WO2005081095A2 - Verfahren zum abschätzen einer virtuellen schreibebene - Google Patents

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WO2005081095A2
WO2005081095A2 PCT/EP2005/050506 EP2005050506W WO2005081095A2 WO 2005081095 A2 WO2005081095 A2 WO 2005081095A2 EP 2005050506 W EP2005050506 W EP 2005050506W WO 2005081095 A2 WO2005081095 A2 WO 2005081095A2
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Henry Feil
Ewald Frensch
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
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    • G06V30/228—Character recognition characterised by the type of writing of three-dimensional handwriting, e.g. writing in the air

Definitions

  • the present invention relates to a method for estimating a virtual writing level, in particular for portable input devices, by means of which characters or general control instructions can be "written" on an imaginary or virtual writing level in three-dimensional space.
  • a method for estimating a virtual writing level when entering control instructions by movements in three-dimensional space comprises the following steps. First of all, a movement of an input device is detected in a three-dimensional space spanned by three (linearly independent) direction vectors by at certain times
  • Locations are determined in the three-dimensional space, ⁇ i, which represent the curve of the movement of the input device.
  • portable electronic devices such as mobile radio devices, mobile telephones or small portable computers or watches, can be used as input devices.
  • the determined location points are then projected onto a first level, which is formed by the first and the second direction vector, so that first projected location points are generated on the first level.
  • the determined location points are projected onto a second level, which is formed by the third and second direction vector, so that second projected location points are generated on the second level.
  • a first regression line is determined by the first projected location points in order to obtain a first virtual direction vector for spanning the virtual writing plane
  • a second regression line is determined by the second projected Determined location points in order to obtain a second virtual direction vector for spanning the virtual writing plane.
  • the first, second and third direction vectors advantageously define a Cartesian coordinate system and can represent an X axis, Y axis or Z axis.
  • the determination of the location points can be determined by detecting the acceleration of the input device and double integration over time at the specific times. In this way, location points are determined that lie on a movement curve of the input device. It is possible to carry out the time integration while the input device is moving, or to temporarily store the recorded acceleration data and to convert it into location points by means of time integration only after a movement has ended. However, it is also conceivable to determine the movement curve (or the location points representing it) of the input device by means of methods other than the acceleration measurement.
  • the position of the input device can be determined at certain times by means of an optical or stereoscopic method, in which images of the input device or a striking section thereof are taken by two cameras from different perspectives, and by comparing the position of the input device on the two Images whose spatial position is determined.
  • the respective regression lines can be determined in such a way that the sum of the squared deviations of the respective projected location points from the respective regression lines becomes a minimum.
  • the location points determined at the beginning can be opened the virtual writing plane can be projected.
  • the location points projected onto the virtual writing plane can then be analyzed in order to recognize characters or symbols therefrom.
  • the recognized characters or symbols can then be interpreted as control instructions for the input device.
  • the interpreted control instructions can be processed in the input device and / or transmitted to a data processing system via an interface. It is possible to carry out the entire method steps mentioned above with respect to the detection or determination of the location points, the estimation or determination of the virtual writing plane or the analysis of the location points projected onto the virtual writing plane in the input device.
  • a radio module such as a "Bluetooth" radio module or an infrared interface, can be used as the interface to transmit the control instructions to an external device, such as a computer (as a data processing system).
  • a portable electronic device is created as an input device for performing an above-described method.
  • the device comprises an acceleration sensor for detecting a movement of the device in a three-dimensional space spanned by three direction vectors and for outputting corresponding acceleration data, and a conversion device for converting the acceleration data into a movement curve of the device by locating points in the movement at certain times three-dimensional space are determined, which represent the curve of the movement of the device.
  • a processing device which is set up to project the determined location points onto a first level, which is formed by the first and the second direction vector, so that first projected location points are generated on the first level; the determined location points to a second level, which is formed by the third and second direction vector project so that second projected location points are generated on the second plane; determine a first regression line through the first projected location points in order to obtain a first virtual direction vector for spanning the virtual writing plane; and to determine a second regression line through the second projected location points, in order to obtain a second virtual direction vector for spanning the virtual writing plane, and to project the determined location points onto the virtual writing plane.
  • the portable electronic device also has an evaluation device for analyzing the location points projected onto the virtual writing plane in order to recognize characters or symbols therefrom.
  • Figure 1 is a schematic representation of a portable electronic device in the form of a mobile phone according to a preferred embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the sequence of the detection of a movement of the device shown in FIG. 1 and the analysis of the movement;
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a virtual writing plane, in the vicinity of which are arranged location points which represent the movement curve of an input device
  • FIG. 4 is a schematic representation of the writing plane in a three-dimensional space, which is spanned by a Cartesian coordinate system;
  • FIG. 5 shows a detail from a first plane, which is spanned by the X and Y vector of the coordinate system from FIG. 4, to explain the determination of a first regression line by location points projected onto this first plane.
  • the mobile telephone MT When viewed from top to bottom, the mobile telephone MT has a loudspeaker LS for outputting an acoustic signal and a display or a display device DSP ⁇ for outputting an optical signal, in particular for displaying signs and symbols. Furthermore, the mobile telephone MT comprises an acceleration sensor BS which has three sensor sections S1, S2 and S3. Such sensor sections are advantageously arranged perpendicular to one another, in order to detect three-dimensional movements, ie movements in each case in an X, Y and Z dimension.
  • Such a sensor section can comprise, for example, an inductive acceleration sensor, piezoelectric acceleration sensor or capacitive acceleration sensor.
  • the physical principle behind this is based on the fact that the capacitance of a plate capacitor with a given cross-sectional area changes when the distance between the electrode plates changes.
  • a measuring element of an acceleration sensor is not a simple, but rather an expanded plate capacitor, which is divided into two partial capacitors by an additional electrode plate. While the two outer electrode plates are fixed, a middle electrode plate (which is arranged between the fixed plates) is elastically mounted and also has a fixed mass. Acts on the middle electrode plate (due to movement or loading acceleration) a force, it shifts a certain distance. When the force is gone, it returns to its original position.
  • This complex capacitor with the middle additional electrode can be used advantageously for the acceleration measurement.
  • the middle electrode plate is elastic. Your mechanical behavior due to the
  • Inertia enables electrical accelerations to be measured.
  • this design can be used elegantly with the three electrodes for a bridge circuit, because this results in a linear relationship between acceleration and voltage to be measured.
  • the three sensor sections S1 to S3 are oriented perpendicular to one another (for example S1 in the X dimension, S2 in the Y dimension and S3 in the Z dimension), they are now able to perform a three-dimensional movement to capture the mobile phone MT.
  • the respective detected movements in the individual dimensions or the respective accelerations are fed to a conversion device KE in the form of movement or acceleration data BD (cf. also FIG. 2).
  • This means that the accelerations are advantageously detected by the sensor BS and fed to the conversion device KE in digital form.
  • the respective accelerations or acceleration data are integrated numerically over time in the conversion device KE, which takes up very little computing time.
  • the tasks of a conversion device can be carried out by a digital signal processor or even by a microprocessor of a mobile device, such as a mobile phone (both processors are already present in such a device).
  • the position data now calculated by the integration finally result in a movement curve or curve in the Location space BT (compare again Figure 2) of the mobile phone.
  • This curve or several curves are then analyzed in an evaluation device AE in order to derive characters or writing times or symbols from them.
  • the evaluation device can be implemented using font recognition software.
  • the characters or symbols recognized by the evaluation device AE can then be displayed by the display device DSP.
  • the mobile telephone according to FIG. 1 also has a switching device SE in the form of a button attached to the side, which is used to start and end the recording of a movement curve.
  • a switching device SE in the form of a button attached to the side, which is used to start and end the recording of a movement curve. This means that if the SE key is pressed, the recording of the movement of the mobile telephone and thus the recording of its movement curve begins in the mobile telephone MT. After, for example, the user has written a letter or a character in the air with the mobile phone, he can stop recording the movement by releasing the SE key. In response to the release of the key, the acceleration data are converted by the devices KE and AE.
  • FIG. 2 in which the individual method steps of detecting the movement of the mobile device, such as the mobile phone MT, for displaying a group of recognized characters are briefly shown again.
  • step S1 the movement of the mobile device, such as the mobile phone MT, is detected by an acceleration sensor and acceleration data BD, in particular in digital form, is fed to a conversion device KE.
  • the acceleration data BD is integrated twice over time in order to finally obtain a movement curve or locus of the movement of the mobile device. More specifically, notably at certain times or at certain time intervals, the acceleration data are integrated twice over time, so that location points OP (cf. FIG. 3) are obtained along the curve of the movement of the mobile telephone MT.
  • location points OP cf. FIG. 3
  • speed data or pulse data of the mobile telephone can be calculated by means of simple integration in order to finally obtain a movement trajectory with a component in the location space and a component in the pulse space.
  • the movement curve BT obtained (or the location points representing the movement curve) is fed in step S3 to an analysis process or a character recognition in the evaluation device AE in order to finally derive characters or symbols corresponding to the movement curves.
  • signs or symbols are recognized by the evaluation device AE, the user can be informed of a recognition, for example by means of an acoustic signal (for example by a simple tone or by an acoustic output of the sign or symbol) via the loudspeaker LS.
  • the characters can either be displayed on the display device DSP as characters SZ in step 4 or can be sent to a control device (not shown) of the mobile telephone so that these performs corresponding functions.
  • FIG. 3 a virtual write plane VSE is shown, around which a movement curve BT 'or the location points OP representing the movement curve are scattered.
  • VSE virtual write plane
  • the location point OP1 being above the virtual write level VSE and the location point OP2 below the virtual write level VSE.
  • the recording of a movement can be started and ended, for example, by means of a switch on the input device (cf. FIG. 1).
  • a switch on the input device cf. FIG. 1
  • location points OP were determined for a locus curve BT, which scatter around the virtual write plane VSE.
  • the virtual writing plane VSE is located in a three-dimensional space, which is spanned by an X vector X, a Y vector Y and Z vector Z as three direction vectors representing a Cartesian coordinate system.
  • the determined location points OP are now projected onto a first plane XYE, which is formed by the X vector X and the Y vector Y, so that first projected location points POP1 are obtained on the first plane XYE.
  • the determined location points OP are projected onto a second plane YZE, which is formed by the Z vector Z and the Y vector Y, so that second projected location points POP2 are generated on the second plane YZE.
  • a first regression line through the first projected location points POP1 in order to obtain a first virtual direction vector VSV1 for spanning the virtual write plane VSE.
  • a second regression line through the second projected location points POP2 must be determined in order to obtain a second virtual direction vector VSV2 for spanning the virtual writing plane.
  • the two vectors VSV1 and VSV2 are linearly independent (they are even perpendicular to each other here), so that they can span the virtual write plane VSE.
  • the problem of determining the virtual writing level is thus reduced to determining two respective regression lines in the first level XYE and the second level YZE.
  • the determination of the respective regression line can be done using the least squares method, i.e. a method in which the sum of the squared deviations of the respective projected location points POPl, POP2 from the respective regression lines VSV1, VSV2 (the respective virtual direction vectors are equated here with the regression lines) becomes a minimum.
  • a linear relationship can be established as a function of the X coordinate of a projected location point POPl.
  • This means that the regression line VSVl can be described by the relationship y a + bx.
  • the regression coefficient b indicates by how much the value of the characteristic y changes on average when the value of the characteristic x changes by one unit.
  • the regression lines and thus the direction vectors VSV1 and VSV2 spanning the virtual write plane can be calculated.
  • the determined location points OP can then be projected onto the virtual writing plane VSE.
  • Location points OP on this level can be carried out by a processing device, which represents a separate device or a partial device of already existing components of an input device, such as the mobile phone MT shown in FIG. 1.
  • the processing device VE can be part of the analysis device AE, for example.
  • the virtual writing level can change during the input of several characters or symbols, it is advantageous to use carry out a renewed estimation of the virtual writing level VSE at certain time intervals in order to have sufficiently good estimates for the virtual writing level and thus the projected location points OP or movement curves BT, BT 'for corresponding characters or control instructions.
  • the location points projected onto the virtual writing plane can then be fed to the analysis device AE (if the processing device VE is not already part of the analysis device) in order to identify characters or control instructions associated with them.
  • the recognized characters or symbols can then be interpreted by a control device STE as control instructions for the mobile phone MT, and serve, for example, to initiate a telephone call, to open a telephone book, etc.
  • a radio module FM in particular in the form of a “Bluetooth” radio module, an infrared module, etc., can be used as an interface.

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Abstract

Offenbart ist ein Verfahren zum Abschätzen einer virtuellen Schreibebene (VSE) bei der Eingabe von Steueranweisungen durch Bewegungen im dreidimensionalen Raum. Zunächst wird ei­ne Bewegung einer Eingabevorrichtung in einem von drei Rich­tungsvektoren aufgespannten dreidimensionalen Raum erfasst, indem zu bestimmten Zeiten Ortspunkte (OP) in dem dreidimen­sionalen Raum ermittelt werden, welche die Kurve (BT') der Bewegung der Eingabevorrichtung repräsentieren. Anschliessend werden die ermittelten Ortspunkte auf eine erste Ebene (XYE), welche von dem ersten und dem zweiten Richtungsvektor gebil­det wird, projiziert, so dass erste projizierte Ortspunkte auf der ersten Ebene erzeugt werden. Ferner werden die ermit­telten Ortspunkte auf eine zweite Ebene (YZE), welche von dem dritten und zweiten Richtungsvektor gebildet wird, proji­ziert, so dass zweite projizierte Ortspunkte auf der zweiten Ebene erzeugt werden. Schliesslich wird eine erste und zweite Regressionsgerade durch die jeweiligen ersten und zweiten projizierten Ortspunkte bestimmt, um einen ersten und zweiten virtuellen Richtungsvektor zum Aufspannen der virtuellen Schreibebene zu erhalten.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Abschätzen einer virtuellen Schreibebene
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschätzen einer virtuellen Schreibebene, insbesondere für tragbare Eingabevorrichtungen, mittels welchen im dreidimensionalen Raum Schriftzeichen oder allgemein Steueranweisungen auf einer gedachten oder virtuellen Schreibebene "geschrieben" wer- den können.
Die Miniaturisierung von tragbaren elektronischen Geräten, wie Mobiltelefonen oder Organizern, bringt eine Verringerung der Bedienungselemente mit sich, und führt teilweise bis zu einem vollkommenen Verzicht auf mechanische Tasten bzw. Tas- taturen. Jedoch stellt sich dabei dann immer mehr das Problem der Eingabe von differenzierten Steueranweisungen, wie beispielsweise von Schriftzeichen bei einer Schrifteingabe. Bei größeren tragbaren Geräten ist hierzu ein berührungssensitives Display, ein sogenannter "Touch Screen" vorgesehen, auf dem mittels eines speziellen Stifts Zeichen bzw. Schriftzeichen geschrieben werden können, welche dann mittels einer speziellen Schrifterkennungssoftware als Schriftzeichen oder Steueranweisungen erkannt werden. Bei kleineren tragbaren Geräten, welche zumeist auch ein kleines Display aufweisen, ist die gerade beschriebene Methode zum Eingeben von Zeichen oder Steueranweisungen jedoch mühsam oder ganz unmöglich.
Zur Verbesserung der Eingabemöglichkeit insbesondere von kleinen tragbaren elektronischen Geräten ist es dabei mög- lieh, dass ein Benutzer Schriftzeichen oder allgemein Steueranweisungen mit dem Gerät im dreidimensionalen Raum schreibt bzw. das Gerät im dreidimensionalen Raum entsprechend einem Schriftzeichen oder einer Steueranweisung zugeordneten Symbol bewegt. Es wird dabei davon ausgegangen, dass die Bewegung dabei (entsprechend einer herkömmlichen Schreibbewegung auf einer Unterlage) in einer gedachten oder virtuellen Ebene erfolgt. Da jedoch bei einer freien Bewegung im Raum keine Un- terlage vorhanden ist, wird die Bewegung des Benutzers um die gedachte Ebene schwanken, was die Analyse der Bewegung bei der Bestimmung der dieser zugeordneten Steueranweisung erschwert bzw. verschlechtert.
Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine bequeme Möglichkeit zur Verbesserung der Eingabe von Schriftzeichen und Steueranweisungen durch Bewegungen im dreidimensionalen Raum schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Verfahren zum Abschätzen einer virtuellen Schreibebene bei der Eingabe von Steueranweisungen durch Bewegungen im dreidimensionalen Raum umfasst folgende Schritte. Zunächst wird eine Bewegung einer Eingabevorrichtung in einem von drei (linear unabhängigen) Richtungsvektoren aufgespannten dreidi- mensionalen Raum erfasst, indem zu bestimmten Zeiten
Ortspunkte in.idem dreidimensionalen Raum ermittelt werden, αi welche die Kurve der Bewegung der Eingabevorrichtung repräsentieren. Als Eingabevorrichtungen können beispielsweise tragbare elektronische Vorrichtungen, wie Mobilfunkgeräte, Mobiltelefone oder kleine tragbare Computer bzw. Uhren verwendet werden. Anschließend werden die ermittelten Ortspunkte auf eine erste Ebene, welche von dem ersten und dem zweiten Richtungsvektor gebildet wird, projiziert, so dass erste projizierte Ortspunkte auf der ersten Ebene erzeugt werden. Fer- ner werden die ermittelten Ortspunkte auf eine zweite Ebene, welche von dem dritten und zweiten Richtungsvektor gebildet wird, projiziert, so dass zweite projizierte Ortspunkte auf der zweiten Ebene erzeugt werden. Schließlich wird eine erste Regressionsgerade durch die ersten projizierten Ortspunkte bestimmt, um einen ersten virtuellen Richtungsvektor zum Aufspannen der virtuellen Schreibebene zu erhalten, und es wird eine zweite Regressionsgerade durch die zweiten projizierten Ortspunkte bestimmt, um einen zweiten virtuellen Richtungsvektor zum Aufspannen der virtuellen Schreibebene zu erhalten.
Vorteilhafterweise legen der erste, zweite und dritte Richtungsvektor ein kartesisches Koordinatensystem fest, und können dabei eine X-Achse, Y-Achse bzw. Z-Achse repräsentieren.
Die Ermittlung der Ortspunkte kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung durch Erfassung der Beschleunigung der Eingabevorrichtung und zweifacher Integration über die Zeit zu den bestimmten Zeiten ermittelt werden. Somit werden Ortspunkte ermittelt, die auf eine Bewegungskurve der Eingabevorrichtung liegen. Es ist dabei möglich, noch während der Bewegung der Eingabevorrichtung die Zeit-Integration vorzunehmen, oder die erfassten Beschleunigungsdaten zwischenzuspeichern und erst nach Beendigung einer Bewegung mittels Zeit-Integration in Ortspunkte umzuwandeln. Es ist jedoch auch denkbar, die Bewegungskurve (bzw. die diese repräsentierenden Ortspunkte) der Eingabevorrichtung mittels anderer Verfahren als der Beschleunigungsmessung zu ermitteln. Beispielsweise :kann die Ortsposition der Eingabevorrichtung zu bestimmten Zeiten mittels eines optischen bzw. stereoskopischen Verfahrens ermittelt werden, bei dem Bilder der Eingabevorrichtung oder eines markanten Abschnitts von dieser von zwei Kameras aus verschiedenen Perspektiven genommen werden, und durch Vergleich der Position der Eingabevorrichtung auf den beiden Bildern deren räumliche Position bestimmt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können die jeweiligen Regressionsgeraden derart bestimmt werden, dass die Summe der quadrierten Abweichungen der jeweiligen projizierten Ortspunkte von den jeweiligen Regressionsgeraden ein Minimum wird.
Für eine verbesserte Erkennung von Schriftzeichen oder Steueranweisungen können die zu Beginn ermittelten Ortspunkte auf die virtuelle Schreibebene projiziert werden. Anschließend können die auf die virtuelle Schreibebene projizierten Ortspunkte derart analysiert werden, um daraus Schriftzeichen oder Symbole zu erkennen. Die erkannten Schriftzeichen oder Symbole können dann als Steueranweisungen für die Eingabevorrichtung interpretiert werden. Ferner können die interpretierten Steueranweisungen in der Eingabevorrichtung verarbeitet und/oder über eine Schnittstelle an eine Datenverarbeitungsanlage übertragen werden. Dabei ist es möglich, die gan- zen oben erwähnten Verfahrensschritte bzgl. der Erfassung bzw. Ermittlung der Ortspunkte, der Abschätzung bzw. Bestimmung der virtuellen Schreibebene oder der Analyse der auf die virtuelle Schreibebene projizierten Ortspunkte in der Eingabevorrichtung durchzuführen. Als Schnittstelle kann dabei ein Funkmodul, wie ein "Bluetooth"-Funkmodul oder eine Infrarotschnittstelle verwendet, um die Steueranweisungen an ein externes Gerät, wie einen Computer (als Datenverarbeitungsanlage) zu übertragen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine tragbare elektronische Vorrichtung als Eingabevorrichtung zum« Durchführen eines oben dargestellten Verfahrens geschaffen. Insbesondere umfasst die Vorrichtung dabei einen Beschleunigungssensor zum Erfassen einer Bewegung der Vorrichtung in einem von drei Richtungs- vektoren aufgespannten dreidimensionalen Raum und zum Ausgeben von entsprechenden Beschleunigungsdaten, und eine Konvertierungseinrichtung zum Umwandeln der Beschleunigungsdaten in eine Bewegungskurve der Vorrichtung, indem zu bestimmten Zeiten Ortspunkte in dem dreidimensionalen Raum ermittelt wer- den, welche die Kurve der Bewegung der Vorrichtung repräsentieren. Außerdem ist eine Verarbeitungseinrichtung vorgesehen, die dafür eingerichtet ist, die ermittelten Ortspunkte auf eine erste Ebene, welche von dem ersten und dem zweiten Richtungsvektor gebildet wird, zu projizieren, so dass erste projizierte Ortspunkte auf der ersten Ebene erzeugt werden; die ermittelten Ortspunkte auf eine zweite Ebene, welche von dem dritten und zweiten Richtungsvektor gebildet wird, zu projizieren, so dass zweite projizierte Ortspunkte auf der zweiten Ebene erzeugt werden; eine erste Regressionsgerade durch die ersten projizierten Ortspunkte zu bestimmen, um einen ersten virtuellen Richtungsvektor zum Aufspannen der vir- tuellen Schreibebene zu erhalten; und eine zweite Regressionsgerade durch die zweiten projizierten Ortspunkte zu bestimmen, um einen zweiten virtuellen Richtungsvektor zum Aufspannen der virtuellen Schreibebene zu erhalten, und die ermittelten Ortspunkte auf die virtuelle Schreibebene zu pro- jizieren. Das tragbare elektronische Gerät hat ferner eine Auswerteeinrichtung zum Analysieren der auf die virtuelle Schreibebene projizierten Ortspunkte derart, um daraus Schriftzeichen oder Symbole zu erkennen.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer tragbaren e- lektronischen Vorrichtung in Form eines Mobiltelefons gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
Figur 2 eine schematische Darstellung des Ablaufs der Er- fassung einer Bewegung der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung und der Analyse der Bewegung;
Figur 3 eine schematische Darstellung einer virtuellen Schreibebene, in deren Nähe Ortspunkte angeordnet sind, welche die Bewegungskurve einer Eingabevorrichtung repräsentieren;
Figur 4 eine schematische Darstellung der Schreibebene in einem dreidimensionalen Raum, welcher durch ein kartesisches Koordinatensystem aufgespannt wird; Figur 5 einen Ausschnitt aus einer ersten Ebene, welche von dem X- und Y-Vektor des Koordinatensystems aus Figur 4 aufgespannt wird, zur Erläuterung der Bestimmung einer ersten Regressionsgeraden durch auf diese erste Ebene projizierte Ortspunkte.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, eine Bewegung eines tragbaren e- lektronischen Geräts, das als Eingabevorrichtung verwendbar ist, mittels einer Beschleunigungsmessung zu erfassen. Ein derartiges Gerät ist nun in Figur 1 in der Form eines Mobiltelefons MT dargestellt. Das Mobiltelefon MT weist dabei von oben nach unten betrachtet einen Lautsprecher LS zum Ausgeben eines akustischen Signals sowie ein Display bzw. eine Anzeigeeinrichtung DSP^ zum Ausgeben eines optischen Signals, insbesondere zum Anzeigen von Zeichen und Symbolen, auf. Ferner umfasst das Mobiltelefon MT einen Beschleunigungssensor BS, der drei Sensorabschnitte Sl, S2 und S3 aufweist. Derartige Sensorabschnitt sind dabei vorteilhafter Weise senkrecht zueinander angeordnet, αim dreidimensionale Bewegungen, d. h. Bewegungen jeweils in einer X-, Y- und Z-Dimension, zu erfassen. Ein derartiger Sensorabschnitt kann dabei beispielsweise einen induktiven Beschleunigungssensor, piezoelektrischen Be- schleunigungssensor oder kapazitiven Beschleunigungssensor umfassen. Das physikalische Prinzip, das dahinter steckt, beruht auf der Tatsache, dass sich die Kapazität eines Plattenkondensators mit einer vorgegebenen Querschnittsfläche bei Veränderung des Abstands der Elektrodenplatten verändert. Ein Messelement eines Beschleunigungssensors ist jedoch kein einfacher, sondern ein erweiterter Plattenkondensator, der durch eine zusätzliche Elektrodenplatte in zwei Teilkondensatoren geteilt ist. Während die zwei äußeren Elektrodenplatten fest montiert sind, ist eine mittlere Elektrodenplatte (welche zwischen den fest montierten Platten angeordnet ist) elastisch gelagert und hat zudem eine fixe Masse. Wirkt auf die mittlere Elektrodenplatte (aufgrund einer Bewegung bzw. Be- schleunigung) also eine Kraft, so verschiebt sie sich um eine gewisse Distanz. Ist die Kraft weg, so geht sie wieder in ihre ursprüngliche Position zurück. Dadurch verändern sich die Abstände zwischen der ersten fixen und der mittleren Elektro- denplatte und der zweiten fixen und der mittleren Elektrodenplatte und somit auch die jeweiligen Kapazitäten. Dieser komplexe Kondensator mit der mittleren zusätzlichen Elektrode lässt sich für die Beschleunigungsmessung vorteilhaft nutzen. Wie bereits erwähnt, ist die mittlere Elektrodenplatte elas- tisch gelagert. Ihr mechanisches Verhalten auf Grund der
Trägheit gibt die Möglichkeit, Beschleunigungen auf elektrische Art zu messen. Zudem lässt sich diese Bauart mit den drei Elektroden für eine Brückenschaltung elegant ausnützen, weil dies als Ergebnis einen linearen Zusammenhang zwischen Beschleunigung und zu messender Spannung liefert.
Sind die drei Sensorabschnitte Sl bis S3, wie oben erwähnt, senkrecht zueinander ausgerichtet (beispielsweise Sl in der X-Dimension, S2 in der Y-Dimension und S3 in der Z- Dimension) , so sind sie nun in der Lage, eine dreidimensionale Bewegung ides Mobiltelefons MT zu erfassen. Die jeweiligen erfassten Bewegungen in den einzelnen Dimensionen bzw. die jeweiligen Beschleunigungen werden in Form von Bewegungs- o- der Beschleunigungsdaten BD (vgl. dazu auch Figur 2 ) einer Konvertierungseinrichtung KE zugeführt. Das heißt, es werden vorteilhafter Weise die Beschleunigungen von dem Sensor BS erfasst und in digitaler Form der Konvertierungseinrichtung KE zugeführt. In der Konvertierungseinrichtung KE werden die jeweiligen Beschleunigungen bzw. Beschleunigungsdaten zwei- fach numerisch über die Zeit integriert, was sehr wenig Rechenzeit in Anspruch nimmt. Somit können die Aufgaben einer Konvertierungseinrichtung durch einen digitalen Signalprozessor oder sogar durch eine Mikroprozessor eines mobilen Geräts, wie eines Mobiltelefons, durchgeführt werden (beide Prozessoren sind ohnehin schon in einem solchen Gerät vorhanden) . Die nun durch die Integration berechneten Positionsdaten ergeben schließlich eine Bewegungskurve oder Kurve im Ortsraum BT (vergleiche wiederum Figur 2) des Mobiltelefons. Diese Kurve oder mehrere Kurven werden dann in einer Auswerteeinrichtung AE analysiert, um daraus Zeichen bzw. Schriftzeiten oder Symbole herzuleiten. Insbesondere kann die Aus- Werteeinrichtung durch eine Schrifterkennungssoftware realisiert werden.
Die von der Auswerteeinrichtung AE erkannten Zeichen oder Symbole können dann von der Anzeigeeinrichtung DSP darge- stellt werden.
Das Mobiltelefon gemäß Figur 1 hat ferner eine Schalteinrichtung SE in Form einer an der Seite angebrachten Taste, die dazu dient, die Aufzeichnung einer Bewegungskurve zu beginnen und zu beenden. Das bedeutet, wird die Taste SE gedrückt, so beginnt im Mobiltelefon MT die Aufzeichnung der Bewegung des Mobiltelefons und somit die Aufzeichnung dessen Bewegungskurve. Nachdem beispielsweise der Benutzer mit dem Mobiltelefon einen Buchstaben oder ein Schriftzeichen in die Luft ge- schrieben hat, kann er die Aufzeichnung der Bewegung durch Loslassen der Taste SE wieder beenden. Ansprechend auf das Loslassen der Taste findet nun eine Umwandlung der Beschleunigungsdaten durch die Einrichtungen KE und AE statt .
Es sei nun auf Figur 2 verwiesen, in der noch einmal kurz die einzelnen Verfahrensschritte vom Erfassen der Bewegung des mobilen Geräts, wie des Mobiltelefons MT zum Anzeigen einer Gruppe von erkannten Schriftzeichen dargestellt ist.
Dabei wird in Schritt Sl von einem Beschleunigungssensor die Bewegung des mobilen Geräts, wie des Mobiltelefons MT erfasst und es werden Beschleunigungsdaten BD insbesondere in digitaler Form einer Konvertierungseinrichtung KE zugeführt. In dieser erfolgt gemäß einem Schritt S2 eine zweifache Integra- tion der Beschleunigungsdaten BD über die Zeit, um schließlich eine Bewegungskurve oder Ortskurve der Bewegung des mobilen Geräts zu erhalten. Genauer gesagt, erfolgt vorteil- hafterweise zu bestimmten Zeiten bzw. in bestimmten Zeitintervallen eine zweifache Integration der Beschleunigungsdaten über die Zeit, so dass Ortspunkte OP (vgl. Figur 3) entlang der Kurve der Bewegung des Mobiltelefons MT erhalten werden. Es sei bemerkt, dass die in Schritt Sl erhaltenen Bewegungsdaten bzw. Beschleunigungsdaten auch anders als in Schritt S2 beschrieben verarbeitet werden können. Beispielsweise können mittels lediglich einfacher Integration Geschwindigkeitsdaten bzw. Impulsdaten des Mobiltelefons berechnet werden, um schließlich eine Bewegungstrajektorie mit einer Komponente im Ortsraum und einer Komponente im Impulsraum zu erhalten. Die erhaltene Bewegungskurve BT (bzw. die die Bewegungskurve repräsentierenden Ortspunkte) wird in Schritt S3 einem Analysevorgang bzw. einer Schrifterkennung in der Auswerteeinrich- tung AE zugeführt, um schließlich den Bewegungskurven entsprechende Zeichen oder Symbole herzuleiten. Werden von der Auswerteeinrichtung AE Zeichen oder Symbole erkannt, so kann ein Erkennen beispielsweise mittels eines akustischen Signals (z.B. durch einen einfachen Ton oder durch eine akustische Ausgabe des Zeichens oder Symbols) über den Lautsprecher LS dem Benutzer mitgeteilt werden. Je nachdem, ob es sich bei den erkannten Zeichen oder Symbolen um Schriftzeichen oder Steueranweisungen handelt, können die Zeichen entweder auf der Anzeigeeinrichtung DSP als Schriftzeichen SZ in Schritt 4 angezeigt werden oder können an eine Steuereinrichtung (nicht dargestellt) des Mobiltelefons gegeben werden, damit diese entsprechende Funktionen ausführt.
Es sei nun auf Figur 3 verwiesen, in der eine virtuelle Schreibebene VSE dargestellt ist, um die eine Bewegungskurve BT' bzw. die die Bewegungskurve repräsentierenden Ortspunkte OP streuen. Die soll beispielhaft anhand der Ortspunkte OPl und OP2 veranschaulicht werden, wobei sich der Ortspunkt OPl oberhalb der virtuellen Schreibebene VSE und der Ortspunkt OP2 unterhalb der virtuellen Schreibebene VSE befindet. Es wird dabei davon ausgegangen, dass bei einer Eingabe von Zeichen oder Steueranweisungen mittels einer frei im Raum beweg- liehen Eingabevorrichtung, wie einem bezüglich den Figuren 1 und 2 erläuterten Mobiltelefon MT mit Beschleunigungssensoren, ein Benutzer die Eingabevorrichtung in einer gedachten oder virtuellen Schreibebene bewegt, um wie auf herkömmliche Weise bei der Benutzung einer Unterlage das jeweilige Zeichen oder das einer Steueranweisung zugeordnete Symbol zu "schreiben". Die Aufzeichnung einer Bewegung kann beispielsweise mittels eines Schalters an der Eingabevorrichtung begonnen und wieder beendet werden (vgl. Figur 1) . Um nun die im Raum erfassten bzw. ermittelten Ortspunkte einer Analyse unterziehen zu können, um aus den Ortspunkten Zeichen oder Steueranweisungen abzuleiten, ist es nun notwendig, die vom Benutzer gedachte oder virtuelle Schreibebene abzuschätzen.
Diese Abschätzung kann folgendermaßen geschehen. Wie es in Figur 3 oder besser in Figur 4 gezeigt ist, wurden für eine Ortskurve BT' Ortspunkte OP ermittelt, die um die virtuelle Schreibebene VSE streuen. Die virtuelle Schreibebene VSE befindet sich dabei in einem dreidimensionalen Raum, welcher durch einen X-Vektor X, einen Y-Vektor Y und Z-Vektor Z als drei ein kartesisches Koordinatensystem repräsentierende Richtungsvektoren aufgespannt ist. Zunächst werden nun die ermittelten Ortspunkte OP auf eine erste Ebene XYE projiziert, welche von dem X-Vektor X und dem Y-Vektor Y gebildet wird, so dass erste projizierte Ortspunkte POP1 auf der ersten Ebene XYE erhalten werden. Entsprechend werden die ermittelten Ortspunkte OP auf eine zweite Ebene YZE projiziert, welche von dem Z-Vektor Z und dem Y-Vektor Y gebildet wird, so dass zweite projizierte Ortspunkte POP2 auf der zweiten Ebene YZE erzeugt werden. Nun gilt es eine erste Regressionsgerade durch die ersten projizierten Ortspunkte POP1 zu bestimmen, um einen ersten virtuellen Richtungsvektor VSV1 zum Aufspannen der virtuellen Schreibebene VSE zu erhalten. Außerdem muss eine zweite Regressionsgerade durch die zweiten projizierten Ortspunkte POP2 bestimmt werden, um einen zweiten virtuellen Richtungsvektor VSV2 zum Aufspannen der virtuellen Schreibebene zu erhalten. Wie es beispielsweise wieder in Figur 3 zu sehen ist, sind die beiden Vektoren VSV1 und VSV2 linear unabhängig (sie stehen hier sogar senkrecht zueinander) , so dass sie die virtuelle Schreibebene VSE aufspannen können. Somit ist das Problem der Bestimmung der vir- tuellen Schreibebene auf die Bestimmung von jeweiligen zwei Regressionsgeraden in der ersten Ebene XYE und der zweiten Ebene YZE reduziert.
Die Bestimmung der einer jeweiligen Regressionsgeraden kann nach der Fehlerquadratmethode erfolgen, d.h. einer Methode, bei der die Summe der quadrierten Abweichungen der jeweiligen projizierten Ortspunkte POPl, POP2 von den jeweiligen Regressionsgeraden VSV1, VSV2 (die jeweiligen virtuellen Richtungsvektoren werden hier mit den Regressionsgeraden gleichge- setzt) ein Minimum wird.
Es sei nun beispielhaft die Bestimmung der Regressionsgeraden VSVl in der ersten Ebene XYE anhand von Figur 5 erläutert. Zunächst wird dabei der funktionale Zusammenhang y = f (x) festgestellt, wobei für den Erwartungswert für die Y-
Koordinatenin Abhängigkeit von der X-Koordinate eines projizierten Ortspunkts POPl ein linearer Zusammenhang hergestellt werden kann. Das bedeutet die Regressionsgerade VSVl kann durch den Zusammenhang y = a + bx beschrieben werden. Der Regressionskoeffizient a (Absolutglied oder Achsenabschnitt der linearen Regressionsfunktion) gibt den durchschnittlichen Wert des erklärten Merkmals y an, wenn das erklärende Merkmal x den Wert x = 0 annimmt. Der Regressionskoeffizient b gibt an, um wieviel sich der Wert des Merkmals y durchschnittlich verändert, wenn sich der Wert des Merkmals x um eine Einheit ändert.
Nun gilt es die Regressionskoeffizienten a und b so zu bestimmen, dass die Summe der quadrierten Abweichungen der projizierten Ortspunkte POPl (mit den jeweiligen Ortskoordinaten: xι,yι; x2,y2; x3,y3; x,y4; nrYnr wobei in der folgenden Gleichung der Index "i" die gerade gezeigten Indizes "1" bis "n" repräsentiert) ein Minimum einnimmt, was durch folgende Gleichung ausgedrückt werden kann:
Figure imgf000014_0001
Eine ausführliche Erläuterung zur Berechnung der Regressionskoeffizienten a und b zur Bestimmung einer Regressionsgeraden findet sich beispielsweise in Bronstein (Kapitel 5.2.4 'Korrelation und Regression' ab Seite 692 in der 24ten Auflage) .
Entsprechend kann die Regressionsgerade VSV2 in der zweiten Ebene YZE bestimmt werden, wobei hier die Regressionskoeffizienten a' und b' einer Regressionsgeraden y = a' + b'z zu bestimmen sind durch die Bedingung:
Figure imgf000014_0002
Sind nun alle Regressionskoeffizienten bestimmt, so können die Regressionsgeraden und somit die die virtuelle Schreib- ebene aufspannenden Richtungsvektoren VSVl und VSV2 berechnet werden. Anschließend können nun die ermittelten Ortspunkte OP auf die virtuelle Schreibebene VSE projiziert werden.
Eine derartige Abschätzung der virtuellen Schreibebene VSE sowie die Projektion der ermittelten dreidimensionalen
Ortspunkte OP auf diese Ebene kann von einer Verarbeitungseinrichtung durchgeführt werden, welche eine separate Einrichtung oder eine Teileinrichtung bereits bestehenden Komponenten einer Eingabevorrichtung, wie dem in Figur 1 gezeigten Mobiltelefon MT, darstellt. Hier kann die Verarbeitungseinrichtung VE beispielsweise Teil der Analyseeinrichtung AE sein.
Da sich während der Eingabe mehrerer Zeichen oder Symbole die virtuelle Schreibebene verändern kann, ist es vorteilhaft, in bestimmten Zeitintervallen eine erneute Abschätzung der virtuellen Schreibebene VSE durchzuführen, um hinreichend gute Schätzungen für die virtuelle Schreibebene und somit die projizierten Ortspunkte OP bzw. Bewegungskurven BT, BT' für ent- sprechende Zeichen oder Steueranweisungen zu haben.
Die auf die virtuelle Schreibebene projizierten Ortspunkte können dann der Analyseeinrichtung AE (sofern die Verarbeitungseinrichtung VE nicht schon Teil der Analyseeinrichtung ist) zugeführt werden, um daraus Schriftzeichen oder Steueranweisungen zugeordnete Symbole zu erkennen. Die erkannten Schriftzeichen oder Symbole können dann von einer Steuereinrichtung STE als Steueranweisungen für das Mobiltelefon MT interpretiert werden, und beispielsweise dazu dienen einen Telefonanruf einzuleiten, ein Telefonbuch zu öffnen, usw. Es ist ferner denkbar, die erkannten und eventuell verarbeiteten Steueranweisungen über eine Schnittstelle an eine Datenverarbeitungsanlage, wie einen tragbaren (Laptop, PDA: personal digital assistant) oder stationären Computer (PC: Personal Computer), zu übertragen. Als Schnittstelle kann hierbei ein Funkmodul FM, insbesondere in der Ausführung eines "Bluetooth"-Funkmoduls, ein Infrarotmodul, usw. verwendet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Abschätzen einer virtuellen Schreibebene (VSE) mit folgenden Schritten:
Erfassen einer Bewegung einer Eingabevorrichtung in einem von dreiRichtungsvektoren aufgespannten dreidimensionalen Raum, indem zu bestimmten Zeiten Ortspunkte ' (OP; OPl, OP2) in dem dreidimensionalen Raum ermittelt werden, welche die Kurve (BT') der Bewegung der Eingabevorrichtung repräsentieren;
Projizieren der ermittelten Ortspunkte (OP) auf eine erste Ebene (XYE), welche von dem ersten (X)und dem zweiten Richtungsvektor (Y) gebildet wird, so dass erste projizierte Ortspunkte (POPl) auf der ersten Ebene erzeugt werden;
Projizieren der ermittelten Ortspunkte (OP) auf eine zweite Ebene (YZE) , welche von dem dritten (Z) und zweiten (Y) Richtungsvektor gebildet wird, so dass zweite projizierte Ortspunkte (POP2) auf der zweiten Ebene erzeugt werden;
Bestimmen einer ersten Regressionsgeraden durch die ersten projizierten Ortspunkte (POPl) , um einen ersten virtuellen Richtungsvektor (VSVl) zum Aufspannen der virtuellen Schreib- ebene zu erhalten;
Bestimmen einer zweiten Regressionsgeraden durch die zweiten projizierten Ortspunkte (POP2) , um einen zweiten virtuellen Richtungsvektor (VSV2) zum Aufspannen der virtuellen Schreib- ebene zu erhalten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der erste, zweite und dritte Richtungsvektor ein kartesisches Koordinatensystem festlegen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Ortspunkte durch Erfassung der Beschleunigung der Eingabevorrichtung und zweifacher Integration über die Zeit zu den bestimmten Zeiten ermittelt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die jeweiligen Regressionsgeraden derart bestimmt werden, dass die Summe der quadrierten Abweichungen der jeweiligen projizierten Ortspunkte von den jeweiligen Regressionsgeraden ein Minimum wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die ermittelten Ortspunkte auf die virtuelle Schreibebene projiziert werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die auf die virtuelle Schreibebene projizierten Ortspunkte derart analysiert werden, um daraus Schriftzeichen (SZ) oder Symbole zu erkennen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die erkannten Schriftzeichen (SZ) oder Symbole als Steueranweisungen für die Eingabevorrichtung interpretiert werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die interpretierten Steueranweisungen in der Eingabevorrichtung verarbeitet und/oder über eine Schnittstelle (FM) an eine Datenverarbei- tungsanlage übertragen werden.
9. Tragbare elektronische Vorrichtung (MT) als Eingabevorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 9.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, mit folgenden Merkmalen:
einem Beschleunigungssensor (BS) zum Erfassen einer Bewegung der Vorrichtung in einem von drei Richtungsvektoren aufge- spannten dreidimensionalen Raum und zum Ausgeben von entsprechenden Beschleunigungsdaten (BD) ; einer Konvertierungseinrichtung (KE) zum Umwandeln der Beschleunigungsdaten (BD) in eine Bewegungskurve (BT) der Vorrichtung, indem zu bestimmten Zeiten Ortspunkte (OP; OPl, OP2) in dem dreidimensionalen Raum ermittelt werden, welche die Kurve (BT') der Bewegung der Vorrichtung repräsentieren;
einer Verarbeitungseinrichtung die dafür eingerichtet ist: die ermittelten Ortspunkte (OP) auf eine erste Ebene (XYE) , welche von dem ersten (X) und dem zweiten (Y) Richtungsvektor gebildet wird, zu projizieren, so dass erste projizierte Ortspunkte (POPl) auf der ersten Ebene erzeugt werden; die ermittelten Ortspunkte (OP) auf eine zweite Ebene (YZE) , welche von dem dritten (Z) und zweiten (Y) Richtungsvektor gebildet wird, zu projizieren, so dass zweite projizierte Ortspunkte (POP2) auf der zweiten Ebene erzeugt werden; eine erste Regressionsgeraden durch die ersten projizierten Ortspunkte zu bestimmen, um einen ersten virtuellen Richtungsvektor (VSVl) zum Aufspannen der virtuellen Schreibebene (VSE) zu erhalten; eine zweite Regressionsgeraden durch die zweiten projizierten Ortspunkte zu bestimmen, um einen zweiten virtuellen Richtungsvektor (VSV2) zum Aufspannen der virtuellen Schreibebene zu erhalten; die ermittelten Ortspunkte auf die virtuelle Schreibebene zu projizieren;
einer Auswerteeinrichtung (AE) zum Analysieren der auf die virtuelle Schreibebene projizierten Ortspunkte derart, um daraus Schriftzeichen (SZ) oder Symbole zu erkennen.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, welche als ein Mobilfunkgerät, ein Mobiltelefon (MT) , ein kleiner tragbarer Computer oder als eine Uhr ausgebildet ist.
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