DE69724416T2 - Zeigersteuerung mit benutzerrückführungsmechanismus - Google Patents

Zeigersteuerung mit benutzerrückführungsmechanismus Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Datenverarbeitungssystem mit vom Benutzer steuerbaren Anordnungen für eine gesteuerte Verlagerung eines Cursors über eine graphische Benutzerschnittstelle, die dem Benutzer des Systems geboten wird. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein System mit Mitteln zum Schaffen von Rückkopplung zu dem Benutzer, insbesondere aber nicht ausschließlich einer Berührungs-Rückkopplung, um den Benutzer mit zusätzlicher Information über die aktuelle Cursorlage gegenüber den Merkmalen der graphischen Benutzerschnittstelle zu versehen.
  • Ein Beispiel eines derartigen Rückkopplungsmechanismus ist in der Europäischen Patentanmeldung EP-A-0 607 580 (Selker/IBM) beschrieben worden, wobei ein Rückkopplungssignal erzeugt wird über die Zustandsinformation, die mit einem Cursor assoziiert ist, wobei derartige Zustandsinformation den Fenstergriff des Cursors enthält. Es wird ein Anzeigestabmechanismus beschrieben, wobei ein Stab an einem der Enden eines Betätigungselementes befestigt ist: ein vorübergehendes Rückkopplungssignal, erzeugt von dem Gastgeber-Computersystem auf Basis der Zustandsinformation aktiviert das Betätigungselement zum Ausüben einer Kraft auf den Anzeigestab. Dieser Stab, der in einer Anzeigestockanordnung unter den Tasten eines Tastenfeldes des Gastgebercomputersystems oder in einer Maussteuerung eingebaut sein kann, ist derart vorgesehen, dass er gegen die Fingerspitze eines Benutzer gedrückt wird bei Aktivierung des Betätigungselementes, das mit dem anderen Ende des Standes verbunden ist. Durch Aktivierung auf Basis der Zustandsinformation, wie durch Verlagerung des Stabes solche Merkmale als Fensterbegrenzungen und Griffe anzugeben, hat das System nach EP-A-0 607 580 die Aufgabe, die Perzeption eines Benutzers zu verbessern wenn der Cursor in einer Lage ist, Objekte durchzuführen oder zu manipulieren, die an dem Schirm wiedergegeben werden, ohne dass die Bewegung des Cursors über den Schirm verlangsamt wird, oder eine Änderung in der Form des wiedergegebenen Cursors zu beobachten um die Stelle anzugeben oder als Ergebnis der Rückkopplung in Form eines physikalischen Widerstandes in Bezug auf die Verlagerung der Cursorsteuerung.
  • Alternative Formen der Rückkopplung, welche die Cursorbewegung begleiten, sind in dem US Patent 5.186.629 (Rohen/IBM) beschrieben worden, wobei eine Com puterschnittstelle für Blinde und Sehbehinderte beschrieben wird. Die Cursorlage und die Selektion von Menüs wird durch Audio-Rückkopplung mit Tonerzeugung und Sprachsynthese angegeben. Außerdem wird Berührungsrückkopplung in Form eines schwachen AC-Stromes durch die Hand des Benutzers hindurch über ein Feld auf der Maus geschaffen. Bei diesem System helfen die Audio- und Berührungssignale dem Benutzer beim Ausbauen eines Bildes der Benutzerschnittstelle.
  • Ähnliche Systeme mit Eingabeeinrichtungen mit Berührungsrückkopplung sind in der internationalen Patentanmeldung WO92/00559A (Gemmell/Hewlett-Packard) und in der Europäischen Patentanmeldung EP0265011A (Mees/Oce-Nederland B.V.) beschrieben, wobei die Verwendung eines Cursors auf einer graphischen Benutzerschnittstelle zum Selektieren oder Verlagern von "selektierbaren Positionen" (Gemmell) oder "selektierbaren Elementen" (Mees) löst die Aktivierung von Berührungsrückkopplungsmechanismen innerhalb einer Benutzereingabeeinrichtung, wie eines Lichtstiftes oder einer Maus aus. Andere ähnliche Berührungsrückkopplungssysteme sind in Drain-Elektrode 43 19 795A und Drain-Elektrode 41 40 780A beschrieben worden.
  • Ein Problem bei den oben genannten Systemen ist die Zuverlässigkeit bei spezifischer Authorisierung für die Präsentation der Benutzerschnittstelle, damit die Cursorzustandsinformation geschaffen wird, wie wenn der Cursor über einen Fenstergriff positioniert wird oder ein Ikon aktiviert wird, damit die Berührungs- oder andere Rückkopplungserzeugung ausgelöst wird. Da Berührungs- und andere Rückkopplungsmechanismen immer wichtiger werden, werden Software-Pakete mit den erforderlichen Hinweisen zum Aktivieren derartiger Mechanismen immer mehr verbreitet. Da zur Zeit das eine dem anderen sehr ähnlich ist, wird die Akzeptanz von Berührungs- und anderen Rückkopplungsmechanismen durch den Benutzer als erwartete oder erforderliche Merkmale allmählich größer.
  • Deswegen ist es u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Mittel zu schaffen zum Erzeugen von Rückkopplungshinweise in Bezug auf eine Cursor-gesteuerte Benutzerschnittstelle unabhängig von Softwaresteuerfunktionen, welche die Wirkung dieser Schnittstelle steuern.
  • Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Computersystem geschaffen zur Steuerung eines Cursors über eine Pixel-Wiedergabeanordnung, wobei das System eine Pixel-Wiedergabeanordnung aufweist zur Wiedergabe eines Cursors; einen mit der genann ten Pixel-Wiedergabeanordnung gekoppelten Computer; eine Cursor-Steuereinrichtung zum Erzeugen von Cursor-Steuersignalen, die mit dem genannten Computer gekoppelt ist, wobei der genannte Computer die genannten Cursor-Steuersignale empfängt, Cursor-Wiedergabesignale erzeugt und der genannten Wiedergabeanordnung die genannten Wiedergabesignale zuführt; und Rückkopplungsmittel um einem Benutzer der genannten Cursor-Steuereinrichtung eine Parametereinstellung anzugeben, mit dem Kennzeichen, dass Überwachungsmittel vorgesehen sind zum Ermitteln eines Tonpegels für wenigstens eines ersten Pixels, das von dem wiedergegebenen Cursor überlagert ist, und wobei die genannte durch die genannten Rückkopplungsmittel dem Benutzer gezeigte Parametereinstellung wenigstens teilweise mit Hilfe der Rückkopplungsmittel von dem ermittelten Tonpegel hergeleitet wird.
  • Ach nach der vorliegenden Erfindung wird eine Cursorsteuereinrichtung zur Steuerung eines Cursors an einer Pixel-Wiedergabeanordnung geschaffen, wobei die Einrichtung Cursor-Steuersignale erzeugt und die genannten Signale zu der genannten Wiedergabeanordnung überträgt, mit Rückkopplungsmitteln um einem Benutzer der genannten Einrichtung eine Parametereinstellung anzugeben, mit dem Kennzeichen, dass die genannte Anordnung weiterhin Überwachungsmittel und Rückkopplungssteuermittel aufweist, wobei die Überwachungsmittel einen Tonpegel für wenigstens ein erstes Pixel bestimmen, das von dem wiedergegebenen Cursor überlagert wird, und wobei die genannte, durch die genannten Rückkopplungsmittel dem Benutzer gezeigte Parametereinstellung wenigstens teilweise mit Hilfe der Rückkopplungsmittel von dem ermittelten Tonpegel hergeleitet wird.
  • Der ermittelte Tonpegel kann der Graupegel oder der Pegel eines oder mehrerer Pixelfarbanteile für das genannte wenigstens eine Pixel sein und die Rückkopplungsmittel können funktionieren, wenn der ermittelte Tonpegel einen ersten Schwellenwert übersteigt, oder einen sich ständig ändernden Rückkopplungspegel liefert, der unmittelbar durch den aktuellen Tonpegel bestimmt wird. Die Überwachungsmittel können dazu vorgesehen sein, den Tonpegel in einem oder mehreren weiteren Gebiete um das erste Gebiet herum zu bestimmen (beispielsweise in jedem von acht Pixeln, die ein erstes selektiertes Pixel umgeben), um eine Differenz für Tonvariation in wenigstens einer Richtung über das erste und weitere Gebiet zu ermitteln, und um die Rückkopplung zu dem Benutzer auf einem Pegel zu erzeugen, der durch die aktuelle Differenz bestimmt wird. In einer derartigen Anordnung sind die Überwachungsmittel auf geeignete An und vorgesehen um Differenzen in zwei senkrecht aufeinander stehenden Richtungen über das erste und weitere Gebiet zu bestimmen, und die Rückkopplungsmittel können dann zwei unabhängig voneinander betriebene Rückkopplungsmittel aufweisen, welche je die Tonvariation in den zwei Richtungen angeben.
  • In Termen einer typischen auf Fenstern basierten Computerschnittstelle werden Fensterbegrenzungen auf deutliche Weise abgegrenzt durch Änderungen in dem Graupegel (oder dem einzelnen Farbanteilpegel) wie Knöpfe oder Schieber. Die Differenz mit der aktuellen Cursorlage in nur einer Richtung oder in den beiden Richtungen X und Y, schafft einen Wert, der die Größe der Änderung in dem Graupegel oder Farbanteilpegel angibt, die an sich wieder Fensterbegrenzungen angeben. In einer alternativen Anordnung können die Überwachungsmittel Cursor-Pixelspeichermittel aufweisen, vorgesehen zum Beibehalten einer Aufzeichnung überschriebener Wiedergabepixelwerte, mit dem Unterschied, dass Tonvariation von der Tonvariation hergeleitet wird über die jüngste Verlagerungslinie des Cursors.
  • Die Rückkopplungsmittel können Krafterzeugungsmittel enthalten, vorgesehen zum Ausüben einer Kraft auf den Körper eines Benutzers des Geräts auf einem Pegel, der durch den bestimmten Tonpegel gesteuert wird. Auf alternative Weise können derartige Krafterzeugungsmittel eine Kraft ausüben auf einem Pegel, der durch einen anderen Faktur bestimmt wird, wobei diese Kraft dann um einen Betrag geändert wird (verringert oder erhöht) um einen Betrag, der von dem bestimmten Tonpegel hergeleitet wird.
  • Die vorliegende Erfindung beschränkt sich nicht auf zweidimensionale Schnittstellen und kann dort angewandt werden, wo die Wiedergabe eine dreidimensionale Computer-erzeugte Umgebung darstellt und der Cursor ein Ikon ist, das unter Ansteuerung des Benutzers in den genannten drei Dimensionen verlagerbar ist, wobei das Gerät für einen derartigen Gebrauch auf geeignete Weise Zusammenstoß- (oder Kontakt)detektionsmittel aufweist, die ermitteln können, wenn der Cursor mit Elementen der virtuellen Umgebung in Kontakt ist, wobei die Rückkopplungsmittel wirksam werden, indem ein derartiger Kontakt beibehalten wird.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im vorliegenden Fall näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1 eine Darstellung eines PCs mit einer zweidimensionalen graphischen Benutzerschnittstelle, wobei die vorliegende Erfindung angewandt wird,
  • 2 eine expandierte Darstellung eines Teils der Pixel-Wiedergabe nach 1, welche die Wirkung der vorliegenden Erfindung illustriert,
  • 3 ein Blockschaltbild, das funktionelle Elemente der Ausführungsform nach 1 zeigt,
  • 4 ein Blockschaltbild von Mitteln zum Erzeugen einer dreidimensionalen virtuellen Umwelt, und von durch den Benutzer bedienbaren Mitteln zur Interaktion mit denselben nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
  • 5 bis 8 einige Konfigurationen von Cursor-Steueranordnungen mit Berührungs-Rückkopplungsmechanismen, die auf geeignete An und Weise im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
  • Zunächst wird eine einfache Implementierung der vorliegenden Erfindung näher betrachtet, die Berührungshinweise im Zusammenhang mit der Präsentation einer herkömmlichen zweidimensionalen graphischen Benutzerschnittstelle schafft, wobei 1 einen typischen PC darstellt, bestehend aus einem PC 10 mit Eingabe von einem Tastenfeld 12 aus und mit Wiedergabe über einen Bildschirm 14. Wie dargestellt, ist die graphische Benutzerschnittstelle von dem durchaus bekannten Fenstertyp, mit zwei Fensters 16, 18, die in "geöffneter" Lage dargestellt sind und zwei weiteren Fenstern, die "geschlossen" sind und für den Benutzer als Ikone 20 verfügbar sind. Die Fenster 16, 18 und die Ikone 20 liegen meistens über eine Hintergrund "Wallpaper" 22, der einen einfachen weißen oder gefärbten Hintergrund oder ein komplexeres Muster aufweisen kann: vom Benutzer selektierbare Wahl aus einem Menü von verschiedenen Wallpapers ist ein Merkmal einer Anzahl durchaus bekannter graphischer Benutzer-Schnittstellenpakete. Selektion, Aktivierung und Manipulation von Ikonen und Fenstern (zusammen mit assoziierten Menü-Knöpfen und Schiebern) durch den Benutzer ist über den Cusor 24, der über den Schirm verlagert werden kann durch Betätigung von Richtungstasten auf einem Tastenfeld 12, oder auf eine mehr benutzerfreundliche An und Weise, durch Verwendung einer weiteren Benutzer-Eingabeeinrichtung (UID), wie einer Maus 26, einer Rollkugel oder eines (nicht dargestellten) Joysticks. Die Maus 26 oder die andere UID ist typischerweise mit einer oder mehreren Tasten 28, mit deren Hilfe Ikone, Cursorknöpfe oder Menü-Items aktiviert werden, wenn der Cursor 24 über sie gestellt wird. Die Techniken zum Erzeugen und für Cursor-Betrieb derarti ger graphischer Benutzer-Schnittstellen werden dem Fachmann durchaus bekannt sein, und werden, ausgenommen wenn erforderlich zur Erläuterung der Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung, nicht weiter beschrieben.
  • Im Betrieb, wobei der Cursor 24 über den Schirm bewegt wird, wird das Zusammentreffen des Cursors mit den Rändern der Ikone oder den Fensterbegrenzungen dem Benutzer über einen Kraft-Rückkopplungsmechanismus, wie ein einfacher Aktuator 30 auf der Maus 26 und positioniert unter die Maus der Hand des Benutzers, wobei der Aktuator 30 gegen die Hand des Benutzers "tickt" um anzugeben, dass gerade eine Begrenzung überquert worden ist. Aus der Lektüre des Nachfolgenden dürfte es einleuchten, dass die spezielle Form der Rückkopplungsanordnung für die Wirkung der vorliegenden Erfindung nicht relevant ist: in der einfachsten Implementierung soll es einfach möglich sein, dem Benutzer anzugeben, dass eine Begrenzung überquert worden ist, und sie kann Berührungsmittel enthalten, wie Betätigungselemente und/oder Audio-Rückkopplung, wie einfache Piepsen. Komplexere Formen der Anordnung können benutzt werden und zur Erläuterung werden einige verschiedene Konfigurationen von Rückkopplungsmitteln und nützlichen (aber nicht unbedingt notwendigen) Merkmale davon nachstehend beschrieben.
  • 2 zeigt schematisch die Wirkungsweise einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zeigt einen Teil der Wiedergabeanordnung nach 1 um die rechte untere Ecke des Fensters 18. Das Fenster hat einen dunklen Rand, der eine Breite von zwei Pixeln hat, wobei verschiedene Hintergrundfarben innerhalb des Fensters 18 und für die "Schirmtapete" (Wallpaper) 22 verwendet worden sind. Verlagerung des Cursors 24 über die Ecke des Fensters 18 wird im Allgemeinen durch den Pfeil 38 angegeben. Eine Reihe von 3 × 3 Pixelflächen A bis G sind längs der Strecke des Cursors dargestellt. Für jede der drei Flächen wird die Änderung in dem Graupegel und/oder einem oder mehreren Farbanteilpegeln (im Allgemeinen nachstehend als Farbtonpegel bezeichnet) benutzt um eine Berührungsrückkopplung zu dem Benutzer auszulösen und vorzugsweise außerdem um den Pegel dafür einzustellen. Dort, wo nur eine einfache Berührungsrückkopplungseinrichtung, wie der Aktuator 30 auf der Maus 26 nach 1, vorgesehen ist, können die abweichenden Gesamttonpegel in jeder der Flächen A bis G benutzt werden um einen betreffenden Kraftpegel für den Aktuator einzustellen, wenn der Cursor sich in der Lage in der Mitte der betreffenden Fläche befindet. In Termen des Beispiels, der Aktuator 30 wird aktiviert, wenn der Cursor sich an den Stellen Bügelmaschine Cm E und F befindet, mit im Allgemeinen einer größeren Applikationskraft an den Stellen B und F (durch den größeren Tonkontrast zwischen der Begrenzung 30 und der Wallpaper 22, im Vergleich zu dem zwischen der Begrenzung und dem Hintergrund des Fensters 18): an den Stellen A, D und G, mit konstante, Ton über die Fläche, wird keine Rückkopplung erzeugt.
  • Zur Verbesserung der zu dem Benutzer rückgekoppelten Hinweise wird die Rückkopplung hergeleitet und in zwei senkrecht aufeinander stehenden Richtungen (auf geeignete Weise die Y- und Y-Koordinaten des Schirms) zugeführt um dem Benutzer kennbar zu machen, wenn horizontale und vertikale Begrenzungen überquert werden. Wenn wir nun zu der 2 zurückkehren, dann wird dies dadurch erreicht, dass das Differential des Tonpegels über jede der Flächen A bis G in Drain-Elektrode X und Y Richtung genommen wird, damit eine unabhängige Rückkopplung für jede dieser Richtungen geschaffen wird. In Termen des Beispiels wird es an den Stellen A, D oder G wieder keine Rückkopplung in den beiden Richtungen geben, an den Stellen B und C wird es eine Rückkopplung in der Y-Richtung geben, aber durch den horizontalen Rand, ist der Ton über die Flächen in der X-Richtung konstant und folglich wird keine horizontale Rückkopplung erzeugt. Im Gegensatz dazu ist an der Stelle E und F der Ton in der Y-Richtung konstant, was keine Rückkopplung in dieser Richtung ergibt, aber hat einen Tongradienten, der zu der Erzeugung von Rückkopplung in der horizontalen X-Richtung führt.
  • 3 ist ein Blockschaltbild der PC-basierten Ausführungsform nach 1. Auf eine im Allgemeinen herkömmliche An und Weise ist eine zentrale Verarbeitungseinheit 40 mit einem ROM und einem RAM 40 bzw. 42 gekoppelt, und zwar über einen Daten- und Adressierungsbus 46. Dateneingabe erfolgt über das Tastenfeld 12 und die UID 26 (wie die Maus aus 1 oder eine Rollkugel bzw. über einen Joystick-Mechanismus). Es sei bemerkt, dass die UID 26 eine relativ einfache Einrichtung sein kann, wobei der Hauptteil der Elementvorgänge zum Herleiten von Rückkopplungspegeln innerhalb des PCs durchgeführt wird, oder es kann eine komplexere Einrichtung sein mit einem Grad von Einzel-Fähigkeiten und die einige oder all diese Komponenten aufweist, die innerhalb der gestrichelten Linie 26' enthalten sind.
  • Bilder zur Wiedergabe werden in digitaler Form in einem Framespeicher 50 zusammengestellt, aus denen die Daten von dem Wiedergabeprozessor 52 zur Zuführung zu der Wiedergabeanordnung 14 ausgelesen werden. Zum Erzeugen der Rückkopplungspegel liefert die CPU 40 eine Flächenadresse PADDR über die Leitung 54 zu einem Flächen puffer 56: diese Flächenadresse identifiziert die 3 × 3 Pixel der Fläche, die in der Mitte der aktuellen Cursorstelle liegt. Bei Empfang dieser Flächenadresse liest der Flächenpuffer 56 die Pixelwerte aus dem Framespeicher 50, wonach sie synchron aus dem Flächenpuffer 56 jeder eines Paares Filterstufen 58, 60 zugeführt werden (je einen Wert für die X- und die Y-Richtung). In einer alternativen (nicht dargestellten) Ausführungsform speziell geeignet für eine einzelne UID-Anordnung, kann der Flächenpufferinhalt dadurch erhalten werden, dass der analoge Ausgang von dem Wiedergabeprozessor 52 abgetastet wird und danach zur Lieferung zu den Filterstufen digitalisiert wird. Nach der Filterung können zum Erhalten der betreffenden Gradienten Dx und Dy die gefilterten Werte über einen seriellen Port zu dem Kraftrückkopplungsmechanismus 62 innerhalb der Benutzer-Schnittstelleneinrichtung 26 weitergeleitet werden oder die Werte können zunächst einer oder mehreren möglichen weiteren Behandlungen ausgesetzt werden. Eine mögliche Behandlung (nicht dargestellt) ist die Werte von Dx und Dey zu mischen oder zu summieren zum Schaffen eines einzigen Rückkopplungspegelwertes: dies wäre erforderlich, beispielsweise, für die Maus 26 aus 1, die nur eine einzige Kraftrückkopplungseinrichtung hat. Eine weitere mögliche Behandlung ist, Dx und Dy durch betreffende Schwellenstufen 64, 66 hindurch zu führen, damit Werte von Dx und Dy unterhalb betreffender vorbestimmter Schwellenwerte gesperrt werden. Das Durchführen einer Schwellenwertbehandlung, was ein Ein- und Abschalten mit Hilfe eines Kippschalters 68 erfolgen kann, und wobei der Pegel gesteuert variiert werden kann (und zwar unter Ansteuerung der CPU über die Leitung 69), kann dort erforderlich sein, wo beispielsweise die Schirmtapete 22 fein strukturiert ist. Um Aktivierung der Rückkopplungsmittel zu vermeiden, wenn der Cursor über eine große Fläche der Tapete 22 gezogen wird, kann der Benutzer wählen, die Berührungsrückkopplung abzuschalten oder es kann ein Schwellenwert eingestellt werden, der etwas über dem mittleren Texturgradienten derartiger Tapete liegt. In dem letzteren Fall werden die Begrenzungen der Fenster und Ikone genügend Kontrast gegenüber dem Hintergrund haben, dass der Benutzer diese sehen kann und folglich genügend Tongradienten um über die Schwelle hinaus zu steigen.
  • In anderen Situationen kann es erwünscht sein, Rückkopplung für alle Pegel des Tongradienten zu schaffen und eine besondere Instanz dabei ist eine Interaktion mit dreidimensionalen Computer-modellierten Umwelten (sog. virtuellen Landschaften), wo der Cursor in Form einer Darstellung der Hand des Benutzers oder in einer anderen Form von Manipulator sein kann, der in drei Dimensionen innerhalb der virtuellen Landschaft in Reaktion auf das Funktionieren einer oder mehrerer Benutzereingabeanordnungen verlagerbar ist. Im Betrieb wird der Benutzer auf geeignete An und Weise mit Kraftrückkopplungsmitteln versehen zum Beschränken von Bewegung oder wenigstens um anzugeben, wenn der Cursor mit einem etwaigen "festen" Gegenstand in Berührung kommt, der innerhalb der virtuellen Landschaft modelliert worden ist. Auf traditionelle Weise wird es, zum Erteilen des Eindrucks einer Textur mittels Kraftrückkopplung, beispielsweise wenn der Cursor (die virtuelle Hand) über die Darstellung einer Ziegelmauer innerhalb der virtuellen Landschaft gleitet, notwendig gewesen sein, dass die einzelnen Ziegelsteine und die Zwischenräume zwischen denselben ein komplettes dreidimensionales Modell erhalten haben, auf dem die Kraftrückkopplung basiert sein kann. Durch Einverleibung der vorliegenden Erfindung können Objekte wie die Ziegelmauer als ebene Flächen modelliert werden, auf denen die Ziegelsteinstruktur auf herkömmliche Weise abgebildet wird. Die durch das Zusammenstoßen des Cursors mit der Wand erzeugte Rückkopplungskraft wird von den Tondifferentialen, hergeleitet wie oben, zum Schaffen einer Berührungsrückkopplung innerhalb der dreidimensionalen Umwelt moduliert.
  • 4 zeigt schematisch einen Teil einer Architektur zum Erzeugen und Präsentieren einer derartigen virtuellen Landschaft zu einem Benutzer. Die Sicht auf die Landschaft wird unter Ansteuerung einer CPU 72 von der Renderingstufe 70 erzeugt. Das erzeugte Bild basiert auf Daten von einem ersten Speicher 74, die das Layout der virtuellen Landschaft spezifiziert und basiert ebenfalls auf dem Gesichtspunkt (X, Y, Z) und der Orientierung (θ, ϕ), die voreingestellt werden können oder aus (nicht dargestellten) Berechnungsmitteln eingegeben werden können, die Verlagerungen von beispielsweise einer vom Benutzer auf dem Kopf getragenen Wiedergabeanordnung überwacht. Auf Basis geometrischer Oberflächen von Gegenständen und Merkmale der virtuellen Landschaft, wie in den Daten aus dem Speicher 74 spezifiziert, können mehrere Texturen aus den Daten in einem weiteren mit der Renderingstufe 70 gekoppelten Speicher 78 abgebildet werden. Texturabbildung ist eine durchaus bekannte Technik und vermeidet die Notwendigkeit, dreidimensionale Modelle in allen Einzelheiten zu erzeugen.
  • Wie bei der oben beschriebenen einfachen zweidimensionalen Schnittstelle ist ein durch den Benutzer gesteuerter Cursor vorgesehen, wobei dieser Cursor in Form einer Hand oder eines anderen virtuellen Manipulators sein kann. Das Erscheinen dieses Cursors wird zusammen mit Daten und/oder Regeln, die das Funktionieren steuern, wird in einem weiteren Speicher 80 zum Aufrufen durch die Renderingstufe 70 gespeichert, damit eine Darstellung des Cursors über die virtuelle Landschaft an der geeigneten Stelle liegend, erzeugt werden kann (wobei die Cursor-Stelle und -Orientierung von der CPU 72 aus, der Renderingstufe zugeführt wird). Wenn entweder ein einziges Bild oder ein Stereo-Paar Bilder zur Wiedergabe an einem flachen Schirm bzw. in einer stereoskopischen Wiedergabeanordnung erzeugt worden sind werden die zusammengesetzten Bilder einem Framespeicher 82 zugeführt, und zwar zur späteren Ausgabe zu einer Wiedergabeanordnung.
  • Die Benutzereingabeanordnung, allgemein durch die gestrichelte Linie 84 angegeben, umfasst Mittel 86 zum Detektieren von Bewegung der Anordnung und zum Weiterleiten derselben zu der CPU 72. Unter Bezugnahme auf eine Aufzeichnung der jüngsten Bewegungshistorie für den Cursor, gespeichert in dem Cursorbewegungsspeicher 88, berechnet die CPU 72 die aktuelle Cursorlage zur Lieferung zu der Renderingstufe 70. Wie dargestellt hat die UID 84 eine weitere Verbindung mit der CPU 72, über die das Funktionieren einer oder mehrerer Steuerungen oder Schalter in der UID 84 zu der CPU 72 angegeben wird – vielleicht um anzugeben, dass der Cursor einen Gegenstand innerhalb der virtuellen Landschaft greifen oder loslassen soll auf eine ähnliche Weise wie zum betätigen herkömmlicher Maustasten mit einer zweidimensionalen Schnittstelle. Es dürfte einleuchten, dass die Form der Steuerungen 90 an der UID 84 abhängig sein wird von der Anzahl Merkmale, wie dem Entwurf der Bestandteile der virtuellen Landschaft, dem Entwurf des Cursors und gewissen Begrenzungen daran, wie die zwei interaktiv sein können.
  • Wie dargestellt, umfasst die UID 84 ebenfalls erste und zweite Rückkopplungsmechanismen 92 und 94, die dem Benutzer in der X- und in der Y-Richtung Kraftrückkopplung erteilen um einen Zusammenstoß zwischen dem Cursor und Objekten innerhalb der virtuellen Landschaft anzugeben. Wenn die UID 84 eine Anordnung ist, die imstande ist eine Bewegung in drei Dimensionen durchzuführen, wird vorzugsweise auch Kraftrückkopplung in der Z-Richtung geliefert. Das Auftreten eines Zusammenstoßes wird ermittelt durch die Vergleichsstufe 96, die mit der CPU 72 und auch mit einem Z-Speicher gekoppelt ist, der entsprechende Tiefenwerte für Pixelwerte der Schirmbasis innerhalb des Framepuffers 82 enthält, die im Allgemeinen benutzt werden um auf bekannte Art und Weise versteckte Flächen zu entfernen. Bei Ermittlung, dass ein Zusammenstoß aufgetreten ist ermittelt eine Aufprallberechnungsstufe 100, die mit dem Cursorbewegungsspeicher 88 gekoppelt ist, die Kraft und die Richtung der den Rückkopplungsanordnungen 92, 94 in nerhalb der UID 84 auf Basis der vorhergehenden Geschwindigkeit des Cursors und der zugeordneten Nennträgheit zu liefernden Rückkopplung.
  • Bevor sie den Kraftrückkopplungsanordnungen 92, 94 zugeführt werden, werden die Horizontal- und/oder Vertikal-Aufprallkräfte in der Stufe 102 durch Differentale Dx und Dy der betreffenden Tongradienten, hergeleitet in den Stufen 104 bzw. 106 aus einem Flächenpuffer 108, der mit der Renderingstufe 70 gekoppelt ist, moduliert. Wie bei der Ausführungsform nach 3 identifiziert eine Flächenadresse PADDR von der CPU 72 die zum Herleiten der Tongradienten zu dem Flächenpuffer 108 zu verwendenden Pixel. Die in der Stufe 103 durchgeführte Modulation kann eine einfache Addierung sein, so dass die Aufprallkraftrückkopplung für eine bestimmte Komponentenposition innerhalb der virtuellen Umwelt spezifiziert wird und darüber hinaus ist die Kraft entsprechend der darüber liegenden Textur. Mit einer derartigen Modulation schaffen Flächen, die innerhalb der dreidimensionalen Umwelt der virtuellen Landschaft modelliert sind, eine Texturrückkopplung auf eine An und Weise, wie bei der einfachen oben beschriebenen zweidimensionalen Benutzerschnittstelle.
  • Wie oben erläutert, ist die spezielle Form der Berührungs- oder der Kraftrückkopplungsanordnung nicht ein begrenzender Faktor der vorliegenden Erfindung. Zur Erläuterung aber werden nun einige Beispielskonfigurationen anhand der 5 bis 8 näher beschrieben.
  • 5 ist eine Draufsicht einer einfachen Maussteuerung 120 mit einem Paar Betätigungsschalter 122, von denen einer benutzt werden kann zum Ein- und Abschalten der Berührungsrückkopplung. Ein erster Aktuator 124 an der Seite der Maus bewegt ein und aus, und zwar über einen Bereich und mit einer Geschwindigkeit, ermittelt durch die Horizontal-Rückkopplungskraft und wirkt auf den Daumen des Benutzers (eine Maus mit dem Aktuator 124 auf der gegenüber liegenden Seite des Gehäuses wird für Linkshänder-Betrieb erforderlich sein). Auf der Vorderseite der Maus ist ein zweiter Aktuator 126 vorgesehen, der auf die Fingerspitze des Benutzers wirkt um Rückkopplung zu übermitteln, berechnet in der vertikalen Richtung. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass eine geschmeidige Bewegung der Maus nicht beeinträchtigt wird, obschon die Anordnung selber ziemlich robust sein kann, Eine alternative Anordnung der Maus, die aktiv Bewegungsbremsung benutzt zum Schaffen von Kraftrückkopplung ist in 6 schematisch dargestellt. Nebst den herkömmlichen drei Unterstützungs- und Bewegungsdetektionsrollen 130 ist ein Paar Reibungsräder 132 vorgesehen, und zwar auf Achsen betreffender Bremsmotoren 134. Die Kraftrückkopplung wird in Form eines Bremsstroms geliefert, die den Wicklungen der Motoren 134 zugeführt werden um der Drehrichtung der Reibungsräder 132 entgegenzuwirken.
  • Eine Anordnung von Berührungsrückkopplungsaktuatoren für eine Rollkugelvorrichtung 140 ist in Seitenansicht und Unteransicht in den 7A bzw. 7B dargestellt. Auf der Unterseite der Vorrichtung sind vier Aktuatoren 142 vorgesehen, die als Tragefüße wirksam sind. Jeder der Aktuatoren 142 ist imstande, eine gesteuerte Erweiterung oder Zurückziehung durchzuführen, und zwar um einen Betrag, ermittelt durch den Rükkopplungspegel, erforderlich in der horizontalen und/oder vertikalen Richtung, so dass das Gehäuse der Rollkugelvorrichtung nach vorne oder nach hinten in der X- und in der Y-Richtung aufgehoben werden kann zum Schaffen der Berührungsrückkopplungf ohne Aufprall oder Bewegung der rotierenden Kugel 144.
  • Noch eine andere Ausführungsform, in Termen einer Joystick-Vorrichtung, ist in 8 dargestellt. Der Joystick 150 ist auf einer rotierenden Kupplung 152 angeordnet und mit einem Lagensensor 154 gekoppelt, der eine Angabe der Bewegung in der X- und Y-Richtung liefert. Die Rückkopplung wird von einem Paar Aktuatoren 156, die senkrecht angeordnet sind und über Kopplungen 158 mit einer Fortsetzung des Joysticks 150 gekoppelt sind, wobei die Aktuatoren 156 derart arbeiten, dass sie einer Bewegung des Joysticks entgegenwirken, und zwar in einem Ausmaß, das durch den bestimmten Rückkopplungspegel bestimmt worden ist.
  • Text in der Zeichnung
  • 3
  • 50
    Frame-Speicher
    52
    Wiedergabeprozessor
    56
    Flächenpuffer
  • 4
  • 78
    Texturspeicher
    74
    Weltdaten
    80
    Cursor-Speicher
    70
    Rendering
    76
    Gesichtspunkt
    82
    Frame-Puffer
    100
    Aufprall-Berechnungsanordnung
    108
    Flächenpuffer
    86
    UID-Bewegung
    90
    Steuerung
    102
    Modulator

Claims (13)

  1. Computersystem zur Steuerung eines Zeigers auf einer Pixelwiedergabeanordnung, wobei dieses System die nachfolgenden Elemente umfasst: – eine Pixelwiedergabeanordnung (14) zum Wiedergaben eines Cursors (24); – einen Computer (10), der mit der genannten Pixelwiedergabeanordnung gekoppelt ist; – eine Cursorsteueranordnung (26) zum Erzeugen von Cursorsteuersignalen, die mit dem genannten Computer gekoppelt ist, wobei der genannte Computer die genannten Cursorsteuersignale empfängt, Cursorwiedergabesignale erzeugt und die genannten Cursorwiedergabesignale der genannten Wiedergabeanordnung zuführt; und – Rückkopplungsmittel (30) um einem Benutzer der genannten Cursorsteueranordnung eine Parametereinstellung zu zeigen, dadurch gekennzeichnet, dass Überwachungsmittel (56) vorgesehen sind zum Ermitteln eines Tonpegels für wenigstens eines ersten Pixels, das von dem wiedergegebenen Cursor (24) überlagert ist, und wobei die genannte durch die genannten Rückkopplungsmittel dem Benutzer gezeigte Parametereinstellung wenigstens teilweise mit Hilfe der Rückkopplungsmittel (58) von dem ermittelten Tonpegel hergeleitet wird.
  2. Cursorsteueranordnung (26) zur Steuerung eines Cursors auf einer Pixelwiedergabeanordnung (14), wobei die Anordnung Cursorsteuersignale erzeugt und die genannten Signale der genannten Wiedergabeanordnung zuführt, Rückkopplungsmittel (30) aufweist um einem Benutzer der genannten Anordnung eine Parametereinstellung zu zeigen, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Anordnung weiterhin Überwachungsmittel (56) und Rückkopplungssteuermittel (58) aufweist, wobei die Überwachungsmittel einen Tonpegel für wenigstens ein erstes Pixel bestimmen, das von dem wiedergegebenen Cursor (24) überlagert wird, und wobei die genannte, durch die genannten Rückkopplungsmittel dem Benutzer gezeigte Parametereinstellung wenigstens teilweise mit Hilfe der Rückkopplungsmittel von dem ermittelten Tonpegel hergeleitet wird.
  3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei der bestimmte Tonpegel der Graupe gel für das genannte wenigstens eine Pixel ist.
  4. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei der bestimmte Tonpegel der Pegel eines oder mehrerer Pixelfarbanteile für das genannte wenigstens eine Pixel ist.
  5. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Rückkopplungsmittel (30, 62) funktionieren, wenn der bestimmte Tonpegel einen ersten Schwellenwert übersteigt.
  6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Rückkopplungsmittel (30, 62) wirksam sind zum Liefern eines kontinuierlich variierenden Rückkopplungspegels, der unmittelbar von dem aktuellen Tonpegel bestimmt wird.
  7. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Überwachungsmittel vorgesehen sind zum Ermitteln des Tonpegels in einem oder mehreren weiteren Gebieten (22, 36), die das erste Gebiet (18) umgeben, zum Ermitteln einer Differenz für Tonvariation in wenigstens einer Richtung über die ersten und weiteren Gebiete, und zum Erzeugen der Rückkopplung zu dem Benutzer bei einem von dem aktuellen Differenzial bestimmten Pegel.
  8. Gerät nach Anspruch 7, wobei die Überwachungsmittel vorgesehen sind zum Ermitteln von Differenzialen in zwei senkrecht aufeinander stehenden Richtungen über das erste und weitere Gebiete und die Rückkopplungsmittel (62) zwei unabhängig voneinander arbeitende Rückkopplungsmittel (124, 126) aufweisen, die eine Tonvariation in den beiden Richtungen angeben.
  9. Gerät nach Anspruch 7, wobei die Überwachungsmittel Cursorpixelspeichermittel (88) enthalten, vorgesehen zum Einhalten einer Aufzeichnung überschriebener Wiedergabepixelwerte, und das Differenzial für Tonvariation aus der Tonvariation längs der Linie der jüngsten Verlagerung (38) des Cursors (24) hergeleitet wird.
  10. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Wiedergabean ordnung (14) eine dreidimensionale Computer-erzeugte Umgebung darstellt und der Cursor (24) ein Ikon ist, das unter Ansteuerung in den genannten drei Dimensionen verlagerbar ist, wobei das Gerät Kollisionsdetektionsmittel (72, 76, 98) aufweist, die wirksam sind um zu ermitteln, wenn der Cursor mit Gegenständen der virtuellen Umgebung in Berührung ist, wobei die Rückkopplungsmittel (92, 94) wirksam werden, wenn eine derartige Berührung andauert.
  11. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Rückkopplungsmittel Krafterzeugungsmittel (124, 142, 156) enthalten, vorgesehen um dem Körper eines Benutzers des Geräts auf einem von dem bestimmten Tonpegel gesteuerten Pegel eine Kraft zuzuführen.
  12. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Rückkopplungsmittel Krafterzeugungsmittel (124, 142, 156) aufweisen, vorgesehen um dem Körper eines Benutzers des Geräts auf einem Pegel, der durch eine vorbestimmte externe Bedingung bestimmt und durch einen Betrag modifiziert ist, der von dem bestimmten Tonpegel hergeleitet worden ist, eine Kraft zuzuführen.
  13. Verfahren zum Schaffen von Rückkopplung zu einem Benutzer einer Cursorsteueranordnung (26, 150, 140), wobei der Cursor (24) an einer Pixelwiedergabeanordnung (14) wiedergegeben wird, wobei dieses Verfahren eine Ermittlung eines Tonpegels für wenigstens eines ersten Pixels umfasst, das von dem wiedergegebenen Cursor (24) überlagert wird und wobei der Pegel der Rückkopplung, der dem genannten Benutzer gezeigt wird, wenigstens teilweise von dem genannten ermittelten Pixeltonpegel hergeleitet wird.
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