WO2009033491A1

WO2009033491A1 - Vorrichtung und verfahren zur steuerung eines elektronischen apparates durch gesten, insbesondere von kopf und oberkörper

Info

Publication number: WO2009033491A1
Application number: PCT/EP2007/007778
Authority: WO
Inventors: Holger Linde
Original assignee: Holger Linde
Priority date: 2007-09-06
Filing date: 2007-09-06
Publication date: 2009-03-19

Abstract

Mit einer Vorrichtung, einem System und einem Verfahren zur Steuerung eines elektronischen Gerätes (10) mit Hilfe von Bewegung und Gesten eines menschlichen Benutzers (1), insbesondere von Kopf und Oberkörper, soll eine Lösung geschaffen werden, die deutlich einfacher, kostengünstiger und bessere Ergebnisse liefernd ist, als die bekannten Steuereinrichtungen. Dies wird dadurch erreicht, dass mehrere Infrarotpunktsensoren (4a) bzw. ein integrierter Infrarotmultielementdetektor (4b), bestehend aus mehreren Sensorelementen (11), wobei die Sensoren wahlweise als Thermosäulen oder Bolometer ausgeführt sind, Verwendung finden und die Sensorelemente (11) derart gestaltet sind, dass keine zwei Elemente dasselbe Sensitivitätsprofil über den gesamten Erfassungsbereich der Vorrichtung besitzen.

Description

1. Bezeichnung

Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung eines elektronischen Apparates durch Gesten, insbesondere von Kopf und Oberkörper.

2. Kurzfassung

2.1. Technisches Problem der Erfindung

Die Erkennung von Gesten von Kopf und Oberkörper eines menschlichen Benutzers ermöglicht eine Alternative zur traditionellen Mensch-Maschine-Interaktion durch die Bedienung von Tastern, Schaltern und speziellen Eingabegeräten mittels Händen und Füßen. Gängige Lösungen zur Erfassung dieser Gesten basieren z.B. auf einer Kamera mit nachgeschalteter, aufwendiger Bildverarbeitung.

2.2. Lösung des Problems bzw. der technischen Aufgabe

Es wird eine Vorrichtung, im Folgenden „Tracker" genannt, die die Steuerung eines elektronischen Gerätes durch Gesten, insbesondere von Kopf und Oberkörper, erlaubt, vorgeschlagen. Diese umfaßt einen Infrarotsensor, eine Verarbeitungs- sowie eine Kommunikationseinheit. Der Sensor erfaßt die vom Menschen auf natürliche Weise abgegebene Wärmestrahlung. Erfindungsgemäß ist ein Verfahren vorgesehen, welches vermag, aus dem Sensorsignal die ausgeführten Bewegungen des Benutzers zu erfassen.

2.3. Anwendungsgebiet

Die Erfindung läßt sich für die Steuerung jeglicher Art elektronischer Geräte verwenden, z.B. zur Interaktion von Werbeinstallationen oder zur Bedienung von Unterhaltungssoftware auf einem PC.

1. Stand der Technik

Eine Vorrichtung zum Erfassen der Position und der Orientierung des Kopfes läßt sich beispielsweise mit einer Kamera realisieren. Dazu wird die direkte Umgebung des Benutzers bildlich abgetastet und die Position und Orientierung mit geeigneten Algorithmen aus dem Bild extrahiert.

Ein weiteres gängiges Verfahren, um die Position und Orientierung des Kopfes zu erfassen, verwendet eine Strahlungsquelle im nahen Infrarotbereich (z.B. eine Infrarotleuchtdiode), mit dem die beobachtete Szene bestrahlt wird. Ein Teil der emittierten Strahlung wird durch Reflektoren, die am Kopf des Benutzers angebracht sind, reflektiert, und von einem bildgebenden Sensor (z.B. ein CCD-Bildsensor) aufgenommen. Anhand der Position, Größe und Form der erfassten Reflektoren kann dann die Position und Orientierung des Kopfes bestimmt werden.

In DE10058244A1 wird ein Meßverfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Position eines Objektes vor einem Bildschirm beschrieben, welche(s) eine Zeile von Infrarotlichtquellen und Fototransistoren vorsieht. Die Infrarottransmitter senden aufeinanderfolgend Pulse aus, welche vom Kopf des Benutzers reflektiert und durch die Empfänger detektiert werden.

In US 5373857 A ist eine ähnliche Vorrichtung beschrieben, die die Orientierung des Kopfes über Magnetsensoren zu bestimmen vermag, wobei die Sensoren, die am Kopf getragen werden, die Neigung des Kopfes gegenüber dem Erdmagnetfeld erfassen. Die in JP2002081904A beschriebene Anordnung beruht auf einem ähnlichen Prinzip, jedoch wird hier ein magnetisches Wechselfeld auf künstliche Weise erzeugt.

2. Vorteile der Erfindung

Die Erfindung erlaubt das Erkennen von Gesten auf passive Weise, d.h., es müssen keinerlei Komponenten wie aktive Signalemitter oder Reflektoren vom Benutzer getragen werden. Das Tragen solcher Elemente begrenzt den Einsatz entsprechender existierender Geräte auf einen kleinen Personenkreis, welcher mit entsprechenden Komponenten ausgestattet ist. Ferner wird das Tragen der erwähnten Komponenten oft als lästig empfunden.

Ein weiterer Nachteil, den das Tragen von aktiven oder passiven Komponenten durch den Benutzer nach sich zieht, ist die Tatsache, daß eine regelmäßige Kalibrierung entsprechender Systeme erforderlich ist. Beispielsweise ist beim Tragen von Reflektoren am Kopf häufig nicht sichergestellt, daß beim Ab- und Wiederaufsetzen entsprechender Tragevorrichtungen der Reflektor stets dieselbe Ausrichtung und Position am Kopf erhält. Da bei der vorgestellten Erfindung keinerlei Komponenten getragen werden müssen, sinkt der Kalibrierungsaufwand in erheblichem Maße.

Darüberhinaus zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, daß sie unabhängig von der momentanen Beleuchtungssituation ist. Im Gegensatz dazu sind kamerabasierte Systeme stark vom Umgebungslicht abhängig und versagen zudem bei stark unterschiedlichen Lichtverhältnissen innerhalb einer aufgenommenen Szene. Ebenso ist eine Mindesthelligkeit für eine zuverlässige Aufnahme erforderlich. Außerdem werfen bildgebende kamerabasierte Lösungen rechtliche Probleme beim Einsatz an öffentlichen Orten auf. Schließlich ist auch im privaten Umfeld eine Beobachtung durch ein Kamerasystem von den Nutzern oft nicht gewünscht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren ist prinzipbedingt in der Lage, die Gesten des Benutzers ohne einen bildgebenden Sensor zu erkennen.

Ein weiterer Nachteil von kamerabasierten Lösungen ist die relativ aufwendige Bildverarbeitung, die erforderlich ist, um aus den aufgenommenen Bildaten Informationen über die Position oder Bewegung des Benutzers zu gewinnen. Dieser intensive Rechenaufwand erfordert eine leistungsfähige Signalverarbeitungshardware. In bestehenden Implementierungen wird diese Berechnung typischerweise auf das gesteuerte elektronische Gerät ausgelagert, welches zumeist ein elektronischer Rechner ist. Dadurch wird dieser Rechner unnötigerweise zu Ungunsten anderer Applikationen, wie etwa recheniHtensiven Echtzeitanwendungen im Bereich der virtuellen Realität, belastet. Die Erfindung dagegen zeichnet sich durch einen vergleichsweise geringen Rechenaufwand aus, so daß nicht notwendigerweise Berechnungen auf das gesteuerte elektronische Gerät ausgelagert werden müssen oder kostspielige Verarbeitungshardware hinzugezogen werden muß.

Existierende optische Lösungen auf Basis modulierter Infrarotsignale im nahen Infrarotbereich (NIR) sind anfällig für Störungen durch Infrarotkommunikationssysteme, wie Fernbedienungen oder schnurlose Infrarotkopfhörer. In gleichem Umfange stören oder verhindern sie die einwandfreie Funktion dieser Kommunikationssysteme. Die hier genutzte natürliche Wärmestrahlung, die vom Kopf und Oberkörper des Benutzers abgegeben wird, ist langwelliger. Die oben genannten Störquellen beeinträchtigen die eingesetzten Sensoren daher nicht.

Entsprechende Vorrichtungen zur Erfassung von Position und/oder Orientierung des Kopfes, die auf dem Einsatz von Magnetfeldern basieren, sind stark anfällig gegen externe Störungen durch Kathodenstrahlröhren und Lautsprecher und unterliegen damit einem aufwendigen Kalibrierprozeß.

Das in der vorgeschlagenen Vorrichtung verwendete Verfahren beruht auf dem Einsatz mehrerer Sensorelemente. Vorteilhaft ist dabei die Tatsache, daß Abweichungen dieser Sensorelemente von einem Idealwert durch eine geeignete Kalibrierung des Systems eliminiert werden können.

3. Ausführungsbeispiel

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1, Fig. 4 sowie Fig. 5 typische Anwendungen der Erfindung. Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung. Fig. 3 und Fig. 6 illustrieren den Aufbau des verwendeten Sensors sowie dessen Empfangscharakteristik. Fig. 7 schließlich erläutert das vorgestellte Meßverfahren.

Fig. Ia und Fig. Ib stellen die Erfindung in ihrer Ausführung als Mensch-Maschine-Schnittstelle, wobei die erfindungsgemäße Vorrichtung auf einem Bildschirm befestigt ist, dar. Der Benutzer (1) führt mit seinem Körper oder Teilen seines Körpers, z.B. dem Kopf, Gesten aus, welche vom Tracker (2) erfaßt werden und entsprechende Aktionen auslösen. In der hier dargestellten Ausführung betreffen diese Aktionen eine Veränderung des auf einer elektronischen Anzeige (3) dargestellten Bildinhaltes. Es können aber auch andere Aktionen ausgelöst werden. So ist es etwa möglich, abhängig von der Kopfposition die Klangeigenschaften einer Audioausgabe zu steuern. Erfindungsgemäß vermag der Tracker, sowohl Bewegungen als auch die Position des Benutzers in x- als auch z-Richtung zu erfassen, wobei in Bezug auf die Position und Orientierung des Trackers die x- Koordinate eine Position rechts oder links vom Tracker, und die z-Koordinate die Entfernung vom Tracker angibt. Die entsprechenden Gesten des Benutzers sind ebenfalls in Fig. Ia (Links-Rechts-Bewegung) und Fig. Ib (Vor-Zurück-Bewegung) dargestellt.

Fig. 2a zeigt das Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Steuerung eines elektronischen Apparates. Die Vorrichtung (Tracker) (2) besteht im Kern aus einem Satz von Punktsensoren (4a) und einer Sensordatenverarbeitungseinheit (8). Die Signale der Punktsensoren werden durch Verstärker (6) verstärkt, durch Analog-Digital-Wandler (7) digitalisiert und schließlich der Sensordatenverarbeitungseinheit (8) zugeführt. Über eine Kommunikationsvorrichtung (9) ist der Tracker (2) mit einem elektronischen Datenverarbeitungsgerät (10) verbunden, welches auf die Aktionen des Benutzers, die der Tracker erfaßt, reagiert. Die vom Datenverarbeitungsgerät (10) ausgelösten Aktionen werden dem Benutzer über eine elektronische Anzeige (3) zugänglich gemacht. Das Verfahren, welches auf der Datenverarbeitungseinheit und/oder dem gesteuerten Gerät ausgeführt wird, ermittelt aus den Sensordaten das Wärmeprofil der betrachteten Szene (vgl. Abschnitt „Arbeitsweise des Systems").

Die in Fig. 2b dargestellte Variante unterscheidet sich von dem in Fig. 2a gezeigten Aufbau insofern, daß statt des Satzes von Punktsensoren ein Multielementdetektor (4b) zum Einsatz kommt, der mehrere Sensorelemente in einem Bauelement integriert. Die Ausgänge der einzelnen Elemente werden über einen Analogmultiplexer (5) selektiert. Anschließend erfolgt wiederum die Verstärkung (6) und die Digitalisierung (7).

Fig. 3 zeigt eine Ausführung eines Punktsensors (4a) (Fig. 3a) bzw. zweier Multielementdetektoren (4b), zum einen als Zeilensensor (Fig. 3b), zum anderen als Matrixsensor (Fig. 3c). Erfindungsgemäß handelt es sich bei diesen Sensoren um Thermosäulen oder Bolometer, welche im ersteren Fall aus einem einzelnen und im zweiten und dritten Fall aus mehreren Einzelelementen (11) bestehen. Die in Fig. 3b dargestellte Ausführung verfügt über 8, die in Fig. 3c über 25 Sensorelemente (11).

In Fig. 6 ist der typische relative Sensitivitätsverlauf d(φ) eines einzelnen Sensorelements in Abhängigkeit vom Einfallswinkel der Strahlung dargestellt. Die Anordnung der Einzelelemente in einer geordneten Struktur, wie etwa in Fig. 3b, ist vorteilhaft, jedoch nicht zwingend erforderlich. Ebensowenig ist eine identische Kennlinie der einzelnen Sensorelemente erforderlich. Unbedingte Voraussetzung ist lediglich ein unterschiedlicher Verlauf der Sensitivitätskennlinien der verschiedenen Elemente über den gesammten Erfassungsbereich des Sensors gesehen. Dies kann z.B. durch eine Drehung der Sensorelemente erfolgen, so dass jedes Sensorelement in eine andere Richtung ausgerichtet ist und demnach einen anderen Teil der betrachteten Szene abdeckt. Die genannte Voraussetzung kann jedoch auch auf alternative Weise erfüllt werden, die eine Verdrehung der einzelnen Sensorelemente gegeneinander überflüssig macht. Der geforderte Unterschied der Sensorkennlinien kann auch durch optische Maßnahmen wie Linsen oder Blenden (Masken) erfolgen.

Der in Fig. 1 dargestellte Aufbau vereinigt die einzelnen Sensorelemente (in Form eines Multielementdetektors oder einzelner Punktsensoren) zu einer logischen Einheit. Dies soll durch den Begriff Einzelanordnung ausgedrückt werden. Es sind jedoch auch andere Ausführungen denkbar. Fig. 4 sieht die Kombination zweier logischer Einheiten vor, welche beispielsweise nach dem Prinzip der Kreuzpeilung operieren. Analog wird die Bezeichnung Doppelanordnung eingeführt. Darüberhinaus kann die Vorrichtung in nicht stationären Szenarien Verwendung finden, wie etwa bei der Integration in ein mobiles Handgerät (15) (Fig. 5). Bei dieser Ausführung kann das Handgerät entweder durch Kopfbewegungen oder durch Neigebewegungen des Geräts gesteuert werden.

In einer weiteren alternativen Ausführung werden die einzelnen Sensorelemente statt in der Zeile wie oben beschrieben in einer Matrix angeordnet. Dies kann wiederum durch Einzelsensoren (4a) wie auch einen integrierten Multielementsensor (4b) in Matrixbauform realisiert werden. Eine solche Anordnung erlaubt es, neben einer Erfassung der x- und z-Position des Kopfes ebenso seine j-Position zu erkennen. Hierbei werden die Zeilen und Spalten des Sensors separat ausgewertet, wobei sowohl für die Zeilen als auch für die Spalten Wärmeprofile ermittelt werden. Aus diesen läßt sich also zusätzlich die Höhe des Kopfes ermitteln. Dieses Konzept ist wiederum sowohl auf eine Einzelanordnung wie auch eine Doppelanordnung anwendbar. Zudem kann bei einer Integration des Ansatzes in einem mobilen Handgerät bei Matrixanordnung der Sensorelemente die Neigung des Gerätes in zwei Richtungen in Bezug auf den Kopf des Betrachters ermittelt werden.

Neben der Bestimmung der Position des Kopfes der Person lassen sich auch weitere Informationen aus dem bzw. den Profilen gewinnen. So können sowohl die Quellenstärke als auch die räumliche Ausdehnung in Λr-Richtung (bei Verwendung eines Array-Sensors auch in v-Richtung) des Kopfes anhand der errechneten Wärmeprofilformen abgeschätzt werden. Hierbei kommt es meist nicht auf absolut korrekte Werte an. Stattdessen sind eher die Änderungen dieser Werte über die Zeit von Interesse. So kann z.B. aus der Veränderung der Ausdehung des Kopfes in ^-Richtung auf eine Veränderung des Abstandes zwischen Sensor und Kopf geschlossen werden (im Falle einer Einzelanordnung). Diese Information kann wiederum mit bekannten Verfahren kombiniert werden, um die Zuverlässigkeit der Positionsbestimmung zu verbessern oder auch einfach nur Bewegungsrichtungen zu extrahieren.

4. Arbeitsweise des Systems

Das hier vorgestellte System basiert auf einem Verfahren, welches es erlaubt, eine Zeile (also einen linienförmigen Ausschnitt) einer festgelegten Umgebung abzutasten und für den abgetasteten Bereich ein Intensitätsprofil der aufgenommenen Strahlungsleistung zu erstellen. In der in Fig. 7a dargestellten Szene ist die Vorrichtung (2) auf einen menschlichen Benutzer (1) gerichtet. Die betrachtete Zeile (12) der Umgebung ist auf den Erfassungsbereich (13) begrenzt. Der Öffnungswinkel dieses Bereichs ist abhängig von den optischen Eigenschaften des Sensors. Das System verfügt über keinerlei bewegliche Komponenten wie etwa drehbare Spiegel, wie sie in Laserscannern häufig eingesetzt werden. Das Verfahren arbeitet passiv. D.h., es verfügt über keinerlei aktive Komponenten, welche Signale emittieren, sondern nimmt lediglich Wärmestrahlung auf. Dies geschieht mit thermalen Sensoren wie beispielsweise Thermosäulen oder Bolometern. Bei dem aufgenommenen Zeilenprofil (14) handelt es sich demnach um ein Wärmerprofil. Das Zeilenprofil wird im Folgenden mit b(φ) bezeichnet. Derjenige Winkel, an dem das Profil maximal wird, entspricht dem Wärmeschwerpunkt des Kopfes. Im Folgenden wird die Berechnung dieses Winkels, der ein Maß für die Bewegung entlang der x-Achse darstellt, beschrieben.

Das System nutzt die Winkelabhängigkeit der in Fig. 6 dargestellten Sensitivitätscharakteristik der Sensorelemente aus. Abhängig vom Bauteiletyp fällt hierbei die Sensitivität von der Mittelachse aus gesehen rasch ab. Während oft mit technischen Mitteln versucht wird, diese Winkelabhängigkeit zu eliminieren, nutzt das hier vorgestellte Verfahren genau diese Eigenschaft aus, um aus dem einfallenden Signal Richtungsinformationen zu extrahieren. Der genaue Verlauf der Empfangscharakteristik ist dabei von untergeordneter Bedeutung.

Der Tracker (2) verfügt über eine Anzahl von L Sensorelementen (L ≥ 1), die in einer Zeile angeordnet sind. Der Abstand zweier benachbarter Elemente voneinander ist hierbei sehr klein im Vergleich zum minimalen Abstand zwischen den Sensorelementen und einer zu erfassenden Person. Alle L Sensorelemente sind gegeneinander verdreht ausgerichtet, wobei keine zwei Elemente in dieselbe Richtung weisen. Das bedeutet, daß die maximale Sensitivität eines Sensorelements in einer anderen Richtung liegt als die irgendeines anderen Sensorelements. In einer typischen Anordnung sind benachbarte Sensoren um einen konstanten Winkel zueinander verdreht. Die Ausrichtung der Sensorelemente kann auf verschiedene Arten erfolgen. Zum Einen kann jedes Element selbst in eine bestimmte Richtung gedreht werden, zum Anderen ist es möglich, die Sensorelemente nebeneinander in einer Ebene anzuordnen und die unterschiedliche Ausrichtung mittels einer gemeinsamen Optik, z.B. einer Linse, zu realisieren. Die letztere Variante erlaubt den Einsatz integrierter Multielementdetektoren. Unabhängig davon, wie die Verdrehung der Sensorelemente realisiert ist, gilt, daß die Sensorcharakteristik aller L Elemente nicht gleich sein muß, sondern unterschiedliche Kurvenverläufe als den in Fig. 6 gezeigten aufweisen kann.

Wie oben erwähnt, hat das Verfahren zum Ziel, das Intensitätsprofil der vom Sensor abgetasteten Szene zu rekonstruieren. Diese Rekonstruktion des Zeilenprofils gliedert sich in zwei Schritte. Zunächst wird mit Hilfe der Sensormeßwerte und eines Satzes von während der Kalibrierung des Systems bestimmten Parametern ein Satz von virtuellen Abtastwerten des Profils berechnet. Danach kann anhand der virtuellen Abtastwerte der eigentliche angenäherte Verlauf des Zeilenprofils bestimmt werden. Der Maximalwert des rekonstruierten Zeilenprofils schließlich gibt den Winkel der Strahlungsquelle, also des Benutzers, an. Die Form des Zeilenprofils, insbesondere die Breite der Kurve unterhalb des Maximalwertes, erlaubt die Berechnung der Entfernung des Benutzers vom Tracker.

Der individuelle Sensitivitätsverlauf eines einzelnen Sensorelements / wird ^■ im Folgenden mit dι(φ) bezeichnet, wobei / den Index eines Sensorelements angibt und 1 < / < L gilt, φ ist der Winkel, der von zwei Linien aufgespannt wird, die von der Vorrichtung ausgehen und einmal die Mitte der betrachteten Zeile treffen und einmal einen beliebigen anderen Punkt auf der Zeile (siehe dazu auch Fig. 7b).

Das Berechnungsverfahren beruht darauf, dass mit Hilfe der Sensitivitätsverläufe der einzelnen Sensorelemente dι(φ) sehr feinstufig der Sensitivitätsverlauf ho(φ - i • Δr) eines virtuellen, schwenkbaren Sensors nachgebildet wird, i ^■ Δr bezeichnet die Drehung des virtuellen Sensitivitätsverlaufs, Δr ist ein konstanter Winkelschritt mit Υ_fov > Δr > 0, wobei γ_Fov den halben Erfassungsbereich (13) der Vorrichtung angibt (siehe Fig. 7b). i ist eine ganze Zahl, wobei -N ≤ i ≤ N mit N = Lyrov/ΔrJ gilt. Von dem virtuellen Sensor wird die Szene schrittweise in alle Richtungen hin abgetastet werden. 2N + 1 entspricht dabei der Gesamtzahl an Stellungen, in die der virtuelle Sensor gedreht wird. Die Drehung erfolgt jedoch nicht mechanisch, sondern algorithmisch.

Für ein konstantes Δr und ein beliebiges ganzzahliges i aus dem Weitebereich -N < i < N wird ho(φ - i • Δr) durch die Funktion

L h_i(φ) = ∑ ω? - d_ι(φ) (1)

approximiert, wobei L die Anzahl der Sensorelemente ist. Die konstanten Koeffizienten ωf werden während der Kalibrierung des Systems bestimmt. Sie werden z.B. so gewählt, dass die Summe der Abweichungsquadrate zwischen h,{φ) und ho(φ - i ^■ Δr) an den Stellen φ = j ^■ Δr minimal ist:

N

2 (A₁O^{" •} Δr) - AoO^{" •} Δr - i ^■ Δr))² = min (2)

J=-N

Dieses Minimierungsproblem läßt sich direkt in ein lineares Gleichungssystem überführen, so dass für jedes / ein entsprechender Satz von L Parametern ωf bestimmt werden kann. Die Verläufe der Sensitivitätsfunktionen d[(φ) müssen hierbei nicht verschiebungssymmetrisch sein. Vielmehr werden etwaige Variationen vom Minimierungsverfahren mit berücksichtigt. Die Approximation von h,(j ^■ Δr) an die verschobene virtuelle Sensitivitätskennlinie AoO " Δr - i • Δr) muß nich zwingenderweise, wie in Gl. (2) gezeigt, über die Methode der kleinsten Fehlerquadrate erfolgen. Auch andere gängige Approximationsmethoden sind hier einsetzbar.

Jeder Mess Vorgang liefert einen Satz von L Sensorwerten X_/. Aus den Werten Xi wird eine Sequenz z von virtuellen Abtastwerten für das Zeilenprofil berechnet: z = [Z-N, Z-N₊\ , • ■ - Zo, . . . , ZN-] , ZN) mit

Die (reelle) Sequenz z kann nun z.B. mit Hilfe einer diskreten Fourier-Transformation (z.B. Fast Fourier Transformation) in ein in der Regel komplexwertiges Spektrum Z = {Z__/v, Z__#+1 , . . . , ZQ, Z_N-_\, Z_N) überführt werden. Für den nächsten Schritt ist eine Betrachtung des zunächst kontinuierlich angenommenen virtuellen Sensitivitätsverlaufs h_o(φ) in diskreten Winkelschritten notwendig. Dazu wird der Bezeichner g = [g._N, g-_N+u . . . , go, g_N-ι, 8N} mit gι = Ao(i ^• Δr) eingeführt. Das diskrete Spektrum von g wird mit G = {G-N, G-_N+\ , . . . , G_O, G_N-) , G_N] bezeichnet, wobei dieselbe Transformationsvorschrift wie bei Z verwendet wird. Wird nun die Sequenz Z komponentenweise durch die Sequenz G dividiert, so läßt sich die virtuelle Sensitivitätskurve wieder herausrechnen:

S₁ = -, mit -N ≤ i ≤ N (4)

G₁

Die resultierende Sequenz S = [S-_N, S-_N+\, - - . , SQ, S_N-_\, S_N) wird nun mit Hilfe einer inversen diskreten Fourier-Transformation, also entsprechend oben etwa der Inverse Fast Fourier Transformation (IFFT), zurück in den Winkelbereich transformiert:

s = IFFT(S), (5)

wobei für die resultierende Sequenz s = {s-_N, S-_N+\ , ... , 5Ό, S_N-_I, S_N] gilt. Die resultierende Sequenz entspricht nun einer diskreten Approximation für das in Fig. 7a dargestellte Zeilenprofil b(φ), d.h. es gilt

J₁- * & (i - Ar) (6)

Die Position von Kopf und Oberkörper des beobachteten Benutzers läßt sich nun über die Bestimmung des Index desjenigen Elements von s bestimmen, welches den Maximalwert der Sequenz s angibt. Wird dieses Element mit t^'rnax indiziert, so ergibt sich die vom Tracker aus gesehene Richtung φma.x des Maximums also zu

0max = »max ^• Ar. (7)

Das beschriebene Verfahren läßt sich ebenso auf die y-Achse anwenden, um die Höhe des Kopfes zu bestimmen, vorausgesetzt, es wird wie oben beschrieben ein Matrixsensor verwendet.

Die Entfernung (z- Achse) des Benutzers vom Tracker kann z.B. über den Absolutwert des Maximums der Sequenz s bestimmt werden. Ebenso kann die Breite der rekonstruierten Kurve unmittelbar unter dem ermittelten Maximum Auskunft über die Entfernung geben.

Claims

Patentansprüche :

1. Vorrichtung zur Steuerung eines elektronischen Gerätes (10) mit Hilfe von Bewegung und Gesten eines menschlichen Benutzers (1) , insbesondere von Kopf und Oberkörper, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Infrarotpunktsensoren (4a) bzw. ein integrierter Infrarotmultielementdetektor (4b) , bestehend aus mehreren Sensorelementen (11) , wobei die Sensoren wahlweise als Thermosäule oder Bolometer ausgeführt sind, Verwendung finden und die Sensorelemente (11) derart gestaltet sind, dass keine zwei Elemente dasselbe Sensitivitätsprofil über den gesamten Erfassungsbereich der Vorrichtung besitzen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarotsensoren auf den Benutzer ausgerichtet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung der einzelnen Sensorelemente gegeneinander verdreht ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrehung optisch, etwa mittels einer Linse, oder durch Ausrichten jedes einzelnen Sensorelements realisiert ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Multielementdetektor (4b) zum Einsatz kommt, des- sen Elemente so angeordnet sind, dass Untermengen der Elemente zu verschieden räumlich ausgerichteten Zeilen, insbesondere senkrecht und waagerecht bei einem Matrixsensor, zusammenfassbar ausgebildet sind, wobei jede Zeile für sich betrachtet wiederum ein Profil der betrachteten Szene aufnimmt .

6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie auf einem stationären (3) oder mobilen (15) Gerät montiert ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie die von ihr aufgenommenen Sensordaten selbst verarbeitet oder die Verarbeitung an das gesteuerte Gerät auslagert.

8. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese über eine Kommunikationsschnittstelle an das gesteuerte elektronische Gerät anschließbar ist.

9. System mit zwei oder mehr Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtungen an räumlich unterschiedlichen Positionen und ggf. mit zueinander unterschiedlichen Ausrichtungen angeordnet sind.

10. Verfahren zur Steuerung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem von jedem Sensorelement ein Messwert aufgenommen wird, welcher ein Maß für die Bestrahlungsstärke dieses Elements ist, wobei die winkelabhängige Sensitivitätscharakteristik jedes Sensorelements ausgenutzt wird, und die beobachtete Szene im Profil abgetastet und mit Methoden der digitalen SignalVerarbeitung rekonstruiert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem rekonstruierten Zeilenprofil die Position von Kopf und Oberkörper bestimmt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der individuellen winkelabhängigen Sensiti- vitätscharakteristika der Sensorelemente ein virtueller, algorithmisch schwenkbarer Punktsensor nachgebildet wird, der schrittweise die betrachtete Szene in der Zeile abtastet.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinie des virtuellen Sensors in jeder Drehstellung an einen um einen bestimmten Winkel verschobenen Kurvenverlauf approximiert wird, wobei dieser Winkel des verschobenen Kurvenverlaufs genau dem Winkel der Drehstellung, gemessen von der Grundausrichtung der Vorrichtung, entspricht.

14. Verfahren nach Anspruch 13 , dadurch gekennzeichnet, dass der zu approximierende Kurvenverlauf frei wählbar ist.

15. Verfahren zur Steuerung eines Systems nach Anspruch 9, bei dem von jedem Sensorelement ein Messwert aufgenommen wird, welcher ein Maß für die Bestrahlungsstärke dieses Elements ist, wobei die winkelabhängige Sensitivitätscharakteristik jedes Sensorelements ausgenutzt wird, und schließlich die beobachtete Szene aus verschiedenen Perspektiven im Profil abgetastet und mit Methoden der digitalen Signalverarbeitung rekonstruiert wird, und aus diesen rekonstruierten Profilen mit Methoden der digitalen Signalverarbeitung eine Abschätzung der Kopfposition bestimmt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hife der individuellen winkelabhängigen Sensitivi- tätscharakteristika der Sensorelemente zwei oder mehrere virtuelle, algorithmisch schwenkbare Punktsensoren nachgebildet werden, die schrittweise die betrachtete Szene in unterschiedlich ausgerichteten Zeilen abtasten.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinien der virtuellen Sensoren in jeder Drehstellung an einen um einen bestimmten Winkel verschobenen Kurvenverlauf approximiert werden, wobei dieser Winkel des verschobenen Kurvenverlaufs genau dem Winkel der Drehstellung, gemessen von der Grundausrichtung der jeweiligen Vorrichtung, entspricht.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die zu approximierenden Kurvenverläufe frei wählbar sind.