DE19853912C2 - Elektronische Brille - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Brille nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige elektronische Brillen sind vom Markt her bekannt. Sie dienen der Orientierungs- und Mobilitätshilfe von Sehbe­ hinderten und Blinden. Diese elektronischen Brillen umfassen ein brillenartiges Teil, welches also nach Art einer Brille am Kopf des Benutzers getragen wird. Dieses brillenartige Teil ist mit mindestens einer elektronischen Kamera ausgerüstet, welche das Blickfeld erfaßt, das normalerweise von den Augen des Benutzers betrachtet würde. Die von der elektronischen Kamera erhaltenen Bildsignale werden einer Bildverarbeitungselektronik zugeführt, welche aus diesen Signale erzeugt, die je nach der Behinderung des Benutzers in unterschiedlicher Weise zur Darstellung gebracht werden. Liegt beispiels­ weise ein ausreichender Sehrest vor, können diese Bild­ signale auf Displays gebracht werden, welche anstelle von Brillengläsern in dem brillenartigen Teil ange­ bracht sind. Ein sehr wichtiger Anwendungsfall ist der, daß die erfaßten Bilder mit im Rechner gespeicherten Modellen (z. B. Beschreibungen von speziellen Objekten) verglichen und Übereinstimmungen akustisch ausgegeben werden.

Bei den bekannten, elektronischen Brillen dieser Art ergeben sich bei den aufgenommenen Bildern systematische Abwei­ chungen dadurch, daß das brillenartige Teil schief sitzen kann, der Kopf des Benutzers schief gehalten werden kann oder daß durch die Bewegung beim Gehen stochastische Abweichungen von der richtigen Kameraorientierung entstehen. Dies erschwert die Wiedererkennung der in den Ausgangs­ signalen der Bildverarbeitungselektronik enthaltenen In­ formationen entweder durch den Benutzer selbst oder durch eine Wiedererkennungselektronik, welche diese Informationen mit abgespeicherten Informationen zu ver­ gleichen hat. Zwar kann bei einer starren Verbindung zwi­ schen Kamera und Brille ein noch ausreichend gut Sehender seine Kopfhaltung korrigieren, wenn ein Schiefhalten des Kopfes zu enstprechend schiefen Bildern auf den Displays führt. Bei stark sehbehinderten Personen jedoch kann ein extremes Schiefsitzen der Brille zu Irritationen führen.

Es wäre daher wünschenswert, die von der elektronischen Kamera erzeugten Bilder entweder so elektronisch zu korrigieren, daß sie den bei richtiger Orientierung der Kamera zur Vertikalen aufgenommenen Bildern ent­ sprechen, oder die elektronische Kamera entsprechend motorisch nachzustellen. Dies setzt jedoch eine ent­ sprechende Einrichtung zur Bestimmung der Vertikalen voraus, die auch in einem beschleunigten System, wie es der Kopf eines Benutzers ist, noch arbeitet. Die einfachen, bekannten Neigungssensoren, die beispielsweise die Lage einer Flüssigkeitsoberfläche erfassen, versagen unter diesen Umständen.

Die DE 195 36 588 A1 beschreibt zwar eine Einrichtung zur Lage-, Azimut- und Positionsbestimmung in einem hauptsächlich vertikalen Bechleunigungen ausgesetzten System, mit dessen Hilfe grundsätzlich eine Bestimmung der Vertikalen möglich wäre. Auf deren Verwendbarkeit bei einer elektronischen Brille aus den oben genannten Gründen gibt diese Druckschrift aber keinen Hinweis.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektro­ nische Brille der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher die dem Benutzer zur Verfügung gestellten Informationen weitgehend unabhängig von Kippungen des brillenartigen Teils gegenüber der Vertikalen der realen Umwelt ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angege­ bene, elektronische Brille gelöst.

Mit der vorliegenden Erfindung werden mit Hilfe von drei Beschleunigungssensoren die Einflüsse der Beschleunigung, insbesondere der vertikalen Beschleunigung, rechnerisch eliminiert. Aus den von den drei Beschleunigungssensoren erhaltenen Ausgangssignalen wird direkt die Verkippung des Koordinatensystemes, welches von den drei Beschleunigungs­ sensoren aufgespannt wird, gegenüber dem realen, dreidimen­ sionalen Koordinatensystem errechnet, und die Bildsignale werden entsprechend korrigiert.

Besonders vorteilhaft ist, wenn die drei Beschleunigungs­ sensoren ein rechtwinkliges Koordinatensystem aufspan­ nen. Dann werden die mathematischen Formeln, die bei der Auswertung eingesetzt werden, besonders einfach. Außerdem ist der mechanische Aufbau der Einrichtung leicht zu bewerkstelligen, da rechte Winkel maschinell mit geringerem Aufwand präzise erzielt werden können.

In vielen Fällen, in denen die erfindungsgemäße Ein­ richtung eingesetzt wird, spielt die Beschleunigung in horizontaler Richtung keine oder nur eine unterge­ ordnete Rolle. Auch der Gehvorgang eines Benutzers einer elektronischen Brille kann als Bewegung mit nahezu kon­ stanter Geschwindigkeit in horizontaler Richtung aufgefaßt werden, der allerdings in vertikaler Richtung durch Kopfbewegungen erhebliche, vertikale Beschleunigungen überlagert sein können. Die von den einzelnen Schritten herrührenden, horizontalen Beschleunigungskomponenten stellen mehr oder weniger periodische Vorgänge mit dem Mittelwert "0" dar. Für derartige Einsatzzwecke eig­ net sich diejenige Ausgestaltung der Erfindung beson­ ders, bei welcher die Recheneinheit ein elektronisches Filter enthält, welches die horizontalen Beschleuni­ gungskomponenten entsprechenden Anteile aus den Aus­ gangssignalen der Beschleunigungssensoren entfernt.

In diesem Fall wird der mathematische Formalismus, mit dem die Verkippung des von den Beschleunigungssen­ soren aufgespannten Koordinatensysteme gegenüber dem Koordinatensystem der realen Umwelt errechnet wird, sehr einfach. Die Recheneinheit kann den Nickwinkel α und den Kippwinkel β des von den drei Beschleunigungssensoren aufgespannten Koordinatensystems gegenüber den dreidimen­ sionalen Koordinaten der realen Umwelt nach folgenden Gleichungen errechnen:

Als Beschleunigungsensor innerhalb der erfindungsgemäßen Einrichtung kommt grundsätzlich jede Bauart in Betracht, bei der sich aufgrund der gemessenen Beschleunigung die Lage von Flüssigkeiten, Federmassen und Ähnlichem ändert und diese Lageänderung nach außen durch elektri­ sche Signale angezeigt wird. Besonders einfach und günstig ist diejenige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ein­ richtung, bei welcher jeder Beschleunigungssensor eine Masse umfaßt, die über zwei Federn an gegenüberliegenden Seiten eines Gehäuses befestigt ist. Weisen diese Federn eine lineare Kennlinie auf, so ist die Auslenkung der Masse aus einer neutralen Mittelstellung direkt propor­ tional zu der Beschleunigung, welche diese Masse in der Wirkungsrichtung erfährt. Die Auslenkung wiederum ist elektronisch sehr einfach erfaßbar und in ein elek­ trisches Signal umsetzbar.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Einrichtung zur Messung der Vertikalen in einem die reale Welt beschrei­ benden, dreidimensionalen Koordinatensystem;

Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch einen in der Einrichtung von Fig. 1 verwendeten Be­ schleunigungssensor;

Fig. 3 die schematische Seitenansicht des Beschleu­ nigungssensors von Fig. 2.

Der Benutzer der nachfolgend bechriebenen, elektronischen Brille bewegt sich im realen Raum, der durch ein dreidi­ mensionales Koordinatensystem (x, y, z) beschrieben wird. Dabei entspricht die z-Achse der Vertikalen; die y-Achse zeigt in Bewegungsrichtung des Benutzers horizontal nach vorne; die x-Achse entspricht der Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung, ebenfalls horizontal, also etwa der Richtung, in welcher die Schul­ tern des Benutzers stehen.

Beim Gehvorgang wirkt auf die elektronische Brille und damit auf die in ihr untergebrachte Einrichtung zur Messung der Vertikalen eine effektive Beschleunigung, deren Komponenten in den drei Achsrichtungen nachfolgend e_z, e_y und e_x genannt werden. Die Beschleunigungskom­ ponente e_z setzt sich aus der Erdbeschleunigung g und aus beim Gehen entstehenden, zusätzlichen aufwärts- und abwärtsgerichteten Beschleunigungsanteilen zusammen. Die in Richtung der y-Achse wirkende Beschleunigungs­ komponente e_y resultiert insbesondere aus beim Gehen entstehenden Beschleunigungsanteilen in Folge von Kopf­ bewegungen in Nickrichtung. Die in Richtung der x-Achse wirkende Beschleunigungskomponente e_x schließlich resul­ tiert vornehmlich aus beim Gehen entstehenden Beschleuni­ gungsanteilen in Folge von seitlichen Kopfneigungen.

Die schematisch in Fig. 1 dargestellte Einrichtung zur Messung der Vertikalen umfaßt drei Beschleunigungs­ sensoren A, B und C. Beim dargestellten Ausführungs­ beispiel spannen die drei Beschleunigungssensoren A, B, C ebenfalls ein rechtwinkliges Koordinatensystem auf; ihre Wirkrichtungen stehen also rechtwinklig aufein­ ander. Die Verkippung dieses "inneren" Koordinatensystems gegenüber dem die reale Welt beschreibenden Koordinaten­ system x, y, z wird durch die Winkel α_z, β_z und γ_z beschrieben, welche die fraglichen Achsen jeweils mit der z-Achse des "äußeren" Koordinatensystems einschließen.

Die Beschleunigungssensoren A, B und C sind so aufgebaut, daß sie ein Signal erzeugen, welches der in ihrer Achsrichtung wirkenden Beschleunigungskomponente pro­ portional ist. Ein Ausführungsbeispiel für einen derar­ tigen Beschleunigungssensor ist in Fig. 2 dargestellt.

In einem zylindrischen Gehäuse 1 befindet sich eine Masse 2, die über zwei Federn 3, 4 an den Stirnseiten des Gehäuses 1 beweglich befestigt ist. Die Achse des zylindrischen Gehäuses 1 liegt auf der "inneren" Koordina­ tenachse des entsprechenden Beschleunigungsmessers A, B, C. Diese Achse entspricht somit der Wirkrichtung, in welcher durch den jeweiligen Beschleunigungsmesser A, B, C die effektive Beschleunigung gemessen wird. Unterstellt man, daß die Federn 3, 4 eine lineare Kenn­ linie haben, bedeutet dies, daß die Auslenkung der Masse 2 aus ihrer Ruhelage direkt proportional zu der auf die Masse 2 wirkenden Beschleunigungskomponente a, b, c ist. Diese Auslenkung der Masse 2 läßt sich durch einen ge­ eigneten Lagesensor erfassen und in ein elektrisches Signal umsetzen, welches der gemessenen Beschleunigungs­ komponente a, b, c ebenfalls proportional ist.

Die von den drei Beschleunigungsensoren A, B, C er­ zeugten, elektrischen Signale werden in einer Rechen­ einheit weiter verarbeitet. Die hierbei verwendeten, mathematischen Formeln werden aus folgenden Überlegun­ gen verständlich:
Die auf die drei Meßsensoren A, B und C einwirkenden Beschleunigungen a, b und c setzen sich allgemein aus Anteilen a_x, a_y, a_z; b_x, b_y, b_z; c_x, c_y, c_z zusammen, die von den drei Beschleunigungskomponenten e_x, e_y und e_z herrühren.

Betrachtet man insbesondere den Meßsensor A, so gilt für den auf diesen einwirkenden Anteil a_z, der aus der Vertikalbeschleunigung e_z resultiert, folgende Gleichung:

a_z = e_zcosα_z.

Entsprechende Gleichungen lassen sich für die auf den Meßsensor A einwirkenden Beschleunigungsanteile a_x und a_y, die aus den beiden Horizontalbeschleunigungen e_x und e_y resultieren, aufstellen. Insgesamt gilt für den vom Meßsensor A tatsächlich gemessenen Beschleunigungswert a folgende Gleichung:

a = a_x + a_y + e_zcosα_z.

Ähnliche Gleichungen ergeben sich für die tatsächlich von den Beschleunigungssensoren B und C gemessenen Beschleu­ nigungen, nämlich:

b = b_x + b_y + b_zcosβ_z

c = c_x + c_y + e_zcosγ_z.

In den obigen Gleichungen sind α_z und β_z der gesuchte Nickwinkel bzw. der gesuchte Neigewinkel, nach denen die obigen Gleichungen aufzulösen sind.

Zur Vereinfachung des mathematischen Formalismus werden nunmehr folgende Annahmen gemacht:
Die in den obigen Gleichungen für a, b und c enthaltenen beiden ersten Terme, die jeweils die Indizes x bzw. y tragen, sind offensichtlich unabhängig von der Vertikal­ beschleunigung. Sie verschwinden vollständig, wenn der Benutzer der Brille steht bzw. sich mit konstanter Ge­ schwindigkeit vorwärtsbewegt. Beim tatsächlichen Gehen erscheinen diese Anteile als mehr oder weniger periodische Vorgänge mit dem Mittelwert "0". Durch entsprechende, elektronische Maßnahmen in der Recheneinheit, z. B. durch geeignete Filterung, lassen sich daher die Terme a_x, a_y, b_x, b_y, c_x, c_y bis auf einen vernachlässigbar kleinen Wert verkleinern. Auf diese Weise ergibt sich das nachfol­ gende Gleichungssystem, welches nur noch von der Vertikal­ beschleunigung abhängt:

a = e_zcosα_z

b = e_zcosβ_z

c = e_zcosγ_z.

Dieses Gleichungssystem läßt sich nach den gesuchten Winkeln α_z und β_z wie folgt auslösen:

Die auf diese Weise ermittelten Werte für den momentan auftretenden Nick- und Kippwinkel können nunmehr von der Bildverarbeitungselektronik der elektronischen Brille weiter verwertet werden, so daß eine etwaige Schrägstel­ lung der elektronischen Kamera, die sich an der elektro­ nischen Brille befindet, in der Bildverarbeitungselek­ tronik berücksichtigt werden kann. Das auf den Displays, die sich in der elektronischen Brille befinden, darge­ stellte Bild wird dann um diese Schrägstellung korrigiert, so daß der Benutzer das von derartigen Schrägstellungen unbeeinflußte und von ihm leichter erkennbare Bild be­ trachtet. Alternativ kann das um die Neigungswinkel korrigierte Bildsignal auch einer Wiedererkennungselek­ tronik zugeführt werden, in welcher das von der elektro­ nischen Kamera aufgenommene Bild mit vorhandenen, gegebe­ nenfalls auch typisierten Bildern zur Wiedererkennung verglichen werden kann.

Die von der Einrichtung zur Bestimmung der Vertikalen gelieferten Informtionen können auch dazu genutzt werden, die Position der Kamera am brillenartigen Teil motorisch nachzustellen.

Claims (5)

1. Elektronische Brille mit:

• a) einem brillenartigen, vom Benutzer zu tragenden Teil, an welchem mindestens eine elektronische Kamera befestigt ist;
• b) einer Bildverarbeitungselektronik, welcher die von der elektronischen Kamera erzeugten Bildsignale zugeleitet werden,

dadurch gekennzeichnet, daß:

• a) das brillenartige Teil eine Einrichtung zur Bestimmung der Vertikalen trägt, welche umfaßt:
  • a) drei Beschleunigungssensoren (A, B, C), deren Wirk­ richtungen ein dreidimensionales Koordinatensystem aufspannen und die jeweils ein Ausgangssignal (a, b, c) erzeugen, welches der in ihrer Wirkrichtung gemessenen Beschleunigung entspricht;
  • b) eine Recheneinheit, welche aus den von den drei Be­ schleunigungssensoren (A, B, C) erzeugten Ausgangs­ signalen (a, b, c) die momentane Verkippung des von den Beschleunigungssensoren (A, B, C) aufgespannten Koordinatensystems gegenüber der Vertikalen in der realen Umwelt errechnet;
• b) die Bildverarbeitungselektronik die von der elektronischen Kamera erhaltenen Bildsignale entsprechend den von der Einrichtung zur Bestimmung der Vertikalen erhaltenen Infor­ mationen so korrigiert, als ob die Bildsignale bei unver­ kippter, elektronischer Kamera aufgenommen worden wären.

2. Elektronische Brille nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die drei Beschleunigungssensoren (A, B, C) ein rechtwinkliges Koordinatensystem aufspannen.

3. Elektronische Brille nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinheit ein elektroni­ sches Filter enthält, welches die horizontalen Beschleu­ nigungskomponenten entsprechenden Anteile aus den Ausgangs­ signalen (a, b, c) der Beschleunigungssensoren (A, B, C) entfernt.

4. Elektronische Brille nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Recheneinheit den Nickwinkel (α) und den Kippwinkel (β) des von den drei Beschleunigungssen­ soren (A, B, C) aufgespannten Koordinatensystems gegenüber dem dreidimensionalen Koordinatensystem der realen Umwelt nach folgenden Gleichungen errechnet:

5. Elektronische Brille nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Beschleuni­ gungssensor (A, B, C) eine Masse (2) umfaßt, die über zwei Federn (3, 4) an gegenüberliegenden Seiten eines Gehäuses (1) befestigt ist.