Funktionsweise moderner Eingabegeräte

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Dies ist eine Informationsseite mit weiterführenden Fragen, mit denen du testen kannst, wie gut du die Themen verstanden hast. Sie richtet sich an Interessierte ab 10 Jahren.

Inhaltsverzeichnis

Die Maus: Du weißt schon, wie sie funktioniert?

Arbeitsauftrag: Informiere dich in den drei Absätzen, wie die verschiedenen Computermäuse funktionieren und wo deren Vor- und Nachteile liegen! Nachdem du das alles im Kopf hast, kannst du dich testen, indem du das Quiz bearbeitest. Es gibt dir zusätzlich noch weitere Informationen zu den technischen Hintergründen der Mausarten.

Kugelmaus

1. Mauskugel
2. durchlöcherte Rädchen
3. Lichtquelle der Lichtschranke
4. Taster
5. Empfänger der Lichtschranke
Zur Bestimmung der Drehrichtung eines Mausrädchens

Die Handbewegungen werden über eine Gummikugel in den PC gebracht. Diese Gummikugel schaut auf der Unterseite der Maus heraus um Kontakt mit der Areitsfläche zu haben. Mithilfe von durchlöcherten Rädchen, die die Kugel im Inneren der Maus direkt berühren, kann man die Bewegungen der Maus für den Computer verständlich machen. Das funktioniert mithilfe von Lichtschranken.

So funktioniert eine Einweg-Lichtschranke: Kinder Uni im Netz

Unsere Lichtschranke kann nun also:

  • "geöffnet" (Ein Loch des Rädchens befindet sich zwischen Sender und Empfänger) oder
  • "gesperrt" (kein Loch, Sensor bekommt kein Licht ab) sein.

Aus dieser Information ist es möglich die Drehgeschwindigkeit zu errechnen: Man misst, wie oft sich die Signale ("Es fließt ein Strom" und "Es fließt kein Strom") in kurzer Zeit abwechseln; je öfter, desto schneller ist die Maus unterwegs!

Gut, nun wissen wir schon einmal, wie schnell sich der Zeiger bewegt. Wie können wir jetzt noch herausfinden, in welche Richtung er sich bewegt? Da sich ein Rädchen nur in zwei Richtungen bewegen kann, benötigen wir erst einmal zwei Rädchen: eines für "links-rechts" und ein weiteres für "hoch-runter".

Jetzt haben wir aber noch ein Problem zu bewältigen: Woher soll der Computer wissen, ob wir denn nun "nach oben" oder "nach unten", "nach links" oder "nach rechts" gehen? Doch lieber vier Rädchen? Nein, mithilfe von zwei Lichtschranken pro Rädchen ist es möglich zu bestimmen, in welche Richtung (Uhrzeigersinn oder Gegenuhrzeigersinn) sich ein Rädchen dreht. Und zwar kann man diese so geschickt anordnen, dass die Drehrichtung eindeutig bestimmt werden kann: Wenn die eine Lichtschranke genau in der Mitte eines Loches steht, dann muss die andere halb "geöffnet" und halb "gesperrt" sein. Ein Beispiel siehst du im rechten Bild:

  • Die roten und grünen Punkte stellen die Lichtschranken dar. Wenn mindestens die Hälfte des Sensors mit Licht beschienen wird, ist sie "geöffnet"(grüner Punkt) ansonsten "gesperrt"(roter Punkt).
  • Die obere Reihe von Teilbildern zeigt eine Drehung mit dem Uhrzeigersinn, die untere eine dagegen.
  • Die ersten beiden Teilbilder(1.1, 1.2) und die letzen beiden(3.1, 3.2) sind jeweils gleich. Aber an den mittleren Teilbildern sieht man einen Unterschied.
  • Durch diesen Unterschied kann man die Drehrichtung eindeutig bestimmen.


Optische Maus

Ein sehr schönes Video mit allen Infos zur optischen Maus aus der Sendung Kopfball des Westdeutschen Rundfunks findest du hier: Kopfball


Lasermaus

Der folgende Artikel ist anspruchsvoll geschrieben. Dennoch kann man auch ohne Vorwissen die Unterschiede zwischen optischen Mäusen und der Lasermaus herauslesen. Die ersten fünf Absätze vergleichen optische und Lasermäuse: Welt der Physik.

Damit du den Artikel leichter verstehst, hier ein paar Fachbegriffe:

  • LED-Maus: entspricht einer optischen Maus
  • Reflexion/Reflektieren: Lichtstrahlen(in diesem Fall Laserstrahlen), die auf sehr glatte Objekten auftreffen, werden in eine Richtung weitergeleitet(hier werden sie genau in den Sensor reflektiert)
  • Nanometer: ein milliardstel Meter(winzig klein)


Quiz zu den Mausarten

Mehrere Antworten können richtig sein!

1. Wie viele Rädchen benötigt man in der Kugelmaus?

1
2
Der Bildschirm ist eine ebene Fläche. Diese kann man durch zwei Dimensionen ausdrücken: nach oben/unten; nach links/rechts. Also zwei Rädchen.
3
4

2. Welche Maus würdest du bei einer verschmutzten Umgebung unter keinen Umständen benutzen?

Lasermaus
Kugelmaus
Natürlich sollte man keine Maus in einer dreckigen Umgebung benutzen, bei der Kugelmaus wäre dies aber besonders schlimm. Die Kugel würde den Dreck in das Gehäuse transportieren und sie womöglich unbrauchbar machen.
Optische Maus

3. Du möchtest eine Glasplatte als Mausunterlage benutzen, da deine Optische Maus gut darauf rutscht. Was könnte passieren?

Die Oberfläche ist so glatt, dass du deine Maus nicht mehr im Griff hast.
Deine Maus bewegt sich zwar, dein Mauszeiger aber nicht.
Wenn du eine bunte Tischauflage unter die Glasplatte legst, bewegt sich dein Zeiger. Allerdings ungenau und mit Aussetzern.

4. Du bist zu träge, um an den Schreibtisch zu gehen und versuchst, deinen PC vom Bett aus zu benutzen. Deine Maus hast du auf deiner einfarbigen Matratze.

Du bist froh, dass du eine Kugelmaus hast. Du siehst zumindest Bewegungen deines Zeigers.
Nicht wirklich: Die unebene Fläche macht es schwer für die Kugel Kontakt zum Bett zu halten.
Deine Optische Maus funktioniert tadellos.
Da deine Matratze keine Farbwechsel hat macht es das schwierig für die Kamera den Untergrund zu unterscheiden. Da die Oberfläche allerdings sehr rau ist und dadurch wechselnde Bilder für die Kamera entstehen, ist diese bedingt funktionsfähig. Ähnlich der Kugelmaus.
Deine Lasermaus funktioniert überhaupt nicht.

Punkte: 0 / 0

Bewegungssteuerung: Kennt doch jeder...

Beschleunigungs-Sensoren (G-Sensoren)

So funktioniert das Prinzip

Auf der rechten Seite siehst du ein einfaches Federpendel, das immer wieder angestoßen wird. Wärst du überrascht, wenn man dir sagen würde, dass die moderne Bewegunssteuerung solche Federpendel benutzt? Nein? Ok. Vielleicht kannst du dann auch schon die Antwort auf die folgende Frage geben. Wir gehen ihr trotzdem genauer nach: Wie viele dieser auslenkbaren Pendel braucht man um die Bewegung eines Objektes beschreiben zu können?

Physikalischer Einschub: Gegenstände ändern ihre Bewegung nicht von alleine. Sie bleiben gerne an dem Ort an dem sie sich befinden oder bewegen sich einfach so weiter wie sie es gerade tun. Aus Erfahrung weißt du, dass man die Bewegung eines Gegenstandes ganz leicht ändern kann, indem man ihn zum Beispiel anschubst(Kugel) oder hinter sich herzieht(Rollwagen). Für beide Aktionen musst du eine Kraft aufbringen. Der Gegenstand möchte seine Bewegung, wie gesagt, eigentlich nicht ändern.

Für unsere Bewegungssteuerung kommt hier unser Federpendel wieder ins Spiel! Unser Federpendel hat eine Messvorrichtung, die es ihm erlaubt die Kraft zu messen, welche durch die Feder auf den Gegenstand ausgeübt wird. Wir können diese Kräfte als eine "Dehnung"(wenn wir die Aufhängung nach oben ziehen) oder "Stauchung"(die Aufhängung geht dem Gegenstand entgegen) der Feder sehen.

Drei Fliegen mit einer Klappe! Wieso? Nun ja, das heißt nun für uns, dass wir für die Bewegungen "nach oben"(Feder dehnt sich->Kraft wird größer), "nach unten"(Feder staucht zusammen->Kraft wird kleiner) und "bleibt auf der gleichen Höhe"(Feder bleibt gleich lang->Kraft bleibt auch gleich) nur ein einziges Federpendel benötigen!

Um alle Bewegungsrichtungen im Raum beschreiben zu können, fehlen uns dann aber doch noch zwei Federpendel. Zusammen macht das jeweils ein Federpendel für:

  • "nach oben" und "nach unten"
  • "nach vorne" und "nach hinten"
  • "nach links" und "nach rechts"
     Das sind die drei Raumdimensionen in denen wir uns unsere alltägliche Welt vorstellen und in denen sich Objekte bewegen können!
Einfaches Federpendel
Anschauen kannst du dir ein Modell, das in allen Raumrichtungen misst, in folgendem Video ab der Stelle 0m43s bis 1m10s: [1] (Englisches Video mit deutschen Untertiteln).

Weiterführendes

Achtung: Hier benötigst du Vorwissen über das elektronische Bauteil Kondensator!

Um noch Genaueres über die Umsetzung einer solchen Messvorrichtung in der Mikroelektronik zu erfahren, schau dir die letzten zwei Absätze("Aufbau eines MEMS-Beschleunigungssensors" und "Funktionsweise eines MEMS-Beschleunigungssensors") auf folgender Seite an Elektronik Kompendium und das Video von oben ab 1m10s.
Größenvergleich zwischen einer Milbe und einem Mikrosystem
Solch einen Bewegunssensor nennt man auch mikroelektromechanisches System, da er mikroskopisch klein gebaut werden kann. Schau dir die Zahnräder im Bild rechts an!
 

 



Übung

Zuordnung

Mache dich mit den Vor- und Nachteilen vertraut und sortiere sie ein.

Vorteil als Eingabegerät selbsterklärend: die Bewegung im dreidimensionalen ist für uns Alltag für Jung und Alt: reagiert sehr sensibel aber natürlich sehr genau günstige Technik: in großen Mengen hergestellt sind Mikrosysteme Centartikel
Nachteil als Eingabegerät benötigt viel Bewegungsfreiheit
Beides längerer Gebrauch strengt an/ist Sport

Anwendung

1. Bei welcher Anwendung macht die Bewegunssteuerung wenig Sinn?

Als Spielecontroller
Navigation durch dreidimensionale Computermodelle
In Sicherheitssystemen(Auto(Crashtests Airbagauslösung)
Als Computermaus
Die Bewegungssteuerung kommt erst im dreidimensionalen Raum völlig zur Geltung. Als Computermaus reichen allerdings zwei Dimensionen.
Flugzeug und Helikopter
Messtechnik

Punkte: 0 / 0

Tracking: Überall zu finden

Tracking kommt überall dort zum Einsatz, wo die Position eines bestimmten Objektes ermittelt werden soll. Im Gegensatz zur obengenannten Bewegungssteuerung ist das Tracking nur in einem begrenzten Spielraum anwendbar. Das Touchpad Beispielsweise nimmt Eingaben nur wahr, wenn man mit dem Finger auf ihm bleibt. Microsoft's Kinect ist eine stationäre Kamera, die nur in ihrer nahen Umgebung Objekte wahr nimmt.

Touchpad und Touchscreen

Kapazitiv

Video (Sendung mit der Maus):

Resisitiv

1.Glasscheibe
2.Widerstandsbeschichtung
3.Micro-Isolatoren
4.leitfähige Membran

Der resistive Touchscreen wird aktuell vor allem in der Industrie benutzt. Seine Technik beruht auf zwei voneinander elektrisch getrennten(isolierten) Schichten. Durch beide Schichten fließt abwechselnd ein kleiner elektrische Strom. Bei der einen Schicht von links nach rechts, bei der anderen von oben nach unten.

Drückt man nun auf die obere Schicht, berühren sich beide Schichten und ein elektrischer Widerstand entsteht. Das heißt, genau an dieser Stelle ist es schwieriger für den Strom zu fließen. Eine Messvorrichtung kann feststellen, wie weit vom Rand dieser Widerstand entfernt ist. Das geschieht bei beiden Schichten, wie oben schon gesagt, abwechselnd in Millisekunden. Da wir auch hier(wie bei der Maus) nur in zwei Dimensionen arbeiten, reichen uns diese zwei Informationen um genau feststellen zu können, wo sich die Berührungsstelle befindet.

Die obere Schicht ist von noch von einer Plastikschicht überzogen, damit sie nicht so schnell beschädigt wird und die Bestimmung des Punktes nicht beeinflusst wird.

Vergleich der resistiven gegenüber der kapazitiven Technik

Resisitiv
  • +Dadurch, dass man keine einzelnen Leiterbahnen hat, sondern eine durchgehende Berührungsfläche, kann die resistive mit weniger Aufwand genauer messen.
  • +Reagiert auf jede Art von Druck, sei es ein Fingerdruck oder die Berührung eines Stifts
  • +Unempfindlich gegen Staub, Fett oder Wasser auf der Monitoroberfläche.
  • -Die Schichten an sich sind sehr empfindlich und müssen geschützt werden.
  • -Die Schutzschicht muss flexibel sein, damit ein Druckpunkt entstehen kann. Durch den Kontakt mit spitzen Gegenständen können darauf leider leicht Kratzer und sogar tiefe Kerben entstehen. Allerdings sollte die Lebensdauer nicht unterschätzt werden(Nintendo DS).
  • +Günstiger herzustellen
Kapazitiv
  • +Benötigt keine extra Schutzschicht. Das Bild des Bildschirms bleibt unverändert und unverdunkelt.
  • +Multitouchfähig: Registriert mehrere Berührungen auf einmal.
  • +Schnellere Informationsverarbeitung
  • -Wesentlich teurer
  • -Benötigt Finger oder spezielle Stifte zur Eingabe

Testfrage

1. Resisitiv: Unempfindlich gegen Staub, Fett oder Wasser auf der Monitoroberfläche. Warum?

Die Schutzschicht schützt die Technik.
Die kapazitiven Touchscreens sind auch geschützt. Zum Beispiel durch eine Glasplatte.
Die Technik beruht auf Druck, nicht auf Berührung.
Ist der Touchscreen verschmutzt funktioniert er trotzdem noch, wenn man darauf drückt. Beim kapazitiven kann es dazu kommen, dass er den Schmutz als Berührung erkennt.

Punkte: 0 / 0


Interaktives Whiteboard

Whiteboards gibt es in verschiedenen Ausführungen und Techniken. Man kann zum Beispiel auch welche mit den zwei Techniken "resistiv" und "kapazitiv", die wir schon von den Touchscreens kennen, bauen. Hier sollt ihr euch mit zwei weiteren der verbreitesten Techniken vertraut machen:

  • Elektromagnetische Boards
  • Trigonometrische Boards

Achtung: Für diese Aufgabe benötigst du ein Programm, das PDF-Dateien anzeigen kann!

Die Informationen, die du für diese Aufgabe benötigst, findest du in diesem Dokument auf den Seiten 8,9 und 10: e-teaching

Lückentext

Bei elektromagnetischen Boards dient der batteriebetriebene Eingabestift als Elektromagnet. Ein großer Vorteil elektromagnetischer Technik ist wiederum die Auswertung verschiedener Schalterzustände des Stiftes, so dass ein schwebender Mauszeiger zur Verfügung steht. Ebenso in Bezug auf ihre Robustheit sind elektromagnetische Boards den analog resistiven überlegen, [...].

Trigonometrische Boards beruhen auf der Technik von Ultraschall und Infrarot. Abgesehen vom integrierten Sensor besitzt ein trigonometrisches Board keinerlei technische Funktion.


Spielekonsolen

Nintendo Wii

Infrarotsensor
Sensorleiste

Nintendos Spielekonsole "Wii" hat die Bewegungssteuerung erst so richtig populär gemacht, heißt es immer. Die Bewegungssteuerung? Das Thema hatten wir doch oben schon... . Ja, stimmt und darum soll es nun auch nicht mehr gehen! In dem "Wiimote" genannten Controller stecken nämlich nicht nur Bewegungssensoren, sondern auch ein Infrarotsensor!

Was ist Infrarot: Infrarot ist eine Form von der Strahlung, die unserem sichtbaren Licht ganz ähnlich ist. Sie ist einfach nur so schwach, dass unser Auge sie nicht mehr wahrnemhmen kann. Es gibt aber elektronische Bauteile die das "Sehen" dieser Strahlung für uns übernehmen können. Auch Wärmestrahlung ist Infrarot-Strahlung. Das heißt auch die Sonne strahlt im infraroten Bereich!

Dieser Sensor sitzt ganz vorne in unserem Controller und erfasst somit den Bereich auf den wir zeigen. Was bringt uns das jetzt? Einen enorm großen Vorteil! Das ermöglicht uns nun, der Konsole zu sagen, wo genau sich der Controller im Raum befindet. Und das funktioniert so:

Mit der Konsole wird nicht nur der Controller und sämtliche Anschlusskabel mitgeliefert, sondern auch die "Sensorleiste"(Achtung Verwirrungsgefahr: Der Sensor steckt tatsächlich im Controller, nicht in der "Sensorleiste"). Dieses Hilfsmittel hat nichts Aufregenderes in seinem Inneren als mehrere einfache Infrarotsender. Aber mehr brauchen wir auch nicht. Theoretisch würden uns sogar schon zwei Sender reichen.

Wir stellen uns vor, die "Sensorleiste" liegt gerade auf einem Tisch und die Wiimote ist direkt auf sie gerichtet. Je näher man der "Sensorleiste" kommt, desto größer "sieht" die Wiimote die Infrarotsender an den Enden der "Sensorleiste"(dargestellt durch die drei ineinander verschränkten roten Punkte). Und je nachdem, wie man die Wiimote dreht, ergibt sich ein anderes Bild für den Infrarotsensor. So kann der Controller ganz genau sagen, wie er zur "Sensorleiste" ausgerichtet ist und in welcher Entfernung er sich befindet. Die Information, ob er auf dem Kopf steht oder richtig herum ist, bekommen wir durch die Bewegungssensoren von oben. Natürlich würde der Sensor auch erkennen, wenn er schräg an der "Sensorleiste" vorbei zeigen würden.

Nah an der Sensorleiste
Weiter entfernt von der Sensorleiste
Liegt auf der Seite
Zeigt schräg links vorbei

Playstation Move

Bei Playstation ist man ähnlich vorgegangen wie bei Nintendo. Die "Move" genannte Bewegungssteuerung besteht auch aus zwei Komponenten. Allerdings ist hier nicht nur der Controller für die Eingaben zuständig, sondern in gleichem Maße eine Kamera, das "Eye". Genau wie bei der "Wiimote" besitzt der "Move"-Controller Bewegungssensoren. Wo er sich im Raum befindet, stellt er aber nicht selbst fest. Das Playstation-"Eye" nimmt hier nämlich den Controller wahr. Und zwar besser gesagt, die leuchtende Kugel an seinem Ende! Was hier auch noch anders ist, ist dass man hier im Gegensatz zur Infrarot-Strahlung der "Sensorleiste" von Nintendo "sichtbares Licht" verwendet, also Licht, dass unsere Augen auch sehen können.

Jetzt kann man sich vorstellen, dass das vielleicht Probleme macht, wenn ich nun mit einem grünen T-Shirt spiele und meine leuchtende Kugel ist ebenfalls grün. Genauso ist es auch! Deswegen schaut sich das "Eye" erst einmal die Umgebung an und sagt dem Controller dann, welche Farbe er annehmen soll, damit es ihn besser sieht. Raffiniert nicht wahr?

Microsoft Kinect

Microsoft bildet mit "Kinect" das Hightech-Segment. Man benötigt absolut keinen Controller mehr in der Hand und die Konsole weiß trotzdem bescheid wie du dich bewegst und wo du stehst. Diese Form des Trackings beruht auf einem hochauflösenden 3D-Infrarot-Kamera-System, das Bewegungen von zwei Personen wahrnehmen kann.

Schon wieder Infrarot? Ja! Allerdings läuft das hier etwas komplizierter ab als bei Nintendo. Im Gehäuse der "Kinect" befindet sich ein Infrarotstrahler, der den ganzen Raum mit für uns nicht sichtbaren Punkten beleuchtet. Wie das mit einer Infrarot-Kamera aussieht siehst du im Video.

Neben dem Infrarotstrahler befindet sich ein Infrarotsensor. Dieser Sensor (ähnlich dem der Wii-"Sensorleiste") erkennt die Punkte im Raum und kann unterscheidene wie weit ein Punkt entfernt ist und verzerrt (auf unebenen Gegenständen) ist. Aus diesen Informationen kann die Spielekonsole dann errechnen, wie dein Zimmer als 3D-Modell aussieht.

Aber eigentlich geht es ja nur um die Spieler. Jetzt haben wir also ein dreidimensionales Bild von uns und unserem Mitspieler in unserem Zimmer. Problem ist noch, dass der Infrarotsensor keine Farben wahrnehmen kann und uns nur als Polygon aus 20 Punkten sieht. "Kinect" könnte uns also ganz schlecht von unserem Mitspieler unterscheiden. Deswegen hat es noch eine normale Farbkamera eingebaut, damit kann es unterscheiden ob wir das mit dem grünen T-Shirt sind oder unser Mitspieler.

Quiz

1. Im Sommer kommt es bei allen drei Konsolen öfter zu falschen Eingaben. Warum?

Die starke Sonne stört die Sensoren.
Die Sonne sendet sowohl sichtbares Licht als auch Infrarotstrahlung aus. Die Sensoren können nicht mehr richtig unterscheiden woher das Signal denn nun kommt. Sonne oder Sender?
Durch hohe Temperaturen ist der Übertragungsweg von Sender zu Sensor gestört.
Da du lieber draußen spielst, macht sich dein Controller selbstständig und spielt verrückt.
Das ist natürlich Quatsch, aber im Freien etwas zu unternehmen ist bei schönem Wetter doch immer noch am besten!

2. Wieso benutzt man bei der 'Wiimote' und der 'Move' Bewegungssteuerung und Tracking?

Die Eingaben der Bewegungssteuerung können durch die genaueren Eingaben des Tracking 'geglättet' werden.
Das Zusammenspiel der beiden Techniken ermöglicht sehr viel genauere und ruhigere Bewegungen auf den Bildschirm.
Die Bewegungssensoren werden durch die absolute Positionsbestimmung im Raum erst richtig eingestellt.

Punkte: 0 / 0


Ab hier gibt es keine Tests mehr. Falls du dich aber dafür interessiert, habe ich noch zwei weitere interessante Videos zu Techniken des Tracking angefügt. Vielen Dank, dass du diese Seite besucht hast und ich hoffe du könntest Einiges mitnehmen! Viel Spaß weiterhin!


Motion Capture

Video: http://www.youtube.com/watch?v=DaOAZA0xSMY


Eyetracking

Video (eng.): http://cnettv.cnet.com/eye-tracking-input-tech-future/9742-1_53-50146809.html


Quellen

1 Die Maus: Du weißt schon wie sie funktioniert?

2 Bewegungssteuerung: Kennt doch jeder...

3 Tracking: Überall zu finden