JP2005011341A

JP2005011341A - 空間型入力装置および方法

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Publication number: JP2005011341A
Application number: JP2004176357A
Authority: JP
Inventors: Wook Chang; 旭張; Dong-Yoon Kim; 東潤金; Kyoung-Ho Kang; 京浩姜; Eun-Seok Choi; 恩碩崔; Won-Chul Bang; 遠 ▲チュル▼ 方
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-06-17
Filing date: 2004-06-15
Publication date: 2005-01-13
Also published as: US6993451B2; CN1573672A; US20040260507A1; CN1273887C; KR20040108218A; KR100543701B1

Abstract

【課題】ユーザーが情報を入力するために利用する入力装置の空間上の位置を復元して情報を入力する空間型情報入力装置および方法を提供する。
【解決手段】本体座標系での入力装置の第１速度を測定する第１センサー部と、本体座標系の互いに直交する３軸に対する入力装置の加速度および角速度を測定する第２センサー部と、測定された加速度および角速度を利用して空間上での入力装置の姿勢を示す姿勢情報を生成する姿勢情報生成部と、姿勢情報を利用して第１速度を絶対座標系での第２速度に変換する速度変換部と、第２速度を積分して入力装置の位置を復元する位置復元部と、を含むユーザーの入力を復元する空間型入力装置。
【選択図】図２

Description

本発明は情報入力装置および方法に係り、さらに具体的に、本発明はユーザーが情報を入力するために利用する入力装置の空間上の位置を復元して情報を入力する空間型情報入力装置および方法に関する。

現在、個人携帯用端末機またはコンピュータ応用機器にペンの筆記内容を入力するためにＬＣＤタブレットやデジタイザタブレットのような２次元センサー配列を含む入力装置が広く使われている。このような入力装置は、比較的大面積の２次元センサー配列を必要とするために、別途の感知平面が必要となり、したがって、所定の空間を占めるために携帯し難く、かつ高コストである。技術的な趨勢から見る時、個人携帯用端末機は順次小型化して腕時計型や財布型の携帯用端末機に変化しつつある。このような小型化の趨勢につれてその表示画面も小さくなるため、従来のタブレットを利用した筆記方式では、入力空間が小さくなって自然な筆記動作によるデータ入力がさらに難しくなる。

したがって、物理的なタブレットなしに一般平面上で単一電子ペンだけを利用して文書入力が可能であれば、従来のペン入力装置と比較して広い入力空間を確保できるために自然な筆記入力が可能になり、非常に効果的である。このような自己運動感知方式の電子ペンを利用した文書または絵の入力のためには、ある基準座標系に対する電子ペン先端の位置座標を連続的に求める必要がある。しかし、大部分の筆記動作はペンを紙面と接触させた状態で筆記をし、移動する場合にはペンを紙面から分離した状態となる。ペンの連続的な座標値を求めるためには接触状態または非接触状態のいずれの場合でもその位置を精密に測定できる手段を必要とする。

前述した問題を解決するための従来の電子ペン形態の入力装置として、日本のリコー社（特許文献１および特許文献２参照）ではペン内部に３軸加速度センサーおよび３軸ジャイロセンサーを内蔵して一般的な３次元筆記運動をするペン先端の位置を求める方法と、それを利用した電子ペンとを提案している。この方法は一般的な慣性航法システム（ＩｎｅｒｔｉａｌＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ：ＩＮＳ）を電子ペンに適用したものであって、電子ペンに装着された３軸加速度センサーはｘ、ｙ、およびｚ軸上の本体加速度を求め、３軸角速度センサーはロール角（φ）、ピッチ角（θ）、およびヨー角（Ψ）で表現されるオイラー角をそれぞれ測定して、電子ペンの姿勢および絶対座標上の加速度を測定してユーザーの筆記入力を復元する。

しかし、前述した電子ペンの場合には加速度センサーを利用した加速度を二重積分して電子ペンの位置を復元するが、この場合に、加速度センサーで発生した誤差まで二重積分されるため、加速度誤差によって発生する位置誤差は経時的に顕著に増加して電子ペンの正確な位置を復元できなくなる問題点がある。
米国特許第５，９０２，９６８号公報米国特許第５，９８１，８８４号公報

本発明が解決しようとする技術的課題は、従来のＩＮＳに速度センサーを追加して、正確な位置を復元できる空間型入力装置および方法を提供することである。

前述した技術的課題を解決するための本発明のユーザーの入力を復元する空間型入力装置は、本体座標系での前記入力装置の第１速度を測定する第１センサー部と、本体座標系の互いに直交する３軸に対する入力装置の加速度および角速度を測定する第２センサー部と、測定された加速度および角速度を利用して空間上での入力装置の姿勢を示す姿勢情報を生成する姿勢情報生成部と、姿勢情報を利用して第１速度を絶対座標系での第２速度に変換する速度変換部と、第２速度を積分して入力装置の位置を復元する位置復元部と、を含む。

また、前述した空間型入力装置の速度変換部は、姿勢情報を利用して本体座標系を絶対座標系に変換するのに利用される方向コサインマトリックスを生成し、方向コサインマトリックスに前記第１速度を代入して第１速度を第２速度に変換することが望ましい。

また、前述した空間型入力装置の姿勢情報生成部は、入力装置が停止した間の測定加速度を利用して入力装置の初期姿勢に関する情報を生成する初期姿勢情報生成部と、測定された角速度および初期姿勢情報を利用して経時的に動く入力装置の動き姿勢情報を生成する動き姿勢情報生成部と、を含むことが望ましい。

一方、前述した技術的課題を解決するための本発明のユーザーの入力を復元する空間型入力方法は、（ａ）本体座標系での入力装置の第１速度、加速度、および角速度を測定する段階と、（ｂ）測定された加速度および加速度を利用して空間上での入力装置の姿勢を示す姿勢情報を生成する段階と、（ｃ）姿勢情報を利用して前記第１速度を絶対座標系での第２速度に変換する段階と、（ｄ）第２速度を積分して入力装置の位置を復元する段階と、を含む。

また、前述した空間型入力方法の（ｃ）段階は、姿勢情報を利用して本体座標系を絶対座標系に変換するのに利用される方向コサインマトリックスを生成する段階と、方向コサインマトリックスに第１速度を代入して第１速度を前記第２速度に変換する段階と、を含むことが望ましい。

また、前述した空間型入力方法の（ｂ）段階は、入力装置が停止した間の測定加速度を利用して入力装置の初期姿勢に関する初期姿勢情報を生成する段階と、測定された角速度および初期姿勢情報を利用して経時的に動く入力装置の動き姿勢情報を生成する段階と、を含むことが望ましい。

本発明はＩＮＳに速度センサーを結合することによって、従来の空間型入力装置で測定された加速度を二重積分して位置を復元することによって発生する、経時的に累積される加速度誤差による復元された位置の誤差を解決できる。

したがって、本発明は従来の空間型入力装置が３ないし４秒ごとに一回ずつ停止してゼロ補正を通じて誤差を補正する限界を克服して、１０秒以上の連続した空間型入力にも充実な位置復元ができる。

以下、添付された図面を参照して、本発明の望ましい実施例を説明する。

図１Ａは本発明で利用される座標系を説明する図面であり、図１Ｂは本発明の各種センサーが入力装置に装着された例を図示する図面である。

図１Ａに示すように、本発明で利用される座標系は絶対座標系と本体座標系とに区分される。図１Ａに図示されたように、絶対座標系はＺ軸が重力方向と一致し、残りのＸ軸とＹ軸とが互いに直交する座標系を意味する。また、本体座標系は互いに直交する３軸で構成され、空間型入力装置の特定方向に特定の軸を一致させた座標系であって、図１Ａに図示された例では、本体座標系のＺ軸が空間型入力装置１００の長手方向（軸方向）に一致するように設定されている。一方、図１Ｂでは、本発明で利用される速度センサー、加速度センサーおよび角速度センサーなどが空間型入力装置に設置された例を本体座標系と共に図示した。

図２は、本発明の望ましい実施例による空間型入力装置の構成を図示するブロック図である。本発明の空間型入力装置は、本体座標系の各軸方向に入力装置が動く速度を測定する速度センサー部２００、本体座標系の各軸方向に動くことにより発生する入力装置の加速度を測定する加速度センサー部２１０、および本体座標系の各軸方向への入力装置の角速度を測定する角速度センサー部２２０を含む。本発明の望ましい実施例では、速度センサー部２００として、レーザー技術およびドップラー効果を利用してセンサーに対する表面の動きを本体座標系上の各軸の速度で出力するＯＴＭ（ＯｐｔｉｃａｌＴｒａｎｓｌａｔｉｏｎＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）センサーを利用し、加速度センサー部２１０および角速度センサー部２２０として３軸加速度および角速度センサーを利用する。

また、本発明の空間型入力装置は、測定された加速度および角速度を利用して空間上での入力装置の姿勢を表す姿勢情報を生成する姿勢情報生成部２３０を含む。この姿勢情報生成部２３０は、入力装置が空間上に停止している間の重力による測定加速度値を利用して入力装置の初期姿勢情報を生成する初期姿勢情報生成部２３２、および入力装置が動く間に測定された角速度および初期姿勢情報を利用して入力装置が動く間の姿勢情報を生成する動き姿勢情報生成部２３４を含む。

また、本発明の空間型入力装置は、姿勢情報を利用して速度センサー部２００に入力された本体座標系系上の速度を絶対座標系上の速度に変換する速度変換部２４０および変換された絶対座標系上の速度を積分して空間型入力装置の位置を復元する位置復元部２５０を含む。

一方、姿勢情報生成部２３０は、入力装置の姿勢情報をオイラー角［ロール角（φ）、ピッチ角（θ）、ヨー角（Ψ）］で表現して速度変換部２４０に出力する。この速度変換部２４０に入力されたオイラー角は、速度センサー部２００で測定された速度を絶対座標系上の速度に変換するのに利用される。

図３Ａないし図３Ｅは、オイラー角を利用した本体座標系と絶対座標系間の変換過程を説明する図面である。

図３Ａは、ｘｙｚ座標系およびｘ２ｙ２ｚ２座標系を図示する。空間上に存在する任意の点やベクトルは座標系によって異なる表現がなされる。ｘｙｚ座標系を基準とする場合、空間上に存在する任意の位置やベクトルは、ｘｙｚ座標系を基準としたｘ２ｙ２ｚ２座標系の原点Ｏ２の位置および方向コサイン行列で数学的に完壁に記述される。同様に、ｘ２ｙ２ｚ２座標系を基準とする場合、任意の点やベクトルはｘ２ｙ２ｚ２座標系を基準としたｘｙｚ座標系の原点Ｏの位置および方向コサイン行列で記述される。方向コサイン行列は、両座標系間の相対的な回転を記述する行列であってオイラー角で表現される。

方向コサイン行列およびオイラー角を詳述するために図３Ｂを参照する。図３Ｂは図３Ａの両座標系の原点を一致させて図示した図面である。方向コサイン行列は両座標系間の相対的な回転関係を記述するものであり、両座標系の原点間の距離とは関係がないので図３Ｂに基づいて説明する。

ｘｙｚ座標系からｘ２ｙ２ｚ２座標系への変換は３段階の回転変換過程を経る。最初にｘｙｚ座標系をｚ軸を基準としてΨだけ回転させれば図３Ｃの新しい座標系ｘ１ｙ１ｚを得る。この回転変換は次の数式１で表現される。

数式１でΨはヨー角として定義される。

ヨー変換により得られたｘ１ｙ１ｚ座標系のｙ１軸を基準として該当座標系をθだけ回転させれと、図３Ｄに図示されたようなｘ２ｙ１ｚ１座標系を得る。図３Ｄの回転変換は次の数式２で表現される。

数式２でθはピッチ角として定義される。

同じ方式で数式２に記載されたピッチ変換により得られた座標系ｘ２ｙ１ｚ１をｘ２軸を基準にφだけ回転させると、図３Ｅに図示されたような新しい座標系ｘ２ｙ２ｚ２を得る。図３Ｅに図示されたロール角変換は次の数式３のように表現される。

ここでφはロール角として定義される。

数式１〜数式３に記述されたヨー、ピッチ、ロール角変換数式を結合すればｘｙｚ座標系とｘ２ｙ２ｚ２座標系間の変換関係数式を得られる。

ここで、

は方向コサイン行列と定義され、次のような正規直交性を持つ。

ここで（）^Ｔは任意の行列の転置行列であり、Ｉは単位行列である。

前述したように方向コサイン行列は両座標系間の回転関係を記述し、この行列は再びロール、ピッチ、ヨー角で記述される。したがってロール、ピッチ、ヨー角を求めることによって両座標系間の回転関係を記述できる。

方向コサイン行列を利用すれば、ｘｙｚ座標系を基準に表現された空間上の任意のベクトルはｘ２ｙ２ｚ２座標系では次の数式６を利用して求めることができる。

ここでｖはベクトルであり、［ｖ］_x2y2z2および［ｖ］_xyzはそれぞれｘ２ｙ２ｚ２座標系およびｘｙｚ座標系を基準としたベクトルｖの表現である。したがって、本発明の本体座標系の速度および加速度は、前述した方向コサイン行列を利用して絶対座標系の速度および加速度にそれぞれ変換できる。

以下で、本体座標系上の速度または加速度ベクトルを絶対座標系上の速度または加速度ベクトルに変換する方向コサイン行列は次の数式７に定義された方向コサイン行列を用い、

は数式４に記載された行列の転置行列であることが分かる。

数式７で、φ_ｃはｃｏｓ（φ）を、φ_ｓはｓｉｎ（φ）をそれぞれ示す。同様に、θ_ｃはｃｏｓ（θ）を、θ_ｓはｓｉｎ（θ）を、Ψ_ｃはｃｏｓ（Ψ）を、Ψ_ｓはｓｉｎ（Ψ）をそれぞれ示す。

図４は、本発明の望ましい実施例による空間型入力方法を説明するフローチャートである。図４に示すように、本発明の空間型入力装置を駆動すると、内部に設置された速度センサー部２００、加速度センサー部２１０、および角速度センサー部２２０はそれぞれ本体座標系上の各軸に対して入力装置の速度［Ｖ_ｂｘ，Ｖ_ｂｙ，Ｖ_ｂｚ］、加速度［Ａ_ｂｘ，Ａ_ｂｙ，Ａ_ｂｚ］、および角速度［ω_ｂｘ，ω_ｂｙ，ω_ｂｚ］を測定する（Ｓ４００）。

姿勢情報生成部２３０は、加速度センサー部２１０および角速度センサー部２２０で測定された加速度および角速度の入を受けて、入力装置の絶対座標系上での姿勢を示す姿勢情報を生成する（Ｓ４１０）。ここで生成された姿勢情報はオイラー角で表現される。

具体的に、入力装置の停止中にも、重力の影響によって加速度センサー部２１０は一定の加速度値を初期姿勢情報生成部２３２に出力し、初期姿勢情報生成部２３２は次の数式８によって、絶対座標系上の重力加速度ｇと初期加速度センサーの出力値間の関係を利用して停止状態のピッチ角およびロール角を求める（Ｓ４１２）。

数式８からＡ_bx＝gsinθおよびＡ_by＝-gcosθsinφを得ることができ、これをそれぞれ解けば、次の数式９のようにピッチ角およびロール角を求めることができる。

動き姿勢情報生成部２３４は、初期姿勢情報生成部２３２から入力された初期姿勢情報および角速度センサー部２２０から入力された各軸の角速度値を利用してオイラー角で表現される動き姿勢情報を生成して速度変換部２４０に出力する（Ｓ４１４）。

動き姿勢情報生成部２３４は初期ピッチ角およびロール角と、角速度センサー部２２０から入力された角速度［ω_ｂｘ，ω_ｂｙ，ω_ｂｚ］とを利用して、ＩＮＳ分野で当業者に公知の、オイラー角と角速度間の関係を示す次の数式１０に記載された微分方程式を計算して動き姿勢情報であるオイラー角を速度変換部２４０に出力する。

速度変換部２４０は次の数式１１のように、入力されたオイラー角を前述した数式７に代入して方向コサイン行列を求め、方向コサイン行列を利用して速度センサー部２００から入力された入力装置の本体座標系上の速度［Ｖ_ｂｘ，Ｖ_ｂｙ，Ｖ_ｂｚ］を絶対座標系上の速度［Ｖ_ｎｘ，Ｖ_ｎｙ，Ｖ_ｎｚ］に変換して位置復元部２５０に出力する（Ｓ４２０）。

位置復元部２５０は入力された絶対座標系の速度を積分して絶対座標系上の入力装置の位置を復元する（Ｓ４３０）。

本発明は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されたコンピュータ可読コード（プログラム）として具現することが可能である。コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、コンピュータシステムによって読取られるデータが保存されるあらゆる記録装置を含む。コンピュータ読み取り可能な記録媒体の例には、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気テープ、フレキシブルディスク、光データ保存装置などがあり、またキャリヤウェーブ（たとえば、インターネットを通じる転送）の形で具現されるものも含む。また、コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、ネットワークに連結されたコンピュータシステムに分散されて、分散方式でコンピュータ可読コードが保存されて実行される構成とすることができる。

これまで本発明についてその望ましい実施例を中心に説明した。本発明が属する技術分野で通常の知識を持つ当業者は本発明が本発明の本質的な特性から離脱しない範囲で変形された形で具現されうることが理解できる。したがって、開示された実施例は限定的な観点ではなく説明的な観点で考慮されねばならない。本発明の範囲は前述した説明ではなく特許請求の範囲にあり、それと同等な範囲内にあるあらゆる差異点は本発明に含まれていると解釈されねばならない。

本発明は、電子ペンなどの空間型情報入力装置に適用できる。

本発明で利用される座標系の説明図面である。本発明の各種センサーが入力装置に装着された例を示す説明図である。本発明の望ましい実施例による空間型入力装置の構成を図示するブロック図である。オイラー角を利用した本体座標系と絶対座標系間の変換過程を説明する図面である。オイラー角を利用した本体座標系と絶対座標系間の変換過程を説明する図面である。オイラー角を利用した本体座標系と絶対座標系間の変換過程を説明する図面である。オイラー角を利用した本体座標系と絶対座標系間の変換過程を説明する図面である。オイラー角を利用した本体座標系と絶対座標系間の変換過程を説明する図面である。本発明の望ましい実施例による空間型入力方法を説明するフローチャートである。

符号の説明

２００速度センサー部
２１０加速度センサー部
２２０角速度センサー部
２３０姿勢情報生成部
２３２初期姿勢情報生成部
２３４動き姿勢情報生成部
２４０速度変換部
２５０位置復元部

Claims

ユーザーの入力を復元する空間型入力装置であって、
互いに直交する３軸で構成され、前記空間型入力装置の特定方向に特定の軸を一致させた座標系である本体座標系での前記入力装置の第１速度を測定する第１センサー部と、
前記本体座標系の互いに直交する３軸に対する前記入力装置の加速度および角速度を測定する第２センサー部と、
前記測定された加速度および角速度を利用して空間上での前記入力装置の姿勢を示す姿勢情報を生成する姿勢情報生成部と、
前記姿勢情報を利用して前記第１速度を、互いに直交する３軸で構成され、ユーザが存在する空間の特定方向を特定の軸に一致させた座標系である絶対座標系での第２速度に変換する速度変換部と、
前記第２速度を積分して前記入力装置の位置を復元する位置復元部と、
を含むことを特徴とする空間型入力装置。
前記速度変換部は、
前記姿勢情報を利用して本体座標系を絶対座標系に変換するのに利用される方向コサインマトリックスを生成し、前記方向コサインマトリックスを利用して前記第１速度を前記第２速度に変換することを特徴とする請求項１に記載の空間型入力装置。
前記姿勢情報生成部は、
前記入力装置が停止した間の測定加速度を利用して前記入力装置の初期姿勢に関する情報を生成する初期姿勢情報生成部と、
前記測定された角速度および前記初期姿勢情報を利用して経時的に動く前記入力装置の動き姿勢情報を生成する動き姿勢情報生成部と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の空間型入力装置。
前記第１センサー部は、
前記本体座標系の互いに直交する３軸それぞれに対する速度を測定することを特徴とする請求項１に記載の空間型入力装置。
前記本体座標系は互いに直交する３軸で構成され、前記３軸のうちいずれか一つは前記入力装置の所定方向と一致することを特徴とする請求項１に記載の空間型入力装置。
ユーザーの入力を復元する空間型入力方法であって、
（ａ）互いに直交する３軸で構成され、空間型入力装置の特定方向に特定の軸を一致させた座標系である本体座標系での入力装置の第１速度、加速度、および角速度を測定する段階と、
（ｂ）前記測定された加速度および加速度を利用して空間上での前記入力装置の姿勢を示す姿勢情報を生成する段階と、
（ｃ）前記姿勢情報を利用して前記第１速度を、互いに直交する３軸で構成され、ユーザが存在する空間の特定方向を特定の軸に一致させた座標系である絶対座標系での第２速度に変換する段階と、
（ｄ）前記第２速度を積分して前記入力装置の位置を復元する段階と、
を含むことを特徴とする空間型入力方法。
前記（ｃ）段階は、
前記姿勢情報を利用して本体座標系を絶対座標系に変換するのに利用される方向コサインマトリックスを生成する段階と、
前記方向コサインマトリックスを利用して前記第１速度を前記第２速度に変換する段階と、
を含むことを特徴とする請求項６に記載の空間型入力方法。
前記（ｂ）段階は、
前記入力装置が停止した間の測定加速度を利用して前記入力装置の初期姿勢に関する初期姿勢情報を生成する段階と、
前記測定された角速度および前記初期姿勢情報を利用して経時的に動く前記入力装置の動き姿勢情報を生成する段階と、
を含むことを特徴とする請求項６に記載の空間型入力方法。
前記（ａ）段階は、
前記本体座標系の互いに直交する３軸それぞれに対する速度を測定することを特徴とする請求項６に記載の空間型入力方法。
前記本体座標系は互いに直交する３軸で構成され、前記３軸のうちいずれか一つは前記入力装置の所定方向と一致することを特徴とする請求項６に記載の空間型入力方法。
請求項６ないし１０のうちいずれか１項に記載の空間型入力方法をコンピュータで判読でき、かつ実行可能なプログラムコードで記録した記録媒体。