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Gebiet der Technik
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Die Erfindung bezieht sich hauptsächlich auf ein
Eingabe-Endgerät
für einen
Computer.
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Dieses Eingabe-Endgerät kann bei
der Mehrheit der Anwendungsgebiete von Computern eingesetzt werden.
Unter diesen Gebieten wird auf nicht-einschränkende Weise der Besuch oder
der Aufbau virtueller Welten, die computergestützte Entwicklung (CAO = conception
assistee par ordinateur), die Videospiele etc. zitiert.
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Die Erfindung betrifft auch ein interaktives Verfahren
eines solchen Eingabe-Endgeräts
mit einem Computer-Anzeigebildschirm.
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Stand der Technik
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Die Eingabe-Endgeräte, die
bei Computern verwendet werden, können in drei Kategorien unterteilt
werden, je nach Art der Aktion, die sie an einem Element wie einem
am Bildschirm des Computers angezeigten Cursors gestatten. So ist
es je nach Art des verwendeten Eingabe-Endgeräts möglich, dieses Element in einer
einzigen Richtung ("1D"-Modus), in zwei
Richtungen ("2D"-Modus) oder in drei Richtungen
("3D"-Modus) zu verschieben.
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Unter den Eingabe-Endgeräten vom
1D-Typ befinden sich die "Pfeil"-Tasten der Tastatur
des Computers.
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Diese 1D-Vorrichtungen, welche die
einfachsten Eingabe-Endgeräte bilden,
haben eine sehr beschränkte
Anwendung. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß sie manchmal in Zusammenhang
mit 2D-Vorrichtungen verwendet werden, um eine dreidimensionale
Aktion an einem am Bildschirm verkörperten Element auszuführen. Dabei
handelt es sich um eine unbequeme Anwendung, die für sich allein die
zwei Hände
des Nutzers erfordert, was jegliche Drehung des angezeigten Elements
verbietet.
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Die Eingabe-Endgeräte vom 2D-Typ
sind die am häufigsten
verwendeten. In diese Kategorie fallen die herkömmlichen 2D-Mäuse
sowie die Rollkugelvorrichtungen, die gemeinhin als „Tracker" bzw. "Trackball" bezeichnet werden.
Diese Eingabevorrichtungen ermöglichen
zwar die Steuerung einer zweidimensionalen Verschiebung eines am
Bildschirm des Computers angezeigten Elements, sie gestatten es
jedoch nicht, eine Drehung zu steuern bzw. zu befehlen, die unerlässlich ist,
wenn ein Objekt am Bildschirm gleichzeitig positioniert und ausgerichtet
werden soll.
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Die Eingabe-Endgeräte vom 3D-Typ
umfassen alle Vorrichtungen, die in Zusammenhang mit Software verwendet
werden, welche die Schaffung von dreidimensionalen virtuellen Räumen am
Bildschirm ermöglicht.
Diese Vorrichtungen sind natürlich für die Verschiebung
eines Elements in den drei Dimensionen zum Besuch von virtuellen
Welten oder für
digitale Muster, für
die Konstruktion digitaler Objekte in CAD etc. geeignet. Die hauptsächlichen
Endgeräte,
die dieser Kategorie angehören,
sind die 3D-Mäuse
und die als "Tracker" bzw. "Trackball" bezeichneten Vorrichtungen.
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Die 3D-Mäuse sind 2D-Mäuse, an
denen ein mobiles Element wie beispielsweise ein "Joystick", eine Kugel oder
ein anderes Element angebracht ist. Solche Vorrichtungen sind z.
B. in den Dokumenten
US 5 298
919 und
US 4 933 670 beschrieben.
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Die 3D-Mäuse weisen gewisse Nachteile auf,
die hauptsächlich
mit der Tatsache verbunden sind, daß die Steuerung der Verschiebung
des am Bildschirm angezeigten Elements in der dritten Richtung durch
ein spezifisches Element bewerkstelligt wird, dessen Handhabung
zur Verschiebung der Maus auf ihrem Träger hinzukommt. Dies führt zur Notwendigkeit
einer spezifischen Ausbildung der Nutzer solcher Vorrichtungen.
Außerdem
verfügt
das bewegliche Element, daß die
Steuerung in der dritten Richtung bewerkstelligt, oft über nur
beschränkte Bewegungsmöglichkeiten,
was einen Nachteil darstellt, wenn eine umfangreiche Verschiebung
durchgeführt werden
muß. Schließlich weisen
die 3D-Mäuse
allgemein keine Drehsteuervorrichtungen oder Ausrichtungsvorrichtungen
des angezeigten Elements auf.
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Das Dokument US-A-5 144 594, auf
dem der Oberbegriff des Anspruchs 1 beruht, beschreibt eine Maus,
die ein Kontaktstück
aufweist, um von einem 2D-Funktionsmodus zu einem 3D-Funktionsmodus überzugehen
und umgekehrt.
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Die Tracker bzw. Trackballs sind
Vorrichtungen, die in die Hand des Benutzers gegeben werden und
in die ein Messfühler,
beispielsweise vom elektromagnetischen Typ, eingesetzt ist. Dieser
Messfühler
erfasst ein Niederfrequenz-Magnetfeld,
das von einer stationären
externen Quelle emittiert wird. Wen der Benutzer den Trackball verschiebt
und dessen Ausrichtung verändert,
variiert das von dem Messfühler
empfangene Magnetfeld. Die vom Meßfühler ausgesendeten Signale
sind also repräsentativ
für die
Position und die Ausrichtung des Trackers im Raum. Solche Vorrichtungen
sind insbesondere im Dokument
US
5 237 647 beschrieben.
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Gegenüber den 3D-Mäusen haben
die Tracker den Vorteil, von einer Person ohne spezifische Ausbildung
verwendet werden zu können,
und zwar weil alle Bewegungen der Hand des Benutzers auf das am
Bildschirm angezeigte Element auf identische Art und Weise übertragen
werden, unabhängig von
der Bewegungsrichtung. Außerdem
ermöglichen sie
die Steuerung der Ausrichtung dieses Elements.
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Die Tracker weisen jedoch den Nachteil
auf, zu sensibel zu sein, wenn eine genaue Positionierung eines
Elements in einer am Bildschirm angezeigten dreidimensionalen Szene
vorgenommen werden soll, oder wenn die Ausführung einer spezifischen Aufgabe
ein vorübergehendes
Arbeiten im 2D-Modus erfordert.
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Abriss der
Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist hauptsächlich ein Eingabe-Endgerät eines
neuen Typs, das für
den automatischen Übergang von
einem 3D-Funktionsmodus zu einem 2D-Funktionsmodus und umgekehrt konzipiert
ist, insbesondere um es einem Benutzer ohne spezifische Ausbildung
zu gestatten, in einem dreidimensionalen Raum arbeiten zu können und nach
Belieben über
die von einem zweidimensionalen Vorgang bereitgestellten Präzision verfügen zu können, wenn
die auszuführende
Aufgabe dies erfordert.
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Gemäß der Erfindung wird dieses
Ergebnis mittels eines Eingabe-Endgeräts für Computer erhalten, mit einem
mobilen Gehäuse,
das von einem Anwender gefasst werden kann, und Mitteln zur Erfassung
der zweidimensionalen und dreidimensionalen Position und Ausrichtung
des Gehäuses,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontaktschalter mit zwei Zuständen an
einer Seite des Gehäuses,
die auf einen ebenen Träger
gelegt werden kann, so dass er automatisch einen ersten Zustand,
der einem zweidimensionalen Funktionsmodus des Endgeräts entspricht,
einnimmt, wenn das Gehäuse
auf den Träger gelegt
ist, und einen zweiten Zustand, der einem dreidimensionalen Funktionsmodus
des Endgeräts
entspricht, angeordnet ist, wenn das Gehäuse vom Träger abgehoben wird.
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Dank einem solchen Eingabe-Endgerät können alle
für gewöhnlich in
einem dreidimensionalen Raummittels bestehenden 3D-Eingabe-Endgeräten ausgeführte Arbeiten
auf die gleiche Art und Weise ausgeführt werden wie mit einem herkömmlichen Tracker.
Wenn jedoch eine hohe Präzision
erforderlich ist, oder wenn die auszuführende Arbeit dies erfordert,
ist es möglich,
vorübergehend
im 2D-Modus zu arbeiten, indem das Gehäuse auf einen Träger gestellt
wird. Diese Aktion hat nämlich
unmittelbar zur Folge, daß das
Eingabe-Endgerät
in seinen dreidimensionalen Funktionsmodus versetzt wird, so daß es sich
hierbei wie eine herkömmliche
2D-Maus verhält.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfassen die Mittel zur Erfassung der dreidimensionalen
Position und Ausrichtung des Gehäuses
einen im Gehäuse
angebrachten elektromagnetischen Messfühler, sowie eine außerhalb
des Gehäuses
angeordnete und mit dem elektromagnetischen Messfühler durch
einen elektrischen Leiter verbundene elektronische Vorverarbeitungsschaltung.
Der elektromagnetische Messfühler
spricht auf bekannte Weise auf ein dreidimensionales Magnetfeld
an, das von einer stationären
externen Quelle erzeugt wird.
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Gemäß einem analogen Merkmal zu
demjenigen, das sich auf der Mehrzahl von bestehenden Eingabe-Endgeräten befindet,
ist das Gehäuse
mit mindestens einem Knopf zum Auslösen der Datenverarbeitung versehen.
Dieser Knopf kann betätigt werden,
wenn ein mobiler Cursor, der die Position des Gehäuses im
virtuellen Raum des Bildschirms darstellt, entweder auf eines der
am Bildschirm angezeigten Gesamtheit von Icons oder auf ein Objekt
der am Bildschirm dargestellten virtuellen Szene gerichtet wird.
Dies gestattet es, die Ausführung
einer vorher definierten und mit diesem Icon oder diesem Objekt
verbundenen Datenverarbeitung auszulösen.
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Eine elektronische Formgebungsschaltung von
von dem Kontaktgeber und dem Knopf gelieferten Signalen ist hierbei
im Gehäuse
angebracht.
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Die Mittel zur dreidimensionalen
Erfassung und Ausrichtung liefern Signale, die repräsentativ
für die
Koordinaten x, y, z und die Ausrichtungen α, β, γ des Gehäuses in einem festen Orthonormalsystem R(0,
i, j, k) sind, das mit dem Träger
verbunden ist und dessen Achsen i und j in der Ebene des Trägers liegen.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
ist ein interaktives Verfahren eines so definierten Endgeräts mit einem
Anzeigebildschirm eines Computers. Dieses Verfahren umfaßt die folgenden
Schritte:
- – Bestimmung
des Funktionsmodus des Endgeräts,
- – Berechnung
der Koordinaten (x',
y', z') und Ausrichtungen
(α', β', γ') eines 3D-Cursors,
der am Bildschirm (34) angezeigt ist, in einem Orthonormalsystem
(R' (O', i', j', k'), das mit einer
am Bildschirm dargestellten virtuellen 3D-Szene verbunden ist, anhand
von durch die Mittel zur Erfassung der dreidimensionalen Position
und Ausrichtung im dreidimensionalen Funktionsmodus gelieferten Signalen,
- – Berechnung
der Koordinaten (x'', y'') und der Ausrichtung (α'') eines 2D-Cursors in einem Orthonormalsystem
R'' (O'', i'', j'', k''), der mit dem Bildschirm
(34) verbunden ist und dessen Achsen i'' und
j'' in der Ebene des
Bildschirms gelegen sind, anhand von durch die Mittel zur Erfassung der
dreidimensionalen Position und Ausrichtung im zweidimensionalen
Funktionsmodus gelieferten Signalen.
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In einem dreidimensionalen Funktionsmodus bewirkt
eine Verschiebung bzw. Versetzung des Gehäuses im Koordinatensystem R
von einer Position P1 mit den Koordinaten (x1,
y1, z1) und Ausrichtungen (α1, β1, γ1)
zu einer Position P2 mit den Koordinaten (x2,
y2, z2) und Ausrichtungen
(α2, β2, γ2) eine Verschiebung bzw. Versetzung des
3D-Cursors im Koordinatensystem R' von einer Position P'1 mit den Koordinaten
(x'1,
y'1,
z'1)
und Ausrichtungen (α'1, β'1, γ'1) zu
einer Position P'2
mit den Koordinaten (x'2, y'2, z'2) und Ausrichtungen (α'2, β'2, γ'2),
die mittels folgender Beziehungen berechnet werden: x'2 =
x'1 +
Cx (x2 – x1)
y'2 =
y'1 +
Cy (y2 – y1) z'2 =
z'1 +
Cz (z2 – z1)
α'2 = α'1 +
Cα (α2 – α1)
β'2 = β'1 +
Cβ (β2 – β1)
γ'2 = γ'1 +
Cγ (γ2 – γ1)wobei
Cx, Cy, Cz, Cα,
Cβ und Cγ Verstärkungsparameter
jeweils für
x, y, z, α, β und γ darstellen.
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Im zweidimensionalen Funktionsmodus
bewirkt eine Verschiebung bzw. Versetzung des Gehäuses am
Träger
im Koordinatensystem R von einer Position P1 mit den Koordinaten
(x1, y1) und der
Ausrichtung (γ1) zu einer Position P2 mit den Koordinaten
(x2, y2) und der
Ausrichtung (γ2) eine Verschiebung bzw. Versetzung des
2D-Cursors (45) im Koordinatensystem R'' von
einer Position P''1 mit den Koordinaten (x''1, y''1) und der Ausrichtung
(γ''1) zu einer
Position P''2 mit
den Koordinaten x''2,
y''2 und
der Ausrichtung γ''2, die mit Hilfe
folgender Beziehungen berechnet werden: x''2 = x''1 + Fx (x2 – x1)y''2 =
y''1 +
Fy (y2 – y1)γ''2 = γ''1 + Fγ (γ2 – γ1)wobei
Fx, Fy, Fγ Verstärkungsparameter
jeweils für
x, y und y darstellen, wobei die Position P1 die Anfangsposition
des Gehäuses
beim Übergang
des Endgeräts
in den zweidimensionalen Funktionsmodus ist und die Position P''1 die Endposition des 2D-Cursors beim
vorhergehenden Übergang
vom zweidimensionalen Funktionmodus zum dreidimensionalen Funktionsmodus
ist.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Im folgenden wird anhand eines nicht
einschränkenden
Beispiels eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben,
in denen zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht, welche schematisch das Gehäuse eines
Eingabe-Endgeräts gemäß der Erfindung
und der in ihm enthaltenen Elemente darstellt;
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2 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des Eingabe-Endgeräts gemäß der Erfindung
mit dem Gehäuse
der 1 sowie den außerhalb
dieses Gehäuses
befindlichen Elementen, die dessen Verbindung mit der Zentraleinheit
des zugeordneten Computers herstellen, und
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3 eine
stark schematische perspektivische Ansicht, die dazu vorgesehen
ist, die in der Zentraleinheit ausgeführten Koordinatenänderungen
anhand von von dem Eingabe-Endgerät gelieferten Signalen zu erläutern, um
die Darstellung der Position und der Ausrichtung des Gehäuses des
Eingabe-Endgeräts
durch einen 2D-Cursor oder durch einen 3D-Cursor am Anzeigebildschirm
des Computers zu ermöglichen.
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Detaillierte Beschreibung
einer Ausführungsform
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In 1 bezeichnet
die Bezugsziffer 10 allgemein ein bewegliches Gehäuse eines
erfindungsgemäßen Eingabe-Endgeräts, das
zur Verwendung in einem Computer vorgesehen ist. Das Gehäuse 10 ist
so dargestellt, als ob es transparent wäre, damit die Elemente, die
in ihm enthalten sind, in der Figur sichtbar sind. Dieses Gehäuse 10 weist
eine äußere Form
auf, die es einem Benutzer ermöglicht,
es zu fassen, zu verschieben und beliebig in einem dreidimensionalen
Raum oder einer Arbeitszone auszurichten. Zu diesem Zweck kann die
Außenfläche des Gehäuses 10 Ausnehmungen
(nicht dargestellt) aufweisen, die so gestaltet sind, daß sie die
Finger des Benutzers aufnehmen können.
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Das bewegliche Gehäuse 10 des
Eingabe-Endgeräts
gemäß der Erfindung
weist auch an seiner Außenfläche eine
untere Fläche 12 auf,
deren Konfiguration allgemein eben ist. Diese Fläche 12 gestattet es
dem Benutzer, das Gehäuse 10 auf
einen ebenen, im allgemeinen horizontalen Träger zu stellen, wie es schematisch
bei 14 in 3 dargestellt ist.
Genauer gesagt kann das Gehäuse 10 auf
dem Träger 14 nach
Art einer herkömmlichen
2D-Maus eines Computers beliebig verschoben und ausgerichtet werden,
wenn seine Fläche 12 auf
diesen Träger aufgebracht
wird.
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Das Eingabe-Endgerät gemäß der Erfindung umfaßt außerdem dreidimensionale
Positions- und Ausrichtungs-Erfassungsmittel des Gehäuses 10 im Inneren
des Arbeitsraums, in dem dieses Gehäuse vom Benutzer verschoben
und ausgerichtet werden kann. In der in den Figuren dargestellten
bevorzugten Ausführungsform
umfassen diese dreidimensionalen Positions- und Ausrichtungs-Erfassungsmittel des Gehäuses 10 einen
elektromagnetischen Messfühler 16,
der im Innern dieses Gehäuses
angebracht ist. Eine stationäre
Quelle 17 (3), die
auf dem den Anzeigebildschirm des Computers tragenden Tisch oder
an irgendeinem anderen feststehenden Installationsort angeordnet
ist, erzeugt ein niederfrequentes 3D-Magnetfeld in der Arbeitszone.
Der elektromagnetische Messfühler 16 ist
gegenüber Änderungen dieses
3D-Magnetfelds empfindlich, die durch seine eigenen Ortsveränderungen
erzeugt werden.
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Die stationäre Quelle 17 befindet
sich am Ursprung eines festen Orthonormalsystems R (0, i, j, k), in
dem der elektromagnetische Fühler 16 die
Variationen der Koordinaten x, y, z und der Ausrichtungen α, β, γ des Gehäuses 10 im
Innern des Arbeitsraums misst, wobei letzterer vom Benutzer verschoben
werden kann.
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Der elektromagnetische Messfühler 16,
der auch als "3D-Tracker" bezeichnet wird,
kann vom Typ "Fastrak", hergestellt von
der Firma "Polhemus" oder vom Typ "Flock of Birds", hergestellt von
der Firma "Ascension", sein. Er ist allgemein
einer elektronischen Vorverarbeitungsschaltung 18 zugeordnet (2). Genauer gesagt ist die
elektronische Vorverarbeitungsschaltung 18 in einem stationären Gehäuse angebracht,
das sich außerhalb
des beweglichen Gehäuses 10 befindet,
und ist elektrisch mit dem elektromagnetischen Messfühler 16 durch
einen elektrischen Leiter 20 verbunden, der eine erste
Reihenschaltung zwischen dem Gehäuse 10 und
dem Rest der Installation bildet.
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Die Einheit, die den elektromagnetischen Messfühler 16,
die stationäre
Quelle 17 und die elektronische Vorverarbeitungsschaltung 18 umfaßt, ist dem
Fachmann bekannt, so daß eine
detaillierte Beschreibung hiervon wegfällt. Eine solche Einheit ist beispielsweise
im Dokument US-A-5 237 647 beschrieben.
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Es ist anzumerken, daß als Variante
die Erfassungsmittel der dreidimensionalen Position und Ausrichtung
des Gehäuses 10 auf
andere Art und Weise ausgeführt
sein können,
beispielsweise auf der Basis von Ultraschall- oder Lichtübertragungssystemen
oder mittels Beschleunigungsmessern oder Gyroscopen.
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Gemäß der Erfindung ist ein Kontaktgeber 22 mit
zwei Zuständen,
der einen Schalter steuert, an der Außenfläche 12 des Gehäuses 10 angebracht. Genauer
gesagt ist die Anbringung des Kontaktgebers 22 an der Fläche 12 derart
ausgeführt,
daß der Kontaktgeber
automatisch seinen Zustand ändert, wenn
das Gehäuse 10 auf
den ebenen Träger 14 gestellt
wird und wenn er von diesem Träger
abgehoben wird. So nimmt der Kontaktgeber 22 beispielsweise einen
geschlossenen Zustand ein, wenn das Gehäuse auf seinen Träger 14 gestellt
wird, und einen offenen Zustand, wenn er von diesem Träger abgehoben wird.
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Der geschlossene Zustand des Kontaktgebers 22 stellt
für diesen
einen ersten Zustand dar, der einer zweidimensionalen Funktionsweise
des Endgeräts
entspricht. Umgekehrt stellt der offene Zustand des Kontaktgebers 22 einen
zweiten Zustand dar, der einer dreidimensionalen Funktionsweise
des Endgeräts
entspricht.
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Das Vorhandensein des Kontaktgebers 22 an
der Fläche
des Gehäuses 10 ermöglicht also,
das Eingabe-Endgerät
gemäß der Erfindung
automatisch von einem 2D-Funktionsmodus zu einem 3D-Funktionsmodus übergehen
zu lassen oder umgekehrt, je nach dem, ob es auf den Träger 14 gestellt
ist oder nicht.
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Außer seiner Fläche 12,
die dazu vorgesehen ist, auf den Träger 14 gestellt zu
werden, ist das Gehäuse 10 an
seiner Außenfläche mit
einem bis drei Knöpfen 24 zum
Auslösen
von Datenverarbeitungen, welche die Schalter steuern, ausgestattet. Die
Knöpfe 24 sind
dazu vorgesehen, Funktionen zu erfüllen, die denjenigen von Knöpfen vergleichbar sind,
mit denen für
gewöhnlich
die 2D-Mäuse
herkömmlicher
Ausführung
ausgestattet sind. Es handelt sich dabei um dem Fachmann bekannte
Elemente, so daß eine
detaillierte Beschreibung derselben wegfällt.
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Eine elektronische Formgebungsschaltung ist
ebenfalls im Innern des Gehäuses 10 des
Endgeräts
angeordnet. Diese elektronische Schaltung 26 ist elektrisch
mit dem Kontaktschalter 22 und mit den den Knöpfen 24 zugeordneten
Schaltern, und zwar jeweils über
elektrische Leiter 28 bzw. 30 verbunden. Ihre Funktion
ist es, mit der Zustandsänderung der Schalter
der Knöpfe
und des Kontaktgebers verbundene Stromstöße zu eliminieren und die Codierung des
Zustands dieser Schalter auszuführen.
Diese elektronische Schaltung 26 ist in ihrer Funktion
der Formgebungsschaltung ähnlich,
mit welcher bestehende 2D-Mäuse
ausgestattet sind, so daß eine
detaillierte Beschreibung hiervon wegfällt.
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Wie insbesondere in 2 dargestellt ist, werden die von der
elektronischen Formgebungsschaltung 26 abgegebenen Signale
an die Zentraleinheit 32 des Computers, welche den Bildschirm 34 (3) der Anzeigevorrichtung
steuert, über
einen elektrischen Leiter 36 übertragen. Dieser elektrische Leiter 36 bildet
eine zweite Reihenschaltung zwischen dem beweglichen Gehäuse 10 des
Eingabe-Endgeräts
und der Zentraleinheit 32 des Computers.
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In der Praxis sind die aus dem Gehäuse 10 herausführenden
elektrischen Leiter 20 und 36 in Form eines Kabels 38 (3) zusammengefasst, das
dieses Gehäuse
mit dem Rest der Installation verbindet.
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Die elektronische Vorverarbeitungsschaltung 18 ist
mit einem ersten seriellen Port 37 der Zentraleinheit 32 des
Computers über
eine erste Reihenschaltung, die von einem elektrischen Leiter 38 gestellt
wird, verbunden. Übrigens
ist der elektrische Leiter 36, der die zweite Reihenschaltung
herstellt, mit einem zweiten seriellen Port 39 der Zentraleinheit 32 des
Computers verbunden.
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Wie schematisch in 2 dargestellt ist, werden die von dem
ersten seriellen Port 37 in der Zentraleinheit 32 des
Computers aufgenommenen Signale von einem ersten Softwaremodul 40 verarbeitet,
das eine Wiedergewinnung bzw. Erfassung der Koordinaten x, y und
z und der Ausrichtungen α, β und γ des elektromagnetischen
Messfühlers 16 ermöglicht.
Auf vergleichbare Weise werden die von dem zweiten seriellen Port 39 der
Zentraleinheit 32 aufgenommenen Daten in einem zweiten
Softwaremodul 42 verarbeitet, das die Erfassung des Zustands
und der Zustandsübergänge der
Kontaktschalter 22 und der Knöpfe 24 des Eingabe-Endgeräts gemäß der Erfindung
ermöglicht.
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Das erste Softwaremodul 40 ist
ein herkömmliches
Softwaremodul, das der Einheit, die vom elektromagnetischen Messfühler 16,
der stationären Quelle 17 des
Magnetfelds und der elektronischen Vorverarbeitungsschaltung in
den einen Tracker einsetzenden Installation gebildet wird, zugeordnet
ist. Es ist also dem Fachmann bekannt, so daß hier keine detaillierte Beschreibung
gegeben wird.
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Desgleichen ist das zweite Softwaremodul 42 einem
für gewöhnlich den
Knöpfen
der 2D-Maus von klassischer Gestaltung zugeordneten Softwaremodul ähnlich.
Es ist also ebenfalls dem Fachmann bekannt, so daß auch hiervon
eine detaillierte Beschreibung wegfällt.
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Wie ebenfalls schematisch in 2 dargestellt ist, werden
die vom ersten Softwaremodul 40 und vom zweiten Softwaremodul 42 ausgegebenen Daten
in der Zentraleinheit 32 des Computers durch ein drittes
Softwaremodul 44 ausgewertet. Dieses dritte Softwaremodul 44 berücksichtig
die Zustandsänderungen
des Kontaktgebers 22 und berechnet die Koordinaten und
Ausrichtungen eines 2D-Cursors 45 oder eines 3D-Cursors 46 (3), je nachdem, ob sich
das Eingabe-Endgerät im zweidimensionalen Funktionsmodus
oder im dreidimensionalen Funktionsmodus befindet.
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Genauer gesagt, wenn das Gehäuse auf
seinen Träger 14 gestellt
wird, d. h. wenn der Kontaktgeber 22 seinen ersten Zustand
einnimmt, geht das dritte Softwaremodul 44 automatisch
gemäß einem zweidimensionalen
Funktionsmodus des Endgeräts vor,
während
es gemäß einem
dreidimensionalen Funktionsmodus des Endgeräts vorgeht, wenn das Gehäuse 10 von
seinem Träger 14 abgehoben
wird, d. h. wenn der Kontaktgeber 22 seinen zweiten Zustand
einnimmt.
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In dem zweidimensionalen Funktionsmodus ergeben
die Verschiebungen und Ausrichtungsänderungen des Gehäuses 10 auf
dem Träger 14 Verschiebungen
und Änderungen
der Ausrichtung des 2D-Cursors 45 in der Ebene des Bildschirms 34.
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Im dreidimensionalen Funktionsmodus
hingegen ergeben die Verschiebungen und Veränderungen der Ausrichtung des
Gehäuses 10 in
der Arbeitszone Verschiebungen und Veränderungen der Ausrichtung des
3D-Cursors 46 in einem virtuellen Raum, der einer am Bildschirm 34 angezeigten 3D-Szene
entspricht.
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Wie in 3 schematisch
dargestellt ist, verwandelt im zweidimensionalen Funktionsmodus
des Endgeräts
das dritte Softwaremodul 44 die Koordinaten x, y und z
und die Ausrichtungen α, β und γ des Gehäuses 10 in
dem mit dem Träger 14 verbundenen festen
Orthonormalsystem R (0, i, j, k) in zwei Koordinaten x''; y'' und eine Ausrichtung
y'' des 2D-Cursors 45 in
einem Orthonormalsystem R'' (0'', i'', j'', k''), das mit dem Bildschirm 34 verbunden
ist. Genauer gesagt, wenn die Ebene 0, i, j parallel zu derjenigen des
Trägers 14 ist,
und die Vektoren i und j jeweils nach unten und links ausgerichtet
sind und der Vektor k nach oben gerichtet ist, fällt die Ebene 0'', i'', j'' mit der Ebene des Bildschirms zusammen,
und die Vektoren i'' und j'' sind jeweils nach unten bzw. nach links auf
diesem Bildschirm gerichtet.
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Infolgedessen ergibt eine Verschiebung
des Gehäuses 10 auf
seinem Träger 14 vom
Benutzer weg, d. h. in Richtung des Vektors i des Markierungssystems
R am Bildschirm 34 eine Verschiebung nach oben des 2D-Cursors 45.
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In dem dreidimensionalen Funktionsmodus des
Endgeräts
wandelt das dritte Softwaremodul 44 die Koordinaten x,
y, z und die Ausrichtungen α, β, γ des Gehäuses 10 in
dem festen Orthonormalsystem R (0, i, j, k) in Koordinaten x', y', z' und Ausrichtungen α', β', γ' des 3D-Cursors 46 in
einem Orthonormalsystem R' (0', i', j', k') um, das mit einem
virtuellen Raum verbunden ist, der einer am Bildschirm 34 angezeigten
Szene entspricht.
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Infolgedessen ergeben bei diesem
3D-Funktionsmodus eine Verschiebung und eine Ausrichtungsänderung
des Gehäuses 10 in
der Arbeitszone eine entsprechende Verschiebung und Ausrichtungsänderung
des 3D-Cursors 46 in der am Bildschirm 34 angezeigten
virtuellen Szene.
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Im folgenden werden Berechnungen
erklärt, die
von dem dritten Softwaremodul 44 in jedem der beiden Funktionsmoden
des Endgeräts
ausgeführt werden.
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Im zweidimensionalen Funktionsmodus
sind die von dem dritten Softwaremodul 44 durchgeführten Transformationen
die folgenden: x''2 = x''1 +
Fx (x2 – x1)
y''2 = y''1 + Fy (y2 – y1)
γ''2 = γ''1 + Fγ (γ2 – γ1)
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Bei diesen Beziehungen stellen x1 und y1 die Koordinaten
dar, und γ1 die Ausrichtung des Gehäuses 10 im Ausrichtungssystem
R in einer Anfangsposition P1 des Gehäuses 10, die dem Augenblick
entsprechen, in dem dieses auf den Träger 14 gestellt wird,
und löst
den Übergang
des Eingabe-Endgeräts in den
2D-Funktionsmodus aus.
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Die Terme x''1 und y''1 stellen
die Koordinaten und γ1 die Ausrichtung des 2D-Kreises 45 in
dem Ausrichtungssystem R'' in einer Anfangsposition
P''1 dieses Cursors
dar, die der Position P1 des Gehäuses 10 entspricht.
Diese Anfangsposition P''1 des 2D-Cursors
45 ist auch die Endposition dieses Cursors bei dem vorangehenden Übergang
des Endgeräts
vom 2D-Funktsonsmodus
zum 3D-Funktionsmodus.
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Übrigens
stellen die Terme x2 und y2 die
Koordinaten und γ2 die Ausrichtung des Gehäuses 10 im Ausrichtungssystem
R in dem in Frage kommenden Augenblick in einer Position P2 des
Gehäuses auf
dem Träger
dar.
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Die Terme x''2 und y''2 stellen
die Koordinaten und γ''2 die Ausrichtung
des 2D-Cursors 45 im Ausrichtungssystem R'' im
gleichen Augenblick in einer Position P''2
dieses Cursors entsprechend der Position P2 des Gehäuses 10 dar.
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Schließlich bezeichnen die Terme
Fx, Fy und Fγ die
Parameterverstärkungen
jeweils bei x, y und Y in diesem 2D-Funktionsmodus.
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Wenn übrigens das Endgerät sich in
seinem dreidimensionalen Funktionsmodus befindet, führt das
dritte Softwaremodul 44 die folgenden Transformationen
durch: x'2 = x'1 + Cx (x2 – x1)
y'2 =
y'1 +
Cy (y2 – y1)
z'2 =
z'1 +
Cz (z2 – z1)
α'2 = α'1 +
Cα (α2 – α1)
β'2 = β'1 +
Cβ (β2 – β1)
γ'2 = γ'1 +
Cγ (γ2 – γ1)
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In diesen Beziehungen stellen x1, y1, z1 und α1, β1, γ1 jeweils
die Koordinaten und die Ausrichtungen des Gehäuses 10 im Ausrichtungssystem
R in einer Anfangsposition P1 dieses Gehäuses dar.
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Die Terme x2,
y2, z2 und α2, β2, γ2 stellen
jeweils die Koordinaten und die Ausrichtungen des Gehäuses 10
im Ausrichtungssystem R in einer Position P2 dieses Gehäuses dar,
die dem in Frage kommenden Augenblick entspricht.
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Die Terme x'1, y'1,
z'1 und α'1, β'1, γ'1 stellen
jeweils die Koordinaten und die Ausrichtungen des 3D-Cursors 46 im
Ausrichtungssystem R' in
einer Position P'1
dar, die der Position P1 des Gehäuses
entspricht.
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Die Terme x'2, y'2,
z'2 und α'2, β'2, γ'2 stellen
jeweils die Koordinaten und die Ausrichtungen des 3D-Cursors im
Ausrichtungssystem R' in
einer Position P'2
dar, die der Position P2 des Gehäuses
entspricht.
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Schließlich stellen Cx, Cy, Cz, Cα, Cβ und Cγ die Parameterverstärkungen
jeweils bei x, y, z, α, β, γ im 3D-Funktionsmodus dar.
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Die vorangehende Beschreibung lässt klar erkennen,
daß das
Eingabeendgerät
gemäß der Erfindung
eine originelle Vorrichtung bildet, welche ermöglicht, automatisch vom zweidimensionalen
zu einem dreidimensionalen Funktionsmodus und umgekehrt überzugehen,
ohne daß es
notwendig wäre,
auf mehrere unterschiedliche Vorrichtungen zurückzugreifen. Dies stellt einen
wertvollen Vorteil für
die Benutzer dar, die alternativ in einem dreidimensionalen virtuellen
Raum und in einem zweidimensionalen Raum arbeiten müssen. Unter
diesem Gesichtspunkt ist anzumerken, daß die zweidimensionale Funktionsweise
auch gestattet, die Verschiebung des Cursors in einer anderen Ebene
als der des Bildschirms auszuführen,
indem eine zusätzliche
Umwandlung der Daten stattfindet, welche einer Projektion der Koordinaten
und der Ausrichtung auf diese andere Ebene entspricht.
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Darüber hinaus kann in einer nicht
dargestellten Ausführungsvariante
das bewegliche Gehäuse
des Eingabeendgeräts
auch gewöhnliche
Elemente einer 2D-Maus von klassischer Gestaltung außer dem
Kontaktgeber 22 und den Erfassungsmitteln 16 der
Position und der dreidimensionalen Ausrichtung des Gehäuses enthalten.
In diesem Fall kann das dritte Softwaremodul 44 durch ein
Modul ersetzt werden, das auf die beschriebene Weise funktioniert, wenn
sich das Endgerät
in seinem dreidimensionalen Funktionsmodus befindet, und das ebenso
wie die Software im Zusammenhang mit herkömmlichen 2D-Mäusen funktioniert,
wenn sich das Endgerät
in seinem zweidimensionalen Funktionsmodus befindet. Es ist jedoch
darauf hinzuweisen, daß in
diesem Fall der Platzbedarf des Gehäuses 10 leicht zunimmt und
keine Änderung
der Ausrichtung des Cursors 46 im zweidimensionalen Funktionsmodus
gesteuert werden kann.