JP2002516429A - 制御装置およびオブジェクトの制御方法 - Google Patents

制御装置およびオブジェクトの制御方法

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Abstract

(57)【要約】 例えばコンピュータマウスである、制御装置は、好ましくは手動で移動されるようになっている画像記録手段を有し、該画像記録手段の移動の関数として、例えばコンピュータスクリーン上のカーソルである、オブジェクトを制御する。この制御装置は、画像記録手段が移動されつつある時に、部分的にオーバラップする内容を有する複数の画像を記録するようになっており、それら画像の部分的にオーバラップする内容は、画像記録手段がどのように移動されたかを表示する制御信号を、画像記録手段が発生しうるようにする。画像記録手段の回転に基づく制御方法および制御装置もまた示される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （発明の分野） 本発明は、好ましくは手動で移動されるようになっている画像記録手段を有す
る制御装置であって、画像記録手段の移動の関数としてオブジェクトを制御する
前記制御装置に関する。本発明はまた、オブジェクトの制御方法にも関する。
【０００２】 （発明の背景） 今日、パーソナルコンピュータは通常、いわゆるコンピュータマウスと呼ばれ
る、コンピュータスクリーン上のカーソルを位置決めするために用いられる制御
装置を備えている。この位置決めは、ユーザがマウスをある表面上で移動させる
ことにより行われ、手による移動が、マウスがどのように位置決すべきかを指示
する。マウスは、マウスがどのように移動せしめられたか、従って、カーソルが
どのように移動されるべきか、を示す位置決め信号を発生する。現在、マウスの
最も一般的なタイプは、その下側にボールを有し、このボールは、マウスが前記
表面上を移動せしめられる時に、その表面における摩擦の結果として回転し、そ
のボールは、それに関連して位置センサを駆動し、それによりこの位置センサは
位置決め信号を発生する。通常、マウスはまた、ユーザがクリックする１つまた
は２つ以上のボタンにより、コンピュータに命令を与えるためにも用いられうる
。
【０００３】 光学的コンピュータマウスもまた公知である。ＪＰ０９１９０２７７は、Ｘ軸
に関する１つのＣＣＤラインセンサと、Ｙ軸に関する１つのＣＣＤラインセンサ
と、を有する光学的マウスを示している。ある時刻においてこれらのＣＣＤライ
ンセンサにより記録されたデータを、後の時刻において記録されたデータと比較
し、それによりＸ方向およびＹ方向におけるマウスの移動を決定しうる。
【０００４】 このようにして、マウスは、仮想オブジェクトを制御するために用いられる。
しかし、マウスと類似した構造を有するが、代わりに物理オブジェクトを制御す
るために用いられる他の制御装置が存在する。 さらに、２次元内すなわち平面内の、または３次元内すなわち空間内の、オブ
ジェクトを制御するための制御装置が存在する。
【０００５】 ＷＯ９８／１１５２８は、コンピュータに３次元情報を供給する制御装置を説
明している。その装置は、相互に垂直な方向に置かれ、１つないし３つの方向に
おける加速度または傾斜を測定しうる、３つの加速度計に基づいている。その装
置は、例えば、ユーザの頭上に置くことができ、あるいはハンドヘルド形のもの
でありうる。
【０００６】 ３次元情報をコンピュータへ入力するコンピュータマウスは、米国特許第５，
５０６，６０５号に説明されている。このコンピュータマウスは、ハンドヘルド
形のものであり、空間内において自由に保持されるよう意図されている。さらに
、それは、後に適切な電子手段により解釈され、ディジタルフォーマットへ変換
され、またコンピュータへ入力される、さまざまな物理的性質を測定するための
センサを含みうる。そのマウスの位置は、光、加速度、ジャイロスコープなど、
に基づきうる位置センサにより決定される。説明されている実施例においては、
超音波センサおよび磁気センサが用いられる。前記入力に基づき、コンピュータ
は、続いて振動の形式の触覚帰還を発生し、この振動は、例えば、ユーザへマウ
スの所望位置に対するマウスの位置についての情報を与える。
【０００７】 （発明の要約） 本発明の目的は、物理オブジェクトおよび仮想オブジェクトの、２次元制御お
よび３次元制御の双方に適する、改良されたオブジェクトの制御装置および制御
方法を提供することである。 この目的は、請求項１および請求項２３による制御装置と、請求項２４による
方法と、によって達成される。好ましい実施例は、引用形式の請求項に記載され
ている。
【０００８】 本発明の第１の特徴によると、本発明は、好ましくはユーザにより手動で移動
されるようになっている画像記録手段を有する制御装置であって、画像記録手段
の移動の関数として、仮想的または物理的でありうるオブジェクトを制御する前
記制御装置に関する。画像記録手段は、それらが移動されつつある時に、部分的
にオーバラップする内容を有する複数の画像を記録するようになっており、それ
ら部分的にオーバラップする内容は、画像記録手段がどのように移動されたかの
決定を可能にする。
【０００９】 このようにして、本発明は、ユニットがどのように移動されつつあるかを決定
するために、画像を用いるという考え方に基づいている。この技術は、２次元制
御および３次元制御に用いられうる。それは、必要とするセンサが少なく、移動
部分を必要としないので、有利である。全移動情報は、画像のオーバラップする
内容に含まれる。この装置は周囲の画像を記録するので、「絶対」位置表示が得
られ、画像記録手段が特定の位置に来た時の検出を可能にし、それは例えば、加
速度測定に基づく制御装置を用いるときは不可能である。移動のほかに回転も検
出可能であり、オブジェクトの制御のために用いられる。
【００１０】 １つの実施例においては、制御装置は、平面内のオブジェクトを制御するよう
に設計される。その場合、オーバラップする画像は、画像記録手段の移動だけで
なく、その平面内における画像記録手段の回転をも決定可能にし、それは例えば
、ボールを有する従来のマウスを用いるときは不可能である。従って、その制御
装置は、その平面内におけるオブジェクトの角位置を制御しうることを利点とす
る。その装置が、平面内における制御用として設計される時は、画像を記録する
ための、いわゆるエリアセンサと呼ばれる、２次元センサ表面を有する感光セン
サ（ｌｉｇｈｔ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｓｅｎｓｏｒ）手段を備えると有利であ
る。この状況において、２次元センサ表面は、このセンサ表面が、ピクセルのマ
トリックスで表面を撮像しえなければならないという事実を指す。ＣＣＤセンサ
およびＣＭＯＳセンサは、適切なセンサの例である。このようにして、平面内に
おける制御を行うためには、単一センサで十分である。
【００１１】 別の実施例においては、装置は、空間内におけるオブジェクトを制御するため
に設計される。この場合も、制御装置はオブジェクトの角位置を制御しうること
を利点とし、これに関連する制御は３つの軸の回りにおいて行われうる。経済的
な実施例においては、装置は、２次元センサ表面を有する２つの感光センサを有
すれば十分であり、２つの感光センサはそれぞれ２つの異なる方向において前記
画像を記録する。
【００１２】 しかし、空間内におけるもっと正確な制御のためには、画像記録手段は、３つ
の好ましくは垂直な方向における画像を記録する、３つのセンサを含むことが望
ましい。これは、３つの相互に垂直な軸に沿っての並進（ｔｒａｎｓｌａｔｉｏ
ｎ）と、３つの軸の回りの回転と、の決定を、比較的簡単な計算により可能にす
る。
【００１３】 制御装置は、オブジェクトを制御するための制御信号を供給する、画像処理手
段を有することが適切である。この画像処理手段は、画像記録手段と同じ物理ケ
ーシング内に配置することができ、従って、この物理ケーシングからの出力信号
は、制御されるべきオブジェクトを制御する制御信号をなす。しかし、画像処理
手段はまた、別の物理ケーシング内、例えば、制御されるべきオブジェクトであ
るカーソルを有するコンピュータ内、または、制御装置により制御される物理オ
ブジェクトを代わって制御する、または該物理オブジェクトの部分をなす、コン
ピュータ内、にも配置することができ、その画像処理手段からの出力信号は、オ
ブジェクトを制御する制御信号をなす。この状況においては、画像処理手段から
出力される制御信号は、オブジェクトの直接的制御に用いられる前に、さらなる
処理を必要としうることに注意すべきである。この画像処理手段は、プロセッサ
およびソフトウェアを用いて構成すると有利であるが、完全にハードウェアを用
いて構成することもできる。
【００１４】 画像処理手段は、部分的にオーバラップする内容を用い、画像の相対位置を適
切に決定して、前記制御信号を供給する。もし制御装置が３次元における制御に
用いられるならば、これは、全てのセンサに関し並列に適切に行われる。移動の
距離および方向、従って現在の位置は、諸画像の相対位置に基づいて決定されう
る。
【００１５】 制御装置は、校正モードを有すると有利であり、校正モードにおいては、画像
記録手段は、該画像処理手段が諸画像の相対位置を該画像記録手段の実際の移動
に関連させうるように、移動せしめられる。代案として、制御装置は、センサを
用いて撮像される表面までの距離を測定する距離計を備えることもできるが、そ
れはもちろん、より高価である。
【００１６】 画像処理手段は、諸画像の相対位置から得られる少なくとも１つの移動ベクト
ルに基づき、前記制御信号を適切に発生するようになっている。 さらに、または代わりに、画像処理手段は、諸画像の相対位置から得られる少
なくとも１つの回転表示に基づき、前記制御信号を適切に発生するようになって
いる。従って、制御信号は、オブジェクトの回転およびオブジェクトの移動を制
御するために用いることができ、これは従来の機械的コンピュータマウスに比し
ての利点である。
【００１７】 ３次元制御用の制御装置の場合、画像処理手段は、諸画像の相対位置に関する
、全てのセンサからの情報を組合わせて、１つの移動ベクトルおよび１つの回転
ベクトルを発生しうる。このようにして、画像記録手段の位置は、明確に決定さ
れうる。換言すれば、制御装置は、手が画像記録手段を移動させる時に、手によ
り行われる移動のディジタル化を行うことができ、その移動に基づきコンピュー
タがオブジェクトを制御しうるようにする。
【００１８】 １つの実施例においては、画像処理手段は、画像記録手段が移動せしめられた
速度に基づき前記制御信号を発生するようになっており、その速度は、諸画像の
相対位置および画像記録周波数から決定される。
【００１９】 制御信号の受信機は、適切には、制御信号が制御信号であることを知り、それ
により、それらの制御信号が後にどのように処理されるべきかを知るべきである
。従って、画像処理手段は、好ましくは、受信機が制御信号を、オブジェクトを
制御する目的のものとして識別しうるように、前記制御信号を出力するようにさ
れる。これは、例えば、所定のプロトコルの使用により行われうる。
【００２０】 画像に基づく制御装置を用いる利点は、画像記録手段が所定位置に来た時を決
定しうるようになることである。そのわけは、その位置が、１つまたはいくつか
の画像により定められうるからである。例えば、画像記録手段が最初の位置に復
帰した時を検出することが可能である。この目的のためには、画像処理手段は、
少なくとも１つの基準画像を記憶し、後に記録された画像をこの画像と比較して
、本質的に完全なオーバラップの場合に信号を発生するようにされる。例えば、
ユーザは、ある位置を、この位置において制御装置をクリックすることにより、
基準位置として定めうる。
【００２１】 もし画像記録手段および画像処理手段が、異なる物理ケーシング内に配置され
ていれば、画像記録手段は、該画像記録手段から画像処理手段への画像の無線送
信を行う送信機を含むと有利である。さらに、殊にもし画像記録手段および画像
処理手段が同じ物理ケーシング内に配置されているならば、もし画像処理手段が
、制御信号を、例えば、制御されるべきカーソルを有するコンピュータへ無線出
力する送信機を含んでいれば有利でありうる。双方の場合において、制御装置は
極めて容易に使用される。そのわけは、情報転送のための導線が不必要であるか
らである。例えば、ユーザは、個人的な画像記録手段または制御装置を有し、そ
れを、さまざまなコンピュータまたは制御信号の受信機と共に用いうる。前記送
信機は、例えば、いわゆるブルーツース規格（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ ｓｔａｎｄ
ａｒｄ）を用いた、ＩＲ送信機、無線送信機、または、互いにかなり接近して配
置された２つのユニットの間の無線情報転送に適するある他の送信機、でありう
る。
【００２２】 実施例においては、制御装置はコンピュータマウス、すなわち、コンピュータ
に接続でき、１次元、２次元、または数次元においてカーソルを位置決めするた
めに用いられうる制御装置である。
【００２３】 この制御装置は、第１の絶対モードにより、または第２の相対モードにより、
用いられうる。絶対モードにおいては、制御されるオブジェクトの移動は、画像
記録手段の移動に比例する。換言すれば、オブジェクトは、画像記録手段がどこ
に位置しているかにかかわらず、画像記録手段の移動に対応するように移動する
。しかし、相対モードにおいては、制御装置は、制御されるオブジェクトの速度
または加速度が、画像記録手段と、あらかじめ定められた座標原点と、の間の距
離が増加する時に増加するように構成される。このようにして、画像記録手段を
あらかじめ定められた原点から遠くに離して保持することにより、オブジェクト
のより速い移動を実現しうるようになり、一方、同時に、精度の高い制御は、画
像記録手段を原点の近くに保持することにより実現されうる。
【００２４】 本発明の第２の特徴によれば、本発明は、好ましくは手動で回転されるように
された画像記録手段を有する制御装置に関し、オブジェクトを画像記録手段の回
転の関数として制御する。この制御装置は、画像記録手段が回転されつつある時
に、部分的にオーバラップする内容を有する複数の画像を記録するようになって
おり、諸画像の部分的にオーバラップする内容は、画像記録手段がどのように回
転されたかを決定しうるようにする。
【００２５】 従って、この制御装置は、上述の制御装置と同じ考え方に基づいているが、オ
ブジェクトを画像記録手段の移動の関数として制御する代わりに、それを画像記
録手段の回転の関数として制御する。この制御装置は、例えば、トラックボール
でありうる。上述の実施例は、回転する制御装置に対しても大いに適用可能であ
り、同じ利点が得られる。
【００２６】 本発明の第３の特徴によれば、本発明は、オブジェクトの制御方法に関し、そ
の制御方法は、制御装置を移動させるステップと、該制御装置の移動中に、オー
バラップする内容を有する複数の画像を前記制御装置を用いて記録するステップ
と、前記オーバラップする諸画像の内容を用いて前記制御装置の移動を決定する
ステップと、を含む。上述の装置に関連して説明した同じ利点が得られる。
【００２７】 （実施例の説明） 本発明を、添付図面を参照しつつ、例示用の実施例により以下に詳細に説明す
る。 本発明による制御装置は、本質的に２つの主要タイプの実施例により具体化さ
れうる。本発明による制御装置の第１の実施例は以下に説明され、その実施例は
、２次元マウスとして用いられるように意図されている。次に、制御装置の第２
の実施例が説明され、その実施例は、３次元マウスとして用いられるように意図
されている。最後に、２次元マウスおよび３次元マウスの動作を説明する。説明
される双方の実施例において、画像記録手段および画像処理手段は、同じ物理ケ
ーシング内に配置され、そこから制御信号が出力される。上述のように、画像処
理手段はまた、別個の物理ケーシング内にも配置されうる。この改変を行うこと
は、当業者にとっては極めて簡単である。
【００２８】 （制御装置の設計） 図１に示されている制御装置の第１実施例は、従来のハイライタペン（ｈｉｇ
ｈｌｉｇｈｔｅｒ ｐｅｎ）とほぼ同じ形状を有するケーシング１を含む。この
ケーシングの１つの短辺は窓２を有し、これを介して画像が装置内へ読み込まれ
る。窓２は、下にある表面に対して摩耗しないように、ケーシング内へやや引っ
込められている。
【００２９】 ケーシング１は、本質的に光学部分３と、電子回路部分４と、電源部分５と、
を含む。 光学部分３は、発光ダイオード６と、レンズ系７と、電子回路部分４とのイン
タフェースを構成する光センサ８の形式の画像記録手段と、を含む。
【００３０】 ＬＥＤ６のタスクは、制御装置が直接表面に接触して、または表面に極めて接
近して保持されている場合に、前記窓の下に現在位置する表面を照明することで
ある。拡散器９は、ＬＥＤ６の前方に取付けられ、光を拡散する。 レンズ系７のタスクは、窓２の下にある表面の画像を、できるだけ正確に光セ
ンサ８上へ投射することである。
【００３１】 この例においては、光センサ８は、組込みＡ／Ｄ変換器を有する２次元方形Ｃ
ＣＤユニット（ＣＣＤ＝電荷結合デバイス）を含む。そのようなセンサは、市販
されている。センサ８は、窓２に対し小さい角をなし、それ自身の回路板１１上
に取付けられている。 制御装置への電源は電池１２から得られ、この電池は、ケーシング内の仕切ら
れた区分室１３内に取付けられている。
【００３２】 図２のブロック図は、電子回路部分４を概略的に示す。これは、回路板上に配
置されてプロセッサ２０を含み、プロセッサ２０はバス２１を介して、該プロセ
ッサのプログラムを記憶しているＲＯＭ２２と、前記プロセッサのワーキングメ
モリを構成し前記センサからの画像を記憶する読出し／書き込みメモリ２３と、
制御論理ユニット２４と、センサ８およびＬＥＤ６と、に接続されている。プロ
セッサ２０と、バス２１と、メモリ２２および２３と、制御論理ユニット２４と
、関連するソフトウェアとは、いっしょに画像処理手段を構成する。
【００３３】 制御論理ユニット２４は、さらにいくつかの周辺ユニットに接続され、これら
の周辺ユニットには、外部コンピュータへ／からの情報を転送するための無線ト
ランシーバ２６と、ユーザが画像記録手段を制御することができ、また従来のマ
ウスのクリックボタンとしても用いられうるためのボタン２７と、マウスの使用
準備完了を表示する、例えばＬＥＤである、インディケータ２９と、が含まれる
。メモリ、センサ、および周辺ユニットへの制御信号は、制御論理ユニット２４
において発生される。この制御論理はまた、プロセッサへの割込みの発生および
優先順位付与をも処理する。ボタン２７と、無線トランシーバ２６と、ＬＥＤ６
とは、制御論理ユニット２４内のレジスタにおいて書込みおよび読取りを行うプ
ロセッサによりアクセスされる。ボタン２７は、作動せしめられた時にプロセッ
サ２０への割込みを発生する。
【００３４】 図３は、本発明による制御装置の第２実施例を示す。第１実施例と同様に、こ
の実施例は、ペン形ケーシング３１を含む。ケーシングの短辺上の窓３２の外に
、装置は２つの追加の窓３２′および３２″を有する。それぞれの窓３２、３２
′、３２″は、ややケーシング内へ引っ込められ、もし制御装置が使用されてい
る時、またはアイドル位置に置かれる時に、ある表面に衝突しても、摩耗または
引っかききずを生じないようになっている。 上述の場合におけるように、ケーシング１は、本質的に、光学部分３３と、電
子回路部分３４と、電源部分５と、を含む。
【００３５】 光学部分３３は、窓３２、３２′、および３２″のそれぞれのための、３つの
レンズ系を有するレンズパッケージ（図示せず）と、電子回路部分３４に対する
インタフェースを構成する３つの光センサを有するセンサセット（図示せず）と
、を含む。この制御装置には、発光ダイオードがない。制御装置は、撮像されつ
つある表面から少し離れて保持されるように意図されており、従って多くの場合
、画像を記録するためには環境光で十分である。
【００３６】 レンズ系のタスクは、窓３２、３２′、３２″が指向している表面の画像を、
できるだけ正確に感光センサ上へ投射することである。 上述の実施例におけるように、感光センサは、組込みＡ／Ｄ変換器を有する２
次元方形ＣＣＤユニットを含む。それぞれのセンサは、それ自身の回路板上に取
付けられている。
【００３７】 この実施例においても、制御装置への電源は電池から得られ、この電池は、ケ
ーシング内の仕切られた区分室内に取付けられている。 この第２実施例における電子回路部分の設計は、第１実施例に関連して上述し
たそれと本質的に同じである。この電子回路部分は、全ての３つのセンサにより
共用される。
【００３８】 （２次元マウスとしての装置の応用） 第１実施例による装置は、移動情報を入力するためのマウスとして用いること
ができ、それによりコンピュータスクリーン上でカーソルが制御されうる。 ユーザは、制御装置の窓２を、パターン形成された表面、例えば、マウスパッ
ドに向ける。ユーザが、ボタン２７の１つを押下して画像記録手段を起動すると
、プロセッサ２０は、ＬＥＤ６に指令して、少なくとも５０Ｈｚを適切とする所
定の周波数で、ストローブパルスの発生を開始させる。その後、ユーザが、制御
装置を、それが従来のマウスであるかのようにして前記表面上を通過させると、
部分的にオーバラップする内容を有する諸画像が、センサ８により記録され、読
出し／書き込みメモリ２３内に記憶される。これらの画像は、画像として、すな
わち複数のピクセルを用いて記憶され、それぞれのピクセルは、白から黒までの
範囲内のグレースケール値を有する。
【００３９】 図４のフローチャートは、２次元マウスの動作を詳細に示す。ステップ４００
においては、開始画像が記録される。ステップ４０１においては、次の画像が記
録される。この画像の内容は、前の画像の内容と部分的にオーバラップする。
【００４０】 ステップ４０１において画像が記録され終わると直ちに、それが前の画像とど
のようにオーバラップしているか、すなわち、いずれの相対位置において画像の
内容の間の最良の一致が得られるか、の決定のプロセスが、ステップ４０２にお
いて開始される。この決定は、画像を互いに対して垂直および水平に並進させ、
また画像を互いに対して回転させることにより行われる。この目的のために、画
像の間のことごとくの可能なオーバラップ位置が、ピクセルレベルにおいて検査
され、オーバラップの測定値が以下のようにして決定される。
【００４１】 １）それぞれのオーバラップするピクセル位置において、２つの関連するピク
セルのグレースケール値が、もしそれらが白でなければ加算される。いずれのピ
クセルも白でないピクセル位置は、プラス位置と命名する。 ２）全てのプラス位置におけるグレースケール値が加算される。
【００４２】 ３）それぞれのピクセル位置の近隣が検査される。もしオーバラップするピク
セル位置が、プラス位置の近隣になく、白のピクセルと、白でないピクセル位置
と、から成るならば、白でないピクセルのグレースケール値が、場合によっては
定数を乗算されて、段階２）における和から減算される。 ４）上述における最高のオーバラップ測定値を与えるオーバラップ位置が選択
される。
【００４３】 我々のスウェーデン特許出願第９７０４９２４−１号および対応する米国特許
出願第０２４ ６４１号は、最良のオーバラップ位置を見出すために画像を突合
わせる別の方法を説明している。これらの出願の内容は、ここで参照することに
より、本願に取り込むこととする。
【００４４】 現在の画像と、前の画像と、の間の最良のオーバラップ位置が決定され終わる
と直ちに、前の画像は廃棄され、そこで現在の画像は、次の画像に対する前の画
像となる。
【００４５】 ２つの画像の相対位置の決定により移動ベクトルが得られ、この移動ベクトル
は、それら２つの画像の記録の間に画像記録手段が移動した距離と方向とを示す
。もしマウスが、２つの画像間において回転もしていれば、この回転の測定値も
また得られる。その後、移動ベクトルと、回転の測定値と、を含む制御信号が、
ステップ４０３において、トランシーバ２６によりコンピュータへ送信され、制
御装置は、このコンピュータのためにマウスとして動作する。このコンピュータ
は、移動ベクトルと、回転の測定値と、を用い、コンピュータのスクリーン上の
カーソルの位置決めをする。その後、フローはステップ４０１へ復帰する。速度
を増大させるために、諸ステップは、例えば、現在の画像が前の画像と総合され
ている間に、次の画像の記録を開始することにより、部分的に並列に行われうる
。 マウスを起動する時は、クリックボタンとしてボタン２７を用い、コンピュー
タへ命令を入力しうる。
【００４６】 （３次元マウスとしての装置の応用） 第２実施例による装置は、移動情報を入力するためのマウスとして用いること
ができ、それにより、コンピュータスクリーン上におけるカーソルは、３次元内
、すなわち空間内において制御されうる。
【００４７】 上述のように、３次元マウスは、２次元の光センサ表面を有する３つのセンサ
３２、３２′、３２″を含む。これらセンサの主軸は、直交座標系のｘ、ｙ、お
よびｚ軸に沿って配置され、ｎ×ｎピクセルの２次元空間解像度と、毎秒ｍ画像
の時間解像度と、を有する。それぞれのレンズ系は、関連するセンサ表面に対す
るνラジアンの視角を有する視野を備えている。
【００４８】 装置が用いられている時、マウスの移動は図５の「開放箱」５０内において行
われ、この開放箱は、互いに対して直角に配置された少なくとも２つの側壁５１
および５２と、床５３と、により画定される。マウスは空間内に自由に保持する
こともできるが、これは、以下に説明するものよりも複雑な計算アルゴリズムを
必要とする。
【００４９】 装置が用いられている時、諸画像の相対位置を決定する上述の方法は、それぞ
れのセンサに対して用いられる。従って、この場合における動作もまた、図４の
フローチャートにより記述されるが、個々の画像を記録する代わりに、３つの画
像から成る画像のセットが同時に記録される。このようにして、１つの移動ベク
トルと、１つの回転ベクトルとが、それぞれの光センサにより記録された画像を
用いて発生せしめられ、これらのベクトルは、２つの相次ぐ画像の記録の間にお
いてマウスが行う移動を記述する。これらのベクトルは、次に制御信号内に含め
られ、この制御信号は、マウスにより制御されるべきオブジェクトへ送信される
。
【００５０】 さらに、マウスの使用を成功させるためには、光センサが十分に高品質の画像
を記録でき、上述されたそれらの処理が可能になるような、照明状態が必要であ
る。
【００５１】 マウスの移動がどのようにオブジェクトを制御しうるかについの理解をさらに
容易にするために、ここで図６を参照しつつ、マウスの移動を決定するために行
われる計算を例によって説明する。以下の計算においては、画像突合せアルゴリ
ズムが簡単なタイプのものであり、それはそれぞれのセンサのために単に、２つ
の画像の間における２つの相互に垂直な方向への並進を計算するものであると仮
定する。マウスは位置（ｘ，ｙ，ｚ）にあり、それはまた正規直交（ｏｒｔｈｏ
ｎｏｒｍａｌ）回転マトリックスＲにより記述されうる回転を有するものと仮定
する。従って、マウスのｘ軸はＲ・ｅxの方向を指し、ｙ軸はＲ・ｅyの方向を指
し、ｚ軸はＲ・ｅzの方向を指す。さらに、２つの画像の記録の間に、マウスは
並進移動および回転移動を次式により行うものと仮定する。
【００５２】
【数１】
【００５３】 マウスの局所的座標系においては、並進ベクトルは、図７に示されているよう
に定められうる。第１センサはｘおよびｙ方向における移動を記録し、第２セン
サはｙおよびｚ方向における移動を記録し、第３センサはｘおよびｚ方向におけ
る移動を記録する。従って、相次ぐ画像の任意のトリプレットにおいて、並進ス
カラ（ｘ1，ｙ1，ｙ2，ｚ2，ｘ3，ｚ3）は、マウスの検出された移動を記述する
。並進スカラは、それぞれのセンサにおける画像突合せアルゴリズムからの出力
から成る。
【００５４】 マウスの回転を計算するためには、並進スカラに対する回転の効果が計算され
る。マウスが角αだけ回転されるものと仮定し、αは、
【数２】 であるように十分に小さいものとする。また、わかりやすくするために、回転は
ｚ軸の回りにαzラジアンだけ行われるものと仮定する。この回転は、次のスカ
ラを生じる。
【００５５】
【数３】 ただし、ｎはセンサの一辺に沿ってのピクセルの数であり、νはラジアンで表し
たセンサ表面の視角である。従って、全ての軸に対しては次式が成立する。
【００５６】
【数４】
【００５７】 従って、画像突合せアルゴリズムからの出力信号である並進スカラの値と、セ
ンサ表面の一辺に沿ってのピクセルの数ｎと、センサの視角νと、を知ることに
より、ｘ、ｙ、およびｚ軸の回りのマウスの回転における回転ベクトル（αｘ，
αｙ、αｚ）を計算しうる。
【００５８】 さらに、並進移動を計算するためには、それぞれのセンサから周囲の幾何学形
状（ａｍｂｉｅｎｔ ｇｅｏｍｅｔｒｙ）までの機能距離を知らなければならな
い。機能距離は、画像突合せアルゴリズムからの出力を並進移動に関連付ける定
数である。機能距離は、以下に説明する校正により決定される。マウスが上述の
「開放箱」５０の内部で移動する特殊な場合においては、機能距離は、マウスの
中央から箱５０のそれぞれの壁５１、５２、および５３までの幾何学的距離に対
応する。 わかりやすくするために、ｘ軸に沿っての距離δｘの並進を考察することにす
る。従って、スカラｘ１およびｘ３に関する並進の効果は、それぞれ以下のよう
になる。
【００５９】
【数５】 ただし、ｄ1およびｄ3は、マウスから（ｘ１，ｙ１）および（ｘ３，ｚ３）に関
する投射表面までの機能距離である。もしこれを全ての軸に一般化すれば、次式
が得られる。
【００６０】
【数６】
【００６１】 従って、画像突合せアルゴリズムから得られた並進スカラの値と、センサ表面
の一辺に沿ってのピクセルの数ｎと、センサの視野νと、投射表面までの機能距
離ｄ1ないしｄ3と、を知ることにより、ｘ、ｙ、およびｚ軸に沿ってのマウスの
並進における並進ベクトル（δｘ，δｙ，δｚ）を計算しうる。
【００６２】 従って、要約すると、画像の突合せにおいて得られる並進スカラ（ｘ１，ｙ１
，ｙ２，ｚ２，ｘ３，ｚ３）は、マウスの回転および並進に依存する。これらの
パラメータおよび上述の他のパラメータを知れば、並進ベクトル（δｘ，δｙ，
δｚ）および回転ベクトル（αx，αy，αz）は、解くことができる以下の方程
式系を解くことにより得られうる。次に、これらのベクトルは制御信号に含めら
れ、それはマウスにより制御されるオブジェクトへ送信される。その信号は、オ
ブジェクトの新しい位置を示す。
【００６３】
【数７】
【００６４】 校正、すなわち機能距離ｄ1、ｄ2、およびｄ3の計算は、マウスを開放箱の縁
に沿って移動させることにより行われうる。マウスは、図８に示されているシー
ケンスＡ−Ｂ−Ｃに従って、ｘ、ｙ、およびｚ軸に沿って移動せしめられる。そ
れぞれの移動は２つの方程式を生じ、それらは全体で以下の方程式系を与える。
【００６５】
【数８】
【００６６】 この過定義（ｏｖｅｒｄｅｆｉｎｅｄ）方程式系は、機能距離ｄ1、ｄ2、およ
びｄ3の値を計算するために必要な全ての情報を含む。 さらに、この実施例のマウスにより、ユーザは、ある時刻において、センサが
現在記録しつつある画像をメモリ内に記憶させるように選択しうる。その後、そ
れぞれの記録画像のセットが、記憶されている画像のセットと比較され、完全に
オーバラップした時は、ユーザへの信号が発生せしめられる。これは、オブジェ
クトの精密制御を可能にする。なぜならば、ユーザは、マウスが前に置かれてい
た正確な位置へ戻る経路を見出しうるからである。もちろん、同じ原理は、オブ
ジェクトの２次元制御の場合にも用いられうる。
【００６７】 マウスのもう１つの応用においては、回転移動のみが検出される。この場合に
は、校正は不必要であり、上記の方程式を、回転に関する説明に関連して解きさ
えすればよい。この応用としては、例えば、マウスは、ユーザが着用しているヘ
ルメットなどに取付けることができ、それは例えば、さまざまなタイプのバーチ
ャルリアリティアプリケーションにおいて用いられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による制御装置の実施例を概略的に示す。
【図２】 本発明による制御装置の実施例の電子回路部分のブロック図である。
【図３】 本発明による制御装置の第２実施例を概略的に示す。
【図４】 ２次元制御用の制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図５】 図３の制御装置が内部において用いられうる「開放箱」を概略的に示す。
【図６】 軸ｅx，ｅy，およびｅzを有する直交座標系における、点（ｘ，ｙ，ｚ）から
点（ｘ＋δｘ，ｙ＋δｙ，ｚ＋δｚ）までの、本発明による制御装置の移動を概
略的に示す。
【図７】 制御装置が移動せしめられつつある時、それぞれのセンサからいずれの並進ス
カラが出力されるかを概略的に示す（インデックスは、いずれのセンサがそれぞ
れのスカラを発生しつつあるかを示す）。
【図８】 校正モードにおいて、制御装置がどう移動せしめられるように意図されている
かを概略的に示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 ９８０３４５６−４ (32)優先日 平成10年10月９日(1998．10．9) (33)優先権主張国 スウェーデン（ＳＥ） (31)優先権主張番号 ６０／１０５，８１６ (32)優先日 平成10年10月27日(1998．10．27) (33)優先権主張国 米国（ＵＳ） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ， ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，Ｇ Ｅ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ， ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，Ｚ Ａ，ＺＷ Ｆターム(参考） 5B047 AA27 BA03 BB04 BC05 BC12 CA08 CB07 CB23 5B068 BD02 BD09 BD17 BD22 BD25 BE12 CC17 CD05 EE06 5B087 AA07 BB08 BC03 BC12 BC13 BC16 BC32 DD03 DD06 DD17 DG02

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 好ましくは手動で移動されるようになっている画像記録手段
    を有する制御装置であって、該制御装置は該画像記録手段の移動の関数としてオ
    ブジェクトを制御し、前記制御装置が、前記画像記録手段が移動されつつある時
    に、部分的にオーバラップする内容を有する複数の画像を記録するようになって
    おり、それら画像の前記部分的にオーバラップする内容が、前記画像記録手段が
    どのように移動されたかの決定を可能にすることを特徴とする、前記制御装置。
  2. 【請求項２】 前記制御装置が一平面内において前記オブジェクトを制御す
    るようになっている、請求項１に記載の制御装置。
  3. 【請求項３】 前記制御装置が一平面内において前記オブジェクトの角位置
    を制御するようになっている、請求項２に記載の制御装置。
  4. 【請求項４】 前記画像を記録するための２次元センサ表面を有する光セン
    サ手段（８）をさらに含む、請求項２または請求項３に記載の制御装置。
  5. 【請求項５】 前記制御装置が空間内において前記オブジェクトを制御する
    ように設計されている、請求項１に記載の制御装置。
  6. 【請求項６】 前記制御装置が前記空間内において前記オブジェクトの角位
    置を制御するようになっている、請求項５に記載の制御装置。
  7. 【請求項７】 ２つの異なる方向における前記諸画像を記録するための２次
    元センサ表面を有する少なくとも２つの光センサ手段（８）をさらに含む、請求
    項５または請求項６に記載の制御装置。
  8. 【請求項８】 ３つのリニアに（ｌｉｎｅａｒｌｙ）独立した方向における
    前記諸画像を記録するための２次元センサ表面を有する３つの光センサ手段（８
    ）をさらに含む、請求項５または請求項６に記載の制御装置。
  9. 【請求項９】 前記オブジェクトを制御するための制御信号を供給する画像
    処理手段（２０ないし２４）をさらに含む、請求項１から請求項８までのいずれ
    かに記載の制御装置。
  10. 【請求項１０】 前記画像処理手段（２０ないし２４）が、前記部分的にオ
    ーバラップする内容を用いて前記諸画像の相対位置を決定し、前記制御信号を供
    給するようになっている、請求項９に記載の制御装置。
  11. 【請求項１１】 全ての前記感光センサ（８）に関し、前記部分的にオーバ
    ラップする内容を用いて前記諸画像の相対位置を同時に決定し、前記制御信号を
    供給するようになっている画像処理手段（２０ないし２４）をさらに含む、請求
    項５から請求項８までのいずれかに記載の制御装置。
  12. 【請求項１２】 前記制御装置が校正モードをさらに有し、該校正モードに
    おいて、前記画像処理手段（２０ないし２４）が前記諸画像の相対位置を前記画
    像記録手段の実際の移動に関連させうるように、前記画像記録手段が移動される
    、請求項１１に記載の制御装置。
  13. 【請求項１３】 前記画像処理手段（２０ないし２４）が、前記諸画像の相
    対位置から得られる少なくとも１つの移動ベクトルに基づいて前記制御信号を発
    生するようになっている、請求項１０から請求項１２までのいずれかに記載の制
    御装置。
  14. 【請求項１４】 前記画像処理手段（２０ないし２４）が、前記諸画像の相
    対位置から得られる少なくとも１つの回転表示に基づいて前記制御信号を発生す
    るようになっている、請求項１０から請求項１３までのいずれかに記載の制御装
    置。
  15. 【請求項１５】 前記画像処理手段（２０ないし２４）が、前記画像記録手
    段が移動された速度に基づいて前記制御信号を発生するようになっており、該速
    度が前記諸画像の相対位置から決定される、請求項１０から請求項１４までのい
    ずれかに記載の制御装置。
  16. 【請求項１６】 受信機が前記制御信号を、オブジェクトを制御する意図の
    ものとして識別しうるように、前記画像処理手段（２０ないし２４）が前記制御
    信号を出力するようになっている、請求項９から請求項１５までに記載の制御装
    置。
  17. 【請求項１７】 前記画像処理手段（２０ないし２４）がさらに、少なくと
    も１つの基準画像を記憶し、また後に記録された画像をその画像と比較して、本
    質的に完全なオーバラップの場合に信号を発生するようになっている、請求項９
    から請求項１６までのいずれかに記載の制御装置。
  18. 【請求項１８】 前記画像処理手段（２０ないし２４）が、前記制御信号を
    無線出力するための送信機（２６）を含む、請求項９から請求項１７までのいず
    れかに記載の制御装置。
  19. 【請求項１９】 前記画像記録手段が、画像を前記画像処理手段（２０ない
    し２４）へ無線送信するための送信機（２６）を含む、請求項９から請求項１８
    までのいずれかに記載の制御装置。
  20. 【請求項２０】 前記制御装置がマウスである、請求項１から請求項１９ま
    でのいずれかに記載の制御装置。
  21. 【請求項２１】 前記装置が第１動作モードを有し、該第１モードにおいて
    は、前記オブジェクトの移動が前記画像記録手段の移動に比例しうるように、前
    記制御装置が前記オブジェクトを制御するようになっている、請求項１から請求
    項２０までのいずれかに記載の制御装置。
  22. 【請求項２２】 前記装置が第２動作モードを有し、該第２モードにおいて
    は、前記オブジェクトの移動速度が、前記画像記録手段と、あらかじめ定められ
    た原点と、の間の距離に比例するように、前記制御装置が前記オブジェクトを制
    御するようになっている、請求項１から請求項２１までのいずれかに記載の制御
    装置。
  23. 【請求項２３】 好ましくは手動で回転されるようになっている画像記録手
    段を有する制御装置であって、該制御装置は該画像記録手段の回転の関数として
    オブジェクトを制御し、前記制御装置が、前記画像記録手段が回転されつつある
    時に、部分的にオーバラップする内容を有する複数の画像を記録するようになっ
    ており、それら画像の前記部分的にオーバラップする内容が、前記画像記録手段
    がどのように回転されたかの決定を可能にすることを特徴とする、前記制御装置
    。
  24. 【請求項２４】 制御装置を移動させるステップと、 前記制御装置の移動中に、オーバラップする内容を有する複数の画像を、前記
    制御装置を用いて記録するステップと、 前記オーバラップする諸画像の前記内容を用いて前記制御装置の前記移動を決
    定するステップと、 を含む、オブジェクトの制御方法。
  25. 【請求項２５】 前記オブジェクトを制御する制御信号を供給するために、
    前記部分的にオーバラップする内容を用いて前記諸画像の相対位置を決定するス
    テップ、 をさらに含む、請求項２４に記載のオブジェクトの制御方法。
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