MAL-Homepage Inhaltsverzeichnis


MAL Dokumentation: Laserbeam-Mouse



Inhalt:

1. ALLGEMEINES
2. FUNKTIONSWEISE
3. INBETRIEBNAHME
3.1. Verkabelung
3.2. Aufstellung
3.3. Konfiguration und Test
4. TROUBLESHOOTING UND WARTUNG
5. TECHNISCHE DATEN
5.1. Allgemeines
5.2. Abmessungen
5.3. Genauigkeit


1. ALLGEMEINES

Die 3D-Laserbeam-Mouse ist, ähnlich einer normalen Computermaus, ein Bediengerät für die Manipulation von Objekten am Bildschirm. Während aber übliche Computermäuse nur zwei Freiheisgrade, nämlich Links/Rechts und Oben/Unten besitzen, kann die 3D-Laserbeam-Mouse frei im Raum bewegt werden. Dabei werden alle 6 Freiheitsgrade und deren Veränderungen bestimmt.

Vor allem in Kombination mit der in MAL üblichen stereoskopischen Darstellung von 3-dimensionalen Objekten und Vorgängen eröffnet sie völlig neue Möglichkeiten sowohl bei der Betrachtung als auch der Manipulation von räumlich orientierten Datensätzen.

Die Laserbeam-Mouse besitzt zwei Tasten. Die untere dient dazu den Cursor zu halten, die obere zum Halten von Objekten. D.h. solange nur ein Animationsobjekt dargestellt wird kann dieses mit der oberen Maustaste genommen und im Raum bewegt werden. Die untere Taste ist dann funktionslos. Sind mehrere Animationsobjekte dargestellt, so erscheint zusätzlich ein Cursor in Form eines kleinen schwarzen Kreuzes im Arbeitraum. Der Cursor kann dann mit der unteren Maustaste gehalten werden. Beim Drücken der oberen Taste wird dann jenes Objekt bewegt, in dessen Nähe der Cursor liegt. Zeigt der Cursor auf kein bestimmtes Objekt, so werden alle Objekte gemeinsam bewegt (es wird also die Gesamtorientierung manipuliert).

MAL-Homepage Inhaltsverzeichnis

2. FUNKTIONSWEISE

Die Laserbeam-Mouse arbeitet mit einem optischen Tracking-Verfahren, das auf im Raum geschwenkten Lichtebenen basiert. Der ortsfeste Teil des Systems besteht aus einem Turm mit drei Lasereinheiten und einem Steuergerät. Das folgende Bild zeigt schematisch den Aufbau einer Lasereinheit:



Jede Lasereinheit besteht aus einer Laserkanone (1), einer zylindrischen Linse zum Auffächern des Laserstrahls in eine Lichtebene (2) und einem rotierenden Spiegel (3). Am frei beweglichen Handgriff (also der Maus) sind 6 Fototransistoren angebracht (4), die über Kabel (7) mit dem Steuergerät (6) verbunden sind. Ein an der Lasereinheit angebrachter Referenz-Fototransistor (8) bestimmt den Zeitpunkt, zu dem der Schwenk der Lichtebene durch den Raum beginnt.

Wird ein Fototransistor von der Lichtebene gestreift, so kann aufgrund der Zeit die vergangen ist, seit die Lichtebene den Referenztransistor getroffen hat, bestimmt werden, welche räumliche Position die Lichtebene hat, wenn sie den Fototransistor trifft.

Das folgende Bild zeigt, wie mit Hilfe von drei Lasereinheiten (3a, 3b und 3c) und ihren Lichtebenen (5a, 5b und 5c) die räumliche Position eines Fototransistors (4) bestimmt wird:



Die Euler-Winkel des Handgriffs werden schließlich aufgrund der räumlichen Positionen der 6 daran angebrachten Fototransistoren mit einem Verfahren von Spoor und Veldpaus berechnet (siehe auch Orientierungsdaten)

MAL-Homepage Inhaltsverzeichnis

3. INBETRIEBNAHME

3.1. Verkabelung

Das Steuergerät der 3d-Maus wird über ein Standard-Druckerkabel mit dem Parallelport des Computers verbunden. Der Turm mit den Lasereinheiten wird an der Rückseite des Steuergerätes am 25-poligen Subminiatur-D-Stecker angeschlossen und der Handgriff am 15-poligen Sub-D-Stecker auf der Frontplatte neben der Ready-LED.

Die Anschlüsse von links nach rechts:
  1. Netzanschluss (230V/50Hz)
  2. Computeranschluss (paralleles Druckerkabel)
  3. Laserturm


Das Netzteil der Laserbeam-Mouse ist standardmäßig für 230V/50Hz ausgelegt. Nach dem Einschalten leuchtet die Ready-LED einige Sekunden rot und wird dann grün, wenn alle Motoren der Lasereinheiten synchronisiert laufen.

MAL-Homepage Inhaltsverzeichnis

3.2. Aufstellung

Für Rechtshänder empfiehlt sich die Aufstellung des Laserturms links vom Bildschirm. Man dreht den Turm etwas einwärts, sodass die Frontplatte etwa in Richtung Tastatur zeigt. Linkshänder können entsprechend eine spiegelverkehrte Anordnung verwenden.

Der Standort der Steuereinheit ist belanglos. Sie sollte nur soweit in der Nähe des Arbeitplatzes stehen, dass die Bewegungsfreiheit des Handgriffes nicht durch die Kabellänge begrenzt wird.

Der Handgriff ist so robust, dass er bedenkenlos am Tisch abgelegt werden kann, auch wenn er dabei auf den Fotosensoren zu liegen kommt.

MAL-Homepage Inhaltsverzeichnis

3.3. Konfiguration und Test

Mit dem Wort laser3d_calib wird ein Menü für das Konfigurieren der 3d-Maus gestartet. Der Aufruf kann entweder durch Eingabe von

public \ admin \ laser3d_calib

oder durch Eingabe von

admin

und anschließendem Doppelklick auf laser3d_calib erfolgen. Wählt man den Menüpunkt Parameter aus, so erscheint folgende Eingabemaske:



Centronix_Port ist der für die Inbetriebnahme der Lasermouse wichtigste Parameter. Er bestimmt, an welchem Parallelport das Steuergerät angeschlossen ist. Üblicherweise hat das Parallelport LPT1 die Adresse 378 und LPT2 die Adresse 278. Es gibt aber bei neueren Computern oder PCI-Karten auch andere Portadressen. Man kann diese entweder über das BIOS-Setup oder die Windows-Systemsteuerung ermitteln.

Leider sind die Bedienungen bei den unterschiedlichen Windows-Betriebssystemen in diesem Punkt oft unterschiedlich. Bei Windows 98 erreicht man die entsprechenden Informationen über Start/Systemsteuerung/System/Geräte-Manager. Unter Anschlüsse COM und LPT kann man dann den entsprechenden LPT-Anschluss markieren und unter Eigenschaften/Ressourcen findet man den E/A-Bereich. Dort ist ein Bereich im Hexadezimalformat angegeben. Die erste Zahl (Bereichsbeginn) ist im Hexadezimalformat in den Parameter Centronix_Port einzutragen. Führende Nullen sind irrelevant.

Nach einem Neustart des MAL-Interpreters werden die mit laser3d_calib gemachten Einstellungen wirksam.

Wenn der Parameter Centronix_Port korrekt eingestellt ist, kann ein erster Test mit dem Wort laser3d_scope_raw durchgeführt werden. Dabei muss die Nummer der Lasereinheit (0..2) am Stack übergeben werden.

Beispiel:

1 laser3d_scope_raw

Bei korrektem Anschluss und richtiger Konfiguration erscheint ein Fenster, in dem die Positionswerte der Lasereinheit 1 angezeigt werden. Die Anzeige kann mit einem Mausklick mit der rechten Maustaste beendet werden. Erscheint das Fenster ohne Anzeige, so ist der Handgriff nicht im Sichtbereich der Lasereinheit oder nicht am Steuergerät angeschlossen. Falls das Steuergerät nicht korrekt am Computer angeschlossen ist oder der Parameter Centronix_Port falsch eingestellt ist, erscheint die Fehlermeldung "3d-Mouse: Hardware Timeout".

Die weiteren Parameter der Eingabemaske definieren die Darstellung und Skalierung der 3d-Objekte am Bildschirm. Geringfügige Abweichungen sind meist unkritisch. Eine korrekte Einstellung garantiert aber, dass die 3d-Objekte maßstabsgetreu 1:1 wiedergegeben werden.

Mit X-Pixels und Y-Pixels muss die Bildschirmauflösung (X = Breite, X = Höhe) und mit X-Size und Y-Size die Breite und Höhe des Bildschirms (Anzeigebereich) in Meter eingestellt werden. Observer-Distance gibt den Abstand der Augen vom Bildschirm und Inter-Eye-Distance den Abstand zwischen den Augen an. Man muss diese beiden Parameter nicht für jeden Betrachter nachkorrigieren. Die individuellen Unterschiede sind in der Praxis vernachlässigbar.

Die räumliche Orientierung der 3d-Maus in Bezug auf den Bildschirm (und somit auf die dargestellten Objekte) lässt sich einstellen, indem man nach Aufruf des Wortes laser3d_calib den Menüpunkt Orientation wählt. Es erscheint dann ein Modell des Laserturms, das mit der Rot/Gruen-Brille betrachtet und mit der 3d-Maus gedreht werden kann. Dieses Modell muss etwa parallel zum echten Laserturm orientiert werden. Die Einstellungen werden erst wirksam, wenn das MAL-System neu gestartet wird (Escape-Taste bis Konsolenmodus erreicht ist und dann 'bye' eingeben).

Ein abschließender Gesamttest kann mit dem Wort 3d_demo durch Auswahl des Menüpunktes Würfel erfolgen. Der dargestellte Würfel kann mit der oberen Taste der 3d-Maus gehalten und bewegt werden. Die Anzeige kann durch Schließen des Fensters, Drücken der Escape-Taste oder mit der rechten Taste der normalen 2d-Maus beendet werden.

MAL-Homepage Inhaltsverzeichnis

4. TROUBLESHOOTING UND WARTUNG

Lässt sich einer der Motoren nicht synchronisieren, dann springt die Ready-LED nach dem Einschalten nach einer kurzen Grünphase wieder auf Rot. In diesem Fall sind entweder die Index-Phototransistoren, die Spiegel oder die Lasereinheiten verschmutzt, oder das Umgebungslicht leuchtet zu stark auf die Index-Fototransistoren. Letzteres lässt sich leicht prüfen, indem man das Umgebungslicht abdunkelt oder die Fenster der Lasereinheiten zudeckt.

Es lässt sich meist leicht erkennen, welcher der Motoren nicht synchronisiert ist. Nicht synchronisierte Motoren surren nicht gleichmäßig, sondern machen ein pumpendes Geräusch. Die Spiegel können bei abgeschaltetem Gerät mit Spiritus gereinigt werden. Ebenso die kleinen weissen Fototransistoren an der Frontseite (jeweils zwei pro Lasereinheit).



Von Zeit zu Zeit (etwa 1-2 mal pro Jahr) sollte man die Lager der Motoren mit einem kleinen Tropfen ölen. Am Besten kippt man den Turm so, dass der Motor der jeweiligen Lasereinheit unten und der Spiegel oben ist und verwendet dann einen spitzen Gegenstand (z.B. Zahnstocher) um den Öltropfen auf die Achse zu bringen. Danach kurz einschalten, damit sich das Öl verteilt.

MAL-Homepage Inhaltsverzeichnis

5. TECHNISCHE DATEN

5.1. Allgemeines

Lasereinheiten:
Roter Linienlaser der Laserklasse 2 (Ausgangsleistung kleiner 1 mW) mit 70 Grad Öffnungswinkel.

Reichweite: ca. 1.2 m bei mittlerem Umgebungslicht.

Samplingfrequenz: 37.5 Hz oder 75 Hz.
Die Laserbeam-Mouse kann mit zwei Samplingfrequenzen betrieben werden. In der Regel ist die kleinere Abtastrate empfehlenswert, da die Geräuschentwicklung bei 75 Hz etwas größer ist. Die Darstellung ist in beiden Fällen flimmerfrei.

MAL-Homepage Inhaltsverzeichnis

5.2. Abmessungen

MAL-Homepage Inhaltsverzeichnis

5.3. Genauigkeit

Das folgende Bild zeigt den Linearitätsfehler einer Lasereinheit bei 37.5 Hz Samplingfrequenz. Die Koordinateneinheiten sind Prozent von Gesamtmessbereich.



Das nächste Bild zeigt das Signalrauschen über den gesamten Messbereich. Es wurden pro Position 50 Samples gemessen und die Streuung berechnet (Angabe in Prozent vom Messbereich). Im mittleren Bereich (frontal zur Lasereinheit) ist das Signalrauschen am geringsten und nimmt zum Rand hin geringfügig zu.

Die räumlichen Verzerrungen lassen sich mittels der bei der Kalibrierung auftretenden Restfehler abschätzen. Zur Kalibrierung wurde ein würfelförmiger Kalibrierkörper (30 x 30 x 30 cm) mit 27 ähnlich einem 3d-Mühlespiel angeordneten Sensoren verwendet. Die Z-Komponente ist wegen der Schnittpunktberechnung meist die ungenaueste.

Maximale Restfehler:

MAL-Homepage Inhaltsverzeichnis