CN101107649A - 处理由狭长物体的姿态获得的姿态数据 - Google Patents

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Abstract

一种用于处理从诸如速记工具、定位器、机械手或手杖的具有尖部的狭长物体(10)的姿态导出的姿态数据的装置和方法。狭长物体(10)带有与具有一个或多个不变特征的平坦表面接触的尖部(12)。狭长物体(10)的姿态由光学测量藉助于不变特征而从板上光学地测量得到。该姿态被用来准备相应的姿态数据而姿态数据的子集被识别并传送到诸如用户应用程序的应用程序，在那里子集作为命令数据或输入数据。由于狭长物体移动的同时其尖部接触表面，其姿态在足够频率的测量时间ti下周期地测量，从而以所要求的时间分辨率表述运动。子集可包括表述狭长物体在空间中方向的方向数据和/或表面上尖部(12)的位置数据的全部或其一部分。该位置可以是尖部相对于任何特征或其先前位置的相对位置，或世界坐标系中的绝对位置。该子集可包含方向和位置数据的混合。

Description

处理由狭长物体的姿态获得的姿态数据
技术领域
本发明总地涉及一种用于处理从具有与平坦表面接触的尖部的狭长物体的姿态获得的处理数据的装置和方法。
背景技术
当物体相对于诸如地面、固定点、线或基准表面的静止基准移动时，物体相对于这些基准的倾斜度的认识可被用来获得其多种运动和姿态参数。随着时间的流逝，已研究出许多有用的坐标系统和方法以跟踪物体的姿态并对它们的平衡运动进行参数化。作为理论背景，读者参阅有关经典机械学的教科书，例如Goldstein等的经典机械学、第三版、Addison Wesley2002。
在具体领域，在物体尖部接触平坦表面的同时，了解物体的姿态以获得其尖部的位置是重要的。各种狭长物体能受益于它们的姿态和它们尖部的位置的获知，并且当尖部与平坦表面接触时，能更精确地获得其尖部的绝对位置(以世界坐标形式)。这些物体包括与地面接触时的手杖(walking cane)，与显示器或投影表面接触的定位器，与书写表面接触的书写装置以及与输入屏幕接触的指示笔。
在诸如笔和指示笔的输入领域内会深切地体会到确定尖部或尖端绝对位置的必要性。这里必须了解尖部的绝对位置以分析由使用者在书写表面上写入或跟踪的信息。现有技术中对笔和相关输入装置的提供相对尖部位置和绝对尖部位置的多个公开内容进行了讨论。这些公开内容中的一些取决于包括6492981、6212296、6181329、5981884、5902968号美国专利所述的陀螺仪和加速度计的惯性导航设备。其它技术如6081261、5434371号美国专利所述的将惯性导航与力检测结合。现有技术还在5548092号美国专利中提出将施加于笔尖的力捕获和分析。其余的技术基于使用信号接收器和在书写表面上或附近的辅助装置的三角测量，这在6177927、6124847、6104387、6100877、5977958、5484966号美国专利中能够找到。要注意已提出将包括短射频(RF)脉冲、红外(IR)脉冲和超声脉冲的各种形式的辐射用于三角测量和相关技术。采用数字化仪或书写板的其它方案的一些例子在6050490、5750939、4471162号美国专利中有记载。
现有技术还提到使用光学系统以提供表面上的笔或指示笔的尖部的相对位置并且在某些情况下提供绝对位置。例如，6153836号美国专利公开了将两道光束从指示笔发射至接收器，该接收器确定了相对于定义在表面内的二维坐标系统的角度。借助这些角度和接收器位置的知识而找到指示笔的尖部位置。6044165号美国专利公开了用具有定位在世界坐标中并朝向笔和纸的摄像机的光学成像系统检测笔尖处力的合成。其它公开内容使用观察笔尖及其附近位置的光学系统。这些公开内容包括6031936、5960124、5850058号美国专利。根据其它的方法，5103486号美国专利公开提出在笔中使用光学球珠。更近一些，使用将光引导至纸上的光源的光学系统被提出，例如6650320、6592039号美国专利以及WO 00217222和2003-0106985、2002-0048404号美国专利申请中记载的那样。
在一些现有技术方法中，书写表面被提供有光学系统能识别的特别标志。在书写表面上使用特别标志的笔的早期例子包括5661506、5652412号美国专利。更近一些，该方法被公开于2003-0107558号美国专利申请和相关文献中。作为另一参照文献，读者可参阅10/640942和10/745371号美国专利申请以及其中引用的参考文献。
上述现有技术的大多数方法的局限性在于：它们在书写表面上产生尖部的相对位置。书写板和数字化仪获得绝对位置但它们体积大并且不便携带。使用光学系统而不使用书写板而提供尖部的绝对位置的方法多数依靠对提供在书写表面上的标志和笔尖的关系进行观察而实现。该方法的局限性在于：它要求作为准书写板的特定标记的书写表面。
除了麻烦外，利用光学系统的现有技术的笔和指示笔经常产生有限的数据集。事实上，多数仅提供与横跨书写表面的轨迹对应的数据。同时，许多应用能从来自指示笔的大量数据流中获益。事实上，现有技术指出在利用笔或指示笔的使用者和诸如计算机的及其之间的交互的许多情况是有局限性的。作为能从来自笔或指示笔的更多数据流获益的应用和系统的一些例子，读者可参阅6565611、6502114、6493736、6474888、6454482、6415256、6396481号美国专利和2003-0195820、2003-0163525、2003-10107558、2003-0038790、2003-0029919、2003-0025713、2003-0006975、2002-0148655、2002-0145587号美国专利申请以及6661920号美国专利。
发明内容
鉴于现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种用于处理从诸如速记工具、手杖、定位器或机械手的狭长物体的姿态获得的姿态数据的装置和方法。具体地说，本发明的一个目的是提供用于处理以这种方式获得的姿态数据和姿态数据子集的识别以在应用场合中用作控制数据或输入数据。
结合附图对详细说明进行阅读，这些和其它多个优点将变得明显。
本发明提供用于处理从狭长物体的姿态获得的姿态数据的方法，该狭长物体的尖部与具有一个或多个不变特征的平坦表面接触。根据该方法，尖部被置于表面上并且通过不变特征的帮助而从板上狭长物体光学地测量狭长物体的物理姿态。准备与姿态对应的姿态数据并识别该姿态数据的子集。该子集被传送到诸如用户应用程序的应用程序，在那里子集作为命令数据或输入数据。狭长物体经历运动，同时其尖部接触一个表面。因此，在较佳实施例中，该方法周期地在测量时间ti测量姿态数据以使用连续测量时间ti的姿态数据以所需的时态分辨率描述运动。
子集可包括描述狭长物体在空间中的方向的所有方向数据或部分方向数据。方向数据可包括在适当坐标(例如极坐标)中表述方向的倾角θ或任何角度或一组角度。或者，子集可包括表面上的尖部的所有或部分位置数据。位置可以是尖部相对于包含一个或多个不变特征的特征的相对位置或表面上的尖部在世界坐标中的绝对位置。子集也可包含方向和位置数据的混合。
在一个实施例中，狭长物体的方向由欧拉角表示而姿态数据的子集包括至少一个欧拉角。事实上，在该实施例中，倾角θ可以使单纯的第二欧拉角。另外，子集可包括滚动角ψ(第三欧拉角)以及旋转角φ(第一欧拉角)。所含方向数据可用作任何形式的输入。例如，方向数据可表示用来执行应用程序中的命令的控制数据或输入到应用程序中或以适当格式简单存储的输入数据。当然，位置数据也能被用作任何形式的输入，包括控制数据和输入数据。要注意子集还可包括所有姿态数据，例如当应用程序是运动捕捉应用程序时。
不变特征可以是永久的或临时的，空间的或时间的。平坦表面可以是使用者进行速记操作的速记表面，例如纸表面、屏幕、书写板、垫或其它形式的表面。在该实施例中，狭长物体较佳地是诸如笔、铅笔或指示笔的速记工具。一般来说，狭长物体还可以是定位器、机械手或手杖。事实上，狭长物体是其姿态可用来导出输入数据的任何物体。
本发明还提供一种用于处理表述其尖部与表面接触的狭长物体的运动的姿态数据的装置。该装置具有光学地测量来自板上狭长物体的姿态的测量配置。该测量可以在测量时间ti内周期地进行并且该测量周期视应用和分辨率(例如姿态或所要求姿态数据的时间分辨率)而定。该装置具有处理器以准备与姿态对应的姿态数据并识别姿态数据的子集。提供通信链路以将子集传送给应用程序。
处理器较佳地被安装在狭长物体上。在由处理器执行大量数据处理的场合下，处理器可以是远程的。通信链路较佳地是无线通信链路。
根据运行将子集用作输入数据的用户应用程序的主机所在位置，通过使用相同或不同通信链路，由处理器从姿态数据分离出来的子集被传送到应用程序以进一步处理子集，例如将其作为输入数据。例如，主机是计算机而应用程序是数据文件。在该例中，子集可将输入数据包含入数据文件。或者，主机是数字设备而用户应用程序是用于执行命令的可执行文件，并且子集包含控制数据。应用程序也可以是用来捕获狭长物体运动的运动捕捉应用程序或用来捕捉表面上运动中的狭长物体的尖部所表述的轨迹的轨迹捕捉应用程序。
下面将结合附图对本发明的细节进行详细说明。
附图说明
图1是表述尖部正与一表面接触的狭长物体的运动的本发明的装置的三维视图。
图2是示出本文中所使用的欧拉旋转规则的图解。
图3是示出将姿态数据格式化或准备至子集中的方框图。
图4是具有用于测量姿态的成像系统的狭长物体的三维图。
图5是具有用于测量姿态的扫描系统的狭长物体的三维视图。
图6是表示狭长物体是在平坦表面上速记的速记工具的较佳应用的三维视图。
图7是示出经由通信链路将姿态数据与远程装置通信的速记工具的图解。
图8是从图7的速记工具的姿态数据获得的命令和输入数据的使用的方框图。
图9是示出本发明装置的又一实施例的图解。
具体实施方式
通过首先参阅图1，本发明将变得最明显，图1示出和用于处理从狭长物体14的姿态获得的姿态数据12的范例性装置10。狭长物体14移动的同时，其尖部16与平坦表面18接触。装置10在多个测量时间处理描述狭长物体14的姿态的姿态数据12。因此，姿态数据12表述狭长物体14作出的运动或当尖部16接触表面18时由使用者作出的运动。当尖部16与表面18接触时，例如压电器件或任何其它适合的传感器20可用于探知。
狭长物体14是当物体14处于静止或运动时其姿态产生有用的姿态数据12的任何形式的一般狭长物体。例如，狭长物体14是用于行走支持的手杖而表面18是行走表面，或狭长物体14是机械手而表面18是工作表面。在另一情况下，狭长物体14是定位器而表面18是屏幕，或狭长物体14是诸如笔、铅笔或指示笔的速记工具，而表面8是速记表面。在本实施例中，狭长物体14是定位器而表面18是屏幕或跟踪表面。
狭长物体14具有板上测量配置22，用来通过表面18上的一个或多个不变特征32、34、36光学地测量其姿态。在该情况下，所有特征32、34、36均在表面18上。然而，如果在表面18上存在足够数量的特征，则一般来说可使用不处于表面18的平面中的特征。
在本实施例中，不变特征是边缘32、基准点34和表面结构36。这些不变特征仅为能时态或永久关联于表面18并用于测量物体14姿态的多种类型特征的范例。不变特征32、34、36用于获取尖部16在表面18上的相对位置或绝对位置并用于测量姿态的剩余部分，例如定位器14的方向。较佳地，不变特征32、34、36的位置由世界坐标(X0、Y0、Z0)定义。另外，如果可能，不变特征32、34、36的位置的较佳形式为：使它们的至少一个子集令希望呈现物体14的所有姿态对配置22变得可见。
可采用通过板上配置22以重现物体14姿态的多种光学测量方法。在这些方法的任何一种中，配置22使用板上器件根据包括几何不变性、三角测量、定距、路径积分和运动分析的任何公知的姿态重现技术来获得姿态数据12。在较佳实施例中，配置22是诸如安装于定位器14上的成像系统或扫描系统的光学测量配置，用来以表面18上的一个或多个不变特征32、34、36为基准在板上确定姿态。
装置10具有用于预备与定位器14的姿态对应的姿态数据12以及用于识别应用程序28所要求的姿态数据12的子集48的处理器26。具体地说，应用程序28使用包含所有姿态数据12或少于所有姿态数据12的子集48。注意处理器26可位于定位器14上或者是远程的，就象本实施例中那样。
提供通信链路24以将姿态数据12传送给应用程序28。较佳地，通信链路24是通过安装在定位器14上的无线发射机30建立的无线通信链路。在将处理器26和应用程序28安装在定位器14上的实施例中，通信链路24可以是电气连接。在其它实施例中，通信链路24可以是有线的远程链路。
在操作过程中，使用者38手持定位器14。使用者38将定位器14的尖部16置于具有不变特征32、34、36的表面18上并进行移动以使定位器14实现运动40。为了更好地表现，运动40以虚线42、44表示，该虚线42、44标志出运动40过程中由尖部16或定位器14的端部呈现的位置。为便于解释本发明，线42被称为尖部16的轨迹。另外，为便于解释本发明，当尖部16停止接触表面18的时候，运动40被定义成结束。
运动40可不产生端部46或尖部16的移动，即没有轨迹42。事实上，运动40不局限于任何参数，除尖部16必须保持与表面18接触外。因此，定位器14的方向改变就象表面18上的尖部16的位置改变那样(即x、y坐标的改变)也被认为是运动40。在这种情况下，定位器14的方向由以定位器14的中轴线C.A为基准的倾斜角θ、旋转角φ和滚动角ψ表述。这些角中的至少一个的变化即构成运动40。
在这种情况下，尖部16在点48处向下接触表面18。在向下接触的同时，定位器14的的中轴线C.A以等于θ0的倾角θ与表面法线Z’斜交。此外，旋转角φ和滚动角ψ分别等于φ0和ψ0。为方便起见，本实施例中的角度θ、φ和ψ为欧拉角。当然，其它角度可用来表述定位器14的方向。事实上，本领域内技术人员将理解任何表述定位器16旋转的规则均可用于本说明书。例如，可采用四个凯力来克雷恩(Caylyle-Klein)角或四元组。
图2A-图2C示出使用欧拉角表述定位器14方向的规则。定位器14具有如图2A所示、在无旋转物体坐标(X’、Y’、Z’)的原点处从尖部16测得的长度1。中轴线C.A共线于Z’轴并且它经过尖部16和无旋转物体坐标(X’、Y’、Z’)的原点。在本文所使用的无功旋转规则中，物体坐标系依附于定位器14，同时定位器14从初始向上位置开始旋转。
现在，图2A示出绕Z’轴以物体坐标系(X’、Y’、Z’)的第一欧拉角φ的第一逆时针旋转。物体坐标系的旋转不影响Z’轴，因此一次旋转后，Z”轴与未经旋转的Z’轴共线(Z”＝Z’)。另一方面，轴X’和Y’旋转第一欧拉角φ以产生一次旋转后的轴X”和Y”。
图2B示出作用于一次旋转的物体坐标系(X”、Y”、Z”)以第二欧拉角θ的第二逆时针旋转。该第二旋转绕一次旋转的X”轴进行并因此不影响“X”轴(X＝X”)。另一方面，轴Y”和Z”旋转第二欧拉角θ以产生二次旋转轴Y和Z。该第二旋转实现于包含一次旋转的轴Y”、Z”和二次旋转轴Y、Z的面∏中。注意定位器14的轴C.A在面∏内逆时针旋转第二欧拉角θ并保证与二次旋转轴Z共线。
图1C示出以第三欧拉角ψ的第三逆时针旋转被作用于二次旋转的物体坐标系(X、Y、Z)。旋转ψ绕已与由所有三个欧拉角旋转的物体轴Z共线的二次转轴Z进行。同时，二次旋转轴X、Y转过ψ以产生转过所有三个欧拉角的物体轴X、Y。转过所有三个欧拉角φ、θ和ψ的物体轴X、Y、Z定义欧拉旋转的物体坐标系(X、Y、Z)。注意在欧拉旋转过程中，定位器14的尖部16保持在所有物体坐标系的原点。
现在回过头来参阅图1，定位器14的姿态包括其方向，即欧拉角(φ、θ、ψ)，而尖部16的位置，即尖部16接触表面16的点的坐标(x、y、z)。为方便起见，定位器1 4的方向和尖部16的位置以世界坐标(X0、Y0、Z0)表示。世界坐标(X0、Y0、Z0)具有能用来表述表面18上的尖部16的绝对位置的世界原点(0、0、0)。事实上，世界坐标(X0、Y0、Z0)可用于定位器14姿态的任何参数的绝对测量。或者，可以相对方式对定位器14姿态的任何参数进行表述，例如参照非静止或相对坐标(Xi、Yi、Zi)或简单地相对于前一姿态。
为了表述定位器14的绝对姿态，将表述定位器14方向的欧拉旋转的物体坐标关联于世界坐标(X0、Y0、Z0)是方便的。为此，要注意物体轴Z’沿世界坐标(X0、Y0、Z0)的方向在三次欧拉旋转前是垂直于平面(X0、Y0)的。第二欧拉角θ仅定义物体坐标系不绕物体轴Z的逆时针旋转(第二旋转绕X”＝X轴而不是Z’、Z”或Z)。因此，欧拉角θ是经完全旋转的物体轴z或轴C.A和原始物体轴Z’之间的倾角，它在尖部16的接触点处垂直于平面(X0、Y0)。
光学测量配置22在测量时间ti测量定位器14在运动40过程中的姿态并且处理器26准备相应的姿态数据12。姿态数据12由测量时间ti时所测得的参数值(φ、θ、ψ、x、y、z)组成。位置定义于世界坐标(X0、Y0、Z0)中的不变特征32、34、36被光学测量配置22采用以表示世界坐标(X0、Y0、Z0)中的姿态数据12。周期性测量的频率取决于姿态数据12的使用和所要求的性能，即时间分辨率。要注意周期性测量不局限于任何预定时间或频率机制。换句话说，任何两个连续姿态测量之间的次数可以是任意的。然而，较佳地是配置22以足够高的频率测量姿态以获得以应用程序28所要求的时间分辨率表述运动40的姿态数据12。
通信链路24的无线发射机30将测量时间ti收集的姿态数据12或参数(φ、θ、ψ、x、y、z)传送给处理器26。姿态数据12可在任意或预设时间或根据其它需要以连续、突发、部分的形式传送。处理器26准备姿态数据12的子集48，例如尖部16的绝对位置(x、y)并将其送至应用程序28。应用程序28使用测量时间ti时的尖部16的绝对位置(x、y)以在定位器14进行运动40时描绘出表面18上的尖部16的轨迹42。换句话说，单元28恢复与尖部16的移动对应的轨迹42。注意由单元28恢复的轨迹42的分辨率可通过增加姿态测量数或增加测量时间ti的频率而提高。要注意应将姿态数据12格式化以实现发射机30、处理器26和应用程序28之间正当的通信。任何适当的通信和格式化标准，例如IEEE接口标准可用来实现这些目的。作为格式化标准的特定例子，读者可参阅Rick Polyner，LGC/Telegraphic，“WintabTM Interface Spcificication：16-bit and 32-bit API Reference”，1996年5月9日修订；通用串行总线(USB)，“Device Class Definition for Human Interface Devices(HID)”，固件规范，USB实施者论坛，2001年7月27日以及Ulrica Larsson和Johanna Pettersson的六自由度接口、“Development and evaluation ofa 6DOFinterface to be used in a medical application”、Linkopings大学、科学技术系的论文，2002年6月5日。
剩余的姿态数据12，即(φ、θ、ψ、z)可用于本实施例。具体地说，处理器26可准备额外的子集或将所有剩余的姿态数据作为单个子集传送给应用程序28或传送给为不同功能服务的不同应用程序或装置。从姿态数据12获取的方向数据和位置数据的任何组合可用于子集48中。事实上，在一些实施例中处理器26将所有姿态数据12保持在子集48中，以使所有姿态数据12可由应用程序28使用。当应用程序28必须重构整个运动40而不只是表面18上的尖部16的轨迹时完成上述动作。例如当应用程序28包括运动捕捉应用程序时完成该动作。此外，可通过增加测量时间ti的频率而提高运动40的时间分辨率。要注意在这种情况下，缓慢变化的姿态数据12的参数被过采样。
还应当注意表面18为平面并因此参数值z不发生改变。因此，z被设置在固定值，例如z＝0，并省去姿态数据12以减少需要由发射机30发送的数据量。
在图3中，一方框图更详细地示出由处理器26对姿态数据12的处理以及应用程序28对其的使用。在第一步骤50中，姿态数据12通过通信链路24由处理器26接收。在第二步骤52中，处理器26确定需要姿态数据12的子集48的哪一部分。可基于应用程序28作出选择。例如，当应用程序28是描绘轨迹42的轨迹捕捉程序，则子集48中仅需包括尖部16的位置数据，即(x、y)。另一方面，当应用程序28为运动捕获应用程序时，则需要将所有姿态数据12包含在子集48中。
在步骤58中，所有姿态数据12被选择并前进至子集格式化或预备步骤60A。在步骤60A中，由应用程序28根据需要将数据12以子集48A的形式预备。例如姿态数据12以特别顺序被配置并提供以合适的脚注、标头和冗余位(未图示)，或如由诸如Rick Poyner、LGC/Tel egraphi cs(op.cit)的数据端口传送标准规定的其它形式。
在步骤62中，仅选择姿态数据12的一部分。下面示出了部分选择的三种情况。在第一种情况下，应用程序28只要求位置数据。因此。在步骤59B，仅选择位置数据(x、y、z)并且丢弃剩余姿态数据。在后续步骤60B中，应用程序28根据需要将位置数据(x、y、z)以子集48B和/或由端口传送标准规定的形式预备。在第二种情况下，在步骤59C中，仅选择方向数据(φ、θ、ψ)并将其余姿态数据12丢弃。然后，在步骤60C中，方向数据(φ、θ、ψ)以子集48C的形式被准备以供应用程序28使用。在第三种情况下，在步骤59D，包括一些位置数据和一些方向数据的姿态数据12的组合在步骤60D中被相应地选择和处理以准备子集58D。
本领域内技术人员可以理解所述功能可在处理器26和应用程序28之间进行共享，例如根据系统架构和数据端口传送标准的需要。例如，一旦接收，即可通过应用程序28对子集48进行某些准备。另外还要注意在某些实施例中，姿态数据12可由发射机30预处理或根据任何合适算法、在准备相应子集48前后的任何时间进行后处理。例如，可将诸如最小二乘拟合的统计算法应用于在不同测量时间ti获得的姿态数据12或连续的子集48。此外，诸如姿态数据12的任何参数或所有参数的时间导数的量值，即计算(dx/dt·dy/dt·dz/dt·dφ/dt·dθ/dt·dψ/dt)。另外可使用例如过采样的各种采样技术。
子集48经由通信信道72被传送到应用程序28。应用程序28将子集48作为根据其用途处理或路由的输入接收。例如，在步骤64中，子集48被用作控制数据。因此，子集48被解释为可执行命令66或作为可执行命令的一部分。另一方面，在步骤68中，子集48被用作输入数据并被存储到数据文件70中。
在一个实施例中，应用程序28将信息传送给处理器26以改变对子集48的选择标准。该信息可经由通信信道72或其它链路(例如反馈链路74)传送。例如，应用程序28请求将要发送的子集48A并将子集48A用作用于数据文件70的输入数据。在其它时间，应用程序28请求将要发送的子集48C并将子集48C用作为可执行命令66的命令数据。或者，处理器26可先验地指示是否应将任何子集48A作为输入数据还是控制数据处理。在又一选择中，使用者38可借助于独立的装置(例如安装在定位器14上的开关(未图示))指示是否希望将子集48作为控制数据或输入数据。本领域内技术人员将发现存在大量主动和被动的方法以确定解释和处理由处理器26和应用程序28以子集48的形式传送的数据。
一般来说，由板上光学测量配置执行的光学测量可以多种方式实现。例如，图4示出尖部102与被赋予不变特征106的平坦表面104接触的狭长物体100。不变特征106是表面104上方向、尺寸和位置已知的多边形。要注意仅示出物体100的一部分以便更好地表示。物体100沿Z轴对齐，Z轴与用作世界坐标系基准的中轴线C.A共线(未图示)。
光学测量系统108被安装在物体100上以执行姿态的板上光学测量。事实上，系统108是成像系统或图像捕获系统，它藉由不变特征106光学地测量物体100的姿态。成像系统108具有透镜110和以位于由透镜110所界定的成像平面114中的电子光学传感器或像素阵列的形式出现的图像捕获装置112。较佳地，透镜110具有宽视域Θ并且基本上是单视点的，以保留对附近环境的3D立体信息。透镜110可包括各种光学器件，包括折射、反射和/或配有光中继器、镜面、孔径、白场透镜、导像装置和其它器件的兼反射光及折射光的光学器件，正如本领域内技术人员所能理解的。事实上，可恰当地将透镜110选择作为用于成像表面104。
阵列112具有位于由正交轴XI、YI界定的成像平面114内的成像像素116。这些轴平行于经旋转的物体坐标系的X轴和Y轴。从无旋转到旋转物体坐标的欧拉角如图所示。
在工作时，诸如太阳光或人工照明的辐射118入射到表面104上。辐射118的散射部分118’以与中轴线C.A呈θi入射角的角度行进至狭长物体110。更具体地说，例如沿从不变特征106角部的点PP开始散射的路径120传播的散射部分118’到达立体角θ内并由成像系统108成像在成像平面114的图像点PI上。来自点PP和来自特征106和平面104剩余部分的散射部分118’或它们的部分带有其图像信息。该空间强度变化或图像信息被用来根据用于恢复来自表面104的图像的位置的技术以及在阵列112的成像像素116上产生的特征106来确定物体100的姿态。本领域内技术人员会了解立体成像特别适用于实现该目的。读者可参阅10/640942号美国专利申请以获得合适的成像光学器件和方法的更多信息。
实现板上光学测量配置的另一种选择如图5所示。这里，尖部132与被赋予不变特征136的平坦表面134接触的狭长物体130将扫描系统138作为其板上光学测量配置。从无旋转到旋转物体坐标的欧拉角如图所示。不变特征136包括四边形136A和直线136B，其在世界坐标系(X0、Y0、Z0)中的尺寸、方向和位置均为已知尺寸。
扫描系统138具有探针辐射142的源140、臂144以及用来测量表面134处的探针辐射142的扫描镜146。扫描系统138使用驱动器以驱动扫描镜146以扫描表面134和不变特征136。例如，扫描镜146是由双轴驱动器驱动的双轴扫描镜。镜146以相对于镜轴线M.A(在本实施例中为平行于物体130的中轴线C.A)的扫描角σ引导辐射142。驱动器根据扫描图案148改变扫描角σ以实现表面134和特征136的扫描。辐射142沿特定扫描角度σ在特殊点P0入射到表面134上并与表面134形成入射角或倾斜角δ。点P0根据由驱动器和物体姿态130规定的扫描图案148移过表面134和特征136。
探针辐射142基于探针辐射142对表面134的入射方向、探针辐射142的频率f以及表面134和不变特征136的物理特性在点P0处散射。由此可通过扫描发生时背散射部分142’的强度的时间改变来表述探针辐射142的背散射部分142’对表面134和特征136的响应。总地来说，背散射部分142’对表面134和特征136的响应不仅包括强度改变还包括基于极化的响应。这种探针辐射142对表面134以及不变特征的背散射部分142’的响应被用来测量物体130的姿态。要注意可使用任何不变特征，它们产生对探针辐射142的可探测响应并且在世界坐标中的位置是固定的。
3-D空间中的物体130的姿态包括表面134上尖部132的位置以及狭长物体130在三维空间中的方向。在该实施例中，尖部132在世界坐标系(X0、Y0、Z0)中的位置由矢量D0表示并且方向由欧拉角(φ、θ、ψ)表示。这是非常方便的，由于狭长物体130对由物体130的轴线(在该例中为轴线C.A)以及表面134的法线(即轴Z’)之间的倾斜角θ界定的平面表面134的倾斜度与第二欧拉角θ是相等的。
表面134和不变特征136A、136B对应于横贯它们的探针辐射142的扫描点P0而造成背散射部分142’中的时间强度变化。背散射部分142’的时间强度变化由检测器150测得。在本实施例中，检测器150和诸如分束器142’的光学器件152被设置在物体130上以将探针辐射142的背散射部分142’引导至检测器150以检测强度变化。物体130的姿态根据任何合适的时间-空间扫描技术从扫描图案148、表面134和不变特征136的知识而获得。附加的知识诸如倾斜角θ或第二欧拉角和第三欧拉角ψ可应用于获得尖部132的绝对位置。角度θ和ψ可通过倾角计(未图示)或任何其它设备和/或方法获得。读者可参阅10/745371号美国专利申请而获知用于测量物体130姿态的扫描特征的某些例子。
在又一实施例中，板上光学测量配置可将成像和扫描器件组合在混合系统中。例如，可使用具有被动成像像素和主动照明像素的像素阵列来形成混合的成像和扫描器件。另外，可使用具有不同视点的系统来实现立体成像和扫描技术。在又一其它实施例中，可使用具有工作在投影模式而不是成像模式下的像素阵列的光学系统，即与该系统关联的光学器件不仅实现成像还投影来自像素阵列的辐射。本领域内技术人员能发现存在大量构造光学测量配置的替代性选择。
图6是一较佳实施例的三维视图，其中狭长物体200是诸如笔、铅笔或指示笔的速记工具。特别地，速记工具200是一种笔，其尖部202是与桌面208上的纸板206的平面表面204接触的书写尖部。笔200具有与欧拉旋转的笔坐标(X、Y、Z)对齐的中轴线C.A。与第二欧拉角对应的倾斜角θ被表示为相对于还表示表面法线的Z’轴。
壳体210被安装在笔200的顶端212。壳体210具有光学测量配置214以光学地测量来自板上笔200的笔200的姿态。光学测量配置214是成像系统、扫描系统或混合系统。纸206的表面204具有以纸边缘形式出现的不变特征216A、216B、216C和216D。特征216由光学测量配置214使用以测量笔200的姿态。
壳体210支承处理器218以准备与由光学测量配置214测量的姿态对应的姿态数据并识别姿态数据的子集220。发射机222被设置在壳体210内以经由无线通信链路226将子集220传送给应用程序224。由于壳体210中的器件及其操作已在前面进行说明，因此在本实施例中就不详细解释了。
使用者将笔200握在手228中并在与表面204接触的同时移动它，以例如产生表征手写的标志。手228以虚线轮廓表示以便更好地理解。压力传感器或其它装置(未图示)确定尖部202和表面204之间的接触。在使用者速记的同时，光学测量装置周期地测量笔200的姿态。特别地，当笔200处于与速记对应的运动时，光学测量配置214在测量时间ti周期地测量姿态以使姿态数据以应用程序224可用的足够详细程度描述笔200的运动。
例如，当应用程序224为一般运动捕获程序时，测量时间t1的频率在75Hz数量级上。在要求精确地获知运动笔200以获取手229的生物统计的诸如生物统计应用程序的某些运动捕捉应用程序中，可使用100Hz以上的更高频率测量时间ti。尤其当生物统计应用程序是使用者鉴别应用程序时，这种精确知识是必须的。在另一实施例中，应用程序224是用于捕获由笔200标记在纸206上的轨迹230A、230B和230C的轨迹捕捉应用程序。更准确地说，应用程序224是在线或离线手写鉴别应用程序，它要求测量时间ti在100Hz数量级上(Δt＝1/100s)以正确地识别手写。另一应用程序224要求尖部202在连续测量之间在纸表面204上移动的距离Δs在1/200英寸或大约0.12mm的数量级。在又一实施例中，轨迹捕捉应用程序可以是签名校验应用程序，它要求比手写辨认更高的精确度。要注意生物统计应用程序也可进行使用者识别和/或签名校验。在本实施例中，应用程序224是在线手写鉴别应用程序并且测量时间ti以100Hz数量级的频率重复。
在操作中，使用者移动手228并将其转化成笔200的运动，这产生在纸206表面204上的墨迹230。当尖部202在运动期间在书写点处接触表面204时，产生轨迹230。光学测量配置214借助于不变特征216在测量时间ti周期地测量笔200的姿态，同时产生轨迹230。
第一书写点Pwdn，有时称之为下笔，以及最后书写点Pwup，有时称之为提笔，被指示在笔200运动期间尖部202产生的轨迹230A上。另外还指示了中间写入点PWM，它是尖部202在特定测量时间tm所处的位置。在连续测量时间tn和tn+1处的两个写入点也被示出，并且作为例示，它们之间的时间间隔为Δt。轨迹230B出现于由使用者书写过程中。轨迹230C已被写入，并且在连续测量时间tn和tn+1时的两写入点被表示成分开距离Δs。
应用程序224是在线手写鉴别应用程序并因此在每个轨迹230A、230B和230C的下笔和提笔点之间测量时间ti的频率在100Hz的数量级，因此时间间隔Δt为大约1/100s。因此，笔200的姿态由配置214用大约1/100s的时态分辨率进行测量。
处理器218根据由下臂和提笔点之间执行的运动中的笔200呈现的连续姿态对应的姿态数据。处理器218还识别子集220中所需的姿态数据以运行应用程序224。在某些手写鉴别应用程序中，子集220仅需包含尖部202在与书写点Pwi对应的测量时间ti时的绝对位置。换句话说，子集220仅包含表面204上的尖部202的位置数据，而不是笔200的方向数据。此外，书写点Pwi的位置由在纸206右上角具有原点的全球坐标(X0、Y0、Z0)中的相应矢量Di表示。
在另一实施例中，手写鉴别应用程序224要求在子集220中的方向数据。例如，在线手写识别应用程序224要求子集220中包含倾斜角θ。应注意倾斜角θ也是第二欧拉角。又一种书写识别应用程序224要求子集220包含更多或甚至全部方向数据，即所有三个欧拉角。事实上，应用程序224例如经由通信链路226告知处理器218在任何给定时间它关于子集220的特殊要求。在子集220包含额外信息的情况下，诸如位置和方向数据的任意组合或全部位置和方向数据的一阶或高阶导数，例如二阶导数(d2x/dt·d2y/dt·d2z/dt·d2φ/dt·d2θ/dt·d2ψ/dt)，它们或由处理器218计算得到并包含在机制220中，或由应用程序224计算得到。
在另一实施例中，笔200是不留下轨迹230的指示笔。换句话说，尖部202是不作出标志的点。在该实施例中，表面204不一定是纸表面；可由其上可进行速记的任何平坦表面代替。本方法的其它方面与上述内容相同。
图7示出用于处理从具有尖部252的狭长物体250的姿态获得的姿态数据的装置248的另一实施例。物体250是尖部252不产生轨迹的指示笔。物体250具有包含光学测量配置和处理器(未图示)的壳体254。无线发射机262被提供以用来通信。
尖部252被置于具有不变特征258A、258B、258C和258D的平坦表面256上。测量配置依赖特征258以当尖部252接触表面256时，在测量时间ti周期地测量指示笔250的姿态。处理器准备与姿态对应的姿态数据并识别将被传送的子集260。在本例中，子集260包含所有姿态数据并在每个测量时间ti后以时戳被发送，时戳也以ti为基准。位置数据以由光学测量配置选择的世界坐标(X0、Y0、Z0)中的矢量Di的形式表达。方向数据以欧拉角的形式表达。
发射机262经由通信链路264A、264B、264C和264D将子集260传送给驻有要求子集260的应用程序的各装置。具体地说，链路264A连接于网络266并依次连接于运行要求子集260的应用程序270的计算机268(例如个人计算机)。网络266可以是任何类型的网络，包括互联网、局域网(LAN)、电话网络或能够传送子集260的任何网络。链路264B连接于经由网络274与计算机268通信的主机272(例如主机计算机)。要注意应用程序270可共享于计算机268和本地主机272之间，或者每个能分别使用其独立应用程序的集260。或者，本地主机272可仅用作中继式计算机。链路264C直接连接于计算机268并可以是短距离链路，例如仅当指示笔250工作在计算机26B附近时才被激活的链路。链路264D连接于运行其它程序278的装置276。例如，装置276是个人数字助理(PDA)或蜂窝电话。事实上，链路264D可以是红外链路或超声链路，在这种情况下相应的发射机被用来代替无线发射机262。要注意指示笔250可经由任何链路264与在任何给定时间需要与之通信的任何装置的组合而进行通信。该装置可使用链路264以在任何时间将它们的可用性和子集偏好与指示笔250通信。
在工作时，指示笔250可将绝对位置数据中或由世界坐标系中表示的矢量Di包含在子集260中。或者，指示笔250可将相对坐标(Xr、Yr、Zr)中的相对位置数据或矢量Dri包含在子集260中。在又一选择中，子集260包括就前一位置的相对位置数据，即矢量ΔD＝Dri-Dri-1。那是因为某些应用程序仅要求获知尖部252的相对位置。另外要注意姿态数据的处理和子集260的识别是可在笔250和任何其它装置之间共享的任务。事实上，用来处理姿态以获得姿态数据并识别子集260的处理器可整个地置于另一装置上，例如在计算机268上。
图7是示出使用来自速记工具250的子集260的命令和输入数据的一些例子的方框图。在第一步骤280中，子集260经由通信链路264由本地主机或网络接收。如果子集260要用于远程主机，则在步骤282将其传送到远程主机。
在第二步骤284中，在预定主机(根据情况可以是本地主机或远程主机)中的处理器确定对子集260的要求。选择可基于预定应用程序300而作出。例如，当应用程序300仅需要已包含于子集260中的参数时，则将子集260传送到步骤286以准备和直接使用。或者，当应用程序300要求额外参数时，子集260被传送到步骤288以导出这些额外参数。
例如，额外参数是子集260中的一个或多个参数的导数。因此，子集260被传送到微分模块290并随后被传送到准备模块292以为子集260提供导数。在所示例子中，要求欧拉角φ、θ的时间导数并因此所补充和准备的子集260’包含这些时间导数。或者要求有关一个或多个子集260中的参数的统计信息。因此，将子集260传送给统计模块295并随后传送给预备模块296以为统计信息补充子集260。在本例中，统计信息是第二欧拉角θ的标准方差。因此，经补充和预备的子集260”包含子集260的参数和角θ的标准方差。
本领域内技术人员将会理解可例如根据系统架构和数据端口传送标准的需要、在本地和远程主机以及应用程序300之间共享所述功能。例如，子集260的一些准备和补充可在接收时由应用程序300执行。
子集260被传送给应用程序300以用作输入并根据其用途被处理或路由。例如在步骤302，子集260’被用作控制数据。因此，子集260’被解释为可执行命令304或解释为可执行命令的一部分并用于可执行文件310中。另一方面，在步骤306中，子集260”被用作输入数据并被存储至数据文件308。
在一个具体应用程序中，应用程序300是轨迹捕捉应用程序而子集260’被用作根据标准布尔逻辑的控制数据。具体地说，应用程序包括布尔逻辑符号再格式化功能以将控制数据转化为布尔逻辑命令，即OR、AND或XOR。
图9是示出本发明又一实施例的图解。在该实施例中，狭长物体320是用于具有不变特征324A、324B的速记表面322上的速记工具。速记表面322可以是屏幕、垫、纸表面或任何其它适宜表面，通过它们速记工具320可通过根据上述原理的板上光学测量配置确定姿态。速记工具320是笔、铅笔或指示笔。
使用者326通过将速记工具320的尖部328置于表面322上并作出运动，从而利用速记工具320以产生姿态数据。姿态数据被处理成子集并被传送至多个用户装置，包括但不局限于大型计算机330、操纵杆332、蜂窝电话334、个人计算机336和个人数字助理338。这些装置的每一个使用子集的合适部分。例如，操控杆332剥离除欧拉角φ、θ外的所有参数并将它们用作控制数据。或者，操纵杆332保留欧拉角ψ并将其用作控制数据以模拟激活按钮功能。另一方面，蜂窝电话334使用欧拉角以选择拨出号码和并将位置数据作为控制数据以执行拨号命令。
要注意狭长物体可以是任何种类的狭长装置，其物理姿态可产生有用的数据。因此，尽管上面的例子示出狭长物体是速记工具、定位器、手杖或机械手，但也能使用其它的狭长物体。另外从姿态数据识别的子集可补充以从不是板上狭长物体的其它装置获得的各种额外数据。此外，如有需要，为了保护使用者或实现其它目的，可对子集中的姿态数据和或数据加密。
本领域内技术人员很清楚本发明可包括各种其它实施例。因此，其范围可由其权利要求及其合法的等效物界定。

Claims (30)

1.一种用于处理来自具有尖部的狭长物体的姿态导出的姿态数据的方法，所述方法包括：
(a)将所述尖部置于具有不变特征的平坦表面上；
(b)利用所述不变特征从板上的所述狭长物体光学地测量所述姿态；
(c)准备对应于所述姿态的姿态数据
(d)识别所述姿态数据的子集；以及
(e)将所述子集传送给应用程序。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述狭长物体经历运动并且在测量时间ti周期地进行所述测量，以使所述姿态数据表述所述运动。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述子集包括方向数据。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述子集包括倾斜角θ。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述子集包括至少一个欧拉角。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方向数据被用作从控制数据和输入数据中选择的输入。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述子集包括所述尖部在所述表面上的位置数据。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述位置数据包括所述尖部相对所述不变特征的位置。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述位置数据包括所述尖部在所述表面上的绝对位置。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述位置数据包括所述尖部在所述表面上相对于所述尖部之前的绝对位置的位置。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述位置数据被用作从由控制数据和输入数据中选择的输入。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述平坦表面包括速记表面而所述狭长物体是速记工具。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述速记表面是从屏幕、写字板、垫和纸表面中选择的。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述狭长物体是从速记工具、定位器、机械臂和手杖中选择的。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述速记工具是从笔、铅笔和指示笔中选择的。
16.一种用于处理从具有尖部的狭长物体的姿态得出的姿态数据的装置，所述装置包括：
(a)用于使所述尖部置于其上的平坦表面，所述平坦表面具有不变特征；
(b)利用所述不变特征光学地测量来自板上的所述狭长物体的所述姿态的光学测量装置；
(c)用于准备与所述姿态对应的姿态数据并识别所述姿态数据的子集的处理器；以及
(d)用于将所述子集传送给应用程序的通信链路。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述光学测量装置包括用于在测量时间ti处周期地测量所述姿态的周期性测量装置。
18.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述处理器被安装在所述狭长物体上。
19.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述通信链路是无线通信链路。
20.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述狭长物体是从速记工具、定位器、机械手和手杖中选择的。
21.如权利要求20所述的装置，其特征在于，所述速记工具是从笔、铅笔和指示笔中选择的。
22.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述应用程序包括数据文件而所述子集包括对所述数据文件的输入数据。
23.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述应用程序包括可执行文件而所述子集包括对所述可执行文件的控制数据。
24.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述应用程序包括运动捕获应用程序。
25.如权利要求24所述的装置，其特征在于，所述运动捕获应用程序包括生物统计应用程序。
26.如权利要求25所述的装置，其特征在于，所述生物统计应用程序包括用户校验应用程序。
27.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述应用程序包括轨迹捕捉应用程序。
28.如权利要求27所述的装置，其特征在于，所述轨迹捕捉应用程序包括手写识别应用程序。
29.如权利要求27所述的装置，其特征在于，所述轨迹捕捉应用程序包括签名校验应用程序。
30.如权利要求27所述的装置，其特征在于，所述轨迹捕捉应用程序包括布尔逻辑符号重格式化功能。
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