TAI-CHI: Tangible Acoustic Interfaces for Computer-Human Interaction

Wolfgang Rolshofen1, Peter Dietz1, Günter Schäfer1 1 Fritz-Süchting-Institut für Maschinenwesen der TU Clausthal, Robert-Koch-Str. 32, 38678 Clausthal-Zellerfeld,

Deutschland, Email: rolshofen@imw.tu-clausthal.de

EinleitungNach der Visualisierung und Spracherkennung mittelsComputer sind Tast- und Kontakttechnologien, die akustischbasieren, die nächste Herausforderung für die Zukunft. Wieein menschlicher Reiz, der Tastsinn, in den Bereich vonComputeranwendungen übertragen wird, untersucht dasForschungsprojekt Tangible Acoustic Interfaces forComputer-Human Interaction (TAI-CHI [1,2]). Die Arbeitenwerden durch die Europäische Union innerhalb des sechstenRahmenprogramms gefördert (IST-2002-507882).Unterschiedliche physikalische Objekte, wie flache oderkomplexe Oberflächen, sollen als Kontaktfläche für eineberührbare Benutzerschnittstelle eingesetzt werden.

MethodenDas Ziel des Projektes ist, eine akustische Schnittstelle zuentwerfen, die eine Verbindung zwischen der realen und dervirtuellen Umwelt durch Berührung herstellt.

Prinzipiell werden zwei Anregungsarten der physikalischenObjekte untersucht. Zum einen handelt es sich um einepassive Methode, wo durch Interaktion (Klopfen, Tastenusw.) ein Gegenstand in Schwingung versetzt wird. Oderandererseits um eine aktive Methode bei der die Absorptionder akustischen Energie an den Berührpunkten einesschwingenden Systems ermittelt wird.

Die unterschiedlichen Bewegungen, die detektiert werdensollen, sind Klopfen, Schlagen, Berühren, Reiben, Kratzenund kontinuierliche Bewegungen auf Festkörpern. Das dabeientstehende Signal wird mit unterschiedlichen Methodenanalysiert. Diese sind die Erfassung der Signal-Laufzeit(time different of arrival), die Zeitumkehr (time reversal)und die Holographie. Jedes Analyseverfahren dient derLokalisierung der Schallquelle auf dem eingesetztenMedium.

Signal-Laufzeit (time different of arrival): Wenn auf einerrechteckigen Platte in den jeweiligen Ecken akustischeSensoren angebracht werden, kann bei bekannterAusbreitungsgeschwindigkeit der Schallwelle der Ort derAnregung durch die Signallaufzeit bestimmt werden (s.Abbildung 1). Es handelt sich um das gebräuchlichsteVerfahren im Zeitbereich, das in seiner Genauigkeit starkvon der Zeiterfassung und den jeweiligen Signalformenabhängt. Der Grund für den Einsatz dieses Prinzips ist dieeinfache Umsetzung bei schnellen und ausreichendenErgebnissen. Allerdings ist der Einfluss von Störgeräuschengroß, so dass auch weitere Verfahren eingesetzt werden.

Abbildung 1: Prinzip der Lokalisierung von akustischenQuellen unter Verwendung der Laufzeiten (T1, T2, T3 undT4) des Signals vom Berührpunkt bis zum jeweiligenSensor. Aufgrund dieser Information kann durch dieSignalbearbeitung die Quellposition P(x,y) bestimmtwerden [1].

Zeitumkehr (time reversal): Die Technik der Zeitumkehrkann nicht nur erfolgreich in der zerstörungsfreienMaterialprüfung eingesetzt werden, sondern auch imhörbaren Frequenzbereich [3]. Das räumlich und zeitlichgespeicherte akustische Wellenfeld enthält Informationenüber den Ort der Quelle und kann auf diesen zurückabgebildet werden. Objekte wie ein Fenster oder ein Tischerzeugen durch Berührung ein akustisches Feld, das mit nureinem Sensor nachweisbar ist (s. Abbildung 2). In Echtzeitkann die Schallquelle lokalisiert werden. Die Impulsantworteines Systems wird für bestimmte Positionen zeitlichumgekehrt (gespiegelt) abgespeichert. Ein durch erneutesBerühren erzeugtes Signal wird mittels Kreuzkorrelation mitden abgespeicherten Spuren verglichen; die maximaleKorrelation ergibt die Position der Anregung.

Abbildung 2: Ein neues Signal G’B(t), welches durchKlopfen auf eine Platte entsteht, wird mit den gespeichertenImpulsantworten (Memory) verglichen. Das Maximum derKorrelationsfunktion zeigt den Ort der Anregung (Bild vonCatheline, S., Ribay, G., LOA).

Holographie: Die Grundidee der optischen Holographieformulierte Gabor [4] schon im Jahre 1948. Es bedurfte abererst weiterer Erfindungen, wie z.B. des Lasers, bis dasPrinzip umgesetzt werden konnte. Notwendig für eineholographische Abbildung sind die Aufnahme einesHologramms und die Bildrekonstruktion (s. Abbildung 3).

Abbildung 3: Die Überlagerung von Objekt- undReferenzstrahl auf einer Fotoplatte erzeugt ein optischesHologramm [5].

Fällt in einem Objektpunkt eine ebene Wellenfront ein, sowird in diesem Punkt eine gebeugte Kugelwelle erzeugt(Huygens-Fresnel-Prinzip), die im Gegensatz zur ursprüng-lichen Referenzwelle als Objektwelle bezeichnet wird.Durch die Überlagerung dieser beiden Wellen lässt sich dieAmplituden- und Phasenverteilung mittels einer Fotoplatteaufzeichnen (s. Abbildung 3). Der große Vorteil derHolographie liegt in dem hohen Informationsgehalt derHologramme, denn aus der zweidimensionalen Oberflächeder Fotoplatte kann das dreidimensionale Wellenfeldrekonstruiert werden. Ursache dafür ist die gespeichertePhaseninformation [6].

In der Akustischen Nahfeld Holographie (Nearfield AcousticHolography, NAH) wird das zweidimensionale Schall-druckfeld aufgezeichnet und dazu verwendet, dass z.B. dasdreidimensionale Schalldruckfeld bestimmt werden kann [7].

Ein mathematisches Modell des Huygens-Fresnel-Prinzipslässt sich aus der Rayleigh-Sommerfeld-Beugungsformelherleiten, da diese dem Faltungsintegral entspricht. Wegendes Faltungssatzes ist die Faltung im Fourierraum eineMultiplikation. Durch die analytische Berechnung derTransferfunktion (Greensche Funktion) lässt sich nun dieWellenausbreitung zwischen unterschiedlichen Ebenen(Hologramm- und Bildebene) berechnen [8] und darstellen(s. Abbildung 4).

Partner und ZielDie einzelnen Partner des TAI-CHI Projektes sind dieUniversity of Wales Cardiff (UWC), das Center forEngineering and Technology Transfer (CeTT), dieUniversita Degli Studi di Genova (DIST), das LaboratoireOndes et Acoustique (LOA), die University of Birmingham

(BHAM), die Politecnico di Milano (PoliMi) und dieTechnische Universität Clausthal (TUC). Ausgehend vonden dargestellten Lokalisierungsverfahren werden weitereAnsätze in der Signalbearbeitung untersucht, damit einPrototyp entsteht, der mittels akustischer Signale Maschinensteuern kann.

Abbildung 4: Holographische Beschreibung derAmplitudenverteilung nach dem Klopfen auf eineMetallplatte an der Quellposition.

Literatur [1] TAI-CHI Konsortium: Technical Annex of the project.Vertragsdokument, 2004

[2] Reference to the TAI-CHI homepage. URL:http://www.taichi.cf.ac.uk/

[3] Ing, R. K., Quieffin, N., Catheline, S. and Fink, M.: Timereversal interactive objects. JASA 115, 5 (2004), 2589

[4] Gabor, D.: A new microscopic principle. Nature, 161(1948), 777-778

[5] Reference to MIT Museum´s Holography homepage: eyeon holography. URL:http://www.mit.edu/~sdh/holography/eoh/index.html

[6] Roye, W.: Beitrag zur Weiterentwicklung derakustischen Holografie beim Einsatz in der Materialprüfung.VDI-Verlag, Reihe 5: Grund- und Werkstoffe, Nr. 117, 1987

[7] Maynard, J., Williams, E. und Lee, Y.: Nearfield acousticholography: I. Theory of generalized holography and thedevelopment of NAH. JASA, 78, 4 (1985), 1395-1413

[8] Williams, E.: Fourier Acoustics- Sound Radiation andNearfield Acoustic Holography. Academic Press, 1999