JP2004513416A - ユーザオブジェクトと仮想転送装置との相互作用を検出しそして位置決めする擬似三次元方法及び装置 - Google Patents
ユーザオブジェクトと仮想転送装置との相互作用を検出しそして位置決めする擬似三次元方法及び装置 Download PDFInfo
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Abstract
Description
【関連出願】
本出願人の2001年4月27日に出願された「Input Methods Using Planar Range Sensors」と題する出願中の米国プロビジョナル特許出願第60/287,115号;2001年2月27日に出願された「Vertical Triangulation System for a Virtual Touch−Sensitive Surface」と題する出願中の米国プロビジョナル特許出願第60/272,120号;及び2000年9月7日に出願された「Application of Image Processing Techniques for a Virtual Keyboard System」と題する出願中の米国プロビジョナル特許出願第60/231,184号から優先権が主張される。更に、本出願は、2000年2月11日に出願された「Method And Apparatus for Entering Data Using A Virtual Input Device」と題する出願中の米国特許出願第09/502,499号の一部継続出願である。上記出願は、各々、参考としてここに援用するものである。
【0002】
【技術分野】
本発明は、一般に、コマンド及び/又はデータをシステムに入力又は転送するための装置に対するスタイラス又はユーザの指の接近度を感知することに係り、より詳細には、コマンド及び/又はデータ及び/又は他の情報をシステムに入力又は転送するのに使用される仮想装置に対してこのように感知することに係る。
【0003】
【背景技術】
仮想入力装置を使用して、コマンド及び/又はデータを入力し、及び/又は他の情報を電子システム、例えば、コンピュータシステムや楽器や電話にも転送することがしばしば望まれる。例えば、コンピュータは、今や、ほとんどポケットサイズで実施できるが、ミニ・キーボードでデータやコマンドを入力することは時間がかかる上にエラーを発生し易い。多数のセルラー電話は、今日、e−メール通信を取り扱うことができるが、小型電話のタッチパッドを使用してメッセージを実際に入力することは困難である。
【0004】
例えば、PDAは、多くのコンピュータ機能を有するが、キーボードが非常に小さかったり又は存在しなかったりすることで悩まされている。ユーザの指又はスタイラスが仮想キーボードに接触したときを決定し、そしてどの指がどの仮想キーに接触したかを決定するためのシステムが使用できれば、キーボード情報に代わって、システムの出力をPDAにおそらく入力することができる。(「指(1つ又は複数)」及び「スタイラス」という用語は、ここでは、交換可能に使用される。)この例では、仮想キーボードは、広げるとおそらくキーボードのサイズになる紙片で、ユーザの手を誘導するためにキーがプリントされているものである。仮想キーボード又は他の入力装置は単なる作用面で、センサも機械的又は電子的部品も持たないことが理解されよう。紙及びキーは、実際には情報を入力せず、ユーザの指と、キーが存在する紙の部分、又は紙がない場合には、作用面の部分との間の相互作用又は界面を使用して、PDAに情報を入力することができる。同様の仮想装置及びシステムは、e−メールをセルラー電話に入力するのに有用である。仮想ピアノ型キーボードを使用して、実際の楽器を演奏することもできる。問題は、ユーザの指又はスタイラスが仮想装置に対して存在する場所をいかに検出し又は感知するかである。
【0005】
コース氏の「Method and Device For Optical Input Of Commands or Data」と題する米国特許第5,767,848号(1998年)は、二次元のTVビデオカメラを使用して仮想装置を実施するように試みている。このような光学的システムは、ルミナンスデータに依存し、周囲光の安定したソースを必要とするが、不都合なことに、ルミナンスデータは、像形成システムに混乱を生じさせる。例えば、像の前景におけるユーザの指は、背景の領域から区別することができない。更に、ユーザの手から生じて仮想装置の障害となる影や他の像阻止現象が、コース氏のシステムの実施を動作的に不正確にすると思われる。又、コース氏は、ユーザの指の輪郭、仮想装置に対する指の位置を検査し、そして指の動きを決定することも必要とする。
【0006】
又、1999年9月22日に出願された「CMOS−Compatible Three−Dimensional Image Sensor IC」と題するバンジ氏等の米国特許出願第09/406,059号は、コマンド及びデータを電子システムに入力するために仮想装置と共に使用できる精巧な三次元像形成システムを開示している。この特許出願には、種々のレンジファインダーシステムが開示され、これらシステムは、ユーザの指先と、仮想入力装置、例えば、キーボートとの間の界面を決定するのに使用できる。飛行時間測定を使用して像が三次元で決定される。光源は、ターゲットオブジェクト、例えば、仮想装置に向かって光学的エネルギーを放射し、そして像形成経路内でオブジェクトの部分によって反射されたエネルギーがホトダイオードのアレーにより検出される。種々の精巧な技術を使用して、光学的エネルギーの放射と、ホトダイオードアレーによるその検出との間の実際の飛行時間が決定される。この測定は、ターゲットオブジェクト上のポイントへのベクトル距離を、三次元、例えば、(X、Y、Z)で計算できるようにする。この開示されたシステムは、反射された放射エネルギーを検査し、そして周囲光なしに機能することができる。例えば、ターゲットオブジェクトがコンピュータキーボードのレイアウト、おそらく、キーがプリントされた紙片である場合には、このシステムは、ユーザのどの指がターゲットのどの部分、例えば、どの仮想キーに、どんな順序で接触したか決定することができる。もちろん、紙片は任意であり、ユーザの指を誘導するのに使用されるものである。
【0007】
バンジ氏の発明で得られる三次元データは、ユーザの指がタッチ面、例えば、仮想入力装置に接触したときに、ユーザの指を位置決めするようにソフトウェア処理することができる。このソフトウェアは、関連電子装置又はシステム(例えば、コンピュータ、PDA、セル電話、キオスク装置、ポイント・オブ・セール装置等)により実行されるアプリケーションにキーボード事象を入力する要求があったときに表面上の位置に接触する指を識別することができる。バンジ氏のシステムは、三次元像形成を使用するコンピュータシステムにコマンド及び/又はデータを入力してユーザの指と仮想入力装置との界面を分析するように機能しそしてそのように使用できるが、あまり複雑でなくそしておそらくそれほど精巧でないシステムが要望される。バンジ氏のシステムと同様に、そのような新規なシステムは、比較的安価で大量生産できねばならず、且つバッテリ動作を実現できるように動作電力消費が比較的僅かでなければならない。
本発明は、このようなシステムを提供する。
【0008】
【発明の開示】
本発明は、ユーザの指又はスタイラスと、作用面上に定義された受動的なタッチ面(例えば、仮想入力装置)との間の相互作用を、平面擬似三次元感知を使用して位置決めする。擬似三次元感知とは、三次元空間に任意に方向付けされる二次元表面を基準として使用して、相互作用点の決定を本質的に三次元で実行できることを意味する。タッチが検出されると、本発明は、タッチ領域を位置決めして、仮想入力装置上のどこでタッチが生じたか、そしてタッチされて位置決めされた領域に対応して、どんなデータ又はコマンドストロークをタッチに応答して発生すべきかを決定する。或いは又、仮想入力装置は、仮想マウス又はトラックボールを含んでもよい。このような実施形態では、本発明は、仮想入力装置との接触点の座標を検出して報告し、これら座標は、アプリケーションに結合され、おそらく、ディスプレイ上のカーソルを移動し(仮想マウス又はトラックボールの実施形態の場合)及び/又は描写又は書き込みアプリケーションのためにいわゆるデジタルインクを塗布する(仮想ペン又はスタイラス実施形態の場合)。種々の実施形態において、好ましくは三角分析法を使用して、ユーザオブジェクトと仮想入力装置との「接触」が生じる場所が決定される。
【0009】
いわゆる構造化光の実施形態では、本発明は、仮想入力装置が画成される作用面に平行で且つ小さな分離距離ΔYだけその上にあるビーム角φの扇状ビームを画成する光学エネルギーの平面を発生する第1光学システム(OS1)を備えている。この実施形態では、当該平面は、OS1、通常、レーザ又はLED光発生器により形成される光の平面である。2つの平行な平面は、通常は、水平であるが、垂直や他の便利な角度に配置されてもよい。本発明は、更に、OS1により放射されるものと同じ波長の光学的エネルギーに応答する第2光学システム(OS2)を備えている。このOS2は、OS1の上に配置され、そして仮想入力装置が画成される領域に向かって扇状ビーム平面に対してオフセットθの角度が付けられるのが好ましい。OS2は、OS1により放射されるエネルギーに応答するが、光学エネルギーの波長は、人間には見えなくてよい。
【0010】
又、本発明は、能動的又は受動的である非構造化光の構成を使用して実施することもできる。受動的な三角法実施形態では、OS1が、光学的エネルギーの能動的ソースではなくカメラであり、そしてOS2は、OS1と同じ光学的エネルギーに応答するカメラであり、そして上述したように配置されるのが好ましい。このような実施形態では、当該平面がOS1カメラの走査線の投影平面である。能動的な三角法実施形態のような非構造化光の実施形態では、OS1及びOS2がカメラであり、そして本発明は、更に、OS1及びOS2が応答する波長を有する光学的エネルギーを放射する能動的な光源を備えている。任意であるが、このような実施形態では、OS1及びOS2は、各々、能動的な光源からの出力に同期されたシャッターメカニズムを含むことができ、OS1及びOS2のシャッターは、光学的エネルギーが放射されたときに開き、そうでないときには閉じている。2つのカメラを使用する非構造化光構成の利点は、作用面の隆起又は不規則性が良好に許容されることである。OS1により画成される平面は、作用面の最も高いy次元ポイント(例えば、隆起)に合致するようにOS1感知ピクセルエレメントの適当な行を選択することにより、選択できる。
【0011】
構造化光の実施形態では、OS2は、オブジェクト、例えば、ユーザの指又はスタイラスが、仮想入力装置が画成された作用面領域にタッチし始めるまで、光学的エネルギーを検出しない。しかしながら、オブジェクトが、OS1により放射される光学的エネルギーの平面を貫通するや否や、その平面に交差する指又はスタイラスの部分が照射される(ユーザに見えるように又は見えないように)。OS2は、照射されたオブジェクトの領域によりOS2に向かって反射された光学的エネルギーを検出することにより当該平面との交差を感知する。本発明にとって重要なのは、OS1の構成により決定される本質的に1つの平面だけであり、仮想入力装置に平行に三次元空間に画成できる他の全ての平面は、無関係なものとして無視できる。従って、平面三次元センサシステムは、放射された扇状ビーム平面に生じるユーザと仮想入力装置との相互作用を感知し、そして他の平面における相互作用は無視する。
【0012】
このように、本発明は、オブジェクトが仮想入力装置にタッチしたことを検出する。関連タッチ交差が生じたことを感知すると、本発明は、次いで、仮想装置の平面におけるタッチの位置を二次元的に位置決めする。好ましい実施形態では、位置決め事象は、仮想コンピュータキーボード又は楽器キーボード上のどの仮想キーにユーザがタッチしたか識別することを含む。ユーザは、一度に2つ以上の仮想キー、例えば、「シフト」キー及び別のキーにタッチすることができる。タッチの時間的順序も、本発明により決定されることに注意されたい。従って、ユーザが「シフト」及び「t」の仮想キーにタッチし、次いで、文字「h」そして「e」の仮想キーにタッチした場合には、本発明は、「T」そして「h」次いで「e」、即ち「The」が入力されたと確認する。本発明は、周囲光には依存せず、従って、ユーザが仮想入力装置の位置を知っていると仮定すれば、周囲光がなくても完全に動作できることが明らかである。
【0013】
構造化光及び/又は非構造化光の受動的三角法を使用して、ユーザの手と感知平面との間の接触点(x、z)を決定することができる。OS1とOS2との間の基線距離Bは既知であるから、OS1とOS2と点(x、z)との間に三角形が形成され、その辺はBであり、そして投影線R1及びR2がOS1、OS2から(x、z)へと延びる。OS1及びOS2は、基準平面からの三角形の角度距離と、投影線により形成された角度α1及びα2とを決定できるようにし、そして三角法で表面上の点(x、z)までの距離z及び投影線の長さが得られる。
【0014】
本発明に関連したプロセッサユニットは、ユーザが制御するオブジェクトと仮想入力装置との各交点を識別するためのソフトウェアを実行し、そしてそこから、好ましくは三角法分析を使用して、ユーザが意図する適切な入力データ及び/又はコマンドを決定する。これらデータ及び/又はコマンドは、本発明により、仮想入力装置を使用する装置又はシステムへの入力として出力できる。もし必要であれば、本発明は、コンパニオン装置又はシステム内で実施することができ、特に、PDAやセルラー電話や他の小さなフォームファクタの装置又はシステムで、多くの場合にキーボード等の大きなユーザ入力装置をもたないものに対して実施することができる。
【0015】
【発明を実施するための最良の形態】
本発明の他の特徴及び効果は、添付図面を参照した好ましい実施形態の以下の詳細な説明から明らかとなろう。
図1Aは、擬似平面三次元感知システム10の好ましい実施形態を示し、このシステムは、構造化光システム実施例では、仮想入力装置50及び/又は50’及び/又は50”が画成された平らな作用面40に平行に光学的エネルギーの扇状ビーム平面30を放射する第1光学システム(OS1)20を備えている。好ましくは、扇状ビームは、扇角度φを定義し、そして作用面から小さな分離距離ΔYだけ離間される。作用面にタッチしようとするオブジェクト(例えば、ユーザの指又はスタイラス)は、先ず、扇状ビームに接触しなければならず、従って、放射された光学的エネルギーが照射される(目に見えるか又は見えない)。扇状ビーム平面30及び作用面の平面40は、図1Aでは水平に示されているが、これら2つの平面は、垂直に配置されてもよいし、又は実際には、システムに対して望まれる他のいかなる角度に配置されてもよい。作用面40は、作業デスクの一部分、テーブル・トップ、乗物の一部分、例えば、航空機のトレー、風防ガラス又はダッシュボード、壁、投影像を含むディスプレイ、又はCRT、LCD等のディスプレイであるが、これに限定されないことに注意されたい。ここで使用する「平面」という語は、完全な平面のサブセットを含むことを理解されたい。例えば、扇状ビーム平面30は、巾が限定されて、あらゆる方向に無限に延びるのではないが、平面と称される。
【0016】
「仮想入力装置」とは、おそらくプリントされた像を保持する紙を配置することにより入力装置の像が作用面40に与えられるか、又はおそらくシステム10が入力装置の可視像を作用面に投影するか、或いは作用面40には文字通り目に見える像はないことを意味する。従って、仮想入力装置50、50’、50”は、作用キーのような機械的な部品を必要とせず、指又はスタイラスによるタッチを感知する必要がなく、要約すれば、仮想入力装置は受動的であるのが好ましい。
【0017】
図1Aの例では、仮想入力装置50は、フルサイズであるか或いは実際のキーボードサイズから拡大又は縮小されたコンピュータ型キーボードである。もし希望であれば、仮想入力装置は、仮想トラックボール50’及び/又は仮想タッチパッド50”より成るか又はそれを含んでもよい。システム10が、仮想キーボード入力装置50或いは仮想トラックボール50’又は仮想タッチパッド50”と共に使用される場合には、約50°ないし90°そして好ましくは約90°の扇角度φであれば、一般的に使用される距離において扇状ビーム30が仮想入力装置全体を包囲するように確保する。更に、このような仮想入力装置に対して、分離距離ΔYは、数mmまで、そして好ましくは約1mmであれば、充分に機能する。
【0018】
システム10は、更に、第2の光学システム(OS2)60、通常は、平面センサを伴うカメラを備え、これは、OS120から、その上に離間され、そして作用面40及び平面30に向かって約10°ないし約90°そして好ましくは約25°の角度θに傾斜されるのが好ましい。更に、システム10は、他のタスクの中でも、OS1及びOS2を監視する電子処理システム70を備えている。このシステム70は、少なくとも、中央処理ユニット(CPU)と、リードオンリメモリ(ROM)及びランダムアクセスメモリ(RAM)を含む関連メモリとを備えているのが好ましい。
【0019】
図1Aにおいて、システム10の要素OS1 20、OS2 60及びプロセッサユニット70は、装置80上又は内に配置されて示されている。該装置80は、システム10のスタンドアローン実施でもよいし、或いは実際上、仮想入力装置50を使用してデータ又はコマンドを入力するシステム又は装置でもよい。後者のケースでは、装置80は、コンピュータ、PDA(図1Aに示すような)、セルラー電話、楽器等であるが、これに限定されるものではない。システム又は装置80が仮想入力装置によって制御されない場合には、そのように制御される装置90をシステム/装置80に電気的に接続して、仮想装置50からデータ及び/又はコマンドを受信することができる。仮想装置がトラックボール(又はマウス)50’或いはタッチパッド50”である場合には、ユーザとこのような仮想装置との相互作用が、タッチ座標(x、z)より成る生の情報又はデータを、装置80により使用するために直接出力することができる。例えば、ユーザと仮想入力装置50’又は50”との相互作用は、ディスプレイ140上にカーソル160を再位置設定するか、さもなければ、装置80により実行されるアプリケーションを変更するか、或いは仮想マウス又はトラックボール50’を使用し又はスタイラス120’及び仮想タッチパッド50”を使用してユーザが「書き込もう」とするものをたどるいわゆるデジタルインク180の軌跡を敷設する。システム/装置90は、ワイヤ又はワイヤレスを含むがこれに限定されない媒体100によりシステム80に電気的に接続することもできるし、或いはインターネットを含むネットワークであってもよい。
【0020】
構造化光実施例では、OS1 20が、x−z平面40に平行に扇状ビーム30において光学的エネルギーを放射する。OS1は、レーザ線発生器又はLED線発生器を含むが、他の光学的エネルギーソースを使用して平面30を放射することもできる。線発生器OS1と称されるのは、第2平面が交差したときにOS2が見るものを第2平面上の線として照射する光の平面を放射するからである。例えば、円筒状のオブジェクトが平面30に交差する場合には、OS2は、その事象を、楕円の弧の照射された部分として見ることになり、その縦横比は、平面30及び面40より上のOS2の距離に依存する。従って、周囲光を除き、平面30上で楕円弧をOS2が検出すると、例えば、120Rのようなオブジェクトが平面30に接触するか又はそれを貫通したというタッチ事象を表わす。種々様々な光学的放射器を使用してもよいが、おそらく300nmないし1000nmの波長においておそらく3mWの平均電力を出力するレーザダイオードを使用することができる。周囲光波長(例えば、おそらく350nmないし700nm)を使用できるが、このような波長が回避されれば、フィルタやシャッターなしに周囲光の影響を最小限にすることができる。従って、約600nm(可視光線の赤)ないしおそらく1000nm(深い赤外線)までの波長を使用することができる。850nm波長の光学的エネルギーを出力するレーザダイオードは、経済的な放射器を表わすが、OS2は、周囲光の影響を減少するためのフィルタを含むのが好ましい。
【0021】
OS1は、構造化光の実施例では固定であるのが好ましいが、扇状ビーム30は、光学的エネルギーの単一放射線を機械的にスイープして扇状ビーム平面30を画成することにより発生できることが理解されよう。図2Bに示すように、OS1は、実際には、扇状ビームを放射する光学的エネルギー放射器20−Aと、扇状ビーム30を面40に対して実質的に平行に向ける反射ミラー20−Bとを備えている。本発明の説明上、構造化光の実施例では、OS1 20により放射される光学的エネルギーは、人間の目に見えるものでもよいし、見えないものでもよい。OS2 60は、OS1 20により放射された波長の光学的エネルギーに応答するカメラシステムを含むのが好ましい。「応答する」とは、OS2が、OS1により放射された同じ波長のエネルギーを確認し、そして理想的には、実質的に異なる波長のエネルギーは確認せず即ちそれには応答しないことを意味する。例えば、OS2は、OS1により放射される以外の波長の光学的エネルギーを検出しないフィルタシステム、例えば、カラーフィルタを含む。
【0022】
もし希望であれば、OS2は、例えば、ユニット70の制御のもとで、OS1及びOS2を同時に同期してスイッチオン及びオフにすることにより、実質的にOS1から放射される光学的エネルギーにしか応答しないようにすることができる。OS1及びOS2は、同期状態で機能的に開閉する要素22として示されたシャッターメカニズムを含むのが好ましい。例えば、電子的処理システム70は、所望のデューティサイクルで時間周期t1(但し、t1は、おそらく約0.1msないし約35msの範囲)の間にOS1、OS2又はシャッターメカニズム22を同期してスイッチオンし、次いで、OS1及びOS2をスイッチオフすることができる。もし希望であれば、OS1は、常時動作することができ、この場合には、OS1 20の前方にあるシャッター22がオープンであるときだけ平面30を放射することが許される。種々のシャッター構成において、同期スイッチングの繰り返し率は、充分な割合のフレームデータ収集を促進するためには20Hzないしおそらく300Hzの範囲であるのが好ましい。動作電力を節約しそして計算オーバーヘッドを減少するために、おそらく30Hzないし100Hzの繰り返し率が、受け入れられる割合を表わす。もちろん、OS2が実質的にOS1により放射された光学的エネルギーにしか応答しないよう確保するための他の装置及び方法も使用することができる。図示を容易にするため、シャッター22は、機械的要素として示されているが、実際には、シャッター22の概念は、光源及びカメラを種々のやり方のいずれかでターンオン及びオフにすることを含むものと理解されたい。
【0023】
もし希望であれば、本発明に使用される光学的エネルギーのソース(1つ又は複数)は、このようなエネルギーを周囲光のエネルギーから良好に見分けられるようにするために、いわゆる符牒を搬送させることができる。例えば、このようなソースを固定周波数で変調し、本発明に使用されるカメラ又は他のセンサユニットがこのようなエネルギーを容易に確認できるようにする一方、周囲光エネルギーは、このような符牒がないために実質的に拒絶されるようにしてもよいが、これに限定されない。手短に言えば、周囲光とは異なる波長を光学的エネルギーに対して選択するような符牒技術や、光源及びカメラセンサの同期動作に関連した技術や、光源のエネルギーを変調し又は他のやり方でタグ付けする技術は、全て、本発明により収集される情報の信号対雑音比を改善することができる。
【0024】
作用面40が、OS1により放射される波長に対して反射性であるか非反射性であるかは、要求されないことに注意されたい。というのは、光学的エネルギーの扇状ビーム又は他の放射は、表面それ自体に到達しないからである。仮想入力装置は、完全に受動的であるのが好ましいことにも注意されたい。装置50は、受動的であるので、フルサイズ装置より小さくなるように必要に応じてスケーリングすることができる。更に、受動的な仮想入力装置のコストは、特に、「装置」が実際の入力装置のプリントされたグラフィック像を保持する単なる紙片である場合には皆無である。
【0025】
図1Aにおいて、最初に、システム10のユーザは、仮想入力装置50に接近していないと仮定する。構造化光の実施例では、OS1は、光学的エネルギーの扇状ビーム平面30を放射するが、OS2は、平面30に交差するオブジェクトがないので何も検出しない。ここで、ユーザの左手120L又は右手120Rの指の一部分110が下方に移動して、仮想入力装置50が画成された作用面40のエリアの一部分にタッチしたと仮定する。或いは又、ユーザ制御スタイラス120’の一部分110’が下方に移動して、作用面40の当該部分にタッチしてもよい。本発明の説明において、タッチとは、本発明に関連したソフトウェアにより、コンパニオン装置又はシステム80又は90、例えば、ノートブック、PDA、セルラー電話、キオスク装置、ポイント・オブ・セール(POS)装置等で実行されるアプリケーションへキーボード事象を送信するための要求として解釈される。
【0026】
図1Aにおいて、ユーザの指が下方に移動して、光学的エネルギー平面30に交差し始めると、OS1に向いた指先の一部分がここで光学的エネルギー130を反射する。少なくとも若干の反射された光学的エネルギー130がOS2により検出される。というのは、反射されたエネルギーの波長が、OS1により放射されたエネルギーと同じであり、そしてOS2がこのような波長のエネルギーに応答するからである。従って、平面擬似三次元感知システム10は、扇状ビーム平面30により画成された当該平面に生じるユーザ制御オブジェクト(例えば、指、スタイラス等)の相互作用より反射される光学的エネルギーを検出する。他の平面に生じる相互作用(1つ又は複数)は、関連のないものと思われ、本発明では無視される。
【0027】
従って、ユーザの手又はおそらくスタイラスの一部分のようなオブジェクトが、OS1 20により放射された光学的エネルギー平面30に交差するまでは、OS2 60が検出すべき光学的反射エネルギー130は存在しない。このような状態のもとでは、システム10は、ユーザ入力が行われていないことを知る。しかしながら、光学的エネルギー平面に貫通するや否や、その貫通するオブジェクト(例えば、指先、スタイラス尖端等)の交差がOS2 60によって検出され、そして貫通の位置(x、z)を、システム10に関連したプロセッサユニット70により決定することができる。図1Aにおいて、ユーザの左人差し指が、座標(x7、z3)として定義された仮想入力装置50の部分にタッチする場合には、本発明に関連したソフトウェアは、文字「t」が「押された」と決定できる。「シフトキー」は押されないので、押された文字は、小文字の「t」であると理解される。
【0028】
図示された実施形態では、システム10は、ユーザが実際のキーボードに入力したデータ及び/又はコマンドを表わすキーストロークを発生してシステム80又は90へ入力することができる。システム80又は90へのこのような入力を使用して、ユーザにより仮想入力装置50に情報が入力されたときにその情報140をディスプレイ150に示すことができる。もし希望であれば、拡大カーソル領域160を実施し、情報を入力するユーザの助けとなるように付加的な可視入力を与えることができる。もし希望すれば、プロセッサユニット70は、システム80及び/又は90が、ユーザの助けとなる可聴フィードバックを放射し、例えば、仮想入力装置50における仮想キーの「押圧」に対応して電子的なキークリック音170を放射するようにさせることができる。システム80又は90が、コンピュータ又はPDA或いはセルラー電話ではなく楽器である場合には、楽音170が放射され、そして仮想入力装置50は、ピアノの鍵盤又は合成音楽発生器に関連したキーボードと同様の構成をもつことができる。
【0029】
図1Bは、非構造化の能動的光システム10を示し、ここでは、第1光学システムOS1のカメラ20’が、図1Aの実施形態において光学的放射器OS1により画成された平面30に本質的に取って代わる当該平面30’を画成する。カメラ20’のOS1は、図1Aの実施形態においてカメラ60のOS2と同様のカメラ60 OS2と同様であるのが好ましい。例えば、OS1 20’は、少なくとも1行の、そして好ましくは多数の行のピクセル検出エレメントより成るセンサアレーを有する。図1Bの実施形態は、OS1 20’とOS2 60との中間に配置された1つ以上の光源190が、カメラOS1 20’及びカメラOS2 60により検出できる波長の光学的エネルギーを発生するという点で、能動的である。カメラOS1及びOS2による検出に対する周囲光の影響を減少するため、各カメラ及び各光学的エネルギー放射器190は、好ましくは例えばユニット70により同期されるシャッターメカニズムと協働するのが好ましい。従って、シャッター22が、放射器190からの光学的エネルギーが仮想入力装置50、50’、50”に向かって放射するのを許す時間中に、同様のシャッター22が、カメラOS1及びOS2が光学的エネルギーを検出するのを許す。ユーザオブジェクト、例えば、120Lと平面30’との相互作用は、OS1及びOS2により検出される。次いで、交点の位置が、例えば、後述の三角法を使用して計算される。
【0030】
図1Bにおいて、作用面40の平面において隆起即ち不規則部が、ユーザオブジェクト120Lとの接触点110付近に示されている。第2のカメラOS1 20’の存在の利点は、当該平面30’が、作用面40の最も高い不規則部分のすぐ上に存在するように、おそらくユニット70により選択できることである。図1Aの実施形態で作用面40に不規則部が存在する場合には、レーザ平面30を作用面に対してどうにかして位置設定し直すことが必要である。しかし、図1Bでは、OS1 20’を伴う検出アレーから適当なピクセル線を選択するだけで、このような位置設定し直しの作用が電子的に得られる。
【0031】
図1Bの構成は、信号対雑音比を改善するための種々の方法に適していることに注意されたい。例えば、シャッター22は、放射器190が例えば制御ユニット70によりターンオフされた時間中に、カメラOS1及びOS2が像データを収集できるようにする。このようにOS1及び/又はOS2により収集された像データは、周囲光により生じるバックグランドノイズを表わす。(この場合も、周囲光の影響を最小にするために、放射器190及びカメラOS1、OS2は、周囲光から外れた波長領域で動作するのが好ましいことを理解されたい。)バックグランドノイズ信号と称するものが収集されると、カメラOS1及びOS2は、ここで、通常にそして放射器190と同期して動作することができる。放射器190と同期してカメラOS1及びOS2により収集された像データは、実際のデータ、例えば、ユーザオブジェクトと平面30’との間の界面に、周囲光による何らかの(不所望な)作用を加えたものを含む。次いで、プロセッサユニット70(又は別のユニット)は、この実際のデータにノイズを加えた信号から、バックグランドノイズ信号を動的に減算して、実際のデータ信号を得、信号/ノイズ比を高める。
【0032】
図1Cは、本発明の非構造化受動的実施形態を示す。図1Cのシステム10は、どんな周囲光ソース195が存在しても、像形成中に使用される光学的エネルギーが与えられるという点で受動的である。図1Bのシステム10と同様に、OS1は、当該平面30’を画成するカメラ20’であり、そしてOS2は、カメラ60である。典型的に、平面30’は、通常数mmの距離である距離ΔY’だけ作用面40の上に画成される。ユーザオブジェクトと平面30’との相互作用は、周囲光ソース195からの光学的エネルギーを使用してOS1及びOS2により検出される。次いで、三角法を使用して、本明細書のどこかに述べるように平面30’との相互作用点又は交点が位置決めされる。
【0033】
図2Aは、ユーザの指即ちオブジェクト120Rと平面30との間の交差点の位置(x、z)を、三角法を用いて決定する幾何学を示す。図2A及び2Bは、図1Aないし1Cに示された種々の実施形態の分析を説明するのに使用される。
ここに使用する三角法は、投影線、例えば、OS1 20、OS2 60のような2つの光学システムのR1、R2により形成された三角形の幾何学的分析により当該視野における表面の形状を決定する上で助けとなる。基線Bは、2つの光学システムOS1、OS2の投影の中心を結ぶ線の既知の長さを表わす。当該視野における可視表面上の点(x、z)に対し、点の位置と、OS1及びOS2の位置とによって三角形が画成される。三角形の3辺は、B、R1及びR2である。OS1及びOS2は、基準平面からの三角形の角度距離と、表面の点を2つの光学システムの投影の中心と結ぶ投影線により形成された角度α1及びα2とを決定することができる。角度α1及びα2と基線Bとで、三角形の形状が完全に決定される。簡単な三角法を使用して、表面の点(x、z)までの距離と、投影線R1及び/又はR2の長さとを得ることができる。
【0034】
OS1 20を単一ユニットとして実施する必要はない。例えば、図2Bは、第1光学システムが2つに分けられ、一方の部分OS1−A 20−AがOS2から距離Dに配置された光放射器でありそして第2部分OS1−B 20−Bがミラーのような光反射器である構造化光の実施例を示す。OS1−Aにより発生される到来する扇状ビームは、ミラー20−Bにより偏向されて、平面30を形成する。図2Bの向きでは、ミラー20−Bは、水平面に対して約45°に傾斜され、そして偏向は、実質的に垂直面から実質的に水平面までである。図2B、及び実際には受動光の実施例では、OS2 60は、一般的に当該視野に向けて角度φに照準されたカメラであり、即ちユーザの指又はスタイラスは、扇状平面30の下に配置された仮想入力装置を「使用」するようにされる。
【0035】
本発明による三角法は、平面センサをもつ標準的なカメラをOS2 60として使用するのが好ましい。OS1 20の性質は、2つの若干広い三角法クラスの間を区別する。構造化光の三角法では、OS1 20は、通常、レーザ等であって、そのビームは、移動点を表面上の投影するように移動される単一線の形状にされる。或いは又、レーザビームは、平らなものであって、平面的なカーブを投影するように移動されてもよい。上述したように、三角法システムの別のクラスは、カメラがOS1 20として使用される受動的な三角法と称される。構造化光のシステムは、光の平面を投影する必要があるために、構築するのが複雑で且つ多くの動作電力を消費する。受動的なシステムは、安価で、且つ消費電力が低い。しかしながら、受動的なシステムは、例えば、2つの像のポイントのどの対が現実世界における同じポイントの投影であるかを決定するために、いわゆる対応性の問題を解決しなければならない。以下に述べるように、本発明により、受動的な非構造化光の三角法実施例が使用される。
【0036】
システム10は、OS1が能動的に光を放射しそしてOS2がカメラである構造化光システムとして実施されるか、又はOS1及びOS2が両方ともカメラであり、OS2及びOS1からの情報が処理ユニット、例えば、70に接続され、該ユニットが、どんな事象が生じるか決定できる受動的システムとして実施される。いずれの実施形態においても、120Rのようなオブジェクトが、OS1 20に関連した投影平面30に交差するときには、その交差を検出することができる。OS1が光学的エネルギーを放射する構造化光の実施形態では、交差されたオブジェクト120Rから反射されて通常カメラであるOS2により検出される光学的エネルギーによって交差が指示される。受動光の実施形態では、カメラであるOS1と、これもカメラであるOS2とによって交差が見られる。各々の実施形態において、平面30との交差は、(x、z)平面交差の下にある表面40の領域にオブジェクト120Rがタッチしたかのように検出される。システム10は、好ましくは、コンピュータシステム70を備え、これは、OS1、OS2からデータを受け取り、そして幾何学を使用して、構造化光の実施形態では反射像座標から、又は受動的システムではカメラ像座標から平面交差位置(x、z)を決定する。このようにして、平面30の初期及び継続的な接触及び貫通(例えば、タッチ事象)を検出し、そして平面における交差座標位置を決定する二重のタスクが達成される。
【0037】
以上を要約すると、平面30と120Rのような侵入オブジェクトとの交差をOS1が確認したときにタッチ事象が検出されそして宣言される。2カメラシステムでは、OS1及びOS2から認知される像のポイント間に対応関係が確立される。その後、OS2カメラの座標が、タッチ領域(x軸、z軸)の座標に変換され、平面30の当該エリア内の事象の(x、z)座標位置が探索される。このような変換は、OS2に見えるポイントの像座標から平面30の交差位置を計算するためのアルゴリズムを実行するプロセッサユニット70により行われるのが好ましい。更に、受動光システムは、OS1及びOS2からの像におけるバックグランドから侵入オブジェクトを区別しなければならない。システム10が、受動光システムである場合には、カメラOS1からの像とカメラOS2からの像との間に対応関係を確立する必要がある。システム10が、構造化光システムである場合には、周囲光からの干渉を最小にすることが望まれる。
【0038】
平面30における(X、Z)交差即ち尖端位置の計算について以下に考える。遠近法投影において、世界における平面とその像は、ホモグラフィーと称される
【0039】
このホモグラフィーマトリクスは、校正手順を使用して見つけることができる。センサは表面上にのせられるので、表面に対するセンサの位置は一定であり、校正手順は一度実行するだけでよい。校正のために、センサがのせられる平らな
【0040】
受動光実施形態に対する像の対応性について以下に説明する。カメラOS120及びOS2 60は、空間内の同じ平面を見る。その結果、OS1からの線走査カメラ像とOS2からのカメラ像との間のマッピングそれ自体がホモグラフィーとなる。これは、尖端がさえぎる位置の計算について上述したOS2カメラ像と平面30のタッチ面との間のマッピングに類似している。従って、同様の手順を使用してこのマッピングを計算することができる。
【0041】
線走査カメラOS1 20は、単一の線へと折り畳まれたタッチ面を本質的に見るか又はかすめるので、2つの像間のホモグラフィーは退化することに注意されたい。各OS2カメラ点の場合には、1つのOS1線走査像点があるが、各OS1線走査像点の場合には、OS2カメラ点の全線がある。この退化のために、上述したDLTアルゴリズムは、点対線の対応性を生じるように(平凡に)変更される。
【0042】
定義によれば、本発明の受動光実施形態は、周囲光に対して何ら制御をもたず、そして侵入する交差オブジェクト又は尖端を一般的なバックグランドから区別するよう挑戦することができる。手短に言えば、OS1像又はOS2像における特定像ピクセルが120Rのようなオブジェクトの点の像を表わすか又は一般的なバックグランドにおける点であるかをいかに言うかである。システム70により実行できるアルゴリズムについて以下に説明する。
【0043】
【0044】
【0045】
【0046】
特に、構造化光三角法実施形態の場合に周囲光の干渉を減少するための技術について以下に説明する。このような実施形態では、OS2は、周囲光と、線発生器により発生されて侵入するオブジェクトにより反射されて戻される光との間を区別することが必要である。
第1の方法を使用すると、OS1は、周囲光が、例えば、近赤外線において僅かな電力しかもたない光スペクトルの領域にエネルギーを放射する。カメラOS2の赤外線フィルタは、OS2センサにより検出された光が主としてオブジェクト(例えば、120R)からカメラOS2のレンズへ反射されるよう確保することができる。
【0047】
第2の方法では、OS1は、スペクトルの可視部分であるが、周囲光より実質的に明るい部分において動作する。これは、原理的には、いかなる色の光源でも達成できるが、屋内用途の場合には、OS1に対して青−緑光源(500nm−550nm)を使用するのが有用である。というのは、標準的な蛍光灯が、この帯域では比較的低い放射しかもたないからである。OS2は、他の波長に対する応答が実質的に減衰されるよう確保するために、整合フィルタを含むのが好ましい。
【0048】
【0049】
図1Aにおいて、装置80が、PDAやセルラー電話のようなコンパクトシステムである場合には、本発明を実施するのに必要なサイズを減少することが特に望ましくなる。図1A−1C、2A、2Bに示すように、OS2が平面30又は表面40に対してある角度θに傾斜された場合には、全体的に小さなフォームファクタを得ることができる。しかし、角度θが減少するにつれて、カメラOS2は、平面30を更に浅い角度から見ることになる。平面30の感知エリア、即ちその下の仮想入力装置を操作するためにユーザオブジェクトにより「タッチ」されるべき表面の四角形が固定サイズである場合には、距離B及び角度θが減少するにつれて、視野により抱かれる有効エリアが減少することになる。その結果、OS2の有効解像度を低下し、従って、図3Aに示すz深さ測定の精度を低下する。ここで、Lは、OS2に関連したカメラレンズを表わし、そのピクセル検出器の平面は、OS2と表示された直線で示されている。
【0050】
図3Aに示すように、OS2を平面30に近づけるように移動すると、視点がより浅くなると共に、カメラ像がより小さくなって正確に認知できなくなる。これらの悪い副作用は、図3Bに示すように、カメラOS2のピクセル検出器の平面を傾斜させ、実際には平面30とほぼ平行に傾斜させることにより減少することができる。図3Bの傾斜構成では、実質的に多数の像走査線が平面30の感知エリアからの線の円錐に交差し、従って、深さ解像度を高める。例えば、図3Aの比較的小さな距離Dxを、多数の像走査線がここで使用されていることを表わしている図3Bの大きな距離Dx’と比較する。更に、OS2カメラセンサ平面が、タッチ面の平面又は平面30に対して更に平行な状態になるにつれて、タッチ面の像の歪が少なくなる。これは、タッチ面(又は平面30)の平行線がOS2カメラ像において平行に保たれることを意味する。その効果は、アフィン変換(シフト及びスケール)に対してホモグラフィーHが簡単化されることである。更に、像の解像度は、当該視野内の全感知エリアにわたり更に均一になる。
【0051】
図3Cの構成について以下に考える。平面30上の当該タッチ感知エリアにおける異なる点は、カメラOS2のレンズLから異なる距離にあることが明らかである。これは、レンズLが図3A又は図3Bに示されたように配置された場合には当該感知エリア全体に正確に焦点を合わすことができないことを意味する。カメラの虹彩を閉じると、視野深さが増加するが、得られる像は薄暗くなり、そして像の信号対雑音比が低下する。
【0052】
従って、図3Cの構成は、レンズLが図3Bに対して位置設定し直されるようにして使用される。この構成では、タッチ面30、カメラOS2センサ及びカメラレンズLは、それらの各々の平面が共通の線、即ち図3Cにおいて無限点にある線に交差するようないわゆるシェイムフラグ(Scheimpflug)条件を満足すると言える。シェイムフラグ条件に関する更なる詳細は、1995年、マグロー・ヒル・インク、編集長ミッシェル・ベース、ハンドブック・オブ・オプチックスに掲載された「The Optical Society of America」に見ることができる。図3Cにおいて、当該光学システムがこの条件を満足するときに、タッチ面30上の全ての点に焦点が合わされる。従って、適切に傾斜されたセンサOS2、シェイムフラグ条件を満足する適切に配置されたレンズSを使用することにより、OS2が見た表面平面30上の当該点の像は、焦点が合わされて、ほとんど歪のない高い解像度を示す。しかし、シェイムフラグ条件を満足することは、像の輝度を失うことになる。というのは、平面30上の感知エリアの中心から見たときにレンズが抱く角度が、図3Bの構成に対して減少されるからである。その結果、ある用途では、OS2のカメラレンズを図3Bと図3Cとの中間の向きに配置することにより、焦点の鋭さと像の輝度との間で妥協点に到達するのが好ましい。図3Dは、1つのこのような中間構成を示し、レンズLは、OS2の平面及び平面30に対してシェイムフラグ条件を満足する向きから若干離れるように意図的に傾斜されている。
【0053】
このような中間の向きは、シェイムフラグ条件を僅かに満足しないだけであり、従って、レンズ軸が平面30の感知エリアの中心を直接指すような構成よりも依然として良好な焦点状態を示す。図3Eは、シェイムフラグ条件が厳密に照合されるが、カメラセンサが水平から離れるように傾斜されるような別の中間構成を示す。図3Eの構成は、正確な焦点を得ることができるが、図3Cの構成より像の解像度が若干低くそして歪が大きい。
【0054】
図4は、システム10内のプロセッサユニット70の動作部分を示すブロック図であり、このプロセッサユニットは、当該平面30との(x、z)交差を感知しそして識別するためにここに述べる種々の三角法及び他の計算を実行するのが好ましい。図4の左側部分として、OS1 20及びOS2 60からの情報がピクセルマップ200−1、200−2に各々入力される。図4において、OS1及びOS2の入力は、本発明による平面レンジセンサシステム10の光学システム1(20)及び光学システム2(60)により発生されたデジタル像のフレームのストリームを指す。好ましい実施形態では、光学システムは、少なくとも約30フレーム/秒(fps)を発生する。30fpsでは、ユーザの指又はスタイラスの尖端が2つのフレーム間に仮想入力装置に「タイピング」しながら数ピクセル移動できるという点で高いフレームレートが望まれる。ピクセルマップモジュール200−1、200−2は、計算ユニット70に関連したメモリにおいてOS1及びOS2からのデジタルフレームを構成する。同期モジュール210は、2つの光学システムがほぼ同時にデジタル像のフレームを発生するように確保する。もし希望があれば、手前のフレーム(時間的に)が他のモジュールによって処理されている間にあるフレームの構成を許すように二重バッファシステムを実施してもよい。タッチ検出モジュール220は、指先又はスタイラスの輪郭がフレームの選択された行に現れたときにタッチを検出する(例えば、ユーザの指又はスタイラスと光学的平面との交差がOS1により感知される)。タッチが検出されると、尖端検出モジュール230が、対応する指先の輪郭を適当なピクセルマップ200−1又は200−2に記録する。図4において、OS1が光ビーム発生器である構造化光実施形態では、ピクセルマップが発生されず、そしてタッチ検出は、OS1からではなくOS2からの入力を使用する。
【0055】
タッチ位置モジュール240は、タッチ検出モジュール220からタッチが報告されるときに尖端検出モジュール230からの尖端ピクセル座標を使用して、タッチ面におけるタッチの(x−z)座標を見出す。タッチとは、構造化光実施形態では光学的放射器OS1に関連した、又は受動光実施形態ではカメラOS1の視野面に関連した平面30を貫通することに等しいことに注意されたい。ピクセル座標をX−Zタッチ位置に変換するための数学的方法は、本明細書のどこかで説明する。
【0056】
キー識別モジュール260は、タッチのX−Z位置を使用し、そしてその位置を、好ましくは計算ユニット70に関連したメモリに記憶されたキーボードレイアウトテーブル250を使用してキー識別にマップする。キーボードレイアウトテーブル250は、典型的に、原点ゼロに対する各キーの上/下/左/右座標を定義する。従って、キー識別モジュール260の機能は、テーブル250のサーチを実行しそしてどのキーがタッチ点の(x、z)座標を含むか決定することである。タッチした(仮想)キーが識別されたときには、変換モジュール270がそのキーを所定の「キーコード」値にマップする。「キーコード」値は、キーストローク事象の通知の受信を待機しているコンパニオン装置又はシステム80(コンパニオン装置で実行される)で実行されているアプリケーションへ出力されるか又は通される。実行中のアプリケーションは、キーストローク事象を解釈し、そしてそれに意味を指定する。例えば、テキスト入力アプリケーションは、その値を使用して、どんな記号がタイプされたか決定する。電子ピアノアプリケーションは、どんな音符が押されたか決定し、そしてその音符を演奏し等々を行う。
【0057】
或いは又、図4に示すように、X−Zタッチ座標は、アプリケーション280に直接通すことができる。アプリケーション280は、座標データを使用して、仮想マウス又は仮想トラックボール実施形態ではディスプレイ上のカーソル位置を制御し、或いは仮想ペン又は仮想スタイラス実施形態では描写又は手書き型アプリケーションに対してディスプレイ上に軌跡が示されるデジタルインクのソースを制御することができる。
【0058】
図5Aは、仮想装置50がここでは5つの領域をもつ制御器でありそしてコンパニオン装置80、90がモニタを備えたシステム10を示す簡単な図である。この実施形態では、コンパニオン装置80又は90は、アイコン140を含むディスプレイ150と共に示されており、1つのアイコンがカーソル310で包囲され、そしてユーザは、仮想装置50’、ここでは仮想トラックボール又はマウスを使用してそれを動かすことができる。例えば、仮想装置50’内で、ユーザの手120R(又はスタイラス)の一部分が仮想領域300−1を押した場合に、コンパニオン装置80、90に表示されたカーソル310は、左へ移動するように指令される。仮想領域300−2が押された場合には、カーソルは上方に移動することになる。仮想領域300−3が押されると、カーソルは右へ移動し、例えば、パンの塊のアイコンを「選択」し、そして仮想領域300−4が押されると、カーソルは、装置80、90のディスプレイの底に向かって移動する。ユーザが第5領域300−5即ち「親指を立てた」領域を押すと、コンパニオン装置80、90は、ユーザ選択がここで完了したことを知る。図5Aにおいて、ユーザがここで領域300−5を押すと、「ホットドッグ」アイコンが選択される。装置80、90が、例えば、スーパーマーケットのキオスクである場合には、「ホットドッグ」アイコンを選択すると、ディスプレイが、マーケットのどこでホットドッグを売っているかを示すか、又は売っているホットドッグの種々のブランドの価格を示すか、或いは装置80、90でホットドッグを販売することもできる。装置80、90が運送の設定に使用される場合には、アイコン(又はワード)が種々の行先となり、そして装置80又は90は、行先までのルート、スケジュール、及び料金を示すことができ、そしてバス、地下鉄、航空機、ボート等に使用するためのチケットを販売することもできる。ユーザは、例えば、旅行の起点及び旅行の行先点を表わす入力装置50’の2つの領域を押すことができ、その際に、システム10は、適切な輸送乗物、スケジュール、料金等を表示させ、そしてもし希望があれば、プリントアウトすることもできる。システム10により発生される情報は、単に生の(x、z)座標に過ぎず、コンパニオン装置によって実行されるソフトウェアアプリケーションは、これを使用して、カーソル又は他の情報をディスプレイ上に再位置設定することができる。
【0059】
図5Aにおいて、仮想装置50’は、受動的であり、即ちその輪郭をその下の作用面に印刷又は塗装してもよいし、或いはおそらくその輪郭をシステム10により投影することもできる。仮想装置50における種々の当該領域は、x−z平面に対する座標に関して識別することができる。図4のキーボードレイアウト250における情報に対応する以下のテーブル1の情報について考える。
【表1】
【0060】
ユーザの指(又はスタイラス)が仮想入力装置50の領域にタッチすると、タッチ位置モジュール240(図4を参照)がタッチ点110の(x、z)座標を決定する。図5において、タッチ点110は、「B」領域300−4内にある。キー識別モジュール260は、この例ではテーブル1に示すようなキーボードレイアウト250の情報を使用して、当該(x、z)平面内のどこにタッチ点座標が生じたかを決定する。例えば、タッチ座標(x、z)が(1.5、0.5)であると仮定する。好ましくはユニット70(図1Aを参照)に関連したメモリに記憶されてユニット70により実行されるサーチルーチンが、1<x<2及び−1<z<1であると決定する。テーブル1の情報をサーチすると、キー識別モジュールは、タッチ点110がエントリーB内に入ることを決定する。この例では、コンパニオン装置80及び90は、領域Bがタッチされたことを知らせるデータをシステム10から受け取る。システム10のプロセッサユニット70は、事象に関連したタスク、例えば、ディスプレイ上でカーソルを下方に移動するタスクを実行するのに必要な他の情報をコンパニオン装置に受信させることができる。
【0061】
図5Bは、図1Aに示したものと同様のシステム10の実施形態を示す。図5Bにおいて、仮想入力装置50は、コンピュータキーボードであり、そしてコンパニオン装置80、90は、移動トランシーバ、例えば、セルラー電話である。システム10は、実際上、装置80、90内に実施できることを理解されたい。従って、OS1は、装置80、90の下部から扇状ビーム30を放射し、そしてOS2は、同じ装置の上部に配置される。仮想入力装置50は、もし希望であれば、装置80、90から光学的に投影することができる。或いは、仮想入力装置50は、例えば、プラスチックや紙等の折り畳み可能な基板に印刷され、これを装置80、90内に保持し、次いで、取り出して、広げ又は延ばして、装置80、90の前方の平らな作用面上に配置することができる。装置80、90の前方における仮想入力装置50の位置は、OS1がその仮想入力装置を包囲する扇状ビーム30を放射でき、そしてOS2が、オブジェクト、例えば、ユーザの指やカーソル等と、仮想入力装置50の当該領域の上に横たわる扇状ビームの位置との交差110を検出できるようなものである。
【0062】
図5Bにおいて、OS2は、オブジェクト120Rが扇状ビーム30をさえぎるまで光学的反射エネルギーを検出せず、そのさえぎったときに、OS1により放射されたある光学的エネルギーが反射され(130)そしてOS2により検出される。図1Aに示された(x、z)座標システムに対し、そのさえぎり点110は、おおよそ位置(13、5)となる。図4を参照すれば、キーボードレイアウトテーブル250は、各仮想キーに対して少なくとも1つのエントリーを有し、例えば、「1」、「2」、・・「Q」、「W」、・・「SHIFT」が仮想入力装置50に定義されることを理解されたい。図5Aを参照して述べたものと同様のエントリーサーチプロセスが好ましくはユニット70によって実行され、そしてタッチ点110の下にある関連仮想キーを識別することができる。図5Bにおいて、関連キーは、「I」であり、ユーザの手120Rの一部分(又はスタイラス)によってセルラー電話80、90へ入力されるe−メールメッセージテキスト140の一部分としてディスプレイ150に文字「I」が示されている。セルラー電話キーパッドを使用して手間をかけてメッセージを入力するのとは対照的に、仮想キーパッド50を使用してセルラー電話80、90にメッセージを迅速にタッチ式に入力できることが明らかであろう。
【0063】
図5Cには、作用スペース40がおそらく店舗又は商店街の垂直の壁であり、そして仮想入力装置50も垂直に配置されたシステム10の実施形態が示されている。この実施形態では、仮想入力装置50は、多数のアイコン及び/又はワード320と共に示され、ユーザの手120が例えばタッチ点110にタッチすると、コンパニオン装置80、90のディスプレイ150に適当なテキスト及び/又はグラフィック像140が現れる。図示された例では、アイコン320は、店内の位置又は部門を表わし、そしてディスプレイ150は、アイコン領域にユーザがタッチするのに応答して更に別の情報を対話式に与える。商店街の場合は、種々のアイコンが、全店舗、又は店舗内の部門又は領域、等を表わす。110のようなタッチ点の検出及び位置決めは、図3A及び3Bの実施形態を参照して述べたように実行されるのが好ましい。システム10内のプロセッサユニット70は、プロセッサユニット70内に記憶されるか又はそこにロードできるソフトウェアを実行して、仮想入力装置50のどんなアイコン又はテキスト部分にタッチしたか、そしてどんなコマンド及び/又はデータをホストシステム80、90へ通信しなければならないかを決定するのが好ましい。
【0064】
図5Cの実施形態において、仮想入力装置50が頻繁に変更されがちな場合、例えば、おそらくそれがレストランのメニューであって、ディスプレイ150がカロリーやソースの内容等の詳細情報を与えることができる場合には、仮想入力装置50が壁40内から後方投影される。種々のアイコン320のレイアウト及び位置が変更される場合には、システム10のユニット70内に記憶されるマッピング情報も変更される。固定位置に固定サイズのアイコンを有して仮想入力装置の性質及び内容を必ずしもロックせずに迅速に変更できるようにするのが非常に有用であろう。もし希望であれば、幾つかのアイコンは、実際に、装置50上でサイズ及び位置が固定され、そしてユーザがそれにタッチすることを使用して、入力装置50に何が示されユニット70内のソフトウェアにより何がマップされるかの再マッピングを選択することができる。広告を含む情報を単に表示するのに加えて、コンパニオン装置80、90を使用して、ユーザのためのプロモーションクーポン330を発行することもできる。
【0065】
図6を参照すれば、タッチ事象を登録しそしてその位置を決定するやり方は、システム10が構造化光システムであるか受動光システムであるかに基づいて、システム10により決定される。上述したように、構造化光システムでは、OS1が線発生レーザシステムであり、そして受動光システムでは、OS1がデジタルカメラである。各システムは、平面30を画成し、これは、120Rのようなオブジェクトによりさえぎられたときにタッチ事象を定義し、その(x、z)座標が次いで決定される。仮想タッチの(x、z)座標が決定されると、本発明は、システムを使用する操作者によりどんな入力又はコマンドが意図されたか決定することができる。このような入力又はコマンドは、コンパニオン装置へ通され、この装置は、実際に、本発明の構成を収容することができる。
【0066】
システム10が受動光システムである場合には、指先の輪郭が、デジタルカメラであるOS1の選択されたフレーム行に現れたときに、タッチ事象が登録される。平面30におけるタッチの(x、z)位置は、タッチがOS1において検出されたときにOS2における対応オブジェクト尖端(例えば、120R)のピクセル位置により決定される。図6に示すように、カメラOS1からタッチ点までのレンジ即ち距離は、ピクセルフレームの「近方」端からのピクセル数のアフィン関数である。
【0067】
上述したように、構造化光実施形態では、OS1が通常レーザ線発生器であり、そしてOS2が主としてOS1により放射された光エネルギーの波長を感知するカメラである。上述したように、これは、狭帯域光フィルタをOS2に設置して、OS1により放射されたものに対応する波長だけが通過するようにすることにより達成できる。或いは又、OS2は、OS1のパルス出力と同期して開閉するシャッターを備えてもよく、例えば、OS2は、OS1が光学的エネルギーを放射するときだけ光学的エネルギーを見ることができる。構造化光システムの実施形態では、OS2は、平面30をさえぎるオブジェクトだけを検出し、従って、OS1により放射されたエネルギーを反射するのが好ましい。
【0068】
上記のケースでは、タッチ感知検出及びレンジ計算がシステム10により実行される。従って、オブジェクト、例えば、指先120Rの輪郭がOS2の視野範囲内に現れたときに、タッチ事象が登録される。上記の例と同様に、レンジ距離は、ピクセルフレームの「近方」端からのピクセル数のアフィン関数として計算することができる。
【0069】
本発明により図4において実施される分析ステップの更に別の例を以下に説明する。仮想入力装置は、図1Aに示すようなキーボード50であり、そしてシステム10は、ユーザが仮想キーボード50上で「タッチ」した仮想キーに対応する走査コードを少なくとも含む情報を出力することが予想されると仮定する。図1A及び図2Aにおいて、上部(例えば、仮想キー「ESC」、「F1」、「F2」等をもつ行)は、光学システムOS1 20から約20cmの距離にあると仮定する。又、カメラOS2 60が、約10cm高さのPDA又は他の装置80に取り付けられ、そして平面30に対して既知の角度α1=120°に配置されると仮定する。又、カメラOS2 60が、焦点距離約4mmのレンズと、480行及び640列に配列されたカメラセンサとを有すると仮定する。
【0070】
仮想キーボード50の左上隅のZ座標は、規定により、x=0及びz=0、例えば、(0、0)となるようにセットされる。像内の点を仮想装置上の点にマップするホモグラフィーHは、カメラOS2 60の傾斜に依存する。上記構成に対する例示的なホモグラフィーマトリクスは、次の通りである。
【数1】
上記マトリクスは、本明細書のどこかで述べた校正手順の間に一度だけ決定すればよいのが好ましい。
【0071】
図1A及び図7を参照すれば、ユーザ120Lが、文字「T」に対応する仮想キーボード50の領域にタッチすると仮定し、文字「T」は、ユーザの指を誘導するように基板に印刷されてもよいし、又はおそらくシステム10により投影される仮想入力装置の像の一部分であってもよい。上述した座標系を使用すると、キー「T」は、図7に示すように、水平座標xmin=10.5とxmax=12.4cmの間に存在し、そして垂直座標zmin=1.9とzmax=3.8cmの間に存在すると言える。
【0072】
図6を参照すれば、ユーザの指120L(又はスタイラス)がセンサOS1 20の平面に交差する前には、該センサは、光を検出せず、図面の下部にビネット340で示されたように黒のピクセルで作られた像を見る。しかしながら、ユーザオブジェクトが光学的平面30に交差するや否や、交差事象即ち界面がOS120に見えるようになる。ここで、OS1 20は、図6の下部にビネット350で示したものと同様の像を発生する。ユーザオブジェクト(例えば、指120L)の下方に移動する尖端110が表面40に到達すると、指が更に見えるようになる。ここで、例えば、エッジ検出を使用してユニット70により指の輪郭が決定される。このような決定は、図6の下部に「タッチ」事象ビネット360として示されている。次いで、図4のタッチ検出モジュール220は、ユーザオブジェクトが表面40にタッチしたと決定し、そして尖端検出モジュール230にそれを通知する。
【0073】
図1Aにおいて明らかなように、仮想「T」キーは、仮想キーボード50の第2行に見られ、それ故、センサOS1 20に比較的接近している。図6において、この状態は、位置110’における指先に対応する。更に図6に示されたように、指先位置110’の下部が光学システムOS2 60のセンサに投影されるのは、像の頂部に比較的接近している。このように形成される指先像のエッジは、図6の上部にビネット370で示されたものと同様である。ビネット370では、図示された2つのグレーの方形が、指先の下部エッジのピクセルを表わしている。
【0074】
一方、仮想キーボード50の下部に接近した即ちセンサOS1 20から更に離れたスペースバー又は他のキーにユーザが接触すると、図6に指先位置110で示された状態が生じる。仮想キーボードにおけるこのような比較的遠い位置は、像の下部に接近したピクセルにマップされ、そして図6の上部のビネット380で示されたものと同様のエッジ像が生じる。中間仮想キーの接触状態は、図6の上部にビネット390として示されたものと同様のエッジ像を形成する。
【0075】
仮想キー「T」が押される上記例では、図4の尖端検出モジュール230は、エッジ検出アルゴリズムを実行し、従って、像の行65及び列492にある一般化された接触領域を表わす「しみ」の下部中心を見つける。それ故、均質像座標ベクトルpが次のように形成される。
【数2】
【0076】
従って、ユーザオブジェクト即ち指120Lは、座標x=11.53及びz=2.49cmを有する位置点において仮想キーボード50にタッチしたと決定される。図4のキー識別モジュール260は、xmin≦11.53<xmaxそしてymin≦2.49<ymaxとなるようなキーに対してキーボードレイアウト250をサーチする。
【0077】
これらの条件は、仮想「T」キーに対して満足される。というのは、10.5<11.53<12.4そして1.9<2.49<3.8だからである。それ故、図4を参照すれば、キー識別モジュール260は、ユーザオブジェクトが仮想キーボード50上の仮想キー「T」にタッチしていると決定し、そしてこの出来事を変換モジュール270に通知する。
この出来事は、必ずしもキーストロークでなくてもよい。例えば、ユーザオブジェクト即ち指は、「T」キーに早期に接触しそしてその後キーにタッチ接触状態に保たれてもよい。このような場合には、コンパニオン装置80又は90で実行されるアプリケーション280にキーストローク事象を通信しなくてもよい。
【0078】
キー変換モジュール270は、各キーのアップ状態又はダウン状態を内部に記憶するのが好ましい。このモジュールは、いずれかのキーが状態を変化したかどうかフレームごとに決定する。上記例において、キー「T」が現在フレームではダウン状態にあるが手前のフレームではアップ状態にあったことが分かった場合には、変換モジュール270は、「キーコード」メッセージをアプリケーション280に送信する。この「キーコード」は、「キーダウン」事象識別子を、「T」キーを識別する「キーID」タグと共に含み、従って、「T」キーがユーザオブジェクトにより丁度「押された」ことをアプリケーション280に通知する。「T」キーが手前のフレーム中にダウン状態にあったことも分かると、「キーコード」は、「キー保持」事象識別子を、「T」キーに関連した「キーID」と共に含む。キーがダウン状態にある各フレーム(第1フレームを除く)において「キー保持」事象を送信すると、アプリケーション280を、キーに関する状態を維持しなければならないことから解放する。キー「T」が現在フレームではアップ状態にあるが手前のフレームではダウン状態にあったことが分かると、変換モジュール270は、「キーアップ」事象識別子を、この場合も「T」キーを識別する「キーID」タグと共に有する「キーコード」を送信し、「T」キーがユーザオブジェクトにより丁度「放された」ことをアプリケーション280に通知する。
【0079】
以上の説明から、フレーム像は、ユーザオブジェクト、例えば、指先の尖端だけを含めば充分であることが明らかであろう。本発明の種々の実施形態は、仮想入力又は仮想転送装置より若干上に定義された比較的浅い体積内から収集される完全三次元未満の像情報を使用する。これらの実施形態を実施するシステムは、比較的安価に製造しそして自蔵バッテリ電源から動作することができる。実際に、このシステムは、ユーザからの情報の入力又は転送を急がせるために、PDAやセルラー電話等の一般的な装置内に構成することができる。上述したように、周囲光による不所望な作用は、能動光の実施形態では波長の選択により、カメラ(1つ又は複数)と光源との同期により、又はバックグランドノイズを表わす像を収集して減算除去する信号処理技術により減少することができる。
【0080】
特許請求の範囲に規定された本発明の精神及び範囲から逸脱せずに、上述した実施形態の説明に対して多数の変更や修正がなされ得ることが明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1A】
本発明により仮想入力装置へのユーザ入力を検出するのに使用される平面擬似三次元検出構造化光システムを示す図である。
【図1B】
本発明により仮想入力装置へのユーザ入力を検出するのに使用される平面擬似三次元検出非構造化能動的光システムを示す図である。
【図1C】
本発明により仮想入力装置へのユーザ入力を検出するのに使用される平面擬似三次元検出非構造化受動光システムを示す図である。
【図2A】
本発明により三角法を使用する位置決定に関連した幾何学を示す図である。
【図2B】
本発明により離間された光学放射器及び反射器を第1光学システムとして使用するところを示す図である。
【図3A】
本発明により有効視野及び像クオリティに対するOS2センサ、OS2レンズ及び検出平面の向きの変化に関連した設計上の妥協を示す図である。
【図3B】
本発明により有効視野及び像クオリティに対するOS2センサ、OS2レンズ及び検出平面の向きの変化に関連した設計上の妥協を示す図である。
【図3C】
本発明により有効視野及び像クオリティに対するOS2センサ、OS2レンズ及び検出平面の向きの変化に関連した設計上の妥協を示す図である。
【図3D】
本発明により有効視野及び像クオリティに対するOS2センサ、OS2レンズ及び検出平面の向きの変化に関連した設計上の妥協を示す図である。
【図3E】
本発明により有効視野及び像クオリティに対するOS2センサ、OS2レンズ及び検出平面の向きの変化に関連した設計上の妥協を示す図である。
【図4】
本発明の実施形態により図1Bの例示的システムにおいてプロセッサユニットにより実行される機能を示すブロック図である。
【図5A】
本発明により仮想装置が5つのユーザ選択可能な領域を有しそしてコンパニオン装置がモニタであるような実施形態を示す図である。
【図5B】
本発明により仮想装置がコンピュータのキーボードでありそしてコンパニオン装置が移動トランシーバであるような実施形態を示す図である。
【図5C】
本発明により仮想装置が壁に取り付けられるか又は投影されそしてコンパニオン装置がモニタであるような実施形態を示す図である。
【図6】
本発明による平面レンジ感知を示す図である。
【図7】
本発明によりタッチ位置を計算してそれをその対応情報或いはデータ又はコマンドを出力するのに使用するための座標距離測定の一例を示す図である。
Claims (27)
- ユーザオブジェクトと仮想転送装置との相互作用から情報を得るための方法であって、
(a)上記仮想転送装置の推定位置に実質的に平行で且つその上に離間された平面を定義し、
(b)ユーザオブジェクトが上記平面を貫通して上記仮想転送装置と相互作用するときを感知し、そして
(c)上記平面における上記ユーザオブジェクトの一部分の相対的位置を決定する、
という段階を備えた方法。 - 更に、(d)上記仮想転送装置に対する上記ユーザオブジェクト貫通の位置に相応する情報をコンパニオン装置へ転送する段階を備え、
上記ユーザオブジェクトと上記仮想転送装置との相互作用は、上記コンパニオン装置の動作に影響する請求項1に記載の方法。 - 上記段階(a)は、光学的エネルギーの平面を発生することを含み、そして上記段階(b)は、上記ユーザオブジェクトが上記平面を貫通するときに上記光学的エネルギーの反射部分を検出することを含む請求項1に記載の方法。
- 上記段階(a)は、上記平面を定義するカメラを用意することを含み、そして上記段階(b)は、上記ユーザオブジェクトと上記平面との相互作用を観察することを含む請求項1に記載の方法。
- 上記段階(b)及び(c)の少なくとも一方は、三角法分析を使用して実行される請求項1に記載の方法。
- 上記コンパニオン装置は、(i)PDA、(ii)ポータブル通信装置、(iii)電子装置、(iv)電子ゲーム機、及び(v)楽器のうちの少なくとも1つを含み、そして上記仮想転送装置は、(I)仮想キーボード、(II)仮想マウス、(III)仮想トラックボール、(IV)仮想ペン、(V)仮想トラックパッド、及び(VI)ユーザインターフェイスセレクタのうちの少なくとも1つである請求項2に記載の方法。
- 上記仮想転送装置は、(i)テーブル・トップ、(ii)デスク・トップ、(iii)壁、(iv)ポイント・オブ・セール機器、(v)ポイント・オブ・サービス機器、(vi)キオスク、(vii)乗物内の面、(viii)投影型ディスプレイ、(ix)物理的ディスプレイ、(x)CRT、及び(xi)LCDのうちの少なくとも1つから選択された作用面にマップされる請求項1に記載の方法。
- 上記段階(a)及び(b)の少なくとも一方は、レンズ及び像平面を有するカメラを用意することを含み、そして更に、上記レンズ及び上記像平面の少なくとも一方を傾斜することにより上記カメラの解像度及び視野深度の少なくとも一方を改善することを含む請求項1に記載の方法。
- 上記段階(a)は、光学的ソースを使用して上記平面を定義することを含み、そして
上記段階(b)は、上記平面の貫通を感知するためのカメラを用意することを含む請求項1に記載の方法。 - 上記光学的ソース及び上記カメラの動作を同期させる段階を更に備え、上記段階(b)及び(c)の少なくとも一方において得られる情報の精度に対する周囲光の影響を減少させる請求項9に記載の方法。
- 上記光学的ソースは、周囲光を排除するのに使用される符牒を保持した光学的エネルギーを放射する請求項9に記載の方法。
- 上記段階(a)は、第1カメラで上記平面を定義することを含み、
上記段階(b)は、上記平面の貫通を感知するための第2カメラを用意することを含み、そして更に、
光学的エネルギーのソースをほぼ上記仮想転送装置に向け、そして
上記光学的エネルギーのソースと、上記第1カメラ及び第2カメラの少なくとも一方との動作を同期させ、
上記段階(b)及び(c)の少なくとも一方において得られる情報の精度に対する周囲光の影響を減少するようにした請求項1に記載の方法。 - 上記段階(b)は、上記ユーザオブジェクトが上記平面から離れたときを感知することにより、周囲光により発生される情報を収集することを含み、そして
上記段階(b)及び(c)の少なくとも一方は、上記ユーザオブジェクトが上記転送装置と相互作用するときに収集される情報から上記情報を差し引くことを含み、
周囲光の影響を減少するようにした請求項1に記載の方法。 - 仮想転送装置と共に使用されるユーザ操作型のユーザオブジェクトがコンパニオン装置へ情報を転送できるようにするシステムであって、
少なくとも1つのソフトウェアルーチンを記憶するメモリを含む中央プロセッサユニットと、
上記仮想転送装置の推定位置に実質的に平行で且つその上に離間された平面を定義する第1光学システムと、
上記平面の少なくとも一部分を包囲する当該視野を有し、そして上記平面にユーザオブジェクトが貫通するのに応答して、上記仮想転送装置と相互作用させる第2光学システムと、
上記平面における上記ユーザオブジェクトの一部分の相対的な位置を決定するための手段と、
を備えていて、上記ユーザオブジェクトが上記仮想転送装置と共に上記コンパニオン装置の動作に影響し得るようにする情報を、上記コンパニオン装置に転送するようにしたシステム。 - 上記決定する手段は、三角法分析を使用して上記相対的な位置を決定する請求項14に記載のシステム。
- 上記決定する手段は、上記ルーチンを実行して上記相対的な位置を決定する上記プロセッサユニットを含む請求項14に記載のシステム。
- 上記第1光学システムは、光学的エネルギーの平面を発生する手段を含み、そして
上記第2光学システムは、上記ユーザオブジェクトが上記平面を貫通するときに上記光学的エネルギーの反射部分を検出するカメラセンサを含む請求項14に記載のシステム。 - 上記第1光学システムは、(i)上記平面を発生するためのレーザと、(ii)上記平面を発生するためのLEDの少なくとも一方を含み、そして
上記第2光学システムは、上記ユーザオブジェクトが上記平面を貫通するときに上記光学的エネルギーの反射部分を検出するカメラセンサを含む請求項14に記載のシステム。 - 上記ユーザオブジェクトの貫通に対する上記第2光学システムの応答性を高める一方、周囲光に対する上記応答性を下げるための手段を更に備えた請求項14に記載のシステム。
- 上記応答性を高める手段は、(a)上記平面の発生に関連した符牒を与え、(b)上記第1光学システムにより定義される上記平面内のエネルギーと、上記第2光学システムの応答性とに対して共通の波長を選択し、そして(c)上記第1光学システムの動作と上記第2光学システムの動作とを同期させることの少なくとも1つを含む請求項19に記載のシステム。
- 上記第1光学システムは、上記平面を定義する第1カメラセンサを含む請求項14に記載のシステム。
- 上記第1光学システムは、上記平面を定義する第1カメラセンサを含み、
上記第2光学システムは、上記貫通を感知する第2カメラを含み、
更に、上記仮想転送装置にほぼ向けられた光学エネルギーのソースと、
少なくとも2つの同じ第1光学システム、上記第2光学システム及び上記光学エネルギーのソースの動作を同期させる手段と、
を備え、上記システムで得られる情報の精度に対する周囲光の影響を減少する請求項14に記載のシステム。 - 上記第1光学システムは、所望の波長の光学エネルギーの発生器を備え、そして
上記第2光学システムは、実質的に上記所望の波長の光学エネルギーしか感知しない請求項14に記載のシステム。 - 上記コンパニオン装置は、(i)PDA、(ii)ポータブル通信装置、(iii)電子装置、(iv)電子ゲーム機、及び(v)楽器のうちの少なくとも1つを含み、そして上記仮想転送装置は、(I)仮想キーボード、(II)仮想マウス、(III)仮想トラックボール、(IV)仮想ペン、(V)仮想トラックパッド及び(VI)ユーザインターフェイスセレクタのうちの少なくとも1つである請求項14に記載のシステム。
- 上記仮想転送装置は、(i)テーブル・トップ、(ii)デスク・トップ、(iii)壁、(iv)ポイント・オブ・セール機器、(v)ポイント・オブ・サービス機器、(vi)キオスク、(vii)乗物内の面、(viii)投影型ディスプレイ、(ix)物理的ディスプレイ、(x)CRT、及び(xi)LCDのうちの少なくとも1つから選択された作用面にマップされる請求項14に記載のシステム。
- 上記第1動作システム及び上記第2動作システムの少なくとも一方は、レンズ及び像平面を有するカメラセンサであり、
上記レンズ及び像平面の少なくとも一方は、解像度及び視野深さの少なくとも一方を増加するように傾斜される請求項14に記載のシステム。 - バックグランドオブジェクトから上記ユーザオブジェクトを区別し易くする手段を更に備えた請求項14に記載のシステム。
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