Version 1.6 | Datum 06/10/2009
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Arne Schnurr

 

 

3D-Eingabegeräte - ein Überblick

3D-Eingabegeräte



Zusammenfassung: 3D-Eingabegeräte werden im Bereich von CAD, Forschung und Entwicklung sowie als Behindertenhilfe eingesetzt. 3D Maus, Space Mouse, Space Ball, Datenhandschuhe sowie Head- und Eyetrackingsysteme sind für diese Zwecke entwickelt worden, und stellen je nach Einsatzgebiet eine Alternative für herkömmliche Geräte dar. Abhängig ist dies von ihrem technischen Aufbau und den verwendeten Meßsystemen.

3D-Eingabegeräte - wo werden sie eingesetzt?

Abb.1 Virtuelle CAD
Entwicklungsumgebung

Ein 3D Computerspiel am Rechner dürfte wohl jeder schon einmal gespielt, bzw. gesehen haben. Meist werden bei diesen Spielen zur Steuerung einer Spielfigur weit verbreitete Eingabegeräte wie die Maus oder die Tastatur verwendet. Diese beiden Geräte sind allerdings im eigentlichen Sinne keine 3D-Eingabegeräte, da sie beide nur eine Bewegung in der Ebene ermöglichen. Erst durch zusammenlegen der Funktionen der Tastatur und der Maus kann eine Bewegung im 3D-Raum mit sechs Freiheitsgraden (drei für die Position und drei für die Orientierung im Raum) simuliert werden. Diese Art der Eingabe entspricht aber nicht der natürlichen Bewegung im Raum und muss erst durch den Benutzer erlernt werden. Eben diese natürliche Bewegung im Raum wird durch 3D-Eingabegeräte erreicht, von denen der Datenhandschuh und die 3D-Maus wohl die bekanntesten sind. Allerdings finden sich diese Eingabegeräte weniger in Haushalten sondern im Bereich Forschung und Entwicklung. Sie werden bei Computergestützten Entwürfen (CAD siehe Abb.1), in der virtuellen Realität und zur Visualisierung von mehrdimensionalen Daten bei Medizin und Architektur eingesetzt. Auch im Bereich der Computeranimation werden 3D-Eingabegeräte verwendet um durch Motion Capturing Bewegungsdaten von der realen Welt auf Computerfiguren zu übertragen. Ein weiteres Einsatzgebiet, vor allem für Kopf- und Augenbewegungssensoren, sind sensorisch gesteuerte Geräte im Haushalt oder im Büro. Diese ermöglichen es z.B. gehbehinderten Menschen ein selbstständigeres Leben zu führen. Auch die Steuerung eines Computers wird mittels Sensoren für gelähmte Menschen ermöglicht.

Unterscheidungskriterien von 3D-Eingabegeräten

Freiheitsgrade

Die wohl wichtigste Eigenschaft eines 3D-Eingabegerätes ist die Anzahl der Freiheitsgrade (engl. Degrees Of Freedom = DOFs). Die DOFs geben Auskunft darüber, wie komplex das jeweilige Gerät aufgebaut ist. Die 3D-Maus besitzt z.B. sechs DOFs, davon jeweils drei für Translation und Rotation. Datenhandschuhe können bis zu 20 DOFs zu Erfassung der Fingerkrümmung verfügen.

Koordinatensystem

Positions- oder Bewegungsdaten können entweder als absolute oder relative Daten geliefert werden. Absolute Daten werden immer relativ zu einem Bezugspunkt im Raum geliefert. Diese Art der Datenübermittlung findet sich bei mehrteiligen Geräten, die aus einem stationären Teil und einem beweglichen Teil, der für die Steuerung eingesetzt wird, bestehen (z.B. Logitech 3D-Maus). Bei relativer Datenübermittlung wird eine Auslenkung gegenüber einer Null-Lage geliefert. Eine konstante Auslenkung über einen größeren Zeitraum ergibt so z.B. eine größere Verschiebung. Geräte, die diese Übermittlungsart nutzen, reagieren direkt auf die Eingabe des Benutzers, ohne das sie noch zusätzlich eine Position zum Benutzer einnehmen müssen (z.B. Space Mouse). Beide Arten können natürlich auch kombiniert werden. Bestes Beispiel ist der Datenhandschuh, der für die Positionserfassung ein absolutes, zur Erfassung der Fingerbewegung ein relatives Koordinatensystem verwendet.

Update Rate und Latenzzeit

Die Update Rate gibt die Anzahl der Messungen pro Sekunde an. Die Verzögerung zwischen einer ausgeführten Aktion und der Erfassung der Aktion am Rechner wird durch die Latenzzeit ausgedrückt. Beide Werte sind vom verwendeten Meßsystem (Ultraschall, optische Sensoren…) abhängig und geben so auch Auskunft über die Präzision des Eingabegerätes.

Meßsystem

Die Art des verwendeten Meßsystems ist ein entscheidender Faktor zur Festlegung der Genauigkeit eines 3D-Eingabegerätes und somit dessen Einsatzmöglichkeiten.

  • Elektro-Mechanisch:

    Bei diesem Meßsystem wird mit Hilfe von Dehnungsmessstreifen und Potentiometern gearbeitet. Aufgrund der aufwendigen mechanischen Konstruktion wird dieses System eher selten eingesetzt. Anwendung fand das System beim Cyberglove, einem Datenhandschuh, der über ein mechanisches Exoskelett verfügt und so die Krümmung der Finger überträgt.

  • Opto-Elektronisch:

    Diese Art der Messung wird z.B. in der SpaceMouse, oder beim Datenhandschuh eingesetzt. Mit Hilfe von Lichtstrahlen und Photosensoren werden unterschiedliche Lichtmengen bestimmt und durch die so gewonnenen Daten die Rotation oder Position eines Objektes im virtuellen Raum bestimmt.

  • Elektro-Magnetisch:

    Magnetische Erfassung ist bisher am erfolgreichsten einzusetzen, da ein Stören der Signale, die mittels Magnetfeldern generiert werden, kaum vorkommt. Allerdings nimmt die Präzision des Systems mit dem Abstand von Empfänger zu Emitter ab.

  • Ultraschall:

    Ultraschall Systeme stellen eine Alternative zu elektro-magnetischen Systemen dar. Von einem Emitter aus, werden von drei Schallgebern, die dreiecksförmig angeordnet sind, Ultraschalldaten gesendet, die dann von einem Empfänger, der aus drei Ultraschallmikrofonen besteht empfangen. Anhand der Laufzeitunterschiede (Time Of Flight) der einzelnen Schallwellen, die durch Positionsveränderung des Empfängers entstehen, wird dann die entsprechende Position im virtuellen Raum berechnet. Ultraschallsysteme sind billige und ausreichend gute Systeme, die jedoch für im Raum befindliche Schallquellen störanfällig sind.

Schnittstelle

Die Daten können mit Hilfe der genormten, praktisch an allen Computern verfügbaren, seriellen Schnittstellen, über eine LAN-Schnittstelle oder eine spezielle gerätespezifischen Schnittstelle zwischen Eingabegerät und Computer ausgetauscht werden. Am häufigsten wird die Übertragung über die serielle Schnittstelle oder USB benutzt, wobei es große Unterschiede in den Übertragungsprotokollen (Datenrate, Parität, Datenformat, Aufbau eines Datenpaketes) gibt.

Von 3D-Maus bis Headtracking...

3D-Maus

Abb.2 3D-Maus

Die von Logitech entwickelte 3D-Maus ist die Erweiterung einer herkömmlichen Maus. Eine 2D-Maus wird an der Frontseite mit einem dreiecksförmigen Ultraschallempfänger (siehe Abb. 3) versehen. Ein Ultraschallsender, bestehend aus drei Lautsprechern, die sich jeweils an den Ecken eines Dreiecks befinden, wird für die Anwendung einfach links, bzw. rechts, parallel vom Monitor platziert (je nachdem ob der Anwender Rechts- oder Linkshänder ist). Somit stehen sechs Freiheitsgrade

Abb.3 Ultraschllempfänger

(drei für Translationen und drei für Rotationen) zur Verfügung. Die Bedienung der Maus ist aufgrund der Eigenschaft von Ultraschallwellen nur in einem Bereich von 100° in Front des Senders möglich. Rotationen sind in y-Richtung nur um +/- 90° möglich. Ein Problem ist das ermüdende Arbeiten mit der Maus, da sie ja immer vom Benutzer in einer gewissen Höhe gehalten werden muss.

Space Mouse

Abb.4 Space Mouse

Bei der Space Mouse handelt sich um ein stationäres Tischgerät mit einer beweglichen, flachen Kappe für die 3D-Eingaben und bis zu neun Tasten zum Auslösen von beliebigen Aktionen oder Umschalten der verschiedenen Betriebsmodi (z.B. 2D/3D-Modus).

Abb.5 Optoelektronisches
Meßsystem

Ein 3D-Trackball funktioniert wie die Space Mouse mit einem berührungslos arbeitenden, optoelektronischen Meßsystem. Das System (siehe Abb. 5) ist mit sechs Leuchtdioden ausgestattet, die durch drei senkrechte und drei waagrechte Schlitzblenden am Gehäuse leuchten. Sensoren, welche am äußeren Gehäuse angebracht sind empfangen die Lichtstrahlen und errechnen je nach empfangener Lichtmenge der einzelnen Sensoren die gewünschte Bewegung. Die Steuerung durch den Benutzer funktioniert wie folgt:

  • Translation
    • X-Richtung: Drücken der Kappe nach links/rechts
    • Y-Richtung: nach unten Drücken, bzw. nach oben Ziehen der Kappe
    • Z-Richtung: nach vorn Drücken, bzw. nach hinten Ziehen der Kappe

  • Rotation
    • um X: Kippen der Kappe nach vorn/hinten
    • um Y: Drehen der Kappe nach links/rechts
    • um Z: Kippen der Kappe nach links/rechts

Die Space Mouse ist in der Lage, sich als 2D- oder 3D-Gerät zu verhalten und kann damit ohne zusätzliche 2D-Maus am Computer benutzt werden. Beim Umschalten der SpaceMouse in den 2D-Modus werden die Tasten der Maus in drei Gruppen eingeteilt, so dass jeder Knopf der selben Gruppe eine Maustaste repräsentiert. Die X- und Y-Achsen verhalten sich im 2D- wie im 3D-Modus gleich. Die Z-Achse hat im 2D-Modus die gleiche Funktion wie die Y-Achse.

Space Ball

Abb.6 Space Ball

Im Gegensatz zur Space Mouse wird der Space Ball zusätzlich zur normalen Maus eingesetzt. Er wird mit der linken Hand (bei Linkshändern mit der rechten Hand) bedient und dient dazu die Ansicht einer 3D-Scene einzurichten. Die Steuerung und der Aufbau des Space Balls entspricht der Space Mouse, mit dem Unterschied, dass Rotationen in der virtuellen Szene durch Drehen des Space Balls in die entsprechende Richtung durchgeführt werden. Um die Rotationsachsen einzuschränken befinden sich am Gehäuse des Space Balls je nach Modell bis zu acht Tasten. Mit den Tasten kann auch die Empfindlichkeit auf Druck und Drehung eingestellt werden.

Datenhandschuhe

Abb.7 Datenhandschuh

Eine große Gruppe der 3D-Eingabegeräte sind die Datenhandschuhe. Sie bieten die flexibelste Möglichkeit Daten zu übermitteln, da die Bewegungsfreiheit der Hand (fast) nicht eingeschränkt wird. Datenhandschuhe kombinieren eine absolute Datenerfassung, zum Bestimmen der Position und der Lage des Handschuhs relativ zur Umgebung, mit einer relativen Datenerfassung, um den Grad der Fingerkrümmung zu ermitteln. Die dafür notwendigen Sensoren sind je nach Hersteller des Handschuhs unterschiedlich. Die Krümmung der Finger kann beispielsweise dadruch ermittelt werden, dass durch Glasfaserkabel vom Handrücken aus Licht zu den Fingerspitzen und wieder zurück zu einem Interface gesendet wird (Dataglove Abb. 8). An den Fingergelenken befinden sich kleine Öffnungen, durch die Licht verloren gehen, wenn die Finger gekrümmt werden. Anhand der verbleibenden Lichtmenge, die wieder am Interface auf Photosensoren auftrifft, kann dann die Fingerkrümmung bestimmt werden. Wie bei der 3D-Maus ist die Ermüdung des Benutzers nach längerer Bedienzeit ein großes Problem.


Abb.8 Funktionsweise des Datagloves







1. Das Optoelektronische Interface sendet per LED Leuchtsignale aus

2. Dieses Licht wird direkt in die angeschlossenen Glasfaserkabel gelenkt. Das Glasfaserkabel leitet das Licht zum Knöchel und zurück

3. Kabelhülle löchrig, je nach Krümmung der Finger tritt Licht aus

4. Fotosensoren im Optoelektronischen Interface ermitteln Lichtanteil

5. Richtungssensor ermittelt Bewegungsart und Koordinaten



Augen- und Kopfbewegungssensoren

Abb.9 Head- und
Eyetrackingsystem

Diese Art von Sensoren stellen Informationen über die aktuelle Position und Orientierung, sowie die Blickrichtung des interagierenden Benutzers in Echtzeit zur Verfügung. Die Position und Orientierung des Kopfes wird meist mit Hilfe von am Hinterkopf des Benutzers befestigten Positionssensoren bestimmt. Diese Sensoren arbeiten wie beim Datenhandschuh mit magnetischen Feldern, Ultraschall oder Ähnlichem. Um die Blickrichtung des Benutzers bestimmen zu können werden meist Infrarotkameras eingesetzt. Von den Kameras wird zum Auge Infrarotstrahlung gesendet, die dort von der Netzhaut reflektiert wird. Anhand der Reflektionen, die von der Pupille in die Kamera treffen, kann dann der Blickwinkel berechnet werden. Um vollkommene Bewegungsfreiheit des Benutzers zu garantieren, wird ein Head- und Eyetracking Helm verwendet. Es gibt natürlich auch andere Systeme, bei denen der Betrachter keinen Helm tragen, dafür aber in einem bestimmten Winkel zu einem im Raum befindlichen Trackinggerät einhalten muss.

Eyetrackingsysteme ermöglichen es zu bestimmen wohin der Betrachter blickt, ob er sich auf einen bestimmten Teil des Bildes konzentriert (Messung anhand der Pupillengröße), oder ob er einen Text ließt. Brillen, kleine Pupillen sowie Kontaktlinsen führen bei manchen Eyetrackingsystemen zu Problemen.

Fazit

3D-Eingabegeräte erfüllen alle einen spezifischen Zweck und sind somit auch eher für spezielle Aufgaben geeignet. Der Durchschnittsbenutzer wird mit ihnen meist nichts anfangen können, zumal der Preis der einzelnen Geräte je nach Ausführung und Präzision recht hoch ausfallen kann. Für welche Anwendungen das jeweilige 3D-Eingabegeräte eingesetzt wird, wie viel die Geräte im Durchschnitt kosten, und welche Vor- und Nachteile sie haben, ist der folgenden Tabelle zu entnehmen:

Überblick: 3D-Eingabegeräte

Eingabegerät Freiheitsgrade Anwendung Vor-/Nachteile Preis
3D Maus 6 Virtual Reality

bedingt CAD
+ Navigation durch einzelnes Eingabegerät

- eingeschränkte Rotationsbewegung

- Ermüdung des Benutzers

- fehlender Komfort bei CAD Anwendungen

--
Space Mouse 6 CAD + normalerweise ausschließliche Steuerung des eignetlichen 3D Objektes, aber auch 2D Interaktion möglich

+ statisches Eingabegerät, so kaum Ermüdung des Benutzers

- kein reales 3D
450 € - 800 €
Space Ball 6 CAD + statisches Gerät, so kaum Ermüdung des Benutzers

- zusätzliche 2D-Maus nötig

- kein reales 3D
450 € - 800 €
Datenhandschuh 6 - 20 Virtual Reality

Medizin

Architektur
+ reales 3D

+ viel Bewegungsfreiheit

+ hohe Anzahl an Freiheitsgraden

- Ermüdung des Benutzers

100 €
- 12000 €
Head-/Eyetracking 3 - 9 Virtual Reality

Psychologie

Behindertenhilfe

Simulationen
- störanfällig bei Kontaktlinsen, Brillen, kleinen Pupillen 4000 €
- 7000 €

Literaturliste

Thalmann,
Daniel
Thalmann, Daniel; VR Hardware PDF, 2002
http://vrlab.epfl.ch/~thalmann/VRcourse/Hardware.pdf [13.06.2003]

Gohl,
Martin
Gohl, Martin; Eingabemedien PDF, 2002
http://www.mmk.ei.tum.de/~alt/ebof/vlss02/kref_ebof02_eingabemedien.pdf [13.06.2003]

Schafhitzel, Tobias Schafhitzel, Tobias; Eingabegeräte und Haptisches Feedback
http://wwwvis.informatik.uni-stuttgart.de/ger/teaching/lecture/ss02/seminar_vr/V6.html [13.06.2002]

Liste externer Links

http://www.datenhandschuhe.de [13.06.2003]
http://www.logicad3d.com [13.06.2003]
http://cg.cs.tu-berlin.de/~kai/vrmed/node6.html [13.06.2003]
http://www.tay-tec.de/diplom/node7.html [13.06.2003]

Bildquellen

[Abb 1] Quelle nicht mehr verfügbar[30.06.2003]
[Abb 2] rw4.cs.uni-sb.de/.../seminar/ ss99/6/2-eingabe/3dmaus.jpg [30.06.2003]
[Abb 3] http://wwwvis.informatik.uni-stuttgart.de/ger/teaching/lecture/ss02/seminar_vr/V6.html [13.06.2003]
[Abb 4] www.cadenceweb.com/2002/0202/ images/SpaceMouse.jpg [30.06.2003]
[Abb 5] http://wwwvis.informatik.uni-stuttgart.de/ger/teaching/lecture/ss02/seminar_vr/V6.html [13.06.2003]
[Abb 6] rw4.cs.uni-sb.de/.../seminar/ss99/ 6/2-eingabe/spaceball.jpg [30.06.2003]
[Abb 7] Quelle nicht mehr verfügbar [30.06.2003]
[Abb 9] Quelle nicht mehr verfügbar [30.06.2003]