WO2009109058A1

WO2009109058A1 - Vorrichtung und verfahren zur steuerung eines spielablaufs

Info

Publication number: WO2009109058A1
Application number: PCT/CH2009/000084
Authority: WO
Inventors: Nicolas Baumgartner; David Stadler; David FÜRST
Original assignee: Quasmo Ag
Priority date: 2008-03-05
Filing date: 2009-03-03
Publication date: 2009-09-11
Also published as: WO2009109058A8

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung eines Spielablaufs. Die Vorrichtung umfasst ein Eingabegerät und ein Steuergerät, wobei die Position des Eingabegeräts relativ zum Steuergerät gemessen und in Steuersignale umgewandelt werden soll. Das Eingabegerät hat eine gewölbte Fläche und/oder einen retroreflektierenden Bereich, ist frei bewegbar und kann mit dem Steuergerät durch Reflektion von elektromagnetischen oder akustischen Wellen wechselwirken. Das Eingabegerät kann daher auf aktive Komponenten verzichten und ist intuitiv zu bedienen.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR STEUERUNG EINES

SPIELABLAUFS

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung eines Spielablaufs.

Die bekannten Eingabegeräte zur Steuerung eines Spielablaufs bestehen aus einer Konsole, von der man mit der Manipulation von verschiedenen Schaltern und Hebeln den Ablauf eines Spieles steuern kann. Dies hat den Nachteil, dass es die Bewegungsfreiheit des Spielers zum Teil sehr einschränkt. So kann es z.B. bei einem schnellen Ablauf eines Rennens von Fahrzeugen zu Problemen bei der Manipulation kommen.

In der JP-A 10293646 wird versucht, dieses Problem zu beheben, indem als Eingabegerät eine Kugel und als Steuergerät eine zweidimensionale Matrix aus

Photodetektoren vorgesehen ist. In der Kugel ist ein Infrarotsender vorgesehen, dessen Strahlung von den Photodetektoren detektiert wird. Die Signale aller

Detektoren werden ausgewertet, um die Koordinaten des Eingabegeräts im Raum zu ermitteln. Das Positionssignal kann genutzt werden, um einen Spielablauf auf einem Monitor zu steuern. Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass eine Vielzahl von

Detektoren benötigt wird und dass das Eingabegerät aktiv ist, d.h. einen

Infrarotsender aufweist, und entsprechend mit Energie versorgt werden muss. In den Publikationen EP 1832322, EP 1808206 und EP 1762287 werden weitere Eingabegeräte beschrieben, die sich jedoch auf eine oder zwei Bewegungsarten beschränken.

Im „IBM Technical Bulletin" von der IBM Corp. New York US, Band 32, Nr. 3B. vom 1. August 1989, wird auf den Seiten 91 bis 95 mit dem Titel „The Tracking Cube: A Three Dimensional Input Device", ein Verfahren beschrieben, mit welchem die Orientierung eines Würfels ermittelt und zur Steuerung der Orientierung eines virtuellen Objekts auf einem Computerbildschirm verwendet werden kann. Der Würfel wird beleuchtet und das zweidimensionale Bild des Würfels wird mit einer Kamera erfasst und mittels Bildverarbeitung ausgewertet. Mit diesem Verfahren kann nur die Orientierung bzw. Rotationen, nicht aber die Position bzw. Translationsbewegungen des Eingabegerätes ermittelt werden. Ausserdem erfordert die Bildverarbeitung sehr hohe Rechenleistungen und daher eine komplexe und teure Infrastruktur.

In der US 2005/0156888 Al ist ein Steuersystem beschrieben, bei welchem ein Strahl gebündelt wird und über eine bewegliche Ablenkungseinheit (z. B. ein beweglicher Spiegel) so abgelenkt wird, dass er auf das Eingabegerät trifft und reflektiert wird. Wenn das Eingabegerät bewegt wird, muss die Ablenkungseinheit solange in einem bestimmten Muster bewegt werden, bis der Strahl wieder auf das Eingabegerät trifft. Die Position des Eingabegerätes kann über die Position der Ablenkungseinheit zusammen mit dem Interferenzmuster (welches durch die Interferenz des reflektierten Strahls mit einem Referenzstrahl entsteht) ermittelt werden. Der Nachteil dieser Erfindung liegt darin, dass nebst vielen teuren optischen Komponenten auch eine bewegliche Ablenkungseinheit benötigt wird, welche sehr teuer und aufwendig zu konstruieren ist. In der WO 2005/022373 A wird eine Erfindung beschrieben, in welcher die Distanz vom Sensor zum Eingabegerät über die Zeitverzögerung des Referenzsignals zu dem Signal, welches vom Eingabegerät reflektiert wurde, ermittelt wird. Die Bestimmung der Distanz basiert auf Messungen im Zeitbereich. Die Position muss über ein Triangulationsverfahren mit mindestens drei Sensoren ermittelt werden.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, die genannten Nachteile zu beheben und ein Steuersystem zur Verfugung zu stellen, welches auf einfache Weise die Positionsbestimmung eines Eingabegeräts zur Steuerung eines Spielablaufs ermöglicht.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 12 gelöst.

Die erfϊndungsgemässe Vorrichtung zur Steuerung eines Spielablaufs, insbesondere eines Computerspiels, umfasst ein Eingabegerät und ein Steuergerät. Das Eingabegerät ist im Anwendungsfall dem Benutzer zugeordnet und wird von diesem bewegt, z.B. indem es in der Hand oder in beiden Händen gehalten und in den drei Raumrichtungen verschoben wird. Das Steuergerät ermittelt die Position des Eingabegeräts und generiert aufgrund dieser Information Steuersignale, die an eine Spielkonsole oder einen Computer weitergegeben werden können. Die Steuersignale werden beispielsweise eingesetzt, um die Position eines virtuellen Objekts, z.B. eines Mauszeigers oder einer Spielfigur, auf dem Bildschirm der Spielkonsole oder des Computers zu verschieben. Erfindungsgemäss hat das Eingabegerät eine gewölbte Fläche und/oder einen retroreflektierenden Bereich und ist frei bewegbar. Es kann mit dem Steuergerät durch Reflektion von elektromagnetischen oder akustischen Wellen wechselwirken. Das Eingabegerät ist daher im Zusammenhang mit der Positionsbestimmung rein passiv, so dass auf eine Stromversorgung verzichtet werden kann. Falls Zusatzfunktionen gewünscht sind, können zusätzliche aktive Komponenten vorgesehen werden.

In Prinzip ist auch die Bestimmung der Orientierung bzw. Rotationen möglich. Dies ist jedoch nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Die Positionsbestimmung, also die Bestimmung der Lage eines Objekts entlang der drei Raumachsen, mit einem passiven Eingabegerät wird möglich, da das Eingabegerät eine gewölbte Fläche aufweist, die als Reflektor fungiert. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine beliebig geformte, z.B. ebene, Fläche mit einem lokal retroreflektierenden Bereich vorgesehen sein. Die Position bzw. Positionsänderung des Reflektors wird ermittelt, indem die Intensitätsverteilung der von einer geeigneten Quelle ausgehenden und am Eingabegerät reflektierten Welle ausgewertet wird. Aufgrund der Wölbung der reflektierenden Fläche bzw. der Lokalisierung des retroreflektierenden Bereichs lassen sich Verschiebungen des Eingabegeräts in den drei Raumrichtungen ermitteln, was mit einer strukturlosen ebenen Fläche nicht möglich wäre. Die elektromagnetische oder akustische Welle wird vorzugsweise vom Steuergerät erzeugt und die reflektierte Welle vom Steuergerät ausgewertet. Hierzu weist das Steuergerät vorzugsweise eine geeignete Quelle, z.B. eine LED, Ultraschallgeber, sowie einen geeigneten Sensor/Detektor auf.

Der Detektor ist vorzugsweise imstande, ein durch eine Abbildungseinheit, z.B. ein optisches System (Linse, Lochkamera), erzeugtes Bild der reflektierten Lichtquelle auszuwerten. Der Detektor ist dazu besonders bevorzugt ein optischer Positionssensor (Position Sensitive Device, PSD), der ein oder mehrere positionsabhängige analoge Ausgangssignale liefert, die sich mit wenig Rechenaufwand in Echtzeit auswerten lassen. Es kann jedoch auch ein CCD-Sensor oder CMOS-Sensor, z.B. als Teil einer Kamera, verwendet werden, mit dem entsprechend grosseren Aufwand zur Auswertung des Bildes.

Das mit einer gewölbten Fläche versehene Eingabegerät kann eine Kugel, ein

Ellipsoid oder ein anderer Körper, wie z.B. ein Quader sein, mit einer oder mehreren gewölbten Flächen. Es ist von Vorteil, wenn das Eingabegerät zur Verringerung des

Gewichts aus Kunststoff hergestellt ist. Es weist zur Erhöhung der Reflektivität vorzugsweise eine polierte Fläche auf. In einer anderen vorteilhaften Variante ist es zur Erhöhung der Signalstärke des reflektierten Signals ganz oder teilweise mit einer retroreflektierenden Folie, z.B. Scotch-Lite, versehen (in diesem Fall spielt die Form des Eingabegerätes keine Rolle).

Um den Spielablauf zu ändern, z.B. Start, Stopp, Änderung der Ablaufgeschwindigkeit oder des Schwierigkeitsgrades usw. können Eingabeelemente, z.B. Schalter und/oder Druckknöpfe, vorgesehen sein. Die vom Benutzer an den Eingabeelementen eingegebenen Befehle können mittels elektromagnetischer Signale an das Steuergerät weitergeben werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, durch die Eingabeelemente die Eigenschaften der Oberfläche des Eingabegeräts zu ändern, z.B. leuchtende Muster, z.B. ein Kreis oder andere geometrische Formen, an der Oberfläche des Eingabegeräts erscheinen zu lassen oder die einfallenden Wellen lokal anders zu reflektieren, z.B. durch Formänderung der Oberfläche. Derartige Änderungen der Oberflächeneigenschaften sind vom Steuergerät detektierbar.

Das Steuergerät erzeugt nach Auswertung der Position bzw. Positionsänderung des

Eingabegeräts Steuersignale. Diese können im Zusammenwirken mit einem

Computer oder einer sonstigen Einrichtung mit einer grafischen Anzeige eines Objekts dreidimensionale Verschiebungen, Änderungen der Geschwindigkeit usw. des Objektes, z.B. im Spielablauf, bewirken. Auch andere Befehlsarten wie z.B. Schiessen, Nachladen, Auswahl Treffen sind denkbar. Im Steuergerät sind vorzugsweise eine Quelle und ein Detektor für die elektromagnetischen oder akustischen Wellen vorhanden. Die Quelle kann eine LED-Diode und der Detektor ein optischer Positionssensor (PSD) sein, der mit einer Linse oder einer Lochblende ausgerüstet ist. Da das Steuergerät mit kleinen Dimensionen ausgebildet sein kann, ist es denkbar, dass es sogar um den Körper des Spielers befestigt wird, wobei das Steuergerät im Sichtkontakt mit dem Eingabegerät sein muss. Es ist nicht unbedingt nötig, dass die Quelle und der Detektor im gleichen Gehäuse untergebracht sind. Es ist auch denkbar, dass sie jeweils einzeln in einem separaten Gehäuse eingebaut sind.

Der Vorteil einer Kugel oder einer ähnlichen Form gegenüber bekannten Eingabegeräten ist, dass man auf sehr intuitive Weise viele Befehle gleichzeitig steuern kann durch Erfassung der Rotations- und/oder Translationsbewegungen (insgesamt sechs Freiheitsgrade) und mit zusätzlichen Befehlselementen, die von den Fingern betätigt werden, z.B. zehn Knöpfen/Schaltern/Tasten.

Die Erfindung kann nicht nur zum Steuern eines Spielablaufs, sondern allgemein als Eingabehilfe bei der Visualisierung von virtuellen Objekten auf einem Bildschirm verwendet werden.

Die Erfindung wird anhand eines Beispiels in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen rein schematisch:

Fig. 1 Eingabegerät als Kugel

Fig.2 Funktionsprinzip Fig. 3 Dreidimensionale Darstellung

Fig. 4 Funktionsschema

Fig. 5A-D das Reflektionsverhalten des Eingabegerätes ohne Retroreflektor,

Fig. 6A-D das Reflektionsverhalten mit Retroreflektor. Wie bereits schon erwähnt, geht es bei der Erfindung darum, wie die Position des Eingabegeräts 1 im dreidimensionalen Raum in Echtzeit gemessen werden kann. In Fig. 1 ist das Eingabegerät 1 als Kugel dargestellt, die von Hand gegenüber dem beispielsweise stationären oder mit dem Benutzer mitbewegten Steuergerät 2 verschiebbar ist. Die Verschiebung kann in den drei Raumrichtungen (Koordinatenachsen x, y, z) vor sich gehen. Die Position des Eingabegerätes 1 im dreidimensionalen Raum wird vom Steuergerät 2 gemessen. Die Position des Eingabegerätes 1 gilt relativ zum Steuergerät 2. Das Steuergerät 2 stellt dabei die Lage des Eingabegerätes 1 in den drei Achsen des Steuergerätes 2 fest und erzeugt ein entsprechendes beispielsweise elektrisches Steuersignal bzw. -Signale, das bzw. die zur Steuerung eines Spielablaufes an ein weiteres Gerät, z.B. einen Computer oder eine Spielkonsole (hier nicht dargestellt) übermittelt wird/werden. Die Übermittlung kann über herkömmliche Schnittstellen stattfinden, z.B. drahtgebunden oder kabellose Schnittstellen (USB, Bluetooth, Infrarot, usw.).

Die Positionsmessung basiert auf den folgenden Hauptelementen:

- Dem Steuergerät 2 mit einer Lichtquelle 3, z.B. einer Infrarot-LED, einer abbildenden Optik 5, z.B. einer Linse oder Lochblende, einem Detektor, z.B. einem ein- oder zweidimensionalen Positionssensor (PSD, Position Sensitive Device) 4, wobei diese Komponenten jeweils im Steuergerät 2 (aber nicht notwendigerweise im gleichen Gehäuse) integriert sind; dem Eingabegerät 1 mit einer wenigstens teilweise reflektierenden, insbesondere gewölbten Oberfläche.

Fig. 2 zeigt das Funktionsprinzip der Erfindung sowie die schematische

Versuchsanordnung zur Messung der Position in x-Richtung. Das Steuergerät 2 enthält eine Lichtquelle 3, z.B. eine LED Diode, die eine für das Auge unsichtbare

Lichtwellenlänge ausstrahlt, vorzugsweise im Infrarotbereich. Dieser ausgestrahlte

Lichtstrahl 6 wird von der reflektierenden Oberfläche des Eingabegerätes 1 reflektiert 7 und über die Linse 5 auf den ortsempfϊndlichen Detektor 4, fokussiert.

Fig. 2 zeigt zwei Stellungen Pl und P2 des Eingabegerätes 1 mit der jeweiligen Ablenkung des Lichtstrahles 7.

Die Infrarot-LED 3 strahlt Licht in alle Richtungen ab. Trifft ein Teil des ausgestrahlten Lichts 6 auf das Eingabegerät 1, wird es von diesem reflektiert. Ein Teil dieses reflektierten Lichts 7 trifft wiederum auf eine abbildende Optik 5 (Linse oder Lochblende), welche in unmittelbarer räumlicher Nähe zur Infrarot-LED 3 platziert ist. Durch die Optik 5 wird das reflektierte Licht 7 auf den Detektor, hier einen optischen Positionsmesser (Position Sensitive Device, PSD) gebündelt. Je nachdem, an welcher Stelle sich das Eingabegerät 1 auf der x-Achse befindet (z.B. Position Pl oder P2), wird das reflektierte Licht 7 aus einer anderen Richtung auf die Optik 5 treffen und somit auf eine bestimmte Position auf der x'-Achse des PSDs fokussiert. Mit anderen Worten kann man sagen, dass die Richtung, aus welcher das reflektierte Licht kommt, durch die Optik in eine Position des Lichtpunktes auf dem PSD umgewandelt wird. Hierbei wird nun auch klar, weshalb das Eingabegerät die Form einer Kugel haben sollte, oder zumindest eine gewölbte Fläche aufweisen sollte: Auf diese Weise ändert sich nämlich die Richtung des reflektierten Lichtes, welches auf die Linse trifft, in Abhängigkeit der Position des Eingabegerätes. Wenn das Eingabegerät zum Beispiel eine Spiegelfläche wäre, dann könnte seine Position auf diese Weise nicht ermittelt werden. Allerdings könnte man in einem solchen Fall die Neigung des Spiegels messen, da sich beim Neigen des Spiegels die Richtung des reflektierten Lichts ändert. Bei einer Kugel verhält es sich genau umgekehrt: Hier kann lediglich die Position gemessen werden, die Orientierung der Kugel hat auf die Messung keinerlei Einfluss.

Um ein stärkeres Signal zu erhalten, kann das Eingabegerät mit einer retroreflektierenden Oberfläche beschichtet werden. Der grosse Vorteil einer retroreflektierenden Oberfläche ist, dass das meiste Licht in die Richtung abgelenkt wird, aus der es kommt. Kommt eine retroreflektierende Oberfläche zum Einsatz, ist es also wichtig, dass die Infrarot LED sehr nahe an der Linse platziert wird.

Im Falle, dass das Eingabegerät nicht die Form einer Kugel hat, könnte eine retroreflektierende Oberfläche benutzt werden, um die Position mit demselben Prinzip zu messen. Wenn man ein Eingabegerät mit beliebiger Form zum Beispiel mit einem retroreflektierendem Bereich, z.B. einem retroreflektierendem Punkt oder einem retroreflektierendem Körper, ausstattet, ändert sich auch die Richtung des reflektierenden Lichts in Abhängigkeit der Position, und das geschilderte Prinzip der Positionsmessung funktioniert wieder, wenn die retroreflektierende Oberfläche das Licht um ein Vielfaches besser reflektiert als die sonstige Oberfläche des Eingabegerätes.

Fig. 3 zeigt das Steuergerät 2 und das Eingabegerät 1 in einer dreidimensionalen Zeichnung mit einer Lichtquelle 3 und einem Positionsmesser 4, wobei der Lichtstrahl 6 vom Eingabegerät 1 reflektiert wird 7 und, nach Abbildung durch eine Optik 5, auf den Positionsmesser 4 auftrifft. Fig. 3 zeigt dieselbe Anordnung wie Fig. 2, aber in dreidimensionaler Ansicht. In dieser Figur ist der zweidimensionale PSD 4 gut zu erkennen. Ein PSD ist vom Prinzip her mit einer einfachen Photodiode zu vergleichen. Wie bei einer Photodiode wird Licht über quantenphysikalische Effekte in Strom umgewandelt. Der grosse Unterschied zur Photodiode liegt darin, dass ein PSD zwar eine Kathode hat, aber im Falle eines eindimensionalen PSD zwei Anoden, und im Falle eines zweidimensionalen PSD vier Anoden hat. Die Kathode ist in der Mitte des PSD angeordnet und die Anoden an den Rändern des PSDs. Zudem besteht die Oberfläche des PSD aus einer resistiven Oberfläche. Wird also ein Lichtstrahl auf die aktive Oberfläche des PSDs fokussiert, müssen die Elektronen verschiedene Widerstände durchlaufen, um zu den verschiedenen Anoden zu gelangen. Dadurch hängen die Ausgangsströme der Anoden davon ab, wo sich der Lichtpunkt auf der Oberfläche des PSDs befindet. Die Ströme, die aus den Anoden kommen, werden genau wie bei einer Photodiode verstärkt. Weiter können die Signale von den Anoden analog und/oder digital bearbeitet werden. Aus einem bestimmten Verhältnis, das von der Anordnung der Anoden und Kathoden definiert ist, kann die Position des Intensitätsschwerpunktes des Lichtpunktes auf der Oberfläche des PSDs ermittelt werden.

Natürlich könnte man sich vorstellen, den zweidimensionalen PSD durch einen CCD oder CMOS Kamera-Chip zu ersetzen. Damit würde auch eine Infrarot LED unter

Umständen überflüssig werden. Dies birgt aber folgende Nachteile: Um ein gutes

Abbild auf dem Chip zu erhalten braucht es eine massgeschneiderte und teure Optik, unter Umständen sogar ein Fokussierungssystem, um bei allen Distanzen des

Eingabegerätes ein scharfes Abbild zu erhalten. Im Gegensatz dazu misst ein PSD den Intensitätsschwerpunkt des Lichtpunktes. Ein verschwommener Lichtpunkt hat also praktisch keinen Einfluss auf das Resultat, und die Qualität der Abbildung ist sekundär. Um eine ähnlich gute Auflösung der Positionsmessung wie bei einem PSD zu erhalten, braucht ein Kamera-Chip etwa 200 mal 200 Bildpunkte, also insgesamt 40'0OO Bildpunkte. Um eine solche Datenmenge in Echtzeit bearbeiten zu können, braucht es einen schnelleren, und somit auch teureren Prozessor (z. B. Digital Signal Processor, 32-bit, 100 Mhz), als man für die Erfassung und Auswertung mit einem PSD benötigt (z.B. Mikrokontroller 8-bit, 8 Mhz). Um aus der Datenflut bei einem Kamerachip die Position des Eingabegerätes berechnen zu können, braucht es ausserdem Algorithmen, die das Eingabegerät im aufgenommenen zweidimensionalen Bild erkennen und daraus die Position berechnen. Wird ein PSD benutzt, dann genügen beispielsweise ein preiswerter Mikrokontroller und vier Digital/Analog- Wandler. Da die Position sehr einfach aus den Verhältnissen der Anodenströme berechnet werden kann, könnte sie auch rein analog berechnet werden. Der Vorteil eines Kamera-Chips gegenüber einem PSD ist, dass es mit einem Kamera-Chip möglich wäre die Position mehrerer Eingabegeräte gleichzeitig mit demselben Steuergerät zu messen. Mit einem PSD ist das nicht möglich.

Bis hierhin wurde nur erklärt, wie die Positionen in x- und y-Richtung (siehe Fig. 1) gemessen werden können. In diesem Abschnitt wird nun erklärt, wie die Position in z-Richtung gemessen werden kann. Wie bereits erwähnt, werden die Positionen in x- und y-Richtung durch ein bestimmtes Verhältnis der vier Anodenströme berechnet. Wenn man die vier Ströme zusammenzählt, erhält man eine Information über die gesamte Intensität des Lichtpunktes. Über die Intensität kann wiederum ein Rückschluss gezogen werden, in welchem Abstand sich das Eingabegerät zum Steuergerät befindet. Je weiter sich das Eingabegerät vom Steuergerät befindet, desto kleiner ist die Intensität des vom Eingabegerät reflektierten Lichts, da der Lichtstrahl von der Infrarot-LED nicht gebündelt ist, sondern annäherungsweise wie eine punktförmige Lichtquelle agiert. Um eine gute Positionsmessung zu garantieren ist es wichtig, dass die Signalstärken in einem bestimmten Bereich liegen. Sind die Signale zu klein, dann ist das Verhältnis vom Signal zum Rauschen auch sehr klein, und somit sind auch die Positionsmessungen verrauscht. Sind die Signale zu gross, kann es sein, dass die analoge Elektronik saturiert. In diesem Fall sind die Messungen ungenau und möglicherweise nicht zu gebrauchen. Um diesem Problem zu begegnen, wird die Leistung der Lichtquelle vorzugsweise über einen Regelkreis kontrolliert. Dies wird weiter unten mit Bezug auf Fig. 4 beschrieben.

Fig. 4 zeigt ein Steuergerät 2 mit einer Lichtquelle 3. Das ausgestrahlte Licht 6 trifft nach einer Reflektion mit dem Eingabegerät auf einen Positionsmesser 4, wobei die verschiedenen Punkte (Al, A2, A3, A4) über einen Vorverstärker und einemBandpassfϊlter mit einer Prozessoreinheit verbunden ist.

Die Prozessoreinheit errechnet die Positionen x und y mittels einer herstellerspezifischen Formel aufgrund der vier gemessenen Ströme (II, 12, 13, 14). Damit die Signalstärke des PSD über verschiedenste Abstände der Kugel in einem akzeptablen Bereich liegt wird die Lichtstärke der Lichtquelle mit einem Regelkreis kontrolliert. Die Grosse des Stellwertes ist abhängig vom Abstand der Kugel zum PSD. Mit Hilfe des Stellwertes kann die Z-Koordinate bestimmt werden.

Dazu im Einzelnen: In Fig. 4 ist der PSD 4 mit seinen vier Anoden dargestellt. Die Ströme der Anodenausgänge werden vorverstärkt und damit gleichzeitig in Spannungssignale umgewandelt. Im vorliegenden Fall wird die Lichtquelle 3, hier Infrarot LED, mit einer bestimmten Frequenz moduliert. Daher wird zusätzlich ein Bandpassfilter eingesetzt, welcher auf die Modulationsfrequenz der LED 3 eingestellt ist. Mit dieser Methode kann man ungewolltes Lampen- und Sonnenlicht aus dem Signal filtern sowie allgemein das Rauschen verringern. Nach dem Bandpassfilter werden die Signale über analog/digital-Wandler in der Prozessoreinheit in einen digitalen Regelkreis überführt. Alternativ wäre es auch möglich, einen Regelkreis mit analoger Elektronik zu bauen. Die Summe der vier Signale stellt den Istwert dar (I_tot). Der Sollwert beispielsweise als Konstante definiert und garantiert, dass der Mittelwert der vier Signale stets in der Hälfte des Messbereiches liegt. Der Stellwert, der verwendet wird um die Intensität der LED 3 zu kontrollieren, kann zum Beispiel wie folgt berechnet werden:

Stellwert(z) = K(z)*[Sollwert(z) - I_tot(z)]

In vorliegenden Falle eines digitalen Regelkreises und einer Schreibweise in z- Transformation, entspricht die Kontrollfunktion K(z) z.B einem PID-Kontroller (auch vorstellbar wäre zum Beispiel eine Implementierung eines adaptiven und/oder eines nichtlinearen Regelkreises, da die Systemfunktion in der Realität auch nichtlineare Komponenten enthält). Der Ausgang der Kontrollfunktion K(z) (also der Stellwert) ist der Eingang in die Systemfunktion G(z) (siehe Fig. 4). Die Systemfunktion G(z) ist die Transferfunktion des gesamten Systems, d.h. die Faltung der Transferfunktionen der Untersysteme (wie zum Beispiel der Infrarot-LED driver, LED, PSD, usw.).

Um auf die Messung der Position des Eingabegerätes in z-Richtung zurückzukommen: Zusammenfassend kann man sagen, dass je weiter das

Eingabegerät vom Steuergerät entfernt ist, desto grösser ist die Intensität der LED und somit der Stellwert. Der Wert des Stellwerts gibt eine Aussage über die Distanz zwischen Eingabegerät und Steuergerät. Werden andere Faktoren, wie Position in x- und y-Richtung, Abstrahlverhalten der LED, Reflektionsverhalten des Eingabegerätes usw. in Betracht gezogen, kann aus dem Stellwert die Position in z-

Richtung errechnet werden.

Mit der Erfindung kann daher die Position eines rein passiven Eingabegerätes relativ zu einem Steuergerät in einem dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystem gemessen werden. Die gemessenen Werte in x-, y- und z-Richtung werden über einen Datenbus an eine Spielkonsole oder Personalcomputer gesendet, wo sie (oder eine Auswahl davon) als Steuerbefehle interpretiert werden, um den Ablauf eines Videospiels zu steuern. Es wäre auch denkbar, dass die Steuerbefehle genutzt werden um, ähnlich einer Maus, auf Benutzeroberflächen zu navigieren oder grafisch dargestellte Objekte zu manipulieren. Die Steuerbefehle, die sich aus der Positionsmessung ergeben, können mit weiteren Steuerbefehlen kombiniert werden, z.B. mit Steuerbefehlen, die aus der Rotation des Eingabegerätes oder aus dem Drücken von Knöpfen generiert werden können. Daraus entsteht ein komplexes, aber dennoch sehr intuitiv zu bedienendes Steuergerät.

Anhand der Fig. 5A-D und 6A-D wird gezeigt, wie die Position (nicht die Orientierung) des Eingabegeräts gemessen werden kann, wenn dieses eine gewölbte Fläche oder einen Retroreflektor aufweist.

Fig. 5A-D zeigen das Verhalten der reflektierten Strahlen an einem Eingabegerät 1 ohne Retroreflektor. In Fig. 5 A bzw. Fig. 5B hat das Eingabegerät 1 die Form einer Kugel. Gut zu erkennen ist einerseits, dass nur ein sehr kleiner Teil der Strahlen auf die Linse oder Lochblende 5 reflektiert wird. Andererseits ist einfach zu verstehen, dass nur Positionsänderungen einen Einfluss auf die Messung haben. Wird die Kugel um den Kugelmittelpunkt rotiert, dann hat das keinerlei Einfluss auf die Messung.

In Fig. 5C bzw. Fig. 5D hat das Eingabegerät 1 die Form eines Quaders mit einer ebenen reflektierenden Fläche. Auch hier wird nur ein kleiner Teil der Strahlung auf den PSD 4 abgelenkt. Im Gegensatz zur Kugel können bei ebenen reflektierenden Fläche nur Rotationen, nicht aber die Position, gemessen werden. Fig. 6 zeigt das Verhalten der reflektierten Strahlen an einem Eingabegerät 1 für den Fall, dass dieses mit einem retroreflektierenden Bereich 8 ausgestattet ist. Das Prinzip einer retroreflektierenden Oberfläche ist, dass jeder Lichtstrahl, der auf sie trifft, in dieselbe Richtung reflektiert wird, aus der er ursprünglich kommt, egal unter welchem Winkel er auf die Oberfläche trifft. Wird die Infrarot LED 3 sehr nahe an der Linse 5 montiert, dann kann man annäherungsweise sagen, dass alles Licht, welches von der LED 3 auf die retroreflektierende Oberfläche 8 trifft, auf die Linse oder Lochblende 5 reflektiert wird.

In Fig. 6A kann man gut erkennen, dass viel mehr Licht auf die Linse/Lochblende 5 bzw. PSD 4 trifft wie im Falle ohne retroreflektierender Oberfläche. Dies hat zur Folge, dass die Signalstärke um ein Vielfaches grösser ist.

In Fig. 6B ist zu erkennen, dass eine Rotation des Eingabegerätes 1 keinen (oder nur einen kleinen Einfluss) auf die Positionsmessung hat.

In Fig. 6C ist dargestellt, wie die Positionsmessung des Eingabegerätes 1 funktioniert. Das Funktionsprinzip ist praktisch gleich wie in Fig. 2 abgebildet.

In Fig. 6D verdeutlicht nochmals schematisch, dass die Form des Eingabegerätes 1 keinen Einfluss hat auf das Funktionsprinzip, wenn ein retroreflektierender Bereich 8 vorhanden ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zur Steuerung eines Spielablaufs, insbesondere eines Computerspiels, mit einem Eingabegerät und einem Steuergerät, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingabegerät eine gewölbte Fläche und/oder einen retroreflektierenden Bereich aufweist, frei bewegbar ist und mit dem Steuergerät durch Reflektion von elektromagnetischen oder akustischen Wellen wechselwirken kann.

2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät elektromagnetische oder akustische Wellen zu erzeugen, die vom Eingabegerät reflektierten Wellen zu empfangen und auszuwerten sowie

Steuersignale zur Anpassung des Spielablaufs zu erzeugen imstande ist.

3. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingabegerät eine Kugel, ein Ellipsoid oder ein Körper mit wenigstens einer gewölbten Fläche ist.

4. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingabegerät vorzugsweise aus Kunststoff ist und eine polierte Oberfläche aufweist um die Wellen zu reflektieren.

5. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingabegerät Befehlselemente, insbesondere Schalter und/oder Druckknöpfe, aufweist, deren Betätigung vom Steuergerät erfassbar ist und das Steuergerät zum Erzeugen weiterer Steuersignale zur Anpassung des Spielablaufs veranlasst.

6. Vorrichtung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingabegerät imstande ist, bei Betätigung der Befehlselemente weitere Signale zu erzeugen und mittels elektromagnetischer Wellen an das Steuergerät zu übertragen.

7. Vorrichtung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Befehlselemente die Eigenschaften der Oberfläche der Eingabegerätes so ändern, dass die reflektierten Wellen den entsprechenden Befehl an das Steuergerät weitergeben.

8. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät aufgrund der Bewegung des Eingabegeräts Steuersignale zu erzeugen imstande ist, welche in Befehle im Spielablauf umsetzbar sind, insbesondere in Verschiebungen eines Objektes in einem Dreikoordinatensystem und/oder in eine Änderung der Geschwindigkeit eines Objektes in einem

Spielablauf.

9. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät eine Quelle für die elektromagnetischen oder akustischen Wellen sowie einen Detektor für die reflektierten Wellen aufweist.

10. Vorrichtung nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor einen optischen Positionssensor (PSD) sowie eine Abbildungsoptik, welche vorzugsweise wenigstens eine Linse oder eine Lochblende umfasst, aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät tragbar ist und vorzugsweise am Körper einer Person montierbar ist.

12. Verfahren zum Bestimmen der Position eines frei im Raum beweglichen Eingabegeräts relativ zu einem Steuergerät zwecks Steuerung eines Spielablaufs, insbesondere eines Computerspiels, mit den folgenden Schritten:

Aussenden von elektromagnetischen oder akustischen Wellen durch das Steuergerät;

- Empfangen von an einer gewölbten Fläche und/oder retroreflektierenden Bereich des Eingabegeräts reflektierten Wellen durch das Steuergerät;

Erzeugen von Steuersignalen zur Steuerung eines Spielablaufs in Abhängigkeit von den empfangenen reflektierten Wellen.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellen elektromagnetische Wellen, vorzugsweise im Infrarotbereich, sind, dass die reflektierten Wellen mittels einer Abbildungsoptik auf einen optischen

Positionssensor (PSD) abgebildet werden, und dass vom Positionssensor abgegebene Signale zur Bestimmung der Position des Eingabegeräts und zur Erzeugung der Steuersignale ausgewertet werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwerpunkt sowie die Intensität des auf den Positionssensor einfallenden Lichts zur Erzeugung der Steuersignale ausgewertet werden.