Quo vadis, Bedienschnittstelle?

Mechanische Schalter sind nicht besonders zuverlässig, außerdem müssen sie sorgfältig gegen Umwelteinflüsse geschützt werden. Elektrische Bedienelemente, etwa kapazitive oder resistive Displays, kennen zwar viele Probleme mechanischer Schalter nicht, aber der Nutzer muss sie zu ihrer Bedienung berühren. Optische Sensoren hingegen haben bezüglich Zuverlässigkeit und mechanischer Komplexität prinzipielle Vorteile und sie reagieren vor allem ohne Berührung.

Optische Näherungssensoren beispielsweise findet man in einfachen Anwendungen wie etwa Wasserhähnen oder Seifenspendern, das wahre Potenzial für optische Sensoren liegt aber in der Erkennung von Gesten des Nutzers. Gestenerkennung reduziert die Komplexität des Systems und erhöht dennoch die Funktionalität.

Was eine gute Benutzerschnittstelle ausmacht

Eine zweckmäßige Benutzerschnittstelle muss intuitiv, zuverlässig und vielseitig sein. Als intuitiv wird eine Bedienung dann empfunden, wenn eine Bewegung, die eine Funktion auslöst, im gewohnten Umfeld des Bedieners die gleiche Funktion bewirkt. Beispielsweise eine Wischbewegung, mit der man auf dem Display eine Seite umblättert. Mit der gleichen Bewegung blättert man in einem Buch eine Seite um.

Bild 1: Das Smartphone wird dank Gestensensor auch mit Handschuhen bedienbar.AMS

Ein intuitiv bedienbarer Gestensensor muss vor allem zuverlässig auf eine ganz bestimmte physische Bewegung reagieren, die in einem definierten Erfassungsbereich stattfindet. Der Anwender sollte dabei klar erkennen können, dass er sich im Erfassungsbereich des Sensors befindet. Aktive Gestensensoren beispielsweise senden Impulse aus und messen das reflektierte Signal. Nur innerhalb eines definierten Blickfeldes und einer begrenzten Reichweite löst eine bestimmte Geste des Nutzers eine Funktion aus. Die gleiche Geste außerhalb dieses Bereiches ignoriert der Sensor. Sobald der Anwender diesen Bereich ausgelotet hat, ist es ihm möglich, mit der Bedienung intuitiv richtig umzugehen, und da dieser Erfassungsbereich konstant und begrenzt ist, können Gestensensoren eine zuverlässige und quasi hundertprozentige Erkennungsrate erreichen.

Mehr als nur ein Näherungssensor

Eine gute Gestensteuerung bietet dem Nutzer nicht nur alle gewünschten Steuermöglichkeiten, sondern darüber hinaus auch weitere Steuerfunktionen. Der herkömmliche Näherungssensor erkennt, ob ein Objekt im Erfassungsbereich ist oder nicht, und erlaubt einem System, eine Funktion ein- oder auszuschalten, wie beispielsweise einen automatischen Wasserhahn zu öffnen und zu schließen oder eine Beleuchtung ein- und auszuschalten.

Bild 2: Der Gestensensor kann zwei, vier oder acht Richtungen erkennen.AMS

Ein Gestensensor ermöglicht diesbezüglich mehr, denn er liefert dem System zusätzlich Informationen über die Richtung der Bewegung des Nutzers. Die Erkennung von zwei Richtungen (links/rechts oder auf/ab) kann beispielsweise für Funktionen wie Lautstärkeregelung oder Umblättern verwendet werden. Mit dem gleichen Typ Sensor lassen sich aber auch vier oder acht Richtungen erkennen und damit komplexere Funktionen realisieren, wie etwa den Wechsel von Musikstücken auf einem Abspielgerät oder die Sendereinstellung an einem Radiogerät. Jenseits von acht fixen Richtungen ist auch der Winkel einer Bewegung als Steuerinformation nutzbar (Bild 2).

Erkennung einer Bewegung in beliebigem Winkel.AMS

So ist es dem Anwender beispielsweise möglich, ein 2D- oder 3D-Bild auf einem Display mit der gleichen Bewegung in eine beliebige Richtung zu bewegen, mit der er ein vergleichbares 2D- oder 3D-Objekt mit seinen Händen bewegen würde.

Hoher Leistungsstand

Damit ein aktiver Gestensensor in der Praxis zuverlässig einsetzbar ist, sollte er die Bewegung eines Fingers oder einer Hand in einem Abstand von 10 bis 20 cm erkennen und dafür möglichst wenig Strom verbrauchen. Eine wesentliche Rolle für den Erfassungsbereich und die Leistungsaufnahme spielen der Emissionswirkungsgrad und das Signal-Rauschverhältnis des Sensors. Gestensensoren sind inzwischen sehr rauscharm, sodass sie den nötigen Arbeitsabstand von 10 bis 20 cm mit einer durchschnittlichen Stromaufnahme von 5 mA oder weniger realisieren.

Neueste Sensoren wie der TMG3992 von AMS begnügen sich sogar mit nur der Hälfte der Stromaufnahme. Dazu besitzt dieser Sensor zwei Betriebsarten und arbeitet sowohl als Näherungssensor als auch als Gestensensor. Solange sich kein Objekt im Erfassungsbereich befindet, geht der TMG3992 in den Monitor-Mode, der nur halb so viel Strom verbraucht. Sobald der Sensor die Hand im Erfassungsbereich erkennt, erhöht er automatisch seine Empfindlichkeit, um während der Gesteneingabe ein hohes Signal-Rauschverhältnis zu erreichen. Nachdem ein Anwender aber nur in einem kleinen Teil der Zeit Gesten ausführt (typischerweise in weniger als zehn Prozent der Zeit), verbringt der TMG3992 den überwiegenden Teil der Zeit im Stromsparmodus, was die Leistungsaufnahme um bis zu 50 Prozent reduziert.

Einfacher Einsatz

Die neuen Gestensensoren sind vielversprechende Werkzeuge für Anwender, und für Produktdesigner sind sie praktisch, weil sie einfach einzusetzen sind. Die meisten elektronischen Geräte arbeiten ohnehin mit Mikroprozessoren und dem I²C-Bus, über die man die Gestensensoren einfach ansprechen kann. Gestensensoren wie der TMG3992 verfügen über vollfunktionale digitale I²C-Schnittstellen und beanspruchen keine signifikante Prozessorleistung oder Speicherbandbreite. Sie arbeiten mittels Interrupts, sodass das System nur dann mit dem Sensor zu interagieren braucht, wenn dieser eine Geste erkannt hat. Polling (zyklische Abfrage) hingegen kostet Prozessorleistung und Strom. Zusätzlich stehen für diese Sensoren fertige Referenzprogramme und Treiber zur Verfügung, wodurch Anwendungen mit Gesten in zwei und vier Richtungen völlig unkompliziert zu realisieren sind. Auch der mechanische Aufbau ist einfach, denn der Sensor arbeitet hinter Glas oder Kunststoff, sofern diese Materialien für Infrarotlicht durchlässig sind. Viele elektronische Geräte sind in Gehäuse eingebaut, für die diese Bedingung bereits erfüllt ist. Wenn nicht, kann man entsprechende Gehäusematerialien ohne großen Aufwand nachrüsten.

Neue Optionen bei der Bedienung

Für viele Anwendungsfälle eignen sich bestimmte Steuerelemente oder Displays nicht. So lassen sich Maschinen mit normalen Handschuhen nicht besonders feinfühlig bedienen, und kapazitive Touchscreens funktionieren mit den meisten Handschuhen nicht, also braucht ein Nutzer Spezialhandschuhe, wenn er damit ein Display bedienen soll. Da Gestensensoren dieser Einschränkung nicht unterliegen, gibt es für diese Technologie viele Anwendungen, etwa im Baugewerbe, in der Chemieindustrie, in Reinräumen, aber auch in der Freizeit und beim Sport. So kann beispielsweise ein Skifahrer seine Helmkamera oder sein Smartphone ganz leicht auch mit Handschuhen bedienen.

Weitere Möglichkeiten bieten sich unter Wasser, wo Touchscreens nicht funktionieren, Gestensensoren aber sehr wohl. Da Wasser allerdings Infrarotlicht schwächt, hat man entweder einen kleineren Erfassungsbereich oder muss mit einer höheren Leistungsaufnahme leben. Verglichen mit den Vorteilen sind diese Nachteile weitgehend vernachlässigbar. Mit einem kleinen Gestensensor wie dem TMS3992 von AMS kann man beispielsweise die Bedienung einer Unterwasserkamera erheblich vereinfachen. Der TMS3992 ersetzt dabei mehrere mechanische Tasten und man erhält mit ihm eine kleinere, zuverlässigere Bedienschnittstelle.

Auch bei Smartphones, die meist schon relativ komfortable Bedienschnittstellen haben, gibt es Situationen, in denen eine berührungslose Bedienung wünschenswert wäre, wie etwa beim Kochen oder beim Sport. Mit einer Gestensteuerung könnte der Anwender eine Menge Funktionen auslösen, beispielsweise E-Mails abfragen, durch empfangene Meldungen blättern, einen Anruf annehmen, Apps öffnen und ähnliches. Einige Smartphones bieten schon berührungslose Bedienung über einen Näherungssensor, dies ist aber nur auf eine Funktion beschränkt und man muss dann doch das Display berühren. Mit Gestensensoren lässt sich die Bedienung komplett berührungslos gestalten.

Vollständig berührungslos steuerbares Bedienpult.AMS

Auch zuhause und im Büro erleichtern Gestensensoren dem Anwender das Leben. Mit einem Vier-Richtungssensor ließen sich in einem berührungslosen Lichtschalter die Funktionen Ein, Aus und Dimmen integrieren und ein vergleichbarer Gestensensor in einem Thermostat könnte berührungslos Temperatur und Betriebsarten einstellen.

Des Weiteren würden berührungslos bedienbare Sensoren die Verbreitung von Keimen über Gegenstände, die von Personen berührt werden, eindämmen. Auf Flughäfen ist deshalb oft der Eingang zu den Toiletten mit versetzten Durchgängen versehen, um Türen zu vermeiden und trotzdem Sichtschutz zu gewähren. Das kostet jedoch Fläche, die sich mit einem Gestensensor sinnvoller nutzen ließe. Sensoren außen und innen an der Toilettentür würden diese mit einer einfachen Handbewegung nach unten öffnen, so wie man auch eine Türklinke durch eine Bewegung nach unten betätigt. Der Gestensensor hat gegenüber einem reinen Näherungssensor einen klaren Vorteil, weil zum Öffnen der Tür eine bestimmte Bewegung in einer bestimmte Entfernung erfolgen muss. Ein reiner Näherungssensor würde die Türe bereits öffnen, wenn eine Person an ihr vorübergeht.

In der Öffentlichkeit ist Hygiene wichtig, in einem medizinischen Umfeld ist sie jedoch entscheidend für die Gesundheit und Sicherheit von Patienten und Mitarbeitern. In Praxen und Krankenhäusern gibt es viele Geräte, die bedient werden müssen. Mit eingebauten Gestensensoren bräuchte das medizinische Personal keine Oberflächen berühren, die auch andere Personen berühren. Besonders im nichtsterilen medizinischen Umfeld herrscht oft erheblicher Personenverkehr von Patienten, Ärzten, Pflegepersonal und Besuchern. Jede einzelne Stelle, an der in Krankenhäusern eine Berührung eingespart wird, reduziert das Risiko einer Infektion und deren Weiterverbreitung.

Auf das richtige Maß kommt es an

Für einen Produktdesigner vereinfachen diese Gestensensoren das Systemdesign und ermöglichen mehr Steuermöglichkeiten durch den Nutzer. Für den Nutzer bringen solche Sensoren in vielen Anwendungen eine Reihe von Vorteilen, die umwälzende Bedienverbesserungen mit sich bringen. Er bekommt neue Funktionen und neue Möglichkeiten zur Verfügung gestellt, die er intuitiv findet und gern annimmt. Das richtige Maß hängt von der Anwendung ab. Die technischen Voraussetzungen bieten stromsparende aktive Gestensensoren wie der TMG3992 von AMS.

(pet)