EP1342150A2 - Messverfahren zur ermittlung der position eines objektes vor einem bildschirm und vorrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Messverfahren zur ermittlung der position eines objektes vor einem bildschirm und vorrichtung zur durchführung des verfahrens

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Publication number
EP1342150A2
EP1342150A2 EP01996783A EP01996783A EP1342150A2 EP 1342150 A2 EP1342150 A2 EP 1342150A2 EP 01996783 A EP01996783 A EP 01996783A EP 01996783 A EP01996783 A EP 01996783A EP 1342150 A2 EP1342150 A2 EP 1342150A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
infrared light
measurement
locations
transmission
measuring
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01996783A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jin Liu
Eggert Feddersen
Siegmund Pastoor
Volkert Tietje
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Institut fuer Nachrichtentechnik Heinrich Hertz Institute HHI
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Institut fuer Nachrichtentechnik Heinrich Hertz Institute HHI filed Critical Fraunhofer Institut fuer Nachrichtentechnik Heinrich Hertz Institute HHI
Publication of EP1342150A2 publication Critical patent/EP1342150A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/011—Arrangements for interaction with the human body, e.g. for user immersion in virtual reality
    • G06F3/012—Head tracking input arrangements
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/042—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by opto-electronic means
    • G06F3/0421—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by opto-electronic means by interrupting or reflecting a light beam, e.g. optical touch-screen

Definitions

  • Measuring method for determining the position of an object in front of a screen and device for carrying out the method Measuring method for determining the position of an object in front of a screen and device for carrying out the method.
  • the invention relates to a measuring method for determining the position of an object in front of a screen in an approved lounge area to include the object position in the display of screen contents or optical image beam tracking by means of
  • Such measurement methods are primarily used to determine the head position of a display user at a computer workstation (head tracking method).
  • the position data can be used, for example, to optically track the image beams of an autostereoscopic 3D display, to align a video camera to the user, or in virtual reality applications to mathematically adapt the image perspective of a rendered scene to the current head position (motion parallax) ,
  • movements of other objects that sufficiently reflect infrared light can also be tracked (for example, hand movements).
  • the following methods are currently used to measure the head position of a display user:
  • the method is susceptible to interference in the vicinity of the measurement object due to the influence of the electromagnetic field and is expensive to implement.
  • Video based techniques The measurement is carried out by evaluating camera images. There are a large number of variants of different categories: (1) The light present in the user's area or a special active light source is used permanently or intermittently with regard to the light color. (2) Feature-based special features in the user's head area (mouth, pupils, nose) or area-based special areas (skin color, individual appearance of the eye region, search for eyes using an eye database) are detected by the user. (3) One or more cameras (stereo evaluation) are used. The disadvantages of the video-based method can be seen in particular in the high cost factor, the limited measuring frequency and the susceptibility to interference when lighting conditions change. High reliability can only be achieved with individual calibration. Procedure with active infrared lighting and reflex mark.
  • the present inventive method also belongs to a fourth method category. It is a measurement method with active infrared lighting without the use of reflex marks and cameras.
  • the only known implementation is described in the articles by N. Tetsutani et al., "Full-Color Stereoscopic Video Pickup and Display Technique Without Special Glasses” (SID 89 Digest, pp 188-191), "Consideration on Three- Dimensional Visual Communication Systems “(IEEE Journal on selected areas in Communications, Vol. 9, No. 4, May 1991, pp 555-560) and” Development of Direct-View 3D Display for Videophones Using 15 inch LCD and Lenticular Sheet "( IEICE Trans. Inf. & Syst., Vol. E77 D, No. 9, Sept. 1994, pp 940-947).
  • two infrared light beams are emitted in the screen area and the portion reflected by the user's skin as an object is in turn detected in the screen area.
  • on the screen housing as a horizontal and linear "virtual line" at its two corners there are two transmission locations, each of which sends a narrowly limited infrared beam into the lounge, and two measuring locations arranged directly next to it on the screen housing.
  • the two clubs emitted in parallel mark the two lateral boundaries of the permitted lounge area for the user Measurement takes place according to three criteria: (1) No reflected infrared light is received. The user is in the middle between the clubs in the approved lounge area. (2) Reflected infrared light is received at the right measuring location.
  • the user is to the right of the center of the permitted lounge area.
  • (3) Reflected infrared light is received at the left measuring location.
  • the user is to the left of the center of the approved lounge.
  • the system switches pixels in the 3D display, which means that the user does not perceive a depth reversal (pseudoscopy) in the stereo image during lateral head movements.
  • the position evaluation is therefore only carried out as a relative determination. So that this matches the current position of the user head, its image is projected into a very narrow frame that is laterally delimited by the two infrared light lobes.
  • the resolution of the known method is accordingly limited, which results in frequent switching even with the smallest lateral head movements. Current head positions in absolute dimensions cannot be determined.
  • the measuring frame width must be individually calibrated for each individual user or selected to be very wide, which leads to correspondingly inaccurate measurement results.
  • the position of the image of the reflected light on the image recorder of the camera used for the measurement can also be used to roughly conclude the distance of the head. The distance information (with increasing distance the intensity of the received light decreases) is used to control the sensitivity of the sensors at the two measuring locations.
  • the problem for the present invention can be seen in summary in improving the known measurement method described using active infrared light and without using reflex marks and cameras in such a way that relative object positions in the area of stay can be defined and individually evaluated and processed.
  • the user should have the greatest possible freedom of movement to prevent physiological impairments.
  • the measurement error that occurs should be very small, and an adjustment to the required measurement resolution should be possible.
  • the measuring process should be simple in its sequence and therefore cost-effective in its implementation components.
  • a device for carrying out the method should be compact in its dimensions, so that it can be replaced in a versatile manner by a problem-free connection with differently designed and used screens.
  • the measurement method according to the invention of the type mentioned at the outset therefore provides that
  • the infrared light is emitted in the form of clocked short infrared light pulses at a number N of transmission locations which are predetermined as a function of the required resolution of the position determination and which are provided with a variable or constant grid dimension with respect to one another along the virtual line, in chronological and cyclical sequence, •
  • the location-dependent measurement takes place with a reception characteristic adapted to the area of incidence of the reflected infrared light pulse components in time with the transmitted infrared light pulses or an integral multiple thereof and
  • a transmission and reception scheme is designed along a virtual line, with which the location of the moving object is continuously scanned with a narrowly focused infrared light beam, comparable to a rotating radar beam.
  • the individual transmission locations along the virtual line are continuously prompted to emit a single infrared light pulse.
  • the first sending location is activated again so that the scanning infrared light beam cycles through the room from side to side again and again.
  • the permissible location area can be scanned continuously and each current location of the object to be monitored can be detected immediately and converted into absolute position coordinates (based on the measuring system) by means of a corresponding conversion.
  • the selected number N of transmission locations and their narrowly limited transmission characteristics determine the spatial resolution, a choice of preferably N> 8 measurement locations already guarantees a good resolution value. Furthermore, the selected number N depends on the length of the virtual line and the transmission characteristics of the transmission locations.
  • the measurement of the reflected infrared light pulse components is adapted to the cycle of the infrared light pulses emitted.
  • the assignment to the individual send locations or their area of incidence determines the reception characteristics of the measurement. In the case of a very broad reception characteristic, the measuring cycle can coincide with the transmission clock; in the case of a very narrowly limited characteristic, it can be a multiple thereof, whereby the measuring accuracy can be influenced.
  • the evaluation of the sensor results is based on the knowledge that the position of the center of gravity of a surface is the characteristic parameter for the position of the surface itself.
  • the intensity profile of the reflected infrared light components can be determined from each line scan, the sections between the individual measurement locations being linearly interpolated can.
  • the area under the intensity curve which is made up of a large number of wider or narrower trapezoidal areas, is related to the reflective surface of the object.
  • the coordinates of the centroid of the surface which can be determined using known algorithms (see below), then correspond to the coordinates sought for the current object position.
  • the orientation of the virtual line determines the orientation of the coordinates (horizontal, vertical).
  • the measuring method can detect lateral object movements (in particular the head or hand of a user) in a range of at least 30 cm, so that there is no restriction on the natural freedom of movement of the user. This can move quite naturally, the screen content or the optical image beams of an autostereoscopic 3D display are tracked accordingly with high precision.
  • the head position defined as the center of gravity of the surface of the face with (parallel) projection in the direction of the measurement location, can be detected in a defined distance range from 50 cm to 100 cm, which corresponds to a normal viewing distance for computer screens at a workplace.
  • the local resolution of the measured position data is better than 0.5 mm.
  • the measuring method is extremely robust against changing conditions of the ambient lighting (adaptive) and with mechanical / thermal load. It can therefore also be used in difficult locations, for example in mobile applications in the moving vehicle. be used.
  • the measuring process does not require any reflex marks or other components of a measuring device to be worn on the object. In addition, it does not require any imaging equipment (camera).
  • the components required to carry out the method are so small that they can be integrated even in the housing of a flat screen or in the cockpit of a vehicle.
  • An individual, user-dependent calibration is not necessary, which allows users to change spontaneously. If necessary, the user can fine-tune the context of an application.
  • the measuring method according to the invention can provide position coordinates in all three translational spatial directions. If only the horizontal latitude coordinate is preferred, it is permissible that the measuring zone is limited to an angle of less than 20 degrees in the vertical direction. Measurements in the vertical and frontal direction related to the display can be recorded if necessary using appropriately positioned additional sensors. It is not intended to record the angle of rotation of the head, ie all six degrees of freedom.
  • the location-dependent measurement of the reflected infrared light pulse components with a wide-angle reception characteristic can take place at a single measurement location in the middle of the virtual line.
  • the measuring cycle is then identical to the transmission cycle.
  • Each reflected infrared light pulse component is then detected at a central measuring location.
  • the location-dependent measurement can, however, also with a respectively narrow-angle reception characteristic at a number M of measurement locations corresponding to the selected number N of the transmission locations, which are provided alternately with the individual transmission locations with uniform adaptation to their grid size along the virtual line, in a continuous and cyclical manner Sequence take place, which is adapted to the sequence of the emitted infrared light pulses.
  • a measurement location is now assigned to each transmission location along the virtual line.
  • the line is thus designed homogeneously, so that the entire permissible area can be scanned with the same measurement requirements. Thereby there are no measurement inaccuracies at the edge areas.
  • the neighboring measurement location is activated once for each active transmission location, so that a number of measurement values corresponding to the number of available transmission or measurement locations can be obtained per measurement cycle.
  • the location-dependent measurement of the reflected infrared light pulse components can also be carried out with a weighting in the area of the clocked active transmission location, which is taken into account in the measurement cycle and in the evaluation of the measurement results. In the implementation, this means that the measurement cycle is now a multiple of the transmit cycle. For each active transmission location, several neighboring measurement locations are queried as an assigned measurement array.
  • the neighboring measurement locations can be queried simultaneously, but this is relatively complex, so that the measurement locations are also preferably queried one after the other in time.
  • the measurement result can be improved by this array formation.
  • four measurement locations adjacent to the active transmission location on the right and left can be included in the weighting, the measuring values of the neighboring measurement locations missing from the two outer transmission locations in each case being adopted and the measurement cycle being eight times the transmission cycle of the transmitted infrared light pulses.
  • the measurement values for the missing measurement locations can either be zero or by mirroring the corresponding measurement locations that are symmetrical to the transmission location.
  • the measurements at the relevant measurement locations in the array can be carried out at the same time, but this means a greater expenditure on components, or with a time delay.
  • the concept of the virtual line is simple and versatile. This is further supported by different possible combinations in the positioning and geometric construction of the virtual line.
  • a linear line depending on the orientation in which it is designed (horizontal or vertical), the horizontal (x) or vertical (y) position coordinates of the object to be captured, corresponding to the screen surface be determined.
  • the xy coordinates in the surface can be determined accordingly.
  • the most important coordinate for image tracking is generally the x coordinate, because the image contents vary most clearly when the head is moved sideways, and especially for horizontally screened images for autostereoscopic displays (e.g. using the lenticular method or the parallax barrier technique) an optical image beam tracking in the horizontal direction is required.
  • the distance of the user from the screen surface ie the z coordinate
  • the distance of the user from the screen surface is also important.
  • adjustments (focusing) of the image content and the image rays can also be carried out.
  • the virtual line or the alignment of the transmission or reception characteristics of the transmission or measurement locations has a uniformly radially curved course to the object. Due to the line course in the form of a circular arc section, a relatively wide area of the object can be detected over a relatively short line. An even shorter line in a linear form is obtained with the radial alignment of the transmission and reception characteristics, which is also easier to implement.
  • the radially aligned arrangement corresponds to a projection with a central perspective, ie the size of the depicted object decreases with increasing distance from the virtual line.
  • the absolute size of the depicted object can be determined using an additional linear line with a parallel alignment of reception lobes.
  • the absolute distance of the object preferably the head of the user
  • the virtual line is implemented as a sensor line with a length predetermined for infrared light-impermeable rail, into which a number N is specified as a function of the required resolution of the position determination
  • Infrared light sources with a variable or constant grid dimension are integrated with each other, which are controlled via a control electronics in a continuous and cyclical sequence for the delivery of clocked infrared light pulses with a transmit clock, • via the control electronics also the at least one sensor in the transmit clock or an integral multiple thereof as a measurement clock will and
  • the evaluation unit has a microcontroller for carrying out computing algorithms adapted to the measuring cycle for calculating the current position of the surface center of gravity from the determined current intensity profile of the reflected infrared light pulse components along the sensor line.
  • the device according to the invention can be aptly referred to as a “sensor line” and represents the consequent constructive implementation of the virtual line as the basic concept of the method according to the invention.
  • the sensor line is simple and robust in its construction. It is extremely inexpensive because its components, generally simple infrared - Light-emitting diodes for the realization of the transmission locations and phototransistors for the realization of the measuring locations, as mass parts are inexpensive.
  • the sensor line is simple to manufacture and comprises a simple rail, which is impervious to infrared light.
  • This can be, for example, a solid aluminum rail
  • Individual sensor with a wide-angle reception characteristic can be arranged in the middle of the rail.
  • the sensor line can also have a homogeneous, symmetrical structure.
  • a number M sensors with a narrow-angle reception characteristic, alternating with the individual infrared light sources, are integrated into the rail with uniform adaptation to their pitch and the M sensors are controlled via the control electronics in a continuous and cyclical sequence, which is adapted to the sequence of the transmitted infrared light pulses, the Infrared light sources can be arranged at a constant distance of 8 mm, 16 mm or 32 mm from one another in the rail.
  • the infrared light sources and the sensors can be arranged on the bottom of tubular openings or set back in optically sealed bores in the rail.
  • the openings serve as screens for the infrared light sources or for the sensors and limit their exit characteristics or reception characteristics, for example, to 16 °.
  • the exit or reception characteristic can optionally (or also additionally) be limited by miniature lenses in front of the light sources and the sensors.
  • the optical seal prevents interference caused by scattered light, side sidelobes and rear scattered light.
  • the length of the rail can correspond to a proportion of the width of the screen edge area.
  • the sensor line can then be composed of two or more rails in the width of the screen edge area.
  • the rails can be mounted on boards that carry the entire circuit, control and evaluation electronics, which are connected in series accordingly.
  • the rails can also be fully instrumented in one housing, so that several housings can be connected in series.
  • the sensor line can be curved per se or have radially oriented infrared light sources and sensors in order to enable the depth coordinate of the object to be determined.
  • the sensor line can be arranged in a variety of ways in the edge of the screen.
  • the sensor line can, for example, simply stand on the screen housing or be mounted on the side of it. But it can also be integrated into the edge of the housing.
  • linear and curved sensor lines can be combined with one another.
  • a device for determining all three coordinates x, y and z of the moving object provides a linear and a curved sensor line in the horizontal and a linear sensor line in the vertical screen edge area.
  • at least one sensor line can be integrated horizontally in a removable lens raster attachment for a 2D / 3D screen. Combinations of the sensor line according to the invention with other position detection devices are also possible.
  • FIG. 1 shows a flow diagram of the method according to the invention
  • FIG. 2 shows a theoretical intensity curve
  • FIG. 3 shows a measured intensity curve
  • Figure 4 shows a first embodiment of a sensor line
  • FIG. 1 shows a schematic flow diagram of the measurement method according to the invention for determining the position PO of an object O in front of a screen in an approved stay area OA for incorporating the object position PO into the display of screen contents or for optical image beam tracking in a tracked 3D display.
  • the measurement method according to the invention is based on the emission E of narrowly bundled infrared light pulses IRP from a number N of transmission locations EL into the permitted stay area OA of the object O and the location-dependent measurement SM of the infrared light pulse components IRPR reflected from the object surface OS at at least one measurement location ML.
  • a corresponding number M of phototransistors PT as measuring locations ML, which are at a constant distance D in a straight virtual line VL are arranged side by side and form a sensor line SL.
  • the sensor line SL is shown in FIG.
  • the infrared light-emitting diodes IRL emit short infrared light pulses IRP in a continuous and cyclical sequence (light control approx. 250 ⁇ s).
  • the infrared light-emitting diodes IRL and the phototransistors PT are arranged to bundle the transmission or reception characteristics in the selected exemplary embodiment at an angle of 16 ° at the bottom of tubular openings TO.
  • the current position PO of the object O with respect to the sensor line SL can then be concluded from the measured intensity distribution of the received light IRPR.
  • Various signal processing steps ensure that the influence of extraneous light and the measurement noise is reduced so that the surface center of gravity OP of the object O in the direction of the sensor line SL can be determined with a distance of 80 cm to a few tenths of a millimeter.
  • FIG. 1 shows the course of the measuring and computing processes for a sensor line SL with 32 infrared light-emitting diodes IRL and 32 photo transistors PT.
  • 256 raw measured values MPT are obtained by reading out the 8 phototransistors PT in the vicinity of the infrared light-emitting diode IRL that is currently lit.
  • the values of the "missing" phototransistors PT at the beginning and end of the sensor line SL are set to zero by calculation.
  • the raw measured values MPT run up in a sample and hold unit SHU and are measured in an analog-digital converter AD, for example with an 8-bit Accuracy converted to digital measurement data MD
  • These values MD are then read into the memory RAM of a microcontroller MC and are reduced to 32 filtered measurement data MD by weighted averaging Fl.
  • a refined index value IV is obtained, which can be converted into a position value PV in metric units for the center of the current object position PO in the direction of the sensor line SL by appropriate scaling (refinement by iterative application of the input method IBS).
  • the dark value at the phototransistors PT is measured in a correction step COR and, after brightness control has been carried out, is subtracted from the measurement data MD in the analog-digital converters AD.
  • the analog-digital converters AD are also readjusted before each light control in order to compensate for possible drift and individual inaccuracies.
  • the signal processing used in the measurement method according to the invention is briefly and generally explained below with reference to FIG. 2, which shows the intensity profile of the reflected infrared light pulse component IRPR over the sensor line SL.
  • the measurement data MD pass through a filter F1, with which a new value Xnew is calculated from eight adjacent measurement data MD.
  • the coefficients are chosen so (powers of 2) that you can divide with shifts. The sum of the coefficients is not equal to 1. This procedure is permissible because the absolute values of the averaging are not required. Only the differences between the evaluated infrared light-emitting diodes IRL are of interest.
  • the filter F1 outlined below was implemented for weighted averaging of the measurement data MD:
  • XI— - Xnew [0..31] X1 [0..31] + X8 [0..31] / 16 + X2 - X2 [0..31] + X7 [0..31] / 8 + X3 - X3 [0..31] + X6 [0..311 / 4 + X4-- X4 [0..31] + X5 [0..31] / 2 X5 - X6 - X7 - X8 -
  • the position is determined with the accuracy of half the measured value distance.
  • the total area S is calculated according to the trapezoid rule:
  • the index value IV obtained according to the above scheme is never greater than the horizontal coordinate of the center of gravity.
  • the intensity curve according to FIG. 2 shows that the gray area ⁇ F of a trapezoid must be calculated for a more precise determination of the center of area.
  • the base line ⁇ x of the trapezoid refines the determination of the coordinate value sought.
  • FIG. 3 shows an example of an intensity curve measured with the method according to the invention after the first evaluation step, ie before the described refinement of the measured value in step 2).
  • the x-axis describes the numerical position of the illuminated one Infrared light-emitting diode IRL.
  • the intensity measurement value applied in each case is the weighted averaging of the measurement values from eight phototransistors PT in the vicinity of the respectively illuminating infrared light-emitting diode IRL.
  • FIG. 4 schematically shows a simple device of a sensor line SL according to the invention on the horizontal screen edge area DM of a screen D. It can be clearly seen that the straight sensor line SL has only small structural dimensions and can therefore be installed in almost any location.
  • the sensor line SL shown is used as an IR head tracker. It is built on two circuit boards, each with 16 IR transmission diodes IRL and 16 phototransistors PT (only indicated in FIG. 4). These are alternately arranged side by side and mounted in a metal rail MR made of aluminum in holes of 5 mm diameter at a depth of 10 mm and optically sealed on the back.
  • the selected grid dimension D is 7.62 mm.
  • the distance between two adjacent IR transmission diodes IRL or between two phototransistors PT is thus 15.24 mm.
  • the optical components have a total opening angle of 16 ° (nominal opening angle of the radiation or reception characteristics).
  • FIG. 5 shows a device in which a sensor line SL as head tracker is integrated horizontally in a removable lenticular lens attachment LP for a flat 2D / 3D screen FS.
  • the user hangs the lenticular lens attachment LP over the screen FS and moves into a favorable viewing position for good image separation.
  • the electronics for signal processing of the sensor line SL are located in a separate box (not shown in FIG. 5) with a "start" switch.
  • the box also has a VGA input for connection to a PC and a VGA output for connecting the Screen FS.
  • the user presses Start button when he is sitting in the favorable viewing position.
  • the reference position for the head tracking is thus defined by the sensor line SL, an individual calibration is not necessary.
  • the box may have an RS232 or USB interface so that the position data of the head can be transferred to the computer. Image changes (for example, quasi-continuous changes in the image perspective during head movements) can then be provided in accordance with the head position.
  • a pressure switch (button) is located below the sensor line on the contact surface to the display housing.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messverfahren, das primär zur Ermittlung der Kopfposition eines Displaynutzers an einem Computerarbeitsplatz dient ("Head Tracking"). Ein bekanntes gattungsgemässes Verfahren baut mit zwei parallel dauerhaft ausgesendeten Infrarotlichtkeulen zwei Lichtschranken auf, die den zugelassenen Aufenthaltsraum an beiden Seiten begrenzen und nur eine Ja/Nein-Aussage über die Objektposition zulassen. Um jedoch eine absolute Aussage über die aktuelle Kopfposition mit einer sehr hohen Messgenauigkeit zu erhalten, ohne den Nutzer physiologisch zu belasten, ist bei dem erfindungsgemässen Messverfahren entlang einer virtuellen Ze ile (VL) eine grössere Anzahl N von Sendeorten (EL) vorgesehen, die zeitlich aufeinanderfolgend und zyklisch kurze Infrarotlichtpulse (IRP) aussenden. Dadurch wird ein Infrarotlichtstrahl erzeugt, der ständig den Aufenthaltsraum (OA) scannt. Mittels einer bevorzugt identischen Anzahl M von Messorten (ML) wird der aktuelle Intensitätsverlauf durch gewichtete Erfassung der von der Objektoberfläche (OS) reflektierten Infrarotlichtpulse (IRPR) gemessen, um daraus den Flächenschwerpunkt (OP) als relevanten Positionsparameter (po) zu errechnen. Eine bevorzugte Vorrichtung ist als kompakte Sensorzeile (SL) mit abwechselnd integrierten Infrarotlichtquellen (IRL) und Fototransistoren (PT) aufgebaut.

Description

Messverfahren zur Ermittlung der Position eines Objektes vor einem Bildschirm und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Messverfahren zur Ermittlung der Position eines Objektes vor einem Bildschirm in einem zugelassenen Aufenthaltsbereich zur Einbeziehung der Objektposition in die Darstellung von Bildschirminhalten oder optische Bildstrahlnachführung mittels
• aktiv in den Aufenthaltsbereich parallel ausgerichteter Aussendung von Infrarotlicht mit eng gebündelter Sendecharakteristik an zumindest zwei Sendeorten entlang einer einen Bildschirmrandbereich zumindest horizontal durchmessenden virtuellen Zeile mit zumindest linearem Verlauf, • ortsabhängiger Messung des von der Objektoberfläche reflektierten Infrarotlichtanteils an zumindest einem Messort auf der virtuellen Zeile im Bildschirmrandbereich und
• den Sendeorten zugeordneter Auswertung der Messergebnisse und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Derartige Messverfahren dienen primär der Ermittlung der Kopfposition eines Displaynutzers an einem Computerarbeitsplatz (Head-Tracking-Verfahren). Bei Kopfbewegungen können die Positionsdaten beispielsweise zur optischen Nachführung der Bildstrahlen eines autostereoskopischen 3D-Displays, zur Ausrichtung einer Videokamera auf den Anwender oder in Virtual-Reality- Anwendungen zur rechnerischen Anpassung der Bildperspektive einer geren- derten Szene an die momentane Kopfposition (Bewegungsparallaxe) verwendet werden. Allgemein können aber auch Bewegungen anderer Objekte, die in ausreichendem Maße Infrarotlicht reflektieren, verfolgt werden (beispielsweise Handbewegungen). Zur Messung der Kopfposition eines Displaynutzers werden gegenwärtig folgende Verfahren verwendet:
• Positionsmessung mit Messspulen in einem vom Messsystem erzeugten elektromagnetischen Feld. Dieses Verfahren ist beispielsweise aus der technischen Beschreibung der Star*Track Motion Capture Family der Firma Polhemus bekannt (vgl. Internetseite http://www. polhemus.com/ stardstech.htm, Stand 01.11.2000). Bei diesem elektromagnetischen Trackingverfahren werden Messungen von Bewegungen in allen 6 Freiheitsgraden (Translation und Rotation) durchgeführt. Nachteilig sind die
Befestigung der Messsonde am Messobjekt (Kopf) und deren Verbindung mit dem Messsystem durch ein Kabel. Außerdem ist das Verfahren störanfällig gegen Metalle in der Nähe bzw. Umgebung des Messobjektes aufgrund der Beeinflussung des elektromagnetischen Feldes und teuer in der Realisierung.
• Video-basierte Techniken. Die Messung erfolgt durch Auswertung von Kamerabildern. Es gibt eine Vielzahl von Varianten verschiedener Kategorien: (1) Es wird das im Aufenthaltsbereich des Anwenders vorhan- dene Licht oder eine spezielle aktive Lichtquelle hinsichtlich der Lichtfarbe permanent oder intermittierend genutzt. (2) Es werden merkmalsbasiert spezielle Merkmale im Kopfbereich des Anwenders (Mund, Pupillen, Nase) oder flächenbasiert spezielle Flächen (Hautfarbe, individuelles Aussehen der Augenregion, Suche nach Augen anhand einer Augendatenbank) des Anwenders detektiert. (3) Es werden eine oder mehrere Kameras (Stereoauswertung) eingesetzt. Die Nachteile der video-basierten Verfahren sind insbesondere in dem hohen Kostenfaktor, der begrenzte Messfrequenz und der Störanfällig bei veränderten Beleuchtungsbedingen zu sehen. Eine hohe Zuverlässigkeit ist nur bei einer individuellen Kalibrierung zu erreichen. Verfahren mit aktiver Infrarotbeleuchtung und Reflexmarke. Es solches Verfahren wird beispielsweise in dem „Dynasight™ Sensor" der Firma Origin Instruments (vgl. Intemetseite http://www.orin.com/3dtrack/dyst.htm, Stand 01.11.2000) umgesetzt. Die Messungen erfolgen hier nach dem Prinzip des optischen Radars mit hoher Genauigkeit. Ein gravierender Nachteil besteht jedoch darin, dass eine Reflexmarke an der Stirn des Anwenders befestigt oder auf den Rahmen einer (Stereo-) Brille geklebt werden muss. In der Realisierung ist dieses Verfahren sehr teuer und erfordert Sensoren mit großer Bautiefe.
Einer vierten Verfahrenskategorie gehört auch das vorliegende erfindungsgemäße Verfahren an. Es handelt sich hierbei um ein Messverfahren mit einer aktiven Infrarotbeleuchtung ohne Verwendung von Reflexmarken und Kameras. Die einzige bisher bekannte Umsetzung wird beschrieben in den Auf- Sätzen von N. Tetsutani et al., „Full-Color Stereoscopic Video Pickup and Display Technique Without Special Glasses" (SID 89 Digest, pp 188-191 ), „Consideration on Three-Dimensional Visual Communication Systems" (IEEE Journal on selected areas in Communications, Vol. 9, No. 4, May 1991 , pp 555- 560) und „Development of Direct-View 3D Display for Videophones Using 15 inch LCD and Lenticular Sheet" (IEICE Trans. Inf.& Syst., Vol.E77 D, No. 9, Sept. 1994, pp 940-947).
Bei dem aus diesen Aufsätzen bekannten Messverfahren werden im Bildschirmbereich zwei Infrarotlichtbündel abgestrahlt und der von der Haut des Anwenders als Objekt reflektierte Anteil wiederum im Bildschirmbereich detektiert. Dazu sind auf dem Bildschirmgehäuse als horizontal und linear verlaufende „virtuelle Zeile" an seinen beiden Ecken zwei Sendeorte, von denen jeweils im Dauerlichtbetrieb eine eng begrenzte Infrarotkeule in den Aufenthaltsraum gesendet wird, und zwei, direkt daneben auf dem Bildschirmgehäuse angeordnete Messorte vorgesehen. Die beiden parallel ausgesendeten Keulen markieren die beiden seitlichen Grenzen des zugelassenen Aufenthaltsbereichs für den Anwender. Die Auswertung der Messung erfolgt nach drei Kriterien: (1) Es wird kein reflektiertes Infrarotlicht empfangen. Der Anwender befindet sich in der Mitte zwischen den Keulen im zugelassenen Aufenthaltsbereich. (2) Am rechten Messort wird reflektiertes Infrarotlicht empfangen. Der Nutzer befindet sich rechts von der Mitte des zugelassenen Aufenthaltsbereichs. (3) Am linken Messort wird reflektiertes Infrarotlicht empfangen. Der Nutzer befindet sich links von der Mitte des zugelassenen Aufenthaltsraums. Entsprechend diesen drei Zuständen erfolgt in dem System eine Pixelumschaltung des 3D-Displays, die bewirkt, dass der Nutzer bei seitlichen Kopfbewegungen keine Tiefenumkehr (Pseudoskopie) im Stereobild wahrnimmt. Bei dem Verfahren erfolgt also die Positionsauswertung nur als relative Feststellung. Damit diese mit der aktuellen Position des Nutzerkopfes übereinstimmt, wird dessen Abbildung in einen sehr engen Rahmen projiziert, der seitlich von den beiden Infrarotlichtkeulen begrenzt wird. Das Auflösungsvermögen des bekannten Verfahrens ist dementsprechend begrenzt, ein häufiges Umschalten schon bei kleinsten seitlichen Kopfbewegungen ist die Folge. Aktuelle Kopfpositionen in absoluten Maßangaben können nicht ermittelt werden. Außerdem muss die Messrahmenbreite auf jeden einzelnen Nutzer individuell kalibriert oder sehr breit gewählt werden, was zu entsprechend ungenauen Messergebnissen führt. In einer besonderen Ausführungsvariante kann aus der Lage der Abbildung des reflektierten Lichtes auf dem Bildaufnehmer der zur Messung verwendeten Kamera auch grob auf die Entfernung des Kopfes geschlossen werden. Die Entfernungsinformation (mit zunehmender Entfernung sinkt die Intensität des empfangenen Lichtes) wird zur Steuerung der Empfindlichkeit der Sensoren an den beiden Messorten verwendet.
Die Problematik für die vorliegende Erfindung ist zusammenfassend darin zu sehen, das beschriebene bekannte Messverfahren unter Verwendung von aktivem Infrarotlicht und ohne Verwendung von Reflexmarken und Kameras dahingehend zu verbessern, dass relative Objektpositionen im Aufenthaltsbereich definiert erfasst sowie individuell ausgewertet und verarbeitet werden können. Dabei soll der Anwender größtmögliche Bewegungsfreiheit haben, um physiologische Beeinträchtigungen zu verhindern. Der auftretende Messfehler soll sehr gering sein, eine Anpassung an die geforderte Messauflösung soll möglich sein. Das Messverfahren soll einfach in seinem Ablauf und damit kostengünstig in seinen Realisierungskomponenten sein. Weiterhin soll es ohne die Notwendigkeit einer individuellen, benutzerabhängigen Kalibrierung durchführbar sein, sodass es auch bei spontan wechselnden Benutzern sofort einsetzbar ist. Eine Vorrichtung zur Verfahrensdurchführung soll kompakt in seinen Abmessungen sein, sodass eine vielseitige Ersetzbarkeit durch eine problemlose Verbindung mit unterschiedlich ausgeführten und eingesetzten Bildschirmen erreichbar ist.
Zur Lösung dieser Problematik ist bei dem erfindungsgemäßen Messverfahren der eingangs genannten Art deshalb vorgesehen, dass
• die Aussendung des Infrarotlichts in Form von getakteten kurzen Infrarotlichtpulsen an einer in Abhängigkeit von der geforderten Auflösung der Positionsermittlung vorgegebenen Anzahl N von Sendeorten, die mit einem variablen oder konstanten Rastermaß zueinander entlang der virtuellen Zeile vorgesehen sind, in zeitlich fortlaufender und zyklischer Abfolge erfolgt, • die ortsabhängige Messung mit einer an den Einfallsbereich der reflektierten Infrarotlichtpulsanteile angepassten Empfangscharakteristik im Takt der ausgesendeten Infrarotlichtpulse oder einem ganzzahligen Vielfachen davon erfolgt und
• die Auswertung der Messergebnisse jedes Messzyklus zu einem Intensitätsverlauf der reflektierten Infrarotlichtpulsanteile entlang der virtuellen Zeile führt, aus denen rechnerisch die aktuelle Position des Oberflächenschwerpunkts als relevantem Positionsparameter des Objekts entlang der zumindest einen virtuellen Zeile ermittelt wird.
Vorteilhafte Weiterführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, auf die im Zuge der Beschreibung im Einzelnen auch erläuternd eingegangen wird, sind den zugeordneten Unteransprüchen zu entnehmen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird entlang einer virtuellen Zeile ein Sende- und Empfangsschema konzipiert, mit dem der Aufenthaltsbereich des sich bewegenden Objekts kontinuierlich mit einem eng gebündelten Infrarotlichtstrahl gescannt wird, vergleichbar einem umlaufenden Radarstrahl. Dazu werden die einzelnen Sendeorte entlang der virtuellen Zeile fortlaufend zur Abgabe eines einzelnen Infrarotlichtimpulses veranlasst. Ist der letzte Sendeort in der Zeile erreicht, wird als nächstes wieder der erste Sendeort angesteuert, sodass der scannende Infrarotlichtstrahl zyklisch den Raum immer wieder von einer Seite zur anderen durchläuft. In Abhängigkeit vom Sendetakt der Infrarotlichtpulse kann damit der zulässige Aufenthaltsbereich ununterbrochen gescannt und jeder aktuelle Aufenthaltsort des zu überwachenden Objekts sofort detektiert und durch eine entsprechende Umrechnung in absolute Positionskoordinaten (bezogen auf das Messsystem) umgesetzt werden. Die gewählte Anzahl N der Sendeorte und deren eng begrenzte Sendecharakteristik bestimmen dabei die Ortsauflösung, eine Wahl von vorzugsweise N > 8 Messorten garantiert bereits einen guten Auflösungswert. Weiterhin ist die gewählte Anzahl N abhängig von der Länge der virtuellen Zeile und der Sendecharakteristik der Sendeorte. Die Messung der reflektierten Infrarotlichtpulsanteile ist an den Takt der ausgesendeten Infrarotlichtpulse angepasst. Die Zuordnung zu den einzelnen Sendeorten bzw. zu deren Einfallsbereich bestimmt dabei die Empfangscharakteristik der Messung. Bei einer sehr breiten Empfangscharakteristik kann der Messtakt mit dem Sendetakt übereinstimmen, bei einer sehr eng begrenzten Charakteristik kann er ein Vielfaches davon betragen, wodurch Einfluss auf die Messgenauigkeit genommen werden kann.
Die Auswertung der Sensorsergebnisse basiert auf der Erkenntnis, dass die Position des Schwerpunkts einer Fläche der charakteristische Parameter für die Position der Fläche selbst ist. Aus jedem Zeilenscan kann der Intensitätsverlauf der reflektierten Infarotlichtanteile ermittelt werden, wobei die Abschnitte zwischen den einzelnen Messorten linear interpoliert werden können. Auch hier zeigt sich, dass eine Vergrößerung der Anzahl der Messorte die Annäherung an den realen Intensitätsverlauf wesentlich verbessert. Die Fläche unter der Intensitätskurve, die sich aus einer Vielzahl von breiteren oder schmaleren Trapezflächen zusammensetzt, steht in Relation zur reflektierenden Oberfläche des Objekts. Die Koordinaten des Flächenschwerpunkts, der sich nach bekannten Algorithmen (vgl. weiter unten) ermitteln lässt, entsprechen dann den gesuchten Koordinaten der aktuellen Objektposition. Dabei legt die Ausrichtung der virtuellen Zeile die Ausrichtung der Koordinaten (waagerecht, senkrecht) fest.
Zusammenfassend kann zu den von dem erfindungsgemäßen Verfahren erfüllten Anforderungen Folgendes ausgeführt werden : Das Messverfahren kann seitliche Objektbewegungen (insbesondere Kopf oder Hand einer Nutzers) in einem Bereich von mindestens 30 cm erfassen, sodass keine Einschränkung der natürlichen Bewegungsfreiheit des Anwenders erfolgen muss. Dieser kann sich ganz natürlich bewegen, der Bildschirminhalt bzw. die optischen Bildstrahlen eines autostereoskopischen 3D-Displays werden hochgenau entsprechend nachgeführt. Die Kopfposition, definiert als Flächenschwerpunkt der Fläche des Gesichtes bei (Parallel-)Projektion in Richtung auf den Messort, kann in einem definierten Abstandsbereich von 50 cm bis 100 cm detektiert werden, was einem üblichen Betrachtungsabstand für Computerbildschirme an einem Arbeitsplatz entspricht. Der örtliche Auflösung der gemessene Positionsdaten ist besser als 0,5 mm. Je nach Anwendung kann eine größere Messungenauigkeit zugelassen sein, in diesem Fall sind einfache Anpassungsmöglichkeiten des technischen Aufwandes an die geforderte Genauigkeit durchführbar. Zur weiteren Verringerung des Messfehlers kann vor jedem Aussenden eines Infrarotlichtpulses ein Helligkeitsabgleich an allen Messorten durchgeführt werden. Störeinflüsse aus der Umgebung werden so eliminiert. Das Messverfahren ist äußerst robust gegenüber wechselnden Verhältnissen der Umgebungsbeleuchtung (adaptiv) und bei mechanischer / thermischer Belastung. Es kann daher auch an schwierigen Einsatzorten, z.B. bei mobilen Anwendungen im fahrenden Kfz., eingesetzt werden. Das Messverfahren benötigt keine Reflexmarken oder andere am Objekt zu tragende Komponenten einer Messapparatur. Darüber hinaus benötigt es keine abbildenden Apparaturen (Kamera). Die zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen Komponenten weisen ein derart geringe Baugröße auf, dass eine Integration selbst in das Gehäuse eines Flachbildschirm oder in das Cockpit eine Fahrzeugs möglich ist. Ein individuelle, benutzerabhängige Kalibrierung entfällt, dadurch können die Benutzer spontan wechseln. Gegebenenfalls kann im Kontext einer Anwendung eine Feinabstimmung durch den Anwender erfolgen. Das erfindungsgemäße Messverfahren kann Positionskoordinaten in allen drei translatorischen Raumrichtungen liefern. Bei einer Bevorzugung nur der waagerechten Breitenkoordinate ist es zulässig, dass die Messzone in vertikaler Richtung auf einen Winkel von unter 20 Grad beschränkt ist. Messungen in vertikaler und frontaler Richtung bezogen auf das Display können bei Bedarf durch entsprechend positionierte zusätzliche Sensoren erfasst werden. Eine Erfassung des Drehwinkels des Kopfes, d.h. aller sechs Freiheitsgrade, ist nicht beabsichtigt.
Die ortsabhängige Messung der reflektierten Infrarotlichtpulsanteile mit einer weitwinkeligen Empfangscharakteristik kann an einem einzigen Messort in der Mitte der virtuellen Zeile erfolgen. Der Messtakt ist dann identisch mit dem Sendetakt. Jeder reflektierte Infrarotlichtpulsanteil wird dann an einem zentralen Messort detektiert. Die ortsabhängige Messung kann aber auch mit einer jeweils schmalwinkeligen Empfangscharakteristik an einer mit der gewählten Anzahl N der Sendeorte übereinstimmenden Anzahl M von Messorten, die abwechselnd mit den einzelnen Sendeorten unter gleichmäßiger Anpassung an deren Rastermaß entlang der virtuellen Zeile vorgesehen sind, in einer fortlaufenden und zyklischen Abfolge erfolgen, die an die Abfolge der ausgesendeten Infrarotlichtpulse angepasst ist. Nunmehr ist jedem Sendeort entlang der virtuellen Zeile ein Messort zugeordnet. Die Zeile ist somit homogen konzipiert, sodass der gesamte zulässige Aufenthaltsbereich mit gleichen Messvoraussetzungen gescannt werden kann. Dadurch entstehen keine Messungenauigkeiten an den Randbereichen. Bei gleichem Sende- und Messtakt wird bei jedem aktiven Sendeort einmal der benachbarte Messort aktiviert, sodass pro Messzyklus einer der Anzahl der vorhandenen Sende- bzw. Messorte entsprechende Anzahl von Messwerten zu erhalten ist. Die ortsabhängige Messung der reflektierten Infrarotlichtpulsanteile kann aber auch mit einer Gewichtung im Bereich des getaktet aktiven Sendeortes erfolgen, die im Messtakt und in der Auswertung der Messergebnisse berücksichtigt wird. Bei der Umsetzung bedeutet dies, dass der Messtakt nunmehr ein Vielfaches des Sendetaktes ist. Zu jedem aktiven Sendeort werden mehrere benachbarte Messorte als zugeordnetes Messarray abgefragt. Dabei kann eine gleichzeitige Abfrage der benachbarten Messorte erfolgen, was jedoch relativ aufwändig ist, sodass auch die Messorte bevorzugt zeitlich nacheinander abgefragt werden. Durch diese Arraybildung kann das Messergebnis verbessert werden. Insbesondere können bei der Gewichtung jeweils vier, dem aktiven Sendeort rechts und links benachbarte Messorte einbezogen werden, wobei die bei den jeweils beiden äußeren Sendeorten fehlenden benachbarten Messorte in ihren Messwerten angenommen werden und der Messtakt das Achtfache des Sendetaktes der ausgesendeten Infrarotlichtpulse beträgt. Durch die Wahl eines Achterarrays erhält man eine zuverlässige Gewichtung, die bezüglich des Messtaktes noch völlig unkritisch ist. Die Messwertannahme für die fehlenden Messorte kann entweder zu Null oder durch Spiegelung der entsprechenden, zum Sendeort symmetrischen Messorte erfolgen. Die Messungen an den jeweils relevanten Messorten im Array können zeitgleich, was jedoch einen größeren Bauteilaufwand bedeutet, oder zeitversetzt erfolgen.
Das Konzept der virtuellen Zeile ist einfach und vielfältig einsetzbar. Das wird noch unterstützt durch unterschiedliche Kombinationsmöglichkeiten in der Positionierung und geometrischen Konstruktion der virtuellen Zeile. Mit einer linearen Zeile können je nach dem, in welcher Ausrichtung sie konzipiert ist (horizontal oder vertikal), die entsprechend zur Bildschirmoberfläche horizontalen (x) oder vertikalen (y) Positionskoordinaten des zu erfassenden Objekts ermittelt werden. Bei einer Kombination beider Konzepte können entsprechend die x-y-Koordinaten in der Oberfläche ermittelt werden. Die wichtigste Koordinate für eine Bildnachführung ist im Allgemeinen die x-Koordinate, weil bei seitlichen Kopfbewegungen die Bildinhalte am deutlichsten variieren, und insbesondere bei horiziontal gerasterten Bildern für autostereoskopische Displays (z.B. nach der Linsenrastermethode oder der Parallaxbarrieren- technik) eine optische Bildstrahlnachführung in horizontaler Richtung erforderlich ist. Von Bedeutung ist aber auch die Entfernung des Anwenders von der Bildschirmoberfläche, d.h. die z-Koordinate. In Abhängigkeit von deren Werten können ebenfalls Anpassungen (Fokussierungen) der Bildinhalte und der Bildstrahlen vorgenommen werden. Zur Erfassung der z-Koordinate kann insbesondere vorgesehen sein, dass die virtuelle Zeile oder die Ausrichtung der Sende- bzw. Empfangscharakteristik der Sende- bzw. Messorte einen gleichmäßig radial gekrümmten Verlauf zum Objekt aufweist. Durch den Zeilenverlauf in Form eines Kreisbogenausschnitts kann über eine relativ kurze Zeile ein relativ weiter Aufenthaltsbereich des Objektes erfasst werden. Eine noch kürzere Zeile in linearer Ausprägung erhält man bei der radialen Ausrichtung der Sende- und Empfangscharakteristiken, die zudem noch einfacher zu realisieren ist. Die radial ausgerichtete Anordnung entspricht einer Projektion mit Zentralperspektive, d.h. die Größe des abgebildeten Objektes nimmt mit zunehmender Entfernung von der virtuelle Zeile ab. Durch Auswertung der Streubreite der gemessenen Intensitätskurven kann daher auf relative Abstandsänderungen des Objektes geschlossen werden (relatives Tracking in Richtung der z-Achse). Die absolute Größe des abgebildeten Objektes kann anhand einer zusätzlichen linearen Zeile mit einer parallelen Ausrichtung von Empfangskeulen ermittelt werden. Durch Kombination einer linearen mit einer gekrümmten Zeile kann daher auch der absolute Abstand des Objektes (bevorzugt Kopf des Anwenders) berechnet werden (absolutes Tracking in Richtung der z-Achse). Bei einer bevorzugten Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit
• zumindest zwei Infrarotlichtquellen mit eng gebündelter Sendecharakteristik als Sendeorte entlang einer einen Bildschirmrandbereich zumindest horizontal durchmessenden virtuellen Zeile mit zumindest linearem Verlauf,
• zumindest einem Sensor zur ortsabhängigen Messung des von der Objektoberfläche reflektierten Infrarotlichtanteils im Bildschirmrandbereich auf der virtuellen Zeile und • einer Auswerteeinheit zur den Sendeorten zugeordneten Auswertung der Messergebnisse, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass
• die virtuelle Zeile durch eine für Infrarotlicht undurchlässige Schiene vorgegebener Länge als Sensorzeile realisiert ist, in die eine in Abhängigkeit von der geforderten Auflösung der Positionsermittlung vorgegebene Anzahl N
Infrarotlichtquellen mit einem variablen oder konstanten Rastermaß zueinander integriert ist, die über eine Steuerelektronik in zeitlich fortlaufender und zyklischer Abfolge zur Abgabe getakteter Infrarotlichtpulse mit einem Sendetakt angesteuert werden, • über die Steuerelektronik auch der zumindest eine Sensor im Sendetakt oder einem ganzzahligen Vielfachen davon als Messtakt angesteuert wird und
• die Auswerteeinheit einen Microcontroller aufweist zur an den Messtakt angepassten Durchführung von Rechenalgorithmen für die Berechnung der aktuellen Position des Oberflächenschwerpunkts aus dem ermittelten aktuellen Intensitätsverlauf der reflektierten Infrarotlichtpulsanteile entlang der Sensorzeile.
Vorteilhafte Weiterführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, auf die im Zuge der Beschreibung im Einzelnen auch erläuternd eingegangen wird, sind den zugeordneten Unteransprüchen zu entnehmen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zutreffenderweise als „Sensorzeile" bezeichnet werden und stellt die konsequente konstruktive Umsetzung der virtuellen Zeile als Basiskonzept des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Die Sensorzeile ist einfach und robust in ihrem Aufbau. Sie ist äußerst kostengünstig, da ihre Komponenten, im Allgemeinen einfache Infrarot- Leuchtdioden zur Realisierung der Sendeorte und Fototransistoren zur Realisierung der Messorte, als Massenteile preiswert sind. Die Sensorzeile ist einfach herzustellen und umfasst als tragendes Basiselement eine einfache, für Infrarotlicht undurchlässige Schiene. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine massive Aluminiumschiene handeln. Dabei kann ein einzelner Sensor mit einer weitwinkeligen Empfangscharakteristik in der Mitte der Schiene angeordnet sein. Die Sensorzeile kann aber auch einen homogenen, symmetrischen Aufbau aufweisen. Dazu kann eine mit der Anzahl N der Infrarotlichtquellen übereinstimmende Anzahl M von Sensoren mit einer schmalwinkeligen Empfangscharakteristik abwechselnd mit den einzelnen Infrarotlichtquellen in die Schiene unter gleichmäßiger Anpassung an deren Rastermaß integriert sein und die M Sensoren über die Steuerelektronik in einer fortlaufenden und zyklischen Abfolge angesteuert werden, die an die Abfolge der ausgesendeten Infrarotlichtpulse angepasst ist, wobei die Infrarotlichtquellen in einem konstanten Abstand von 8 mm, 16 mm oder 32 mm zueinander in der Schiene angeordnet sein können. Die Vorteile einer derartigen Anordnung werden im Zusammenhang mit einem speziellen Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Die Infrarotlichtquellen und die Sensoren können am Boden von röhrenförmigen Öffnungen oder zurückversetzt in rückseitig optisch abgedichteten Bohrungen in der Schiene angeordnet sein. Die Öffnungen dienen als Blenden für die Infrarotlichtquellen bzw. für die Sensoren und begrenzen deren Austrittscharakteristik bzw. Empfangscharakteristik beispielsweise auf 16°. Die Austritts- bzw. Empfangscharakteristik kann ggf. auch (bzw. auch zusätzlich) durch Miniaturlinsen vor den Lichtquellen und den Sensoren begrenzt werden. Durch die optische Abdichtung kann eine Störwirkung durch Streulicht, seitliche Nebenkeulen und rückwärtiges Streulicht vermieden werden. Die Länge der Schiene kann einem Breitenanteil des Bildschirmrandbereichs entsprechen. Die Sensorzeile kann dann in der Breite des Bildschirmrand- bereichs aus zwei oder mehr Schienen zusammengesetzt sein. Dabei können die Schienen auf Platinen, die die gesamte Schaltungs-, Steuerungs- und Auswerteelektronik tragen, montiert sein, die entsprechend hintereinander geschaltet sind. Die Schienen können aber auch in einem Gehäuse fertig instrumentiert sein, sodass mehrere Gehäuse hintereinandergeschaltet werden können. Außerdem kann die Sensorzeile an sich gekrümmt sein oder radial ausgerichtete Infrarotlichtquellen und Sensoren aufweisen, um die Ermittlung der Tiefenkoordinate des Objekts zu ermöglichen. Die Anordnung der Sensorzeile kann vielfältig im Bildschirmrandbereich erfolgen. Die Sensorzeile kann beispielsweise einfach auf dem Bildschirmgehäuse stehen oder seitlich daran montiert sein. Sie kann aber auch entsprechend in den Gehäuserand integriert sein. Weiterhin können lineare und gekrümmte Sensorzeilen miteinander kombiniert sein. Eine Vorrichtung zur Ermittlung aller drei Koordinaten x, y und z des sich bewegenden Objekts sieht eine lineare und eine gekrümmte Sensorzeile im horizontalen und eine lineare Sensorzeile im vertikalen Bildschirmrandbereich vor. Schließlich kann noch zumindest eine Sensorzeile horizontal in einen abnehmbaren Linsen rastervorsatz für einen 2D/3D-Bildschirm integriert sein. Auch Kombinationen der erfindungsgemäßen Sensorzeile mit anderen Positionserkennungsvorrichtungen sind möglich.
Ausbildungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigt :
Figur 1 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figur 2 einen theoretischen Intensitätsverlauf, Figur 3 einen gemessenen Intensitätsverlauf,
Figur 4 eine erste Ausführungsform einer Sensorzeile und
Figur 5 eine weitere Ausführungsform einer Sensorzeile. Die Figur 1 zeigt ein schematisiertes Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Messverfahrens zur Ermittlung der Position PO eines Objektes O vor einem Bildschirm in einem zugelassenen Aufenthaltsbereich OA zur Einbeziehung der Objektposition PO in die Darstellung von Bildschirminhalten bzw. zur optischen Bildstrahlnachführung bei einem getrackten 3D-Display.
Das erfindungsgemäße Messverfahren basiert auf der Aussendung E von eng gebündelten Infrarotlichtpulsen IRP von einer Anzahl N Sendeorten EL aus in den zugelassenen Aufenthaltsbereich OA des Objekts O und der ortsabhängigen Messung SM der von der Objektoberfläche OS reflektierten Infrarotlichtpulsanteile IRPR an zumindest einem Messort ML. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Anzahl N (im gewählten Ausführungsbeispiel N = 32) Infrarot-Leuchtdioden IRL als Sendeorte EL und eine damit überein- stimmende Anzahl M von Fototransistoren PT als Messorte ML verwendet, die mit einem konstanten Abstand D in einer geraden virtuellen Zeile VL nebeneinander angeordnet sind und eine Sensorzeile SL bilden. Die Sensorzeile SL ist in der Figur 1 von vorne und darunter von oben dargestellt, die Positionierung des Objektes O (Betrachter) ist in Relation zu der Darstellung von oben zu sehen. Die Infrarot-Leuchtdioden IRL senden in zeitlich fortlaufender und zyklischer Abfolge kurze Infrarotlichtpulse IRP aus (Hellsteuerung ca. 250 μs). Ein Array AR von im gewählten Ausführungsbeispiel acht, Fototransistoren PT, die der vierten Infrarot-Leuchtdiode IRL symmetrisch benachbart gewählt sind, detektiert die reflektierten Infrarotlichtpulsanteile IRPR. Die Infrarot-Leuchtdioden IRL und die Fototransistoren PT sind zur Bündelung der Sende- bzw. Empfangscharakteristik im gewählten Ausführungsbeispiel auf einen Winkel von 16° am Boden von röhrenförmigen Öffnungen TO angebracht. Aus der gemessenen Intensitätsverteilung des empfangenen Lichtes IRPR kann dann auf die aktuelle Position PO des Objektes O bezüglich der Sensorzeile SL geschlossen werden. Verschiedene Signalverarbeitungsschritte sorgen dafür, dass der Einfluss von Fremdlicht und das Messrauschen so reduziert wird, dass der Oberflächenschwerpunkt OP des Objektes O in Richtung der Sensorzeile SL bei einem Abstand von 80cm auf wenige zehntel Millimeter genau bestimmt werden kann. In der Figur 1 ist der Ablauf der Mess- und Rechenprozesse für eine Sensorzeile SL mit 32 Infrarot-Leuchtdioden IRL und 32 Fototransistoren PT dargestellt. In jedem Messzyklus werden 256 Rohmesswerte MPT durch Auslesen der 8 Fototransistoren PT in der Umgebung der gerade leuchtenden Infrarot-Leuchtdiode IRL gewonnen. Die Werte der „fehlenden" Fototransistoren PT am Anfang und Ende der Sensorzeile SL werden rechnerisch auf Null gesetzt. Die Rohmesswerte MPT laufen in einer Sample- and Hold- Einheit SHU auf und werden in einem Analog-Digital-Wandler AD beispielsweise mit einer 8bit-Genauigkeit zu digitale Messdaten MD umgesetzt. Diese Werte MD werden dann in den Speicher RAM eines Microcontrollers MC eingelesen und durch gewichtete Mittelung Fl auf 32 gefilterte Messdaten MD reduziert. Durch Berechnung des Oberfächenschwerpunktes OP unter der gemessenen Intensitätskurve (vgl. Figuren 2, 3) wird ein verfeinerter Indexwert IV gewonnen, der durch entsprechende Skalierung (Verfeinerung durch iterative Anwendung der Eingabelungs-Methode IBS) in einen Positionswert PV in metrischen Einheiten für das Zentrum der aktuellen Objektposition PO in Richtung der Sensorzeile SL umgerechnet werden kann. Damit fluktuierende Infrarotlichtanteile im Umgebungslicht keinen Einfluss auf das Messergebnis PV haben, wird vor jeder einzelnen Hellsteuerung einer Infrarot-Leuchtdiode IRL in einem Korrekturschritt COR der Dunkelwert an den Fototransistoren PT gemessen und nach erfolgter Hellsteuerung in den Analog-Digital-Wandlern AD von den Messdaten MD abgezogen. Die Analog-Digitai-Wandler AD werden ebenfalls vor jeder Hellsteuerung neu abgeglichen, um eine mögliche Drift und individuelle Ungenauigkeiten auszugleichen. Im Folgenden wird anhand der Figur 2, die den Intensitätsverlauf des reflektierten Infrarotlichtpulsanteils IRPR über der Sensorzeile SL zeigt, kurz und allgemein die im erfindungsgemäßen Messverfahren angewandte Signalverarbeitung erläutert. Die Messdaten MD durchlaufen ein Filter Fl, mit dem aus je acht benachbarten Messdaten MD ein neuer Wert Xneu errechnet wird. Dabei werden die Koeffizienten so gewählt (Potenzen von 2), dass mit Stellenverschiebungen (Shifts) dividiert werden kann. Die Summe der Koeffizienten ist dabei ungleich 1. Diese Vorgehensweise ist zulässig, da die Absolutwerte der Mittelung nicht benötigt werden. Nur die Unterschiede zwischen den ausgewerteten Infrarot-Leuchtdioden IRL sind von Interesse. Das im folgenden skizzierte Filter Fl wurde zur gewichteten Mittelung des Messdaten MD implementiert:
XI— - Xneu[0..31]=X1[0..31]+X8[0..31] /16 + X2 — X2[0..31]+X7[0..31]/8 + X3 — X3[0..31]+X6[0..311/4 + X4-- X4[0..31]+X5[0..31]/2 X5 — X6 — X7 — X8 —
Als Resultat der Filterung liegt eine Ergebniszeile mit N Werten vor, die den Intensitätsverlauf des reflektierten Infrarotlichtpulsanteils IRPR über der Sensorzeile SL darstellt. Durch lineare Interpolation wird aus den gefilterten Messwerten FI(MD) eine Fläche gebildet (vgl. Figur 2). Gesucht wird nun die x- Koordinate des Flächenschwerpunktes unter der Kurve. Deren wird dann als Resultat der Ortsbestimmung der Kopfposition in x-Richtung genommen. Die Bestimmung erfolgt in zwei Schritten:
1) Die Position wird im ersten Schritt mit der Genauigkeit des halben Messwerteabstandes ermittelt. Zunächst wird dazu die Gesamtfläche S nach der Trapezregel berechnet:
S=-{xQ+xl) + ~{xi+x2) + ...+-{xM_2+xM_l). Dann werden die Teilsummen sukzessiv mit der halben Fläche S/2 verglichen. Derjenige Indexwert IV, der diesen Wert nicht übersteigt, wird als Resultat ausgegeben:
1 1 1
Fιv = -{χo + xι ) + -{xι + X2 ) + - -- + -{x,v-ι + xιv ) ≤ - und
- < -( o + *ι ) + ~(*ι + 2) + - - - + -{χιv + xιv+ι ) = Fι /V+l
Dieses Ergebnis fällt noch relativ grob aus, da die Messung vom Abstand bzw. von der Zahl der optischen Messelemente (Fototransistoren) abhängt. Diese sollte aus Aufwandsgründen möglichst klein sein.
2) Im nächsten Schritt wird das Ergebnis verfeinert. Der nach dem obigen Schema gewonnene Indexwert IV ist nie größer als die horizontale Schwerpunktkoordinate. An der Intensitätskurve gemäß Figur 2 ist ersichtlich, dass für eine genauere Bestimmung des Flächenschwerpunktes die grau dargestellte Fläche ΔF eines Trapezes berechnet werden muss. Die Grundlinie Δx des Trapezes verfeinert die Bestimmung des gesuchten Koordinatenwertes.
ΔF = hx-{x„ + xtv + Ax[xjy+l - xIV ])
2
Die Lösung dieser quadratischen Gleichung für Δx erfolgt mit der Methode der „Eingabelung" (Bisection Methode). Durch fortgesetzte Halbierung des anfänglichen Suchintervalls [χ/κ, /v+1] und Überprüfung, ob der Wert zu groß oder zu klein ist, wird das gesuchte Δx solange eingekreist, bis die geforderte Genauigkeit erreicht ist. Mit jedem Schritt wird der Fehler halbiert, sodass jeweils eine binäre Nachkommastelle gewonnen wird. Normalerweise wird auf dem Zielrechner kein mathematischer Koprozessor zur Verfügung stehen. Dann ist die Ausführung des Algorithmus in Festkomma zu bevorzugen, da eine Gleitkomma-Bibliothek nicht nur Speicherplatz belegt, sondern auch zusätzliche Rechenleistung fordert. Beides wird auf Microcontrollern aus Aufwandsgründen stets knapp bemessen sein.
Alle handelsüblichen Rechner arbeiten mit dem binären Zahlensystem. Um etwa P binäre Nachkommastellen zu berechnen, wird eine Iterationsformel für
ΔX = 2 Ax aufgestellt, denn die Multiplikation mit der Basis 2 kann durch einfaches Stellenverschieben erzielt werden.
22P+1 AF = 2pAx(2p+lxIV + 2p Ax[xN+l - xw ]) = ΔX (2™ xιv + AX [x IV+Ϊ w 1)
Da zur Berechnung von ΔF nur durch 2 oder 4 geteilt werden muss, kann die linke Seite der Gleichung für P ≥ 1 rundungsfehlerfrei berechnet werden. Von der Iteration nach der Bisection Methode werden dann genau P Schritte durchgeführt (oder weniger, wenn die Gleichung mit einem der Zwischenwerte exakt gelöst werden kann). Eine besonders effektive Implementierung des Algorithmus kann aber nur ungerade Werte liefern, wenn M eine Potenz von Zwei ist (wie im vorliegenden Fall). Daher empfiehlt sich die Einführung einer weiteren Stelle (P um Eins erhöhen), die nicht ausgegeben wird.
Eine praktische Realisierung ergab, dass bei einem Sensorenabstand von 15,24 mm eine Auflösung von 0,48 mm erreicht werden kann, was einen Wert von P = 64 sinnvoll macht. Wenn die optischen Bauteile im 2er-Potenz- Abstand von Millimetern (8, 16 oder 32 mm) angeordnet würden, wäre das Ergebnis ohne Umrechnung dezimal zu interpretieren. Das bislang implementierte Verfahren ermöglicht eine Messfrequenz von über 33Hz (16-Bit Prozessor aus der Motorola 68HC - Familie, Kfz. tauglich, CAN Bus Unterstützung, interner Flash EPROM).
Figur 3 zeigt als Beispiel eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemessene Intensitätskurve nach dem ersten Auswertungsschritt, d.h. vor der beschriebenen Messwertverfeinerung in Schritt 2). In der Darstellung beschreibt die x-Achse die numerische Position der jeweils leuchtenden Infrarot-Leuchtdiode IRL. Der jeweils darüber aufgetragene Intensitätsmesswert ist die gewichtete Mittelung der Messwerte von acht Fototransistoren PT in der Umgebung der jeweils leuchtenden Infrarot-Leuchtdiode IRL.
In der Figur 4 ist eine einfache Vorrichtung einer erfindungsgemäßen Sensorzeile SL auf dem horizontalen Bildschirmrandbereich DM eines Bildschirms D schematisch dargestellt. Deutlich ist zu erkennen, dass die gerade Sensorzeile SL nur geringe bauliche Abmessungen aufweist und deshalb an nahezu beliebigen Orten montierbar ist. Die dargestellte Sensorzeile SL wird als IR- Head-Tracker eingesetzt. Sie ist auf zwei Platinen mit je 16 IR-Sendedioden IRL und 16 Fototransistoren PT aufgebaut (in der Figur 4 nur angedeutet). Diese sind abwechselnd nebeneinander angeordnet und in einer Metallschiene MR aus Aluminium in Bohrungen von 5 mm Durchmesser in 10 mm Tiefe angebracht und auf der Rückseite optisch abgedichtet. Das gewählte Rastermaß D beträgt 7,62 mm. Somit beträgt der Abstand zwischen zwei benachbarten IR-Sendedioden IRL bzw. zwischen zwei Fototransistoren PT 15,24 mm. In der vorliegenden Ausführungsform wurden zwei Platinen kaskadiert und in ein gemeinsames Gehäuse B integriert, sodass sich eine Gesamtzahl von N = 32 IR-Sendedioden IRL und M = 32 Fototransistoren PT ergibt mit N = M. Die optischen Bauelemente haben einen Gesamtöffnungs- winkel von 16° (nomineller Öffnungswinkel der Abstrahl- bzw. Empfangscharakteristik).
In der Figur 5 ist eine Vorrichtung dargestellt, bei der eine Sensorzeile SL als Head-Tracker horizontal in einen abnehmbaren Linsenrastervorsatz LP für einen flachen 2D/3D-Bildschirm FS integriert ist. Der Anwender hängt den Linsenrastervorsatz LP über den Bildschirm FS und begibt sich in eine günstige Betrachtungsposition für eine gute Bildtrennung. Die Elektronik zur Signalverarbeitung der Sensorzeile SL befindet sich dabei in einer in der Figur 5 nicht weiter dargestellten separaten Box mit einem „Start"-Schalter. Die Box besitzt zudem einen VGA-Eingang zur Verbindung mit einem PC und einen VGA-Ausgang zum Anschluss des Bildschirms FS. Der Anwender drückt den Startknopf, wenn er in der günstigen Betrachtungsposition sitzt. Damit ist die Referenzposition für das Head Tracking durch die Sensorzeile SL definiert, eine individuelle Kalibrierung ist nicht erforderlich. Bei Kopfbewegungen erfolgt eine Pixelumschaltung in der Box, sodass pseudoskopische Wiedergaben vermieden werden. Die Box besitzt ggf. eine RS232 bzw. USB-Schnittstelle, sodass die Positionsdaten des Kopfes an den Computer übertragen werden können. Entsprechend der Kopfposition können dann Bildveränderungen (beispielsweise quasi-kontinuierliche Veränderungen der Bildperspektive bei Kopfbewegungen) vorgesehen werden. Unterhalb der Sensorzeile an der Auflagefläche zum Displaygehäuse befindet sich ein Druckschalter (Taster). Wenn der Linsenrastervorsatz LP abgenommen wird, erfolgt damit automatisch eine Ausschaltung der Sensorzeile SL; das VGA-Signal des PCs wird dann unverändert an den Bildschirm FS weitergegeben. Der Anwender muss also keine Kabel ziehen, wenn er den Bildschirm FS wieder vorübergehend als 2D-Monitor verwenden möchte.
Bezugszeichenliste
AD Analog-Digital-Wandler
AR ML-Gruppe
B Gehäuse
COR Korrekturschritt
D Abstand ELJML
DM Bildschirmrandbereich
DS Bildschirm
E Aussendung von Infrarotlicht
EL Sendeort
Fl gewichtete Mittelung (Filter)
FS flacher Bildschirm IBS Eingabelungs-Methode
IRL Infrarot-Leuchtdiode
IRP Infrarotlichtpuls
IRPR reflektierter Infrarotlichtpulsanteil IV verfeinerter Indexwert
LP Linsenrastervorsatz
M Anzahl der Messorte
MC Microcontroller
MD digitale Messdaten ML Messort
MPT Rohmesswert
N Anzahl der Sendeorte
O Objekt (Kopf, Hand)
OP Oberflächenschwerpunkt OA zugelassener Aufenthaltsbereich
OS Objektoberfläche
P Anzahl der Nachkommastellen
PO aktuelle Objektposition
PT Fototransistor PV Positionswert
RAM Speicher
S Gesamtfläche unter der Intensitätskurve
SHU Sample- and Hold-Einheit
SL Sensorzeile SM ortsabhängige Messung von Infrarotlicht
TO röhrenförmige Öffnung
VL virtuelle Zeile

Claims

Patentansprüche
1. Messverfahren zur Ermittlung der Position eines Objektes vor einem Bildschirm in einem zugelassenen Aufenthaltsbereich zur Einbeziehung der Objektposition in die Darstellung von Bildschirminhalten oder optische Bildstrahlnachführung mittels
• aktiv in den Aufenthaltsbereich parallel ausgerichteter Aussendung von Infrarotlicht mit eng gebündelter Sendecharakteristik an zumindest zwei Sendeorten entlang einer einen Bildschirmrandbereich zumindest horizontal durchmessenden virtuellen Zeile mit zumindest linearem Verlauf,
• ortsabhängiger Messung des von der Objektoberfläche reflektierten Infrarotlichtanteils an zumindest einem Messort auf der virtuellen Zeile im Bildschirmrandbereich und • den Sendeorten zugeordneter Auswertung der Messergebnisse, dadurch gekennzeichnet, dass
• die Aussendung (E) des Infrarotlichts in Form von getakteten kurzen Infrarotlichtpulsen (IRP) an einer in Abhängigkeit von der geforderten Auflösung der Positionsermittlung vorgegebenen Anzahl N von Sendeorten (EL), die mit einem variablen oder konstanten Rastermaß (D) zueinander entlang der virtuellen Zeile (VL) vorgesehen sind, in zeitlich fortlaufender und zyklischer Abfolge erfolgt,
• die ortsabhängige Messung (SM) mit einer an den Einfallsbereich der reflektierten Infrarotlichtpulsanteile (IRPR) angepassten Empfangscharakte- ristik im Takt der ausgesendeten Infrarotlichtpulse (IRP) oder einem ganzzahligen Vielfachen davon erfolgt und
• die Auswertung der Messergebnisse jedes Messzyklus zu einem Intensitätsverlauf der reflektierten Infrarotlichtpulsanteile entlang der virtuellen Zeile führt, aus dem rechnerisch die aktuelle Position (PV) des Ober- flächenschwerpunkts (OP) als relevantem Positionsparameter des Objekts
(O) entlang der zumindest einen virtuellen Zeile (VL) ermittelt wird.
2. Messverfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die ortsabhängige Messung der reflektierten Infrarotlichtpulsanteile mit einer weitwinkeligen Empfangscharakteristik an einem einzigen Messort in der Mitte der virtuellen Zeile erfolgt.
3. Messverfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die ortsabhängige Messung (ML) der reflektierten Infrarotlichtpulsanteile (IRPR) mit einer jeweils schmalwinkeligen Empfangscharakteristik an einer mit der gewählten Anzahl N der Sendeorte (EL) übereinstimmenden Anzahl M von Messorten (ML), die abwechselnd mit den einzelnen Sendeorten (EL) unter gleichmäßiger Anpassung an deren Rastermaß (D) entlang der virtuellen Zeile (VL) vorgesehen sind, in einer fortlaufenden und zyklischen Abfolge erfolgt, die an die Abfolge der ausgesendeten Infrarotlichtpulse (IRP) angepasst ist.
4. Messverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsabhängige Messung (ML) der reflektierten Infrarotlichtpulsanteile (IRPR) mit einer Gewichtung (Fl) im Bereich des getaktet aktiven Sendeortes (IRL) erfolgt, die im Messtakt und in der Auswertung der Messergebnisse berücksichtigt wird.
5. Messverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Gewichtung (Fl) jeweils insbesondere vier, dem aktiven Sendeort (IRL) rechts und links benachbarte Messorte (ML, AR) einbezogen werden, wobei die bei den jeweils beiden äußeren Sendeorten fehlenden benachbarten Messorte in ihren Messwerten angenommen werden und der Messtakt das Achtfache des Sendetaktes der ausgesendeten Infrarotlichtpulse beträgt, wobei die Messungen an den jeweils relevanten acht Messorten (AR) zeitgleich oder zeitversetzt erfolgen können.
6. Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die virtuelle Zeile oder die Ausrichtung der Sende- bzw. Empfangscharakteristik der Sende- bzw. Messorte einen gleichmäßig radial gekrümmten Verlauf zum Objekt aufweist.
7. Messverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine virtuelle Zeile mit einem linearen und mit einem gekrümmten Verlauf parallel übereinander im horizontalen Bildschirmrandbereich vorgesehen sind.
8. Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei virtuelle Zeilen mit linearem Verlauf orthogonal zueinander im -horizontalen und vertikalen Bildschirmrandbereich vorgesehen sind.
9. Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Rastermaß (D) für den Abstand zwischen den Sende- und Messorten (EL, ML) aus einer Potenz von 2 abgeleitet ist.
10. Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor jedem Aussenden eines Infrarotlichtpulses (IRP) ein Helligkeitsabgleich (COR) an allen Messorten (ML) durchgeführt wird.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Messverfahrens zur Ermittlung der Position eines Objektes vor einem Bildschirm in einem zugelassenen Aufenthaltsbereich zur Einbeziehung der Objektposition in die Darstellung von Bildschirminhalten oder optische Bildstrahlnachführung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit
• zumindest zwei Infrarotlichtquellen mit eng gebündelter Sendecharakteristik als Sendeorte entlang einer einen Bildschirmrandbereich zumindest horizontal durchmessenden virtuellen Zeile mit zumindest linearem Verlauf,
• zumindest einem Sensor zur ortsabhängigen Messung des von der Objektoberfläche reflektierten Infrarotlichtanteils im Bildschirmrandbereich auf der virtuellen Zeile und
• einer Auswerteeinheit zur den Sendeorten zugeordneten Auswertung der Messergebnisse, dadurch gekennzeichnet, dass • die virtuelle Zeile (VL) durch eine für Infrarotlicht undurchlässige Schiene (MR) vorgegebener Länge als Sensorzeile (SL) realisiert ist, in die eine in Abhängigkeit von der geforderten Auflösung der Positionsermittlung vorgegebene Anzahl N Infrarotlichtquellen mit einem variablen oder konstanten Rastermaß (D) zueinander integriert ist, die über eine Steuerelektronik in zeitlich fortlaufender und zyklischer Abfolge zur Abgabe getakteter Infrarotlichtpulse mit einem Sendetakt angesteuert werden,
• über die Steuerelektronik auch der zumindest eine Sensor (PT) im Sendetakt oder einem ganzzahligen Vielfachen davon als Messtakt angesteuert wird und • die Auswerteeinheit einen Microcontroller (MC) aufweist zur an den Messtakt angepassten Durchführung von Rechenalgorithmen für die Berechnung der aktuellen Position (PO) des Oberflächenschwerpunkts (OP) aus dem ermittelten aktuellen Intensitätsverlauf der reflektierten Infrarotlichtpulsanteile (IRPR) entlang der Sensorzeile (SL).
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass ein einzelner Sensor mit einer weitwinkeligen Empfangscharakteristik in der Mitte der Schiene angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der Anzahl N der Infrarotlichtquellen übereinstimmende Anzahl M von Sensoren (PT) mit einer schmalwinkeligen Empfangscharakteristik ab- wechselnd mit den einzelnen Infrarotlichtquellen (IRL) in die Schiene (MR) unter gleichmäßiger Anpassung an deren Rastermaß (D) integriert ist und die M Sensoren (PT) über die Steuerelektronik in zeitlich fortlaufender und zyklischer Abfolge angesteuert werden, die an die Abfolge der ausgesendeten Infrarotlichtpulse (IRP) angepasst ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarotlichtquellen (IRL) und die Sensoren (PT) am Boden von röhrenförmigen Öffnungen (TO) oder zurückversetzt in rückseitig optisch abgedichteten Bohrungen in der Schiene (MR) angeordnet sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarotlichtquellen (IRL) nach Potenzen von 2 in einem konstanten Abstand von 8 mm, 16 mm, 32 mm, usw. zueinander in der Schiene (MR) angeordnet sind.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Schiene (MR) einem Breitenanteil des Bildschirmrandbereichs (DM) entspricht.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorzeile (SL) in der Breite des Bildschirmrandbereichs (DM) aus zwei oder mehr Schienen (MR) zusammengesetzt ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Sensorzeile (MR) im oberen horizontalen und/oder vertikalen Bildschirmrandbereich (DM) angeordnet oder in diesen integriert ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine horizontal angeordnete Sensorzeile eine zum Objekt radiale gleichmäßige Krümmung oder eine radiale gleichmäßige Ausrichtung der Infrarotlichtquellen und Sensoren bzw. deren Sende- bzw. Empfangscharakteristiken aufweist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Sensorzeile (SL) horizontal in einen abnehmbaren Linsenrastervorsatz (LP) für einen 2D/3D-Bildschirm (FS) integriert ist.
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