kegel einander in einem Manipulationsbereich (34) überlappen, wobei der Manipulationsbereich nicht eine Ebene durch den ersten, zweiten und dritten Empfänger (11, 12, 21) einschließt.

4. Interaktives Wiedergabesystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Manipulationsgebiet ein Manipulationskegel (34) ist, der sich in das Unendliche Erstreckt.

5. Interaktives Wiedergabesystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Koordinatenachse (17) und die zweite Koordinatenachse (18) einander in einem Winkel kreuzen, wobei eine erste Linie (42) durch den ersten und zweiten Empfänger (11, 12) denselben Winkel (43) mit einer zweiten Linie (41) durch den dritten und vierten Empfänger (21, 22) einschließt.

6. Interaktives Wiedergabesystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel 90º beträgt.

7. Interaktives Wiedergabesystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Empfänger (11) ebenfalls der vierte Empfänger (21) ist.

8. Interaktives Wiedergabesystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste, zweite und dritte Empfänger (11, 12, 21) drei Ecken eines gleichschenkligen Dreiecks bilden, wobei der dritte Empfänger (21) der Scheitelwinkel ist, während die zweite Koordinatenachse (29) senkrecht auf der Koordinatenachse (19) steht, wobei die Differenz zweiter Phase als Summe weiterer Phasendifferenzen zwischen dem Empfang im ersten und dritten (1 l, 21) und dem Empfang im zweiten bzw. dritten Empfänger (12, 21) bestimmt wird.

9. Interaktives Wiedergabesystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellensteuermittel (14, 24) Koordinatenaktualisierungsmittel (62) aufweisen zum Hinzufügen eines Koordinatenaktualisierungswertes zu jeder der genannten ersten und zweiten Koordinate, wobei dieser Koordinatenaktualisierungswert aus dem ersten bzw. zweiten Phasensignal ermittelt wird.

10. Interaktives Wiedergabesystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellensteuermittel (14, 24) Skalierungsmittel (64) aufweisen, zum zu einem ersten Zeitpunkt Skalieren des genannen Aktualisierungswertes um einen Faktor, wobei dieser Faktor proportional zu einem zweiten Aktualisierungswert zunimmt, wobei der zweite Aktualisierungswert zu einem zweiten Zeitpunkt auftritt, wobei der zweite Zeitpunkt in der Zeit vor dem ersten Zeitpunkt liegt.

11. Interaktives Wiedergabesystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der ersten und/oder zweiten Phasendifferenzmeßmittel (13, 23) die Stellensteuermittel (14, 24, 62, 64) über Phasendifferenziermittel (66) speist, wobei die Phasendifferenziermittel (66) eine erste und/oder zweite zeitdifferenzierte Phasendifferenz speisen als Phasensignal zu den Stellensteuermitteln (14, 24, 62, 64).

12. Interaktives Wiedergabesystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasendifferenzierungsmittel (66) die Stellensteuermittel über Trägheitsaufrechterhaltungsmittel (68) steuern zum Einstellen jedes erste und/oder zweite Phasensignal möglichst nahe bei einer weiteren zeitdifferenzierten Phasendifferenz, die aufrechterhaltbar ist, indem der zeitdifferenzierten Phasendifferenz eine ganze An zahl Phasenzyklen hinzugefügt wird, wobei die weitere zeitdifferenzierte Phasendifferenz der zeitdifferenzierten Phasendifferenz zu einem vorhergehenden Zeitpunkt vor einem aktuellen Zeitpunkt entspricht.

13. Interaktives Wiedergabesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasendifferenzmeßmittel (13, 23) die Stellensteuermittel über Phasenreduziermittel speisen, zum Reduzieren des Phasensignals auf einen Wert, der so nahe bei einem Nullphasenwert liegen kann wie durch Hinzufügung einer ganzen Anzahl Phasenzyklen zu der Phasendifferenz nur erzielbar ist.

14. Interaktives Wiedergabesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasendifferenzmeßmittel (13, 23) die Stellensteuermittel über Jitterreduktionsmittel (65) speisen zur Beschränkung des Phasensignals auf einen Nullwert, es sei denn, daß das Phasensignal sich außerhalb eines vorbestimmten Abstandes von dem genannten Nullwert befindet.

15. Interaktives Wiedergabesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es Mittelwertbestimmungsmittel (60) aufweist zum Zuführen eines gemittelten Phasensignals zu den Stellensteuermitteln.

16. Interaktives Wiedergabesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Zielstelle am Schirm (15) angegeben wird durch eine Cursorform, wobei diese Cursorform unabhängig ist von der Zielstelle.

17. Interaktives Wiedergabesystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (10) mit einer Haltung versehen ist, die zur Befestigung auf einem menschlichen Kopf geeignet ist.

18. Interaktives Wiedergabesystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfänger (11, 12, 21, 22) auf einer manipulierbaren Halterung angeordnet sind, die mit Mitteln versehen ist zum schnurlosen Koppeln des Phasensignals mit den Stellensteuermitteln (14, 24).

19. Interaktives Wiedergabesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal, das sich zum Transport durch die Luft eignet, ein akustisches Signal ist.

20. Interaktives Wiedergabesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal, das sich zum Fortpflanzen durch die Luft eignet, ein elektromagnetisches Signal ist.