JP2005092438A - 平面状記録媒体及び座標読み取り方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 座標取得処理を単純化でき、面積効率の良い2次元座標記述方法を用いた平面状記録媒体を提供する。
【解決手段】 １つのブロックには、一部に同期用シンボルが設けられる。平面状記憶媒体には、これらのブロックが配列される。同期シンボルを検出することにより、紙面の方向やブロックの位置を識別することが出来る。同期シンボルの存在によって識別されるブロック内には、ブロックのｘ及びｙ座標を特定するための情報シンボルが設けられる。また、ｘ及びｙ座標用の情報シンボル以外の情報シンボルはアプリケーションなどを使った他の用途に使用される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、座標情報が記録された平面状記録媒体および当該媒体に記録された座標情報の読み取り方法に関する。

座標データを表すシンボルが一面に記された専用紙（平面状の素材）に対し、撮像装置を有する特殊なペンで筆記した際に、平面状の素材に記録されたシンボルを撮像装置で光学的に読み取り、得られた画像データを処理して座標を入力する方法がある。座標データを表すシンボルの選定と配列のやり方によって以下のようなものが考えられてきた。
（１）固定ブロック法：
ブロックと座標を表す数値を異なるシンボルで表現し、所定のブロック単位で座標を表すシンボルを並べる方法である。ブロックサイズ以下の分解能はブロックの基準点が撮像画面のどの位置にあるかで割り出す方法である。ブロック同期を検出するために数値とは別の同期方法が必要である。特許文献１では、バーコードを拡張した２次元コードを用いて座標を表すとしている。そのほかには、特許文献２、特許文献３、特許文献４がある。
（２）巡回パターン法：
ブロック同期用のシンボルは用いず、シンボルの並びとしてパターンを順次構成し、パターン自体の自己同期性を利用して座標を決める方法である。自己同期性のあるパターンの代表的なものは１次元のＭ系列（最大長周期系列）で、周期２^k−１のＭ系列は、系列から切り出した連続ｋビットのパターン（以下、ウィンドウパターンと呼ぶ）が、１周期中の他のどの位置から切り出したウィンドウパターンとも異なるという性質がある。始点から順に観測されるパターンを順番と対応付けて求めておけば、観測されたウィンドウパターンからその始点からの位置がわかる。シンボルを直線ないしは円周上に１次元に配置したものがリニアエンコーダやロータリエンコーダとして、長さや回転核の測定に使われている。この方法は、特許文献５に記載されている。

Ｍ系列を２次元に拡張したＭ平面から面上の位置計測をすることが考えられてきた。平面上の異なる位置から切り出したウィンドウパターンがいずれも他と異なるという性質を利用するものである。この方法には、非特許文献１や特許文献６がある。
Ｍ平面を構成するための生成多項式には制限があるので、拡張性をもたせるためにｘ、ｙそれぞれの方向に１次元のＭ系列を用いるパターン構成法が考えられた。

特許文献７は縦方向の第１のＭ系列を、横方向の第２のＭ系列で巡回シフトして２次元の全面パターンを形成するものである。
特許文献８はＭ系列に類似の巡回パターンを座標軸に直交する方向に位相を変えて並べるもので、ｘ、ｙ方向に独立に復号できるシンボルを用いている。この方法では隣接する巡回パターンの位相差に制限を加えてブロックを構成すると共に、ブロック内で観測される位相の組み合わせでブロックの基準座標値を表現する。ブロックサイズ以下の分解能は固定ブロック法と同様にして割り出すことになる。
米国特許５８５２４３４号 米国特許４９２４０７８号 米国特許４９３９３５４号 特開平７−２５４０３７号公報 米国特許３５３１７９８号 特開平６−３０９０８４号公報 国際公開０９２１７８５９号 国際公開００７３９８１号 今井、片山："Ｍ平面を用いた２次元面の位置検出装置"電子通信学会論文誌（Ａ）、Vol. J59-A, no. 3, pp. 260-262 (1976-03), MacWilliams, Sloane: "Pseudo-Random Sequences and Arrays" PIEEE vol. 64, no. 12, pp. 1715-1729 (1976-12)

固定ブロック法は、ブロックの同期を容易にするために、大きく、特徴的なシンボルを用いるため、面積効率が悪く、他の情報を同時に印刷、筆記、もしくは表示する場合には制限が大きく、場合によってはそれらを読みにくくするものであった。一方、情報シンボルのみを用いる巡回パターン法は、他の情報との共存を重視してシンボルを目立たなくするため、シンボルの面積率が低く、かつ空間的に一様に分布させている。このため、同期やパターンの向きはシンボルを復号してから行わなければならず、試行錯誤のための計算量の増大が避けられなかった。

本発明の課題は、処理を単純化でき、面積効率の良い2次元座標記述方法を用いた平面状記憶媒体及び座標読み取り方法を提供することである。

本発明は、画像読み取り装置によって読み取られるシンボルが表面に記録された平面状記録媒体であって、かぎ形にドットを連結した同期シンボルを縦及び横方向に周期的に配置し、前記同期シンボルで区切られた各ブロックの対応する所定位置にｘ座標及びｙ座標に関連する情報シンボルを配置したことを特徴とする。

また本発明は、画像読み取り装置によって読み取られるシンボルが表面に記録された平面状記録媒体であって、２つのドットを連結した同じパターンの配置を示す同期シンボルを、縦及び横方向に３個ずつの周期で配置し、前記同期シンボルで区切られた各ブロックの対応する所定位置にｘ座標及びｙ座標に関連する情報シンボルを配置したことを特徴とする。

本発明によれば、平面状記録媒体の方向を示す、かぎ形、あるいは、２つのドットを連結した同期シンボルを配列したことにより、読み取り手段で読み取るとすぐに、平面状の素材の方向がわかり、ひいては、他の座標情報の存在位置の特定も容易になる。

本発明によれば、簡単な処理で処理でき、面積効率の良い2次元座標記述方法を提供できるので、この方法によって、2次元座標が記述された紙などの平面状記録媒体を用いて、ペンによる平面状記録媒体への書き込みと同時に、コンピュータなどに書き込まれた内容を入力するなどの応用を手軽に使用することが出来る。

始めに、本発明の実施形態の概要を説明する。
まず、本発明の実施形態においては、座標データに関連付けられたシンボルを平面状記録媒体に印刷等により記録しておき、媒体上のシンボルを光学的に撮像デバイスにて読み取り、読み取られた画像の処理回路及び、それに係るデータ処理回路からなるシステムにおいて座標を解読する。平面状記録媒体には、かぎ形の同期シンボルを使って、向き、同期、復号を容易にする。このために、同期シンボルで区切られた各ブロックの対応する所定位置にｘ座標及びｙ座標に関連する情報シンボルを独立に配置して隣接ブロック参照を容易にする。

特には、ｘ方向に自己同期可能な２値符号列をｘ座標シンボルに、ｙ方向に自己同期可能な２値符号列をｙ座標シンボルに対応付け、ｘ座標シンボルはｙ方向の各ブロックで同一に、ｙ座標シンボルはｘ方向の各ブロックで同一にすることによって面積効率を下げることなく誤り耐性を持たせている。

更に、同期シンボルで区切られた各ブロックにｘ、ｙ座標以外の情報シンボルを対応する所定位置にｘ、ｙとは独立に配置し、多目的用途に対応することが出来るようにする。
上記のような構成において、定マーク符号を情報シンボルに用いて本目的以外の情報への妨害を減らすようにする。

あるいは、2ドットを連結した同期シンボルの内、異なる方向を有する形状の同期シンボルを、同じ構造を有する部分領域毎に配置し、同期シンボルの空間的配置から面の向きを判定できるようにする。
図１は、座標データを表すシンボルの配置例を示す図である。

格子状に区分された平面の上に配置されるシンボルは、３ドットがかぎ形に連結した同期シンボル１１と単一ドットを有する情報シンボル１２がある。
図２は、図１の９×９の格子領域からなる点線部分を示した図である。
このように左上隅に、３ドットがかぎ形に連結した同期シンボルを配した９×９の単位をブロックと呼び、平面全体をブロックで構成する。ブロックには同期シンボル以外に実線で囲んだ２×２の格子領域からなる情報シンボル８個からなる。。情報シンボルは図３に示すように４つの位置のいずれかに単一ドットを配置し、２ビットの情報を表現する。

図４は、ブロック内の情報の割り当ての一例を示したもので、Ｘ方向の座標表現にブロックの右上側の３つの情報シンボルを用い、ｘ０〜ｘ５の６ビットのデータを割り当て、、Ｙ方向の座標表現にブロックの左下側の３つの情報シンボルを用い、ｙ０〜ｙ５の６ビットのデータを割り当てる。残りの２つの情報シンボルは、その他の用途としてｚ０〜ｚ３の４ビットので他を割り当てる。

かぎ形の同期シンボルは、単独でもこれが検出されることによって、ブロックの向きを分からせることができる。また、４個の隣接するブロックの同期シンボルを頂点に対応付けた方形を検出させることによって、入力画像の大きさ（倍率）を分からせ、傾きやひずみを補正させることができる。

このような配列を持つシンボルから情報を取り出すには、まず読み取った画像から同期シンボルを検出し、同期シンボルの間をｘ方向、ｙ方向にそれぞれ９等分して仮想的な格子をつくり、前記８個の２×２の情報シンボルのそれぞれどの位置にドットが存在するかを検出することによりｘ、ｙ、ｚの各情報を読み取るようにする。実際は撮像分解能などの制約から、被写体の傾きや明るさによって同期シンボルの検出位置（例えば、重心）には誤差が含まれている。この影響を減らすため、参照点を増やす方法として、画像の取り込み範囲を広げて参照点となる同期シンボルの数を増やす、情報シンボルを参照点に組み入れる（情報シンボルと格子のずれを利用する）などが可能である。

図５は、１次元の２値符号列でブロックの各シンボルを構成する方法を示す図である。
２値符号列の例として、１１次の多項式Ｘ¹¹＋Ｘ²＋１で生成されるＭ系列を考える。Ｍ系列ｍ［ｉ］は、
ｍ［ｉ］＝ｍ［ｉ−１１］＋ｍ［ｉ−９］ ｍｏｄ ２
ただし、ｍ［ｉ］＝０、ｉ＝０〜９、ｍ［１０］＝１
により生成される。この系列は周期２０４７ビットであり、系列の中で１１ビットを連続して取り出したパターンは１周期の中で同じものが２つ以上存在しないという自己同期性を有する。この性質を利用して最初の位相（順番）から順に位相とパターンを対応表にして求めておけば、連続１１ビットの観測されたパターンから位相が一意に求められる。

シンボルは2値符号の２ビットずつで構成する。符号列の周期が奇数なので、シンボルの１周期は符号列では2周期分の４０９４ビットとなる。
図４で各ブロックにおいてｘとｙには３シンボルに６ビットずつを、添え字の順に対応付けることを示したが、符号列は隣接ブロックにまたがって連続配置することとし、ｘのシンボルはｘ方向の隣接ブロック、ｙのシンボルはｙ方向の隣接ブロックに、ともに同じ方法を適用する。このことにより、ｘ座標、ｙ座標はそれぞれ独立に復号できる。

図５は、ｘ座標のための符号列と各ブロックのｘに割り当てられたシンボルをｘ方向に並べて対応付けた図である。
ｙ座標に対してはｙに割り当てられたシンボルに対して同様な対応付けをするので、図５の左から右を上から下へ、上下を左右に読み替えればよい。ｘに対してはｙ方向、ｙに対してはｘ方向の隣接ブロックの符号化はいずれも同じとする。すなわち、ｘのシンボルは上下のブロックで同じ、ｙのシンボルは左右のブロックで同じになる。ブロックの位置はそのブロックの先頭から求めた2値符号列のパターンから算出する。各ブロックで符号列は６ビットずつに区切られるから、６ビットごとのパターンをブロック位置に対応付けて表にしておけばよい。

本実施形態では、2ブロックにまたがる１１ビット（６シンボル＝１2ビットの前から１１ビット）のパターンから求める。６ビットごとの１１ビットパターンをブロック位置に対応付けた表を図６に示す。各ブロックで符号列は６ビットずつに区切られるから、符号列の１周期２０４７ビットを６ビットで割ると余り１になり、次の周期の２０４７ビット符号列は１ビットずれた割り当てとなる。従って、符号列６周期分で２０４７パターンが全て現れることになるので、１１ビットパターンで２０４７ブロックが識別できる。すなわち、図６に示されているように、１つ目のブロックのビットパターン６ビットと２つ目のブロックのビットパターン５ビットを使って、１つ目のブロックの同期シンボルのある位置を特定する。図６の表は、ブロック番号１の場合は、ブロック番号０の２つ目のブロックが１つ目のブロックとなり、新しいブロックが２つ目のブロックとなっている。従って、ブロック番号１の１つ目のブロックのビットパターンとブロック番号０の２つ目のブロックのビットパターンが同じとなっている。以下同様に、図６の表は、１ブロックずつずらしていった場合に現れるビットパターンの例を示している。

符号列に基づくシンボルの割り当ては符号列方向の隣接シンボルを読み取り誤り検出や修正に利用することが出来る。同様に隣（ｘなら上下、ｙなら左右）のブロックには同じシンボルがあるので、これもチェックに使うことが出来る。どこまでの周辺パターンを利用するかはシステムの実情に合わせて決めればよい。

ｚとして割り当てられた情報は多目的に利用することを想定している。すなわち、この部分を検出することによって特定のアクションの実行や、座標記述システムの管理情報の認識などに用いる。
図７及び図８は、第１の実施形態の変形例を説明する図である。

第１の実施形態では、ブロックサイズを９×９としたが、ブロック当たりの情報シンボル数を増減して図７のように６×６、１２×１２などの大きさにすることが可能である。この場合、ブロックで表現できる情報ビット数は６、３０となり、ｘ、ｙ、ｚへのビット数割り当てもそれに応じて変えることができる。

第１の実施形態では、情報シンボルは２×２の格子に１ドットを置く図３のようなものを用いてきたが、ブロックサイズの変更にあわせて異なるシンボルを用いることができる。図８は４ビットの情報を３×３の格子で表現するために、2ドットを、同期シンボルとの紛れることのないように、接触することの無い２つのドットで構成し、１６通りのパターンに対応付けた例である。

座標算出のもととなる自己同期符号列には１１次のＭ系列を用いたが検出すべき座標の広がりに応じて、異なる周期の系列を用いることもできる。
以上の第１の実施形態においては、以下のような効果がある。
・３ドット連結のかぎ形の同期シンボルを用いたことにより、単独のシンボルを検出するだけで面の向きがわかるので、試行錯誤による方法に比べて処理が簡単になる。
・隣接する同期シンボルからブロックとブロック内の格子点が求まり、情報シンボルの存在位置の範囲が特定できる。格子点を情報シンボルから求める方法に比べて参照するシンボルが少なくて済み、処理が簡単になる。
・自己同期シンボルをブロック単位に区切ったことにより、シンボル周期でなく、シンボルの３周期分の座標が識別できるようになった。
・情報シンボルに定マーク符号、すなわち、３×３の格子内の２×２の部分に１ドットを配することによって、１／９の低いドット密度でビット密度２／９を達成している。ドット配置が偏ると情報抽出のための同期情報が減ったり不安定になるが、一様に分布させることにより安定な同期を得、低いドット密度で他の情報への妨害を減らしている。
・座標以外の情報を付加することにより、従来の方法では座標データ検出とは別の仕組みでなされていたものが一元的に取り扱えるようになった。

図９は、本発明の第２の実施形態を説明する図であり、複数の同期シンボルでブロックを構成する方法を示す図である。
縦又は横の2ドットが連結した２種の同期シンボルを第１実施形態の３連結シンボルの代わりに用いる。同期シンボルごとの９×９格子を横に３列、縦に３行括った破線で示す部分ではシンボルは上段が横横縦、中段が横横縦、下段が横縦縦になっていて、このパターンがこの単位で面上に繰り返される。すなわち、この単位がブロックになりシンボルの組み合わせから上下左右を直ちに判定できる。また、この場合、上下左右を判断するのに、３×３個のブロックを読み取る必要があるが、同期シンボルの示す面積率を下げることが出来る。また、同期シンボルが縦横３つずつで繰り返し出てくるので、ｘ、ｙ座標の情報シンボルの情報と同期シンボルの向きとを使うと、ｘ、ｙ座標の情報シンボルに、同期シンボルがかぎ形の場合と同様に符号を与えても、縦横３倍の長さまでカバーすることが出来る。

第２の実施形態では、同期シンボルに縦と横の2連結を用いているが、斜めに2連結のシンボルを用いることも可能である。また、同期パターンの数を増やしてより大きいブロックを構成することも可能である。同期シンボル以外の情報シンボルの使用の仕方は、前述の第１の実施形態と同様である。

第２の実施形態においては、以下のような効果がある。
・同期シンボルが2ドット連結で済み、シンボルの面積率が下がって、座標以外の情報に対する妨害が減る。
・ブロック同期、シンボル同期を損なうことなく、しかも座標精度を落とすことなくブロックサイズを縦３倍、横３倍にすることが出来る。

図１０は、発明の実施形態の使用例を示す図である。
撮像デバイス１５とあるのは平面素材１６上の本発明の実施形態に従った2次元座標記述方法によるパターンを読み込めるもので、（線が描ける）ペンと共用、もしくはタブレットのスタイラスとして実現する。平面素材としては、紙などのパターンを印刷することが出来ると共に、ペンなどを使って情報を書き込むことの出来る媒体であればよく、パターンを印刷されている状態では情報記録媒体ともいえる。

画像・データ処理回路１７は、ペン又はスタイラスに全て内臓する構成とする場合と、内臓部分で前処理したデータを有線もしくは無線で外付けの装置に送り、残りの処理をする構成とする場合がある。平面素材１６は、本発明の実施形態の情報が記録されており、撮像デバイス１５で、平面素材上のシンボルを読み取ることにより、撮像デバイス１５の平面素材上での位置やその他の情報を取得することが出来る。

図１１は、本発明の実施形態の2次元座標記述方法を用いて平面素材上の位置を確定する処理のフローチャートである。
まず、ステップＳ１０において、撮像デバイスでパターン画像を読み取り後、最初に同期シンボルを検出する。同期シンボルは情報シンボルと違い連結ドットになっている（第１の実施形態では３連結、第２の実施形態では2連結）ので検出が容易である。

次に、ステップＳ１１において、検出された同期シンボルを用いて、それに囲まれるブロックとブロック格子点を確定する。
ステップＳ１２において、情報シンボルの検出を行う。情報シンボルがどの格子点にあるかでシンボルの値が求まる。この値の組み合わせのパターンから、ｘ、ｙ、ｚそれぞれのデータが求まる。座標情報ｘ、ｙについては（ステップＳ１３）、ブロックとの対応表を元にして座標値を求める。付加情報ｚは目的とするアプリケーションに渡され、場合によっては座標値と組み合わせて利用される（ステップＳ１５）。

図１２は、本発明の実施形態の2次元座標記述方法を使った応用例を説明する図である。
同図（ｂ）に記載されているように、本発明の実施形態の2次元座標記述方法に従ったシンボルが印刷された紙面に、氏名、住所、年齢、好きな番組、好きなタレントなどの記載項目を印刷したアンケート用紙を配布し、これに撮像デバイスを用いて、各欄に記載してもらう。各欄の部分のブロックのｚシンボルには、当該欄が氏名の欄か、住所の欄かなどの別に関する情報を埋め込んでおく。そして、同図（ａ）のようなフローに従って処理を実行し、アンケート用紙回収と同時に、アンケートに関するデータベースを作成するようにする。

同図（ａ）を説明する。まず、ステップＳ２０において、撮像デバイスが置かれている部分のｚデータを取得する。次に、ステップＳ２１において、ｚデータから得られた対応する項目を判断する。ステップＳ２２において、ｘ、ｙ座標からペンの軌跡を記録する。ステップＳ２３において、入力が終了したか否かを判断する。ステップＳ２３の判断がＮｏの場合には、ステップＳ２２に戻る。ステップＳ２３の判断がＹｅｓの場合には、ステップＳ２４において、入力された文字を文字認識する。ステップＳ２５において、ステップＳ２１で判断された項目に対応するデータベースのフィールドに認識データを入力し、ステップＳ２０に戻る。

座標記述方法の本発明の第１の実施形態を示す図である。 図１の９×９の格子からなる点線部分を示した図である。 情報シンボルの情報の持たせ方を示した図である。 ブロック内の情報の割り当ての一例を示した図である。 １次元の２値符号列でブロックの各シンボルを構成する方法を示す図である。 ６ビットごとの１１ビットパターンをブロック位置に対応付けた表である。 第１の実施形態の変形例を説明する図（その１）である。 第１の実施形態の変形例を説明する図（その２）である。 本発明の第２の実施形態を説明する図であり、複数の同期シンボルでブロックを構成する方法を示す図である。 発明の実施形態の使用例を示す図である。 本発明の実施形態の2次元座標記述方法を用いて平面素材上の位置を確定する処理のフローチャートである。 本発明の実施形態の2次元座標記述方法を使った応用例を説明する図である。

符号の説明

１１ 同期シンボル
１２ 情報シンボル
１５ 撮像デバイス
１６ 平面素材（平面状の素材）
１７ 画像・データ処理回路

Claims (6)

1. 画像読み取り装置によって読み取られるシンボルが表面に記録された平面状記録媒体であって、
   かぎ形にドットを連結した同期シンボルを縦及び横方向に周期的に配置し、前記同期シンボルで区切られた各ブロックの対応する所定位置にｘ座標及びｙ座標に関連する情報シンボルを配置したことを特徴とする平面状記録媒体。
2. 画像読み取り装置によって読み取られるシンボルが表面に記録された平面状記録媒体であって、
   ２つのドットを連結した同じパターンの配置を示す同期シンボルを、縦及び横方向に３個ずつの周期で配置し、前記同期シンボルで区切られた各ブロックの対応する所定位置にｘ座標及びｙ座標に関連する情報シンボルを配置したことを特徴とする平面状記録媒体。
3. ｘ方向に配列された自己同期可能な2値符号列をｘ座標シンボルに、ｙ方向に配列された自己同期可能な2値符号列をｙ座標シンボルに対応付け、ｘ座標シンボルはｙ方向の各ブロックで同一、ｙ座標シンボルはｘ方向の各ブロックで同一のものが使用されることを特徴とする請求項１または２に記載の平面状記録媒体。
4. 前記同期シンボルで区切られた各ブロックに、ｘ、ｙ座標以外の情報を保持する情報シンボルを有することを特徴とする請求項３に記載の平面状記録媒体。
5. かぎ形にドットを連結した同期シンボルを縦及び横方向に周期的に配置し、前記同期シンボルで区切られた各ブロックの対応する所定位置にｘ座標及びｙ座標に関連する情報シンボルを配置した平面状記録媒体の表面を撮像し、
   撮像した画像からかぎ形をした同期シンボルを検出し、
   該同期シンボルの周期的配置から、該同期シンボルによって特定される、隣接する２つのブロックの格子点を確定し、
   特定された該ブロックと該格子点から情報シンボルの位置を特定し、
   該情報シンボルの情報を読み取ることにより、撮像した平面状記録媒体の表面の位置座標を検出することを特徴とする2次元座標の読み取り方法。
6. ２つのドットを連結した同じパターンの配置を示す同期シンボルを、縦及び横方向に３個ずつの周期で配置し、前記同期シンボルで区切られた各ブロックの対応する所定位置にｘ座標及びｙ座標に関連する情報シンボルを配置したことを特徴とする平面状記録媒体の表面を撮像し、
   撮像した画像から２つのドットが連結した同期シンボルを検出し、
   該同期シンボルの周期的配置から、該同期シンボルによって特定される、隣接する３つのブロックの格子点を確定し、
   特定された該ブロックと該格子点から情報シンボルの位置を特定し、
   該情報シンボルの情報を読み取ることにより、撮像した平面状記録媒体の表面の位置座標を検出することを特徴とする2次元座標の読み取り方法。
   
   

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