DE69307544T2

DE69307544T2 - Verfahren und vorrichtung zur erfassung und behandlung grafischer information

Info

Publication number: DE69307544T2
Application number: DE69307544T
Authority: DE
Inventors: Thomas Debuisser; Laurent Gilliard; Jean-Pierre Lerisson
Original assignee: Lectra Systemes SA
Current assignee: Lectra SA
Priority date: 1992-11-17
Filing date: 1993-11-17
Publication date: 1997-08-07
Anticipated expiration: 2013-11-18
Also published as: ATE147874T1; WO1994011844A1; JPH09501247A; DE69307544D1; US5717168A; EP0670070B1; ES2097630T3; CA2149213A1; EP0670070A1

Description

Die Erfindung betrifft die Erfassung und Behandlung von graphischen Informationen, die repräsentativ sind flir einen auf einer Unterlage mit Hilfe der Spitze eines Geräts ausgeführten Linienzug.
Ein spezielles Anwendungsgebiet der Erfindung ist das der angewandten Graphik, um die Möglichkeit zu eröffnen, einen von einem schaffenden mit der Hand gezogenen Linienzug zu digitalisieren, um diese Zeichnung sofort sichtbar zu machen und/oder sie zu speichern zur späteren Auswertung mit informatischen Mitteln. Es sind verschiedene Verfahren zum Digitalisieren eines Linienzugs bekannt, in dem aufeinanderfolgende Stellen des zum Ausführen des Linienzugs verwendeten Geräts markiert werden.
Einige dieser Verfahren verwenden spezielle Unterlagen oder Digitalisier-Tabletts, die die Ortsbestimmung einer Spitze des Geräts ermöglichen durch Ausbreitung eines elektrischen Stroms oder von Schwingungen, die von der Spitze ausgehen und durch das Unterlagenmaterial bis zu Detektoren laufen, die am Umfang der Unterlage angeordnet sind, oder die dies durch elektromagnetische Kopplung zwischen dem Gerät und einem zu dem Tablett gehörigen Leiternetz ermöglichen. Diese speziellen Unterlagen sind im allgemeinen kostspielig und bieten häufig lediglich eine Arbeitsfläche mit kleinen Abmessungen. Außerdem leiden diese Verfahren häufig an zu geringer Genauigkeit und einer unzureichenden Definiertheit bei der Reproduktion des Linienzugs. Dies kommt besonders stark zum Ausdruck, wenn der Linienzug von Hand mit erhöhter Zeichengeschwindigkeit gezogen wird, wie es der Fall bei Graphikdesignern ist.
Um auf den Einsatz spezieller Unterlagen verzichten zu können und größere Arbeitsflächen anzubieten, wurde vorgeschlagen, die Lage des Geräts durch Messung der Ausbreitungszeit einer Ultraschallwelle zwischen einem von dem Gerät getragenen Sender und mehreren an bestimmten Stellen bezuglich der Unterlage angeordneten Empfängern zu bestimmen. Verfahren dieser Art, die eine Lagebestimmung in einer Ebene oder im Raum unter Verwendung von mindestens zwei oder drei Empfängern ermöglichen, sind in den Schriften FR-A-2 054 633 und FR-A-2 551 542 beschrieben.
Die FR-A-2 423 000 beschreibt eine Vorrichtung, bei der das Gerät zwei mit der Gerätespitze ausgerichtete Ultraschallsender trägt, um die Koordinaten dieser Spitze auf einer ebenen Fläche anhand der Ortsbestimmung der zwei Sender präzise zu bestimmen. Man muß die Emission einer Ultraschallwelle durch den von dem Gerät getragenen Sender und den Beginn der Messung der Ausbreitungszeit durch eine mit den Empfängern verbundene Meßschaltung synchronisieren. Die Synchronisation kann durch eine Drahtverbindung zu dem Gerät vorgenommen werden, oder aber - wie es insbesondere in der Schrift EP 0 312 481 beschrieben ist - durch Übertragung eines Infrarotstrahls. Im letzteren Fall bietet das Verfahren den zusätzlichen Vorteil, den Linienzug mit einem drahtlosen Gerät ausführen zu können, vorausgesetzt, dieses Gerät ist mit einer eigenen Energiequelle ausgestattet.
Diese Verfahren, die auf die Übertragung von Ultraschallstrahlen zurückgreifen, eigenen sich für das spezielle Anwendungsgebiet, nämlich die Digitalisierung von Freihandzeichnungen. Ferner wird durch Veranlassen der Abstrahlung von Ultraschallwellen in Form von Impulsen, d. h. durch Veranlassen von Ultraschallimpulsen, eine viel höhere Genauigkeit und Definition bei der Digitalisierung eines Linienzugs erreicht, indem eine ausreichend hohe Impulsfrequenz gewählt wird.
Jedoch weisen diese Verfahren eine Beschränkung insofern auf, als sie durchwegs die Möglichkeit der Digitalisierung eines Linienzugs in Form von Punktlinien bieten. Nun sind aber in gewissen Bereichen der Gebrauchsgraphik die Hersteller, insbesondere die Designer, an die Arbeit mit Filzstiften oder anderen Schreibwerkzeugen, beispielsweise dem Pinsel, gewöhnt, was die Ausführung von Linienzügen mit variabler Strichbreite in Farben ihrer Wahl gestattet.
Eine Vorrichtung, die derartige Arbeiten durch Sichtbarmachung mittels Rückprojektion des ausgezogenen Linienzugs zu simulieren gestattet, ist im Prinzip durch die Schrift FR-A-2 676 568 beschrieben, die nach dem Zeitrang veröffentlicht wurde, der für die vorliegende Anmeldung in Anspruch genommen wird. Die FR-A-2 676 568 entspricht der am 26.11.1992 veröffentlichten WO-A-9 221 103. Die WO-A-9 221 103 fällt unter die Bestimmungen des Artikels 54(3) EPÜ und beinhaltet zwei lineare Mikrofon-Detektoren, die in der Lage sind, Ultraschallwellen zu messen, die von zwei von dem Gerät getragenen Sendern abgestrahlt werden.
Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, welches eine schnelle und präzise Erfassung von graphischen Informationen gestattet, darunter eine Information über die Position eines Geräts und eine Information über die Strichbreite, und zwar in realer oder simulierter Weise mit Hilfe eines Geräts.
Insbesondere ist es das Ziel der Erfindung, eine wirklichkeitsgetreue Widergabe einer Arbeit zu ermöglichen, die mit Filzstiften oder anderen Schreibwerkzeugen ausgeführt wird, mit denen die Strichbreite entsprechend der Art und Weise variiert wird, wie das Werkzeug gehalten oder auf die Unterlage aufgesetzt wird.
Die Erfindung zielt außerdem darauf ab, eine Erfassung von graphischen Informationen in präziser Weise auch für den Fall zu ermöglichen, daß die Linienzüge rasch von freier Hand gezogen werden, wobei außerdem der Einsatz drahtloser Geräte sowie neutraler Unterlagen ermöglicht ist, welche Arbeitsflächen ermöglichen, deren Abmessungen relativ groß sind.
Erreicht werden diese Ziele erfindungsgemäß mit Hilfe eines Verfahrens zum Erfassen und Behandeln von graphischen Daten, die repräsentativ sind für einen Linienzug, der auf einer Oberfläche einer neutralen Unterlage mit Hilfe einer Spitze eines Geräts ausgeführt wird, wobei das Verfahren umfaßt:
- Aussenden von Ultraschallimpulsen mit Hilfe mindestens zweier Ultraschallwellensender, die von dem Gerät getragen werden, die in dessen Längsrichtung gegeneinander versetzt sind, und die im wesentlichen mit der Spitze des Geräts ausgerichtet sind,
- Empfangen von Ultraschallimpulsen mit Hilfe mehrerer Ultraschallwellenempfänger, die bestimmte Positionen in bezug auf die Unterlage einnehmen, derart, daß die Ultraschallimpulse, die von den Sendern des an irgendeinen Punkt der Oberfläche befindlichen Instruments von mehr als zwei Empfängern empfangen werden,
- Messen der Laufzeiten der Ultraschallimpulse zwischen jedem der Sender und der Empfänger,
- Berechnen der Koordinaten mindestens eines durch die Positionen der zwei von dem Gerät getragenen Sender definierten Vektors auf der Basis der gemessenen Laufzeiten,
- ausgehend von der Berechnung der Koordinaten des Vektors, Bestimmen der Stelle der Spitze des Geräts auf der Unterlage sowie zumindest einer der beiden Orientierungsinformationen des Geräts, bestehend aus der Neigung der Längsrichtung des Geräts bezüglich der Unterlage und der Winkelstellung des Geräts bezüglich einer Achse, die bezüglich der Unterlage einen vorbestimmten Winkel bildet,
- Detektieren des mit der Spitze des Geräts auf die Unterlage ausgeübten Drucks,
- Übertragen einer für den detektierten Druck repräsentativen Information, und
- als Funktion zumindest einer der Orientierungsinformationen und des Drucks, Bestimmen einer Information über die Breite des Linienzugs, und einer die Stellung der Spitze des Geräts repräsentierenden Information einer Information über die Breite des Linienzugs für diese Position hinzuzufügen.
Für die Berechnung der Koordinaten des durch die Positionen der zwei Sender definierten Vektors verwendet man eine redundante Anzahl von Messungen der Ausbreitungszeit derart, daß eine fehlerhafte Messung oder ein Meßwert-Ausreißer nachgewiesen und eliminiert werden kann.
Die Informationen über die Orientierung des Geräts werden ausgehend von der Messung des Betrags und der Richtung der Projektion des durch die Positionen der zwei Sender definierten Vektors auf die Unterlage bestimmt.
Die Auswahl der Arbeitsparameter zum Bestimmen der Information über die Strichbreite erfolgt in Abhängigkeit des Schreibwerkzeug-Typs, dessen Verwendung mit Hilfe des Geräts simuliert wird. Gewisse Schreibwerkzeuge, beispielsweise Filzstifte mit abgeflachter Spitze, erzeugen Linienzüge, deren Breite in Abhängigkeit der Stellung schwankt, in der sie gehalten werden. Andere Werkzeuge, beispielsweise Filzstifte mit spitzbogenförmiger Spitze, Pastellstifte oder Pinsel, erzeugen Striche, deren Breite in Abhängigkeit des auf die Spitze ausgeübten Drucks variiert. Schließlich erzeugen gewisse Werkzeuge, beispielsweise Pinsel, Linienzüge, deren Breite sich in Abhängigkeit sowohl der Stellung, in der sie gehalten werden, als auch des ausgeübten Drucks variieren kann.
In vorteilhafter Weise beinhaltet das Verfahren einen Schritt zum Auswählen des von dem Gerät simulierten Schreibwerkzeug-Typs, und die Festlegung der Strichbreite erfolgt ausgehend von vorab gespeicherten Informationen, die für unterschiedliche Schreibwerkzeuge eine Relation zwischen der Strichbreite und mindestens einer der genannten Informationen über die Neigung des Schreibwerkzeugs, der Winkelstellung des Schreibwerkzeugs und den auf die Spitze des Schreibwerkzeugs ausgeübten Druck angeben.
In an sich bekannter Weise sind die Emission von Ultraschallimpulsen durch einen Sender und der Beginn der Messung der Ausbreitungszeit dieses Impulses bis zu den Empfängern synchronisiert durch die Übertragung eines Infrarotimpulses, was die Verwendung eines drahtlosen Geräts ermöglicht. Die Infrarotimpulse können zwischen einen von dem Gerät getragenen Sender und einem fest an der Unterlage angebrachten Empfänger, oder umgekehrt, übertragen werden. Die für den auf die Spitze des Geräts ausgeübten Druck repräsentative Information wird mittels Modulation von Synchronisations- Infrarotimpulszügen übertragen.
Die von den von dem Gerät getragenen Sendern abgestrahlten Ultraschallwellen haben die Form von Impulszügen, beispielsweise Folgen von Impulsen gleicher Frequenz, die zeitlich versetzt sind. Diese Frequenz, welche die Abtastfrequenz des Linienzugs festlegt, ist ausreichend groß gewählt, vorzugsweise mindestens 50 Hz. Die Koordinatenaufnahme für mindestens 50 Vektoren pro Sekunde macht es möglich, bei der Erfassung eines Linienzugs eine große Genauigkeit beizubehalten, auch wenn der Linienzug schnell mit freier Hand ausgeführt wird.
Im Fall der Simulierung gewisser Schreibwerkzeuge beinhaltet das Verfahren in vorteilhafter Weise die Auswahl einer Strichfarbe, und die Bestimmung einer Information über die Farbdichte als Funktion der Information über den auf die Spitze des Geräts ausgeübten Druck, um der Information über die Position der Spitze des Geräts unter anderem eine Information über die Farbe des Strichs für diese Position hinzuzufügen.
Es können verschiedene Farben für unterschiedliche Abschnitte des Linienzugs gewählt werden. Die Information über die Strichfarbe, die zu der Information über die Lage der Spitze des Geräts gehört, besteht aus:
- entweder der Farbe des Strichs, die für den Teil des Linienzugs ausgewählt wurde, über dem sich die Lage der Spitze des Geräts befindet,
- oder einer Sättigung der ausgewählten Farbe, wenn die Lage der Spitze des Geräts sich an einer Schnittstelle mehrerer Teile des Linienzugs befindet, für die ein und dieselbe Farbe ausgewählt wurde,
- oder einem Gemisch von ausgewählten Farben, wenn die Position der Spitze des Geräts sich an der Schnittstelle mehrerer Teile des Linienzugs befindet, für die unterschiedliche Farben ausgewählt wurden.
Die Echtzeit-Anzeige eines Bildes, welches die Informationen über die Stellung, die Strichbreite und die Farbe des Linienzugs reproduziert, ermöglicht dem Anwender die naturgetreue Sichtbarmachung des von ihm auf die Unterlage aufgebrachten Linienzugs derart, als ob der Linienzug beispielsweise mit einem Filzstift oder einem Pinsel ausgeführt worden wäre. Diese Anzeige erfolgt vorzugsweise mittels Rückprojektion auf die Unterlage derart, daß das Bild direkt unterhalb der Spitze des Geräts entsprechend dem Linienzug erscheint.
Ebenfalls in vorteilhafter Weise beinhaltet das Verfahren die Anzeige eines Menüs in einer Zone der Oberfläche der Unterlage sowie die Auswahl einer Option des angezeigten Menüs in Abhängigkeit des Nachweises der Lage der Spitze des Geräts an einer dieser Option entsprechenden Stelle. Das angezeigte Menü ermöglicht die Auswahl insbesondere des simulierten Schreibwerkzeug-Typs, des Formats des Werkzeugs und der Strichfarbe.
Folglich ist in Verbindung mit einem drahtlosen Gerät das Verfahren bemerkenswert wegen seiner Vielseitigkeit und leichten Realisierbarkeit. Es ermöglicht eine sehr starke Bewegungsfreiheit bei gleichzeitiger Beibehaltung hoher Präzision während der Erfassung des Linienzugs mit seiner Farbe, seinem Hintergrund und seinen Feinheiten, wobei gleichzeitig eine Sichtbarmachung dieses Linienzugs im Echtzeitbetrieb möglich ist. Außerdem ist das Verfahren in Verbindung mit einer neutralen Unterlage durchführbar, d. h., es benötigt keine Unterlage mit speziellen Eigenschaften zur Erfassung von Informationen über die Position des Geräts relativ zu der Unterlage.
Die Erfindung hat außerdem das Ziel, eine Vorrichtung zu schaffen, die die Realisierung des oben angegebenen Verfahrens gestattet.
Erreicht wird dieses Ziel durch eine Vorrichtung zum Erfassen und Behandeln von graphischen Daten, die repräsentativ sind für einen Linienzug, der auf einer Oberfläche einer Unterlage mit Hilfe einer Spitze eines Instruments ausgeführt wird, wobei die Vorrichtung aufweist:
- mindestens zwei Sender für Ultraschallwellen, die von dem Gerät getragen werden und voneinander in Längsrichtung des Geräts beabstandet sind sowie mit der Spitze des Geräts im wesentlichen ausgerichtet sind,
- eine Spannungsimpulsgeberschaltung, die mit den Sendern verbunden ist, um die Emission von Ultraschallimpulszügen zu veranlassen,
- mehrere Ultraschallwellenempfänger, die bestimmte Positionen bezüglich der Unterlage belegen, derart, daß die von den Sendern des an irgendeinem Punkt auf der Oberfläche befindlichen Instruments gestrahlten Ultraschallimpulse von mehr als zwei Empfängern empfangen werden,
- Mittel zum Detektieren des auf die Spitze des Geräts ausgeübten Drucks,
- Mittel zum Übertragen einer für den detektierten Druck repräsentativen Information, und
- eine Behandlungsschaltung, die mit den Ultraschallwellenempfängern verbunden ist und die Druckinformation empfängt, wobei die Behandlungsschaltung Mittel aufweist für:
- die Messung der Laufzeit der Ultraschallimpulse zwischen jedem der Sender und den Empfängern,
- die Berechnung von Koordinaten mindestens eines durch die Positionen der beiden von dem Gerät getragenen Sender definierten Vektors mit Hilfe der gemessenen Laufzeit,
- ausgehend von der Berechnung der Koordinaten des Vektors, Bestimmen der Position der Spitze des Instruments auf der Unterlage und mindestens einer der zwei Orientierungsinformationen des Geräts, die gebildet werden durch die Neigung der Längsrichtung des Geräts bezüglich der Unterlage und die Winkelstellung des Geräts bezüglich einer Achse, die einen vorbestimmten Winkel bezüglich der Unterlage bildet, und
- als Funktion zumindest einer der Orientierungsinformationen und der Druckinformation, der Bestimmung einer Information über die Breite des Strichs, um einer Information über die Position der Spitze des Geräts eine Information über die Strichgröße für diese Position hinzuzufügen.
Die Erfindung wird deutlicher durch die Lektüre der nachfolgenden Beschreibung, die ohne Beschränkung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen geliefert wird. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische allgemeine Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 2 eine verfeinerte Ansicht des Sendegeräts als Teil der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung;
Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm des Senders der Fig. 2;
Fig. 4 eine Abdeckung der Erfassungs-Arbeitsfläche für die Positionsinformation durch Ultraschallwellenempfänger der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung;
Fig. 5 eine Variante der Anordnung der Ultraschallwellenempfänger zum Abdecken einer Arbeitsfläche, die derjenigen nach Fig. 2 ähnelt;
Fig. 6 ein Diagramm der Empfangs- und Behandlungsschaltung als Teil der Vorrichtung nach Fig. 1;
Figuren 7 und 8 die Wellenformen für das Senden und das Empfangen von Ultraschallimpulsen für zwei Stärken von Druck, der auf die Spitze des Geräts ausgeübt wird;
Figuren 9 und 10 schematische Darstellungen der Art und Weise der Berechnung der Position der Spitze des Geräts sowie dessen Orientierung;
Figuren 11 und 12 Ablaufdiagramme, welche die mit Hilfe von Prozessoren der Verarbeitungsschaltung als Teil der Vorrichtung nach Fig. 1 realisierten Funktionen veranschaulichen; und
Fig. 13 eine schematische Darstellung der Anzeige eines Linienzugs mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Vorrichtung dient der Erfassung, Sichtbarmachung und Speicherung graphischer Informationen, die repräsentativ sind für einen Linienzug, der von Hand mit Hilfe eines Geräts 10 ausgeführt wird, indem dessen Spitze 20 auf eine ebene Fläche einer Unterlage 50 aufgebracht wird.
Das Gerät 10 (Figuren 1 und 2) hat allgemein die Form eines Griffels mit einem etwa zylindrischen Körper 22, der zwei Ultraschallwellensender 12 und 14 sowie zwei Sender für Infrarotstrahlen 16 und 18 trägt.
Die Ultraschallsender 12 und 14 befinden sich in der Nähe des zur Spitze 20 weisenden Endes des Geräts auf ein und derselben Seite des Körpers 22, und sie sind voneinander in Richtung der Längsachse 24 des Geräts beabstandet. Der Sender 14, der von der Spitze 20 am weitesten entfernt ist, befindet sich in einer Entfernung von der Achse 24, die größer ist als diejenige, welche den Sender 12 von der Achse 24 trennt. Folglich verläuft die durch die Mitten a und b der Sender 12 und 14 laufende Gerade nicht parallel zu der Achse 24.
Die Infrarotstrahlensender 16 und 18 befinden sich in der Nähe des Endes des Geräts, welches dem die Spitze 20 tragenden Ende entgegengesetzt ist, und sie sind einander bezüglich der Achse 24 diametral entgegengesetzt. Auf diese Weise ist praktisch gewährleistet, daß mindestens einer der zwei Sender 16 und 18 nicht verdeckt ist, wenn das Gerät 10 in der Hand gehalten wird.
Die Spitze 20 ist parallel zu der Achse 24 beweglich und kann unter der Einwirkung eines auf sie ausgeübten Drucks gegen die Kraft einer Rückstellfeder innerhalb des Körpers 22 zurückweichen.
Die von den Sendern 12 und 14 abgestrahlten Ultraschallwellen werden von Ultraschallwellenempfängern 62a, 62b, 62c, 62d und 62e empfangen, die über der Unterlage 50 befestigt sind. Die Ultraschall- Sender und -Empfänger werden beispielsweise gebildet durch piezoelektrische Wandler mit Richtwirkung, d. h., Wandlern, die im Inneren eines bezüglich des Wandlers zentrierten Kegels senden und empfangen. Beispielsweise kann man handelsübliche Bauelemente der japanischen Firma Murata mit der Bezeichnung MA 40S2S (für die Sender) und MA 40S2R (für die Empfänger) und auch der Bezeichnung MA 405AR verwenden. Diese Bauelementen haben beim Abstrahlen eine Reichweite von mehreren Metern, was die Möglichkeit eröffnet, Arbeitsflächen mit großen Abmessungen zu verwenden.
Über der Unterlage 50 sind eine Arbeitsfläche 52, in deren Innerem die Koordinaten jedes Punkts bestimmt werden können, und eine Schaufläche 54 ausgebildet, in deren Inneres, wie oben erwähnt, ein Linienzug rückprojiziert werden kann. Die Flächen 52 und 54 sind jeweils rechteckige Flächen mit parallelen Seiten, wobei die Fläche 54 im Inneren der Fläche 52 eingeschlossen ist.
Die Lage der Empfänger ist derart gewählt, daß jeder Punkt der Arbeitsfläche 52 von einer minimalen Anzahl von Empfängern "sichtbar" ist, um die Position dieses Punkts mit Redundanz bestimmen zu können. Wie insbesondere die Fig. 4 zeigt, sind die fünf Empfänger auf einer Linie 63 angeordnet, die parallel zur Längsseite 52a der Arbeitsfläche 52 verläuft, und zwar außerhalb von dieser und in vorteilhafter Weise in einer Ebene parallel zu und nahe der Ebene der Fläche 52. Die Empfänger 62a und 62e an den äußeren Enden der Linie 63 haben einen Abstand voneinander, der größer ist als die Länge der Seite 52a. Um die optimale Abdeckung der Fläche 52 zu gewährleisten, sind die Empfänger, insbesondere die an den Enden befindlichen Empfänger 62a und 62e derart orientiert, daß ihre Empfangskegelachse etwa in die Mitte der Fläche 52 gerichtet ist.
Die Anzahl von Empfängern kann wohlgemerkt verschieden von fünf sein. Man sieht jedoch, daß je kleiner die Anzahl ist, desto weiter die Empfänger von der Fläche 52 entfernt sein müssen, um deren Gesamtheit mit den Empfangskegeln abzudecken, was möglicherweise zu Schwierigkeiten bei der räumlichen Unterbringung und aufgrund der noch wichtigeren Abschwächung der empfangenen Wellen führt. Dies ist der Grund dafür, daß die Anzahl der Empfänger vorzugsweise mindestens fünf beträgt.
Um die zum Nachweisen und Eliminieren von Fehlern oder Ausreißern bei der Bestimmung der Position der Spitze des Geräts 10 auf der Fläche 52 benötigte Redundanz zu erreichen, befindet sich jeder Punkt der Fläche im Inneren von mindestens drei Empfangskegeln, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.
Eine Variante der Anordnung der Empfänger ist in Fig. 5 dargestellt. In diesem Fall befinden sich vier Empfänger 62'a, 62'b, 62'c und 62'd auf einer Linie 63' parallel zur Seite 52a der Fläche 52, während zwei Zusatzempfänger 62'e und 62'f sich beiderseits der Seiten 52b und 52c der Fläche 52 neben der Seite 52a befinden. Wie zuvor, können diese Empfänger in vorteilhafter Weise in einer Ebene parallel und in der Nähe der Fläche 52 angeordnet sein. Man kann eine andere Anzahl als sechs für die Empfänger wählen, beispielsweise, indem man entlang der Linie 63' mehr oder weniger als vier Empfänger vorsieht.
Man erkennt, daß in den zwei Anordnungen gemäß den Figuren 4 und 5 die Empfänger symmetrisch bezüglich der Ebenen-Mittellinie P der Fläche 52 senkrecht zu der Seite 52a befinden. Dies macht es möglich, daß keine Empfangs-Asymmetrie eingeführt wird, wenn das Gerät 10 von einem Rechtshänder oder einem Linkshänder gehalten wird.
Die von den Sendern 16 und 18 abgestrahlten Infrarotwellen werden von einem Infrarotwellenempfänger 70 empfangen, der auf der Unterlage 50 fixiert ist. Die Infrarotwellensender werden gebildet durch Leuchtdioden, der Empfänger wird durch eine Fotodiode gebildet.
Eine Behandlungsschaltung 60 ist mit den Empfängern verbunden und enthält die Meß- und Berechnungsmittel zum Ausarbeiten von Informationen, die einerseits repräsentativ sind für die Position der Spitze 2 auf der Unterlage 50 und andererseits repräsentativ sind für die Strichbreite, die durch die Art und Weise simuliert wird, in der das Gerät 10 in bezug auf die Unterlage gehalten wird, und/oder den Druck, der beim Ausführen eines Linienzugs auf die Spitze 20 ausgeübt wird. Diese Informationen werden an einer Anzeigevorrichtung 110 übertragen, um gleichzeitig eine Echtzeit-Anzeige des Abbildes des Linienzugs auf einem Schirm 112 anzuweisen, und außerdem werden die Informationen in einem Speicher der Behandlungsschaltung gespeichert. Sie können vervollständigt werden durch eine Information über die Farbe des Linienzugs für jede Position der Spitze 20, wobei diese Information erhalten wird durch eine von dem Anwender durchgeführte Strichfarbenauswahl.
Der Schirm 112 wird beispielsweise durch eine einfarbige oder Farb- Flüssigkristallanzeigetafel gebildet. Eine Beleuchtungsquelle 114 beleuchtet den Schirm 112, um mit Hilfe einer Optik 118 das Bild des Linienzugs auf die Rückseite der Schaufläche 54 zu projizieren. Die Unterlage besteht aus zumindest in der Fläche 54 durchscheinendem Material. Auf diese Weise erscheint das Bild des Linienzugs in Echtzeit auf der Fläche 54 unterhalb der Spitze des Geräts.
Das Schaltungsdiagramm des Geräts 10 ist in Fig. 3 dargestellt.
Die für den Betrieb der Schaltungen des Geräts benötigte elektrische Energie wird von einer aufladbaren Batterie 32 über einen Unterbrecher 34 geliefert. Letztere kann ein Handschalter an dem Körper 22 und/oder eine automatische Löschschaltung sein, die in Aktion tritt, wenn das Gerät über eine vorbestimmte Zeitspanne hinaus nicht in Betrieb ist.
Von einer Zeitbasis 36, die einen spannungsgesteuerten Oszillator enthält, werden Rechteckimpulse geliefert. Ein Wegaufnehmer 40, beispielsweise ein Hall-Element, ist mit der Spitze 20 verbunden und liefert eine Spannung, die kennzeichnend ist für den auf die Spitze 20 gegen eine Feder 28 aufgebrachten Druck. Der Aufnehmer 40 liefert die Steuerspannung für den Oszillator der Zeitbasis 36 derart, daß die von dieser erzeugten Impulse eine Frequenz aufweisen, die sich als Funktion des auf die Spitze ausgeübten Drucks ändert. Die Linie A in Fig. 7 veranschaulicht die von der Zeitbasis erzeugten Impulse, wenn die Spitze 20 angehoben ist. Wenn die Spitze 20 gegen die Unterlage 50 gedrückt wird, nimmt die Impulsfrequenz als Funktion des ausgeübten Drucks zu. Die Linie A in Fig. 8 zeigt die Impulse, die von der Zeitbasis bei einem auf die Spitze 20 ausgeübten Maximaldruck erzeugt werden, wobei das Zurückweichen der Spitze 20 durch einen Anschlag 29 beschränkt wird.
Die von der Zeitbasis 36 kommenden Impulse werden an Monoflops 42, 44 und 46 gelegt. Die Schaltung 42 wird mit der Vorderflanke der Impulse von der Zeitbasis getriggert und liefert Spannungsimpulse (Linien B der Figuren 7 und 8), die von einen Verstärker 42a verstärkt und an den Ultraschallsender 12 gelegt werden. Die Schaltung 44 wird mit der Rückflanke der Impulse von der Zeitbasis getriggert und liefert Spannungsimpulse (Linien C in den Figuren 7 und 8), die von einem Verstärker 44a verstärkt und an den Ultraschallsender 14 gelegt werden. Die Schaltung 46 wird an den Vorderflanken und den Rückflanken der von der Zeitbasis kommenden Impulse getriggert und liefert Synchronisationsimpulse (Linien D in den Figuren 7 und 8), die von einem Verstärker 46a verstärkt und parallel an die Infrarotsender 16 und 18 gelegt werden.
Die an die die Sender 12 und 14 bildenden piezoelektrischen Wandler angelegten Spannungsimpulse haben eine Amplitude von etwa 150 bis 200 V und eine Dauer von einigen 10 Mikrosekunden. Ansprechend auf diese Impulse erzeugen die Sender 12 und 14 zwei Ultraschallimpulszüge (Linien E und F in den Figuren 7 und 8) gleicher Frequenz, die zeitlich versetzt sind. Jeder Ultraschallimpuls wird gebildet durch eine gedämpfte Sinuswelle, der durch den Wandler festgelegte Frequenz einige 10 kHz beträgt, beispielsweise etwa 40 kHz, also außerhalb des hörbaren Bereichs.
Das Zyklusverhältnis der Impulse von der Zeitbasis ist um 50% verschieden, damit eine Unterscheidung möglich ist zwischen den Ultraschallimpulsen des einen der beiden Sender 12 und 14 von denen des anderen Senders. Im dargestellten Beispiel haben die Impulse von der Zeitbasis 36 eine konstante Breite. Das Tastverhältnis nimmt mit dem auf die Spitze des Geräts ausgeübten Druck zu, bleibt aber auf jeden Fall unterhalb von 50%. Natürlich ist es möglich, ein konstantes Tastverhältnis beizubehalten und lediglich die Frequenz zu ändern. Andere Formen der Modulation von Impulszügen durch die Information über den auf die Spitze des Geräts ausgeübten Druck sind denkbar, beispielsweise ein Variieren des Tastverhältnisses der von der Zeitbasis gelieferten Impulse, während die Frequenz konstant gehalten wird.
Wie in Fig. 6 dargestellt ist, werden die von den Empfängern 62a bis 62e empfangenen Ultraschallimpulse (diejenigen, die in den Figuren 7 und 8 in der Zeile G beispielsweise für den Empfänger 62a dargestellt sind) von den Verstärkern 64a bis 64e mit automatischer Verstärkungsregelung verstärkt und dann an die Schwellenwertdetektorschaltungen 66a bis 66e gelegt. Jede Schwellenwertdetktorschaltung triggert die Aussendung eines Impulses durch ein zugehöriges Monoflop 68a bis 68e, wenn ein Schwellenwert von dem empfangenen und verstärkten Signal überschritten wird. Die Monoflops 68a bis 68e bilden Formerschaltungen für die empfangenen Ultraschallimpulse.
In der gleichen Weise werden die Synchronisations-Infrarotimpulse, die von dem Detektor 70 empfangen werden (Zeilen H in den Figuren 7 und 8) von einem Verstärker 70a mit automatischer Verstärkungsregelung verstärkt und von einem Monoflop 70b geformt.
Die Vorderflanken der von der Schaltung 70b erzeugten Synchronisationsimpulse veranlassen das parallele Triggern von Flipflops 72a bis 72e, deren Rücksetzung von den Vorderflanken der von der Schaltung 68a bis 68e erzeugten Impulse veranlaßt wird. Zähler 74a bis 74e, die von einem Prozessor 80 Taktimpulse empfangen, werden von den Vorderflanken bzw. Rückflanken der von den Flipflops 72a bis 72e erzeugten Impulse gestartet bzw. gestoppt. Unter Steuerung durch den Prozessor 80 werden die Zählerstände der Zähler 74a bis 74e ausgelesen und die Zähler auf Null zurückgestellt.
Die von dem Prozessor 80 kommenden Taktimpulse werden auch von einem Zähler 76a gezählt. Das In-Gang-Setzen und das Anhalten des Zählers 76a werden durch aufeinanderfolgende Nulldurchläufe eines Modulo-2-Zählers 76b veranlaßt, der die Impulse der Schaltung 70b empfängt. Der Zählerstand des Zählers 76a, der repräsentativ ist für die Frequenz der Zeitbasis 36 und mithin für den auf die Spitze des Geräts ausgeübten Druck, wird unter Steuerung des Prozessors 80 ausgelesen, und der Zähler wird auf Null zurückgestellt.
Die Zählwerte der Zähler 74a bis 74e repräsentieren die Laufzeiten der Ultraschallimpulse von den Sendern 12 und 14 bis zu den Empfängern 62a bis 62e. Wenn man die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallsignale kennt, kann man die von den Impulsen zurückgelegte Strecke herleiten. Um den Einfluß von Faktoren wie der Temperatur und der Feuchtigkeit auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen zu berücksichtigen, wird letztere periodisch gemessen. Zu diesem Zweck wird durch Steuerung seitens des Prozessors 80 ein Spannungsimpuls von einem Monoflop 78 erzeugt, dieser Spannungsimpuls mit einem Verstärker 78a verstärkt und an einen Ultraschallwellensender 82 gelegt, der den Sendern 12 und 14 ähnelt. Der Impuls wird von einem Empfänger 84 empfangen und in ähnlicher Weise behandelt wie die von dem Empfängern 62a bis 62e empfangenen Impulse. Auf diese Weise wird der von dem Empfänger 84 empfangene Impuls mit Hilfe eines eine automatische Verstärkungsregelung aufweisenden Verstärkers 84a, eines Schwellenwertdetektors 84b und eines Monoflops 84c geformt. Ein Flipflop 86 wird durch die Vorderflanke des Impulses von dem Monoflop 78 gesetzt und von der Vorderflanke des Impulses des Monoflops 84c zurückgesetzt. Ein die Taktimpulse von dem Prozessor 80 empfangender Zähler 88 wird an der Vorderflanke bzw. der Rückflanke des von dem Flipflop 86 erzeugten Impulses gestartet bzw. angehalten. Unter der Steuerung seitens des Prozessors 80 wird der Zählerstand des Zählers 88 ausgelesen, und der Zähler wird auf Null zurückgestellt.
Der Sender 82 und der Empfänger 84 belegen vorbestimmte feste Stellen derart, daß der Abstand zwischen ihnen bekannt ist. Der Zählerstand des Zählers 88 ermöglicht also die Berechnung des wahren Werts der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen. Natürlich sind die Stellen, an denen sich der Sender 82 und der Empfänger 84 befinden, so gewählt, daß der Betrieb der Empfänger 62a bis 62e nicht beeinflußt wird.
Fig. 9 zeigt schematisch die Lage der Zentren A und B der Ultraschallsender 12 und 14 und des Endes O der Spitze 20 für eine gegebene Position des Geräts 10, welches auf der Unterlage 50 aufsitzt. In Fig. 9 repräsentieren die Punkte R und R' die Zentren von zwei Ultraschallempfängern, beispielsweise der Empfänger 62a und 62b. Die in Verbindung mit Fig. 6 beschriebene Schaltung ermöglicht die Bestimmung der Entfernungen RA und RB, die gegeben sind durch zwei aufeinanderfolgende Zählerstände des zu dem Empfänger 62a gehörigen Zählers 74a, sowie der Entfernungen R'A und R'B, die gegeben sind durch zwei aufeinanderfolgende Zählerstände des Zählers 74b, der zu dem Empfänger 62b gehört.
Man kann gelten lassen, daß die Entfernung RB etwa gleich groß ist wie die Entfernung RB', und daß die Entfernung R'B etwa so groß ist wie die Entfernung R'B', wobei B' die Projektion des Punkts B auf die durch R, R' und A laufene Ebene ist, die etwa parallel zur Ebene der Unterlage 50 verläuft. Gleichermaßen handelt es sich bei O' um die Projektion des Punkts O auf die genannte Ebene, und man kann davon ausgehen, daß die Entfernungen RO und RO' etwa gleich groß sind, was auch für die Entfernungen R'O und R'O' gilt.
Die Kenntnis der Entfernungen RA und RB und der Entfernungen R'A und R'B ermöglicht es also, durch eine einfache Rechnung die Koordinaten (xA, yA) und (xB, yB) von zwei Punkten in einem auf die Unterlage 50 gelegten zweidimensionalen Koordinatensystem zu bestimmen, beispielsweise in einem orthonormierten System (Ix, Iy), dessen Achsen parallel zu den Seiten der Rechteckfläche 52 verlaufen, und dessen Zentrum mit einer Ecke dieser Fläche zusammenfällt (Fig. 1).
Die Sender 12 und 11 sind an dem Körper des Geräts 10 derart gelagert, daß die Punkte O, A und B etwa miteinander fluchten. Wenn das Verhältnis r zwischen der Entfernung OB (oder OB') und der Entfernung AB (oder AB') bekannt ist, lassen sich die Koordinaten (xO, yO) des Punkts O leicht aus denjenigen der Punkte A und B ableiten.
Die Bestimmung der Koordinaten der Punkte A und B wird auch dazu verwendet, Information über die Orientierung des Geräts 10 in bezug auf die Unterlage zu erhalten, nämlich der Neigung des Geräts bezüglich der Unterlage und der Winkelposition des Geräts bezüglich einer Achse, die eine vorbestimmte Richtung in bezug auf die Unterlage aufweist.
In Fig. 10 ist die Projektion eines Vektors dargestellt, der von den Punkten A und B definiert wird, und zwar auf eine zu der Ebene der Unterlage parallele Ebene. Der Betrag dieser Projektion ist eine Funktion der Neigung des Geräts bezüglich der Unterlage, wobei dieser Betrag eine Funktion des Cosinus des Winkels α ist, den der Vektor AB mit der Ebene der Unterlage bildet (Fig. 9). Die Messung des Betrags der Projektion des Vektors AB ermöglicht also die Bestimmung des Winkels α und gleichermaßen der gesuchten Neigung, weil der Winkel β, den der Vektor AB bezüglich der Längsachse 24 des Geräts bildet, bekannt ist.
Außerdem wird die Winkelstellung des Geräts bezüglich einer Achse bestimmt anhand der Richtung der Projektion des Vektors AB. Wenn man als beliebige Bezugsachse die Achse Ix hernimmt, bestimmt sich die Winkelstellung θ des Geräts folglich anhand der Steigung p der die Projektion AB enthaltenden Geraden (Fig. 10). Die Bezugsachse ist nicht parallel zum Vektor AB, sie steht beispielsweise senkrecht auf der Unterlage, so, wie die Achse OZ (Fig. 10), wobei das Gerät 10 normalerweise nicht in einer Stellung gehalten wird, in der der Vektor AB senkrecht zur Unterlage verläuft.
Die Umwandlung der Information über die Neigung sowie der Information über die Winkelstellung des Geräts in eine Information bezüglich der Strichbreite hängt ab von der Werkzeuggeometrie der Werkzeugspitze. Bei gewissen Schreibwerkzeugen, beispielsweise einem Pinsel, ist die Strichbreite eindeutig durch den auf die Spitze ausgeübten Druck gegeben.
Die Werte der Strichbreite für unterschiedliche Neigungen und Winkelstellungen sowie verschiedene auf die Spitze ausgeübten Drücke werden für verschiedene Schreibwerkzeug-Typen bestimmt und in Form von Tabellen gespeichert.
Wenn die Strichbreite durch die Neigung und die Winkelstellung des Werkzeugs gegeben ist, wie es beispielsweise bei einem Filzstift der Fall ist, haben die Tabellen für unterschiedliche simulierbare Werkzeuge die Form von Tabellen mit zwei Einträgen, wobei der eine Eintrag die Neigung und der andere die Winkelstellung ist. Die Werte der Winkelstellungen in den Tabellen sind in bezug auf eine Referenzstellung gegeben, die annähernd der Art und Weise entspricht, in der das Gerät 10 normalerweise von dem Benutzer gehalten wird, so daß die Sender 12 und 14 in jeder Lage des Geräts über der Schaufläche 54 in Richtung der Empfänger weisen. Wenn die Strichbreite durch den auf die Spitze ausgeübten Druck gegeben ist, geben die Tabellen direkt die Entsprechung zwischen dem Druck und der Strichbreite wieder.
Wenn die Strichbreite durch die Orientierung (Neigung und/oder Winkelstellung) und den auf die Spitze ausgeübten Druck gegeben ist, besitzt die Tabelle zwei Einträge, einen für die Neigung oder die Winkelstellung, den anderen für den Druck, oder sogar drei Einträge: Neigung, Winkelstellung und Druck.
Die Strichfarbe wird durch von dem Benutzer vorgenommene Auswahl der Strichfarbe festgelegt. Es ist möglich, ein und dieselbe Farbe für einen vollständigen Linienzug zu wählen, oder man kann für unterschiedliche Teile eines Linienzugs verschiedene Farben wählen.
Eine Information über die Farbe des Linienzugs gehört zu der Information über die Position der Spitze des Geräts und der Information über die Strichbreite an dieser Stelle.
Die Information bezüglich der Farbe des Linienzugs hängt in gewissen Fällen von dem auf die Spitze des Geräts ausgeübten Druck ab. Tatsächlich ist zumindest bei gewissen Filzstiften die Dichte der Farbe umso ausgeprägter, je höher der ausgeübte Druck ist. Auch für diese Schreibwerkzeuge ist die Entsprechung zwischen der ausgewählten Strichfarbe und der tatsächlich simulierten Farbe, d. h. die Information über die Farbe des Linienzugs, durch Tabellen als Funktion des ausgeübten Drucks gegeben.
Die Information über die Farbe des Linienzugs hängt auch ab von der möglichen Überlagerung mehrerer Striche. Wenn also mehrere Informationen über die Strichfarbe ein und demselben Punkt des Linienzugs zugeordnet sind, wird dieser Punkt mit einer Farbe reproduziert, bei der es sich um die Resultierende aus diesen Strichfarben-Informationen handelt. Wenn die Strichfarben identisch sind, besteht die Resultierende aus eben dieser Farbe mit einer gesteigerten Sättigung. Wenn die Strichfarben unterschiedlich sind, besteht die Resultierende aus einem Gemisch der Strichfarben. Die Resultierende wird unter der Palette der verfügbaren Farben in eine Tabelle eingelesen, um die Sichtbarmachung des entsprechenden Bildelements mit der resultierenden Farbe anzuweisen. Die Information der Farbe des Linienzugs, d. h. die resultierende Farbe, kann zur Zeit der Speicherung der Informationen über den Linienzug (Position, Strichbreite, Farbe) ermittelt werden, oder aber zur Zeit der Wiedergabe des Linienzugs. In letzterem Fall können ein und derselben Positionsinformation mehrere Informationen über die Strichfarbe zugeordnet werden.
Der Prozessor 80 steuert für jeden Probenpunkt des Linienzugs (d. h. für jeden Impuls der Zeitbasis 36) die Bestimmung der Koordinaten (xA; yA), (xB, yB) mit Gültigkeitserklärung dieser Bestimmung durch redundante Messungen und Speicherung dieser Koordinaten in einem Schreib-/Lese-Speicher 96, in dem ihnen eine Information hinzugefügt wird, welche das Ausmaß des Drucks angibt, der auf die Spitze des Geräts ausgeübt wird. Der Speicher 96 ist über einen Bus 98 zugänglich, an den außer dem Prozessor 80 noch die Zähler 74a bis 74e, 76a und 88 angeschlossen sind.
Die Information über die Stärke des Drucks, in Form des Inhalts des Zählers 76a, ermöglicht den Nachweis, ob ein Druck auf die Spitze 10 ausgeübt wird, d. h., ob ein Linienzug ausgeführt wird oder nicht.
Die unter der Steuerung seitens des Prozessors 80 durchgeführten Operationen zum Bestimmen der Koordinaten (xA, yA), (xB, yB) sowie des auf die Spitze 20 ausgeübten Drucks sind folgende (Fig. 11):
Ansprechend auf den Empfang eines Infrarotimpulses (Phase 120) werden die Inhalte der Zähler 74a bis 74e und 76a gelesen, und die Zähler werden auf Null zurückgestellt (Phase 122).
Auf der Grundlage der Inhalte der Zähler 74a bis 74e werden die Koordinaten (xA, yA), (xB, yB) für jedes Paar von Empfängern berechnet, was zehn Resultate ergibt. Die Berechnung erfolgt in an sich bekannter Weise durch Anwendung klassischer Formeln der Triangulation (Phase 124).
Für jede Koordinate untersucht man sukzessive die berechneten Werte, und man wählt den ersten Wert aus, für den man mindestens eine, vorzugsweise zwei Bestätigungen im Inneren eines vorbestimmten Grenzfehlerbereichs findet (Phase 126). Stattdessen kann auch jede andere statistische Behandlung verwendet werden, die ausgehend von der berechneten Population den wahrscheinlichsten Wert liefert.
Die so ausgewählten Werte (xA, yA), (xB, yB) werden in dem Speicher 96 in Verbindung mit dem Wert gespeichert, der aus dem Zähler 76a ausgelesen wurde und die Frequenz der Ultraschallimpulszüge repräsentiert, d. h. die Frequenz der Zeitbasis 36, folglich den auf die Spitze 20 ausgeübten Druck P (Phase 128).
Außerdem veranlaßt der Prozessor 80 periodisch die Abstrahlung eines Impulses durch den Sender 82 (Phase 130). Ansprechend auf den Empfang eines Impulses durch den Empfänger 84 (Phase 132) wird der Inhalt des Zählers 88 gelesen, und dieser Zähler wird auf Null zurückgestellt (Phase 134). Der aus dem Zähler 88 ausgelesene Wert wird gespeichert (Phase 136), um eine Referenzgröße für die Geschwindigkeit des Ultraschalls in der Umgebungsluft zu erhalten.
Die in dem Speicher 96 abgespeicherten Informationen sind für ein Steuersystem und für die um einen Prozessor 102 herum organisierte Anzeige abrufbar. Die Tabellen, die eine Beziehung zwischen einerseits der Strichbreite und andererseits den Neigungen und Winkelstellungen eines Schreibwerkzeugs und/oder dem auf dessen Spitze ausgeübten Druck wiedergeben, sind in einem Festspeicher 104 für verschiedene Schreibwerkzeug-Typen abgespeichert. Das gleiche gilt für die Tabellen, welche die Beziehungen zwischen dem auf die Spitze ausgeübten Druck und der Farbintensität für gewisse Schreibwerkzeug-Typen wiedergeben, und für die Tabellen, welche die Beziehungen zwischen einer resultierenden Farbe des Linienzugs und den für den Fall der Überlagerung von Strichen ausgewählten Strichfarben.
Ein Bus 108 verbindet den Prozessor 102, den Festspeicher 104, einen Schreib-/Lese-Speicher 106, den Speicher mit Doppelzugriff 96 und die Anzeigevorrichtung 110. Der Prozessor 102 steuert die Ausführung der Berechnungen, die zum Bestimmen der Koordinaten der Gerätespitze und für die Ermittlung der Information über die Orientierung des Geräts benötigt werden. Für jeden Abtastpunkt des Linienzugs steuert der Prozessor die Speicherung der ermittelten Informationen über die Position, die Strichbreite und die Breite des Linienzugs in dem Speicher 106, außerdem die Anzeige des entsprechenden Linienzugs auf der Anzeigevorrichtung 110.
Diese von dem Prozessor 102 vorgenommenen Operationen sind in dem Ablaufdiagramm der Fig. 12 angegeben.
Periodisch wird ein Zugriff auf den Speicher 96 angewiesen, um die laufenden Informationen über die Koordinaten (xA, yA), (xB, yB) und den Druck P zu lesen (Phase 140). Der Lesezugriff zu dem Speicher 96 seitens des Prozessors 102 wird unter der Steuerung des Prozessors 80 außerhalb der Schreibphasen dieses Speichers gestattet.
Ausgehend von den gelesenen Werten (xA, yA), (xB, yB) werden die Koordinaten (xO, yO) der Spitze 20 berechnet (Phase 142).
Ebenfalls anhand der gelesenen Werte (xA, yA), (xB, yB) wird der Betrag L der Projektion des Vektors AB berechnet, ebenso der Winkel θ, welcher der Steigung dieser Projektion (s. Fig. 10) entspricht (Phase 144).
Als Funktion des seitens des Benutzers ausgewählten Werkzeugtyps wird ein Wert der Strichbreite IT aus den Tabellen des Speichers 106 ausgelesen, wozu die Daten P und/oder L und/oder θ benutzt werden (Phase 146).
Es wird eine Information über die Farbe CT bestimmt, die entsprechend dem von dem Benutzer ausgewählten Werkzeugtyp gleich der ausgewählten Strichfarbe ist oder aus einer Tabelle des Speichers 106 entsprechend dem Datenwert P ausgelesen wird (Phase 148).
Die Information über die berechneten Koordinaten (xO, yO) werden in Verbindung mit der zugehörigen Information über die Strichbreite, IT und die Information über die Farbe CT gespeichert (Phase 150).
Schließlich wird die Vorrichtung 110 veranlaßt, auf dem Schirm 112 ein Bild sichtbar zu machen, welches die Koordinaten (xO, yO), die Breite des Strichs IT und die Farbe des Linienzugs repräsentiert (Phase 152).
Wenn einer Positionsinformation mehrere Informationen über die Farbe zugeordnet sind, wird die Farbe des Linienzugs für diese Position aus der Tabelle für das Farbgemisch innerhalb des Speichers 106 ausgelesen.
Wie in Fig. 13 zu sehen ist, bei der es sich um eine schematische Darstellung der Anzeige eines mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung realisierten Linienzugs handelt, ist der Linienzug 19 veränderlicher Breite (voll und fein) realisiert durch sukzessive Sichtbarmachung von Strichen der Breite IT, die für den Ursprung (xO, yO) mit 21 bezeichnet sind. Angesichts der erhöhten Frequenz bei der Bestimmung der Koordinaten der Vektoren (xA, yA), (xB, yB) liegen diese Striche sehr dicht beieinander. Außerdem werden mögliche Freiräume 23 zwischen den Projektionen automatisch bei der Darstellung mit der von der Bedienungsperson ausgewählten Farbe oder einer resultierenden Farbe ausgefüllt. Es ist klar, daß die verschiedenen Striche 21 in der Anzeige nicht auftreten, sondern die Gesamtheit tatsächlich einen durchgehenden Linienzug bildet, dessen Breite als Funktion der Orientierung, der Neigung und des Drucks variiert, die dem Gerät von dem Benutzer vermittelt werden.
Der Prozessor 102 führt außerdem mit dem Benutzer einen Dialog, um die Vorrichtung in Gang zu setzen, außerdem für die Wahl des speziellen zu simulierenden Typs von Schreibwerkzeug, die Wahl der Werkzeuggröße, die Wahl einer Farbe, die Realisation eines Linienzugs, einen Löschvorgang, das Modifizieren oder das Abspeichern von Zeichnungen, die Kopie oder die Collage von Zeichnungen etc.
In vorteilhafter Weise wird die Schnittstelle zwischen dem Benutzer und dem Prozessor 102 ausschließlich durch die Unterlage 50 und das Gerät 10 gebildet.
Nach dem In-Betrieb-Setzen des Systems veranlaßt das Feststellen der Positionierung der Spitze des Geräts 10 außen auf der Schaufläche 54 der Unterlage 50 jedoch im Inneren der Arbeitsfläche 52 die Anzeige eines Menüs auf der Schaufläche 54, beispielsweise in Form von Ikonen. Unter den Optionen des Menüs, die für eine Auswahl zur Verfügung stehen, befinden sich insbesondere die oben angegebenen Wahlmöglichkeiten.
Die gewählte Menü-Option wird ermittelt anhand der Position der Spitze des Geräts 10 am Rand der Schaufläche 54. Die Bestätigung der Auswahl erfolgt beispielsweise durch Andrücken der Spitze und Erkennen des so ausgeübten Drucks.
Beispielsweise veranlaßt die Positionierung der Spitze des Geräts 10 auf den Innenseiten der Arbeitsfläche 52 rechts oder links bezüglich der Schaufläche 54 (die, die in Fig. 1 gezeigt ist) die Sichtbarmachung eines graphische Optionen anbietenden Menüs im Inneren dieser Fläche 54. Die Auswahl und Bestätigung einer Option erfolgen durch Bestimmung der Stelle der Gerätespitze in bezug auf die Option auf der Außenseite der Fläche 54 und durch Feststellen des Andrückens der Spitze gegen die Unterlage. Die Positionlerung der Spitze des Geräts 10 auf der Innenseite der Arbeitsfläche 52 unterhalb des unteren Rands der Schaufläche 54 veranlaßt die Anzeige eines Karteimenüs im Inneren dieser Fläche, wobei die Auswahl und Bestätigung in der oben beschriebenen Weise erfolgen. Schließlich veranlaßt die Positionierung der Spitze des Geräts auf der Innenseite der Arbeitsfläche 52 oberhalb des oberen Rands der Schaufläche 54 die Ausführung eines Eichvorgangs durch Emission von Ultraschallimpulsen seitens des fixen Senders 82 sowie der Messung der Laufzeit bis zu dem fixen Empfänger 84.
Die Auswahl des Programms erfolgt also mit Hilfe des Geräts 10 und der Unterlage 50 in der gleichen Weise wie mit einem Lichtgriffel und einem Monitor-Bildschirm.
Die Positionierung der Gerätespitze im Inneren der Schaufläche 54 und der Nachweis der Position der Spitze in dieser Fläche veranlassen ein Löschen der Menüs und die Initialisierung des Programms zur Erfassung und Bearbeitung des Linienzugs.

Claims

1. Verfahren zum Erfassen und zum Behandeln graphischer Daten, die repräsentativ sind für einen auf einer Oberfläche (52) einer neutralen Unterlage (50) mit der Spitze (20) eines Geräts (10) ausgeführten Linienzug, umfassend:

- Aussenden von Ultraschallimpulsen (E, F) mit Hilfe mindestens zweier Ultraschallwellensender (12, 14), die von dem Gerät getragen werden, die in dessen Längsrichtung gegeneinander versetzt sind, und die im wesentlichen mit der Spitze (20) des Geräts ausgerichtet sind,

- Empfangen (G) von Ultraschallimpulsen mit Hilfe mehrerer Ultraschallwellenempfänger (62a-62e), die bestimmte Positionen in bezug auf die Unterlage (50) einnehmen, derart, daß die Ultraschallimpulse, die von den Sendern des an irgendeinem Punkt der Oberfläche befindlichen Geräts von mehr als zwei Empfängern empfangen werden,

- Messen (122) der Laufzeiten der Ultraschallimpulse zwischen jedem der Sender und den Empfängern,

- Berechnen (124, 126) der Koordinaten (XA, YA; XB, YB) mindestens eines durch die Positionen der zwei von dem Gerät getragenen Sender (12, 14) definierten Vektors auf der Basis der gemessenen Laufzeiten,

- ausgehend von der Berechnung der Koordinaten des Vektors, Bestimmen (142, 144) der Stelle (XO, YO) der Spitze (20) des Geräts auf der Unterlage (50) sowie zumindest einer der beiden Orientierungsinformationen des Geräts, bestehend aus der Neigung (α-β) der Längsrichtung (24) des Geräts bezüglich der Unterlage und der Winkelstellung (θ) des Geräts bezüglich einer Achse, die bezüglich der Unterlage einen vorbestimmten Winkel bildet,

- Detektieren (36, 40) des mit der Spitze des Geräts auf die Unterlage ausgeübten Drucks,

- Übertragen (A) einer für den detektierten Druck repräsentativen Information, und

- als Funktion zumindest einer der Orientierungsinformationen und des Drucks, Bestimmen einer Information über die Breite des Linienzugs, um einer die Stellung der Spitze des Geräts repräsentierenden Information eine Information über die Breite des Linienzugs für diese Position hinzuzufügen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Berechnen der Koordinaten des definierten Vektors anhand der Positionen von zwei Sendern von einer redundanten Anzahl von Messungen der Laufzeit derart Gebrauch gemacht wird, daß eine fehlerhafte Messung oder ein Meßwert-Ausreißer nachgewiesen und eliminiert werden kann.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Orientierungsinformationen des Geräts bestimmt werden anhand der Messung des Betrags und der Richtung der Projektion des durch die Positionen der zwei Sender definierten Vektors auf die Unterlage.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Aussenden von Ultraschallimpulsen und der Beginn der Messung der Laufzeit dieser Impulse von dem Gerät bis zu den Empfängern durch die Übertragung von Infrarotimpulsen (D, H) synchronisiert werden, und die für den auf die Spitze des Geräts ausgeübten Druck repräsentative Information durch Modulation der Infrarotimpulse übertragen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Schritt der Auswahl eines von dem Gerät simulierten Schreibwerkzeug-Typs umfaßt, und die Bestimmung der Breite des Linienzugs vorgenommen wird anhand von vorab gespeicherten Informationen, die für verschiedene Schreibwerkzeuge eine Relation angeben zwischen der Breite eines mit einer Spitze des Schreibwerkzeugs auf einer Fläche gezogenen Limenzugs und mindestens einer Information aus der Neigung einer Längsrichtung des Schreibwerkzeugs in bezug auf die Fläche, der Winkelstellung des Schreibwerkzeugs bezüglich einer Achse, die bezüglich der Fläche einen vorbestimmten Winkel einnimmt, und dem auf die Spitze des Schreibwerkzeugs ausgeübten Druck.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallimpulse mit einer Frequenz abgestrahlt werden, die mindestens 50 Hz beträgt, damit pro Sekunde die Aufnahme von Koordinaten von mindestens 50 Vektoren möglich ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es das periodische Senden (130) und Empfangen (132) eines Ultraschallimpulses mit Hilfe eines Senders (82) und eines Empfängers (84) umfaßt, welche vorbestimmte, relativ fixe Positionen belegen, um einen Referenzwert bezüglich der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen in der Umgebung zu liefern.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es die Auswahl einer Farbe des Strichs und die Festlegung einer Dichteinformation der Farbe als Funktion der Information über den auf die Spitze des Geräts ausgeübten Druck umfaßt, um der Information über die Position der Spitze des Geräts außerdem eine Information über die Farbe des Linienzugs für diese Position hinzuzufügen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es die Auswahl einer Strichfarbe, wobei unterschiedliche Farben für unterschiedliche Teile des Linienzugs ausgewählt werden können, und die Zuordnung einer Information über die Farbe des Linienzugs für eine Position zu der diese Position der Spitze des Geräts repräsentierenden Information beinhaltet, wobei die hinzugefügte Information besteht aus:

- entweder der Strichfarbe, die für den Teil des Linienzugs ausgewählt wurde, auf dem sich die Position der Spitze des Geräts befindet,

- oder einer Sättigung der ausgewählten Farbe, wenn die Position der Spitze des Geräts sich am Schnittpunkt mehrerer Teile des Linienzugs befindet, für die ein und dieselbe Farbe ausgewählt wurde,

- oder einer Mischung von ausgewählten Farben, wenn die Position der Spitze des Geräts sich an dem Schnittpunkt mehrerer Teile des Linienzugs befindet, für die verschiedene Farben ausgewählt wurden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Informationen über die Lage und die Breite des Strichs dazu verwendet werden, die Anzeige des mit der Spitze des Geräts ausgeführten Linienzugs und die Rückprojektion auf die Unterlage des angezeigten Linienzugs anzuweisen, derart, daß letzterer im Echtzeitbetrieb unterhalb der Gerätespitze erscheint.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß es die Sichtbarmachung mindestens eines Menüs in einer Zone der Oberfläche der Unterlage ebenso beinhaltet wie die Auswahl einer Option des dargestellten Menüs ansprechend auf das Detektieren der Position der Gerätespitze an einer dieser Option entsprechenden Stelle.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Schauzone der Oberfläche der Unterlage verschiedene Menüs angezeigt werden, und daß die Auswahl des gewünschten Menüs ansprechend darauf erfolgt, daß die Spitze des Geräts in einer vorbestimmten Zone der Arbeitsfläche der Unterlage außerhalb und benachbart zu der Schauzone nachgewiesen wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das angezeigte Menü insbesondere die Auswahl eines Schreibwerkzeug-Typs für den simulierten Einsatz, der Strichstärke dieses Werkzeugs und der Strichfarbe ermöglicht.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das angezeigte Menü die Auswahl einer Zeichnungsbehandlungsfunktion gestattet, die insbesondere ausgewählt wird unter den Funktionen Löschen, Modifizieren, Sichern, Kopieren und Collage.

15. Vorrichtung zum Erfassen und Behandeln graphischer Daten, die repräsentativ sind für einen auf einer Oberfläche einer Unterlage (50) mit Hilfe einer Spitze (20) eines Geräts (10) ausgeführten Linienzug, umfassend:

- mindestens zwei Sender (12, 14) für Ultraschallwellen, die von dem Gerät getragen werden und voneinander in Längsrichtung des Geräts beabstandet sind sowie mit der Spitze des Geräts im wesentlichen ausgerichtet sind,

- eine Spannungsimpulsgeberschaltung (36, 42, 44), die mit den Sendern verbunden ist, um die Emission von Ultraschallimpulszügen zu veranlassen,

- mehrere Ultraschallwellenempfänger (62a, 62b, 62c, 62d, 62e), die bestimmte Positionen bezüglich der Unterlage belegen, derart, daß die von den Sendern des an irgendeinem Punkt auf der Oberfläche befindlichen Geräts abgestrahlten Ultraschallimpulse von mehr als zwei Empfängern empfangen werden,

- Mittel (40) zum Detektieren des auf die Spitze (20) des Geräts (10) ausgeübten Drucks,

- Mittel zum Übertragen einer für den detektierten Druck repräsentativen Information, und

- eine Behandlungsschaltung (60), die mit den Ultraschallwellenempfängern verbunden ist und die Druckinformation empfängt, wobei die Behandlungsschaltung Mittel aufweist für:

- die Messung der Laufzeit der Ultraschallimpulse zwischen jedem der Sender und den Empfängern,

- die Berechnung von Koordinaten (XA, YA; XB, YB) mindestens eines durch die Positionen der beiden von dem Gerät getragenen Sender definierten Vektors mit Hilfe der gemessenen Laufzeit,

- ausgehend von der Berechnung der Koordinaten des Vektors, die Bestimmung der Position (XO, YO) der Spitze des Instruments auf der Unterlage und mindestens einer der zwei Orientierungsinformationen des Geräts, die gebildet werden durch die Neigung (α-β) der Längsrichtung des Geräts bezüglich der Unterlage und die Winkelstellung (θ) des Geräts bezüglich einer Achse, die einen vorbestimmten Winkel bezüglich der Unterlage bildet, und

- als Funktion zumindest einer der Orientierungsinformationen und der Druckinformation, die Bestimmung einer Information über die Breite des Strichs, um einer Information über die Position der Spitze des Geräts eine Information über die Strichgröße für diese Position hinzuzufügen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsimpulsgeberschaltung (36, 42, 44, 46) eine als Funktion des ermittelten Drucks veränderliche Frequenz aufweist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel (106) zum Speichern von Informationen aufweist, die für verschiedene Schreibwerkzeug-Typen eine vorbestimmte Relation zwischen der Strichbreite und mindestens einer der Orientierungsinformationen und der Druckinformation darstellen.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zur Auswahl einer Strichfarbe aufweist, und daß die Behandlungsschaltung (60) Mittel aufweist, um der die Position der Spitze (20) des Geräts (10) repräsentierenden Information eine Information über die Farbe der Linie für diese Position hinzuzufügen.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlungsschaltung Mittel (106) aufweist, um der Information über die Position der Spitze (20) des Geräts (10) eine Information über die Farbe des Limenzugs hinzuzufügen, welche besteht aus:

20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel (106) aufweist, um für zumindest gewisse simulierte Schreibwerkzeug-Typen die Relation zwischen der ausgewählten Farbe des Strichs und der Farbe des Linienzugs entsprechend der ausgewählten Farbe des Strichs mit einer Farbdichte als Funktion des auf die Spitze des Werkzeugs ausgeübten Drucks zu speichern.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel (110) aufweist zur Echtzeit-Anzeige eines Bildes des Linienzugs, indem die Informationen über Position, Strichbreite und Farbe des Linienzugs reproduziert werden.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigemittel eine Vorrichtung (118) zur Rückprojektion auf die Unterlage (50) aufweisen, welche aus durchscheinendem Material hergestellt ist, so daß das Abbild des Linienzugs in Echtzeit unterhalb der Spitze (20) des Geräts (10) erscheint.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfänger (62a, 62b, 62c, 62d, 62e) auf einer gemeinsamen Linie entlang einer Seite der Arbeitsfläche angeordnet sind.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Sender (12, 14) und Empfänger (62a, 62b, 62c, 62d, 62e) der Ultraschallwellen durch Richtungswandler gebildet werden.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß sie aufweist:

mindestens einen Infrarotstrahlensensor (16, 18), der von dem Gerät (10) getragen wird, Mittel (44) zum Anlegen von Infrarotstrahlimpulsen an den Sender synchron mit dem Anlegen von Impulsen an die Ultraschallwellensender (12, 14), und mindestens einen Empfänger (70) für Infrarotstrahlen, der von der Unterlage aufgenommen wird.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei Infrarotstrahlensender (16, 18) aufweist, die parallel geschaltet sind und an zwei einander gegenüberliegenden Stellen des Geräts angeordnet sind.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens einen zusätzlichen Sender und Empfänger für Ultraschallstrahlen (82, 84) aufweist, die sich an vorbestimmten fixen Relativ-Positionen befinden, und daß die Behandlungsschaltung (60) Mittel aufweist, um die Laufzeit von Ultraschallwellen zwischen dem Zusatz-Sender und -Empfänger zu messen und eine Information abzuleiten, die repräsentativ ist für die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen.