JP2005250969A - 入力装置及び入力方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 機器への指示の入力をより一層少ない条件下で行うことができる入力装置及び入力方法を提供する。
【解決手段】 入力装置には、ドップラーモジュール５、及びこのドップラーモジュール５から出力された信号を解読する解読部３１が設けられている。ドップラーモジュール５には、誘電体発振器２０から発振された信号とアンテナ２２により受信された信号とを相互作用させるカプラ、及びカプラから出力された信号を整流するショットキーバリアダイオード２３が設けられている。そして、ショットキーバリアダイオード２３の出力信号が解読部３１に入力される。解読部３１は、ショットキーバリアダイオード２３の出力信号に基づいて、人体自身又は人体の動きに付随して移動する物体の動きを検知し、予め設定された関係に基づいて、人体自身又は物体の動きが意図する指示を解読し、この指示を入力信号とするパーソナルコンピュータやテレビ等の機器に出力する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ユーザインタフェース装置に好適な入力装置及び入力方法に関する。

従来、コンピュータを操作したりデータを入力したりするために、キーボード、タブレット、マウス及びトラックボール等の入力装置が用いられている。

特に、近年では、キーボードを用いたテキスト入力から、よりグラフィカルな入力に変化しており、イメージとしての入力が可能となっている。例えば、モニタを見ながら座標情報や軌跡の情報をコンピュータに入力できるタブレットやマウスは、グラフィカルユーザインタフェースとともに用いられることが多く、コンピュータの操作性を向上させることができる。

また、テレビやビデオのチャンネル切り替えや録画再生の操作には、赤外線を用いた専用のリモコンが入力装置として用いられている。

これらの入力装置は、全て物体をつかんで、画面を見ながら操作するものである。これに対し、手の動きを検出してユーザインタフェースにしようとする試みもある。例えば、特許文献１（特開２００２−１４９３０２号公報）には、手の動きをカメラで撮影し、画像処理によって手の動きを判断して決められた指示を行うユーザインタフェースの例が開示されている。また、特許文献２（特開平６−１４９４７３号公報）には、実際に手にセンサを設けて手の動きを検出し、入力を行う例が開示されている。

しかしながら、これらのユーザインタフェース機器には、使用に対して種々の課題が存在している。

例えば、マウスの場合、動かすためには机等の平滑な平面が必要であり、立ったまま操作することはできず、また、画面だけしかないとき等も使用することができない。

また、特許文献１に開示されたユーザインタフェースでは、カメラと手との間に物体が介在していると操作することができない。また、複雑な画像認識が必要なため、処理系が複雑になってしまう。更に、リアルタイム操作が容易ではない。

また、特許文献２に開示された方法には、センサを装着する煩わしさがある。

特開２００２−１４９３０２号公報 特開平６−１４９４７３号公報

本発明の課題は、機器への指示の入力をより一層少ない条件下で行うことができる入力装置及び入力方法を提供することにある。

本願発明者は、前記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。

本発明に係る第１の入力装置は、マイクロ波を発するマイクロ波発生手段と、前記マイクロ波発生手段により発せられ、任意の物体から反射してきたマイクロ波を受信するマイクロ波受信手段と、前記マイクロ波受信手段が受信したマイクロ波の周波数及び前記マイクロ波発生手段が発したマイクロ波の周波数からドップラー周波数を求め、このドップラー周波数に応じた信号を出力する信号出力手段と、前記信号出力手段から出力された信号に応じて前記マイクロ波受信手段が受信したマイクロ波が示す指示を解読する解読手段と、を有することを特徴とする。

本発明に係る第２の入力装置は、周波数が１ＧＨｚ乃至１００ＧＨｚのマイクロ波を人体又はこれに付随する物体に照射し、その反射波のドップラー効果を用いて、前記人体又は物体の動きを検出して、機器に入力作業を行うことを特徴とする。

本発明に係る第１の入力方法は、マイクロ波を発するマイクロ波発生工程と、前記マイクロ波発生工程において発せられ、任意の物体から反射してきたマイクロ波を受信するマイクロ波受信工程と、前記マイクロ波受信工程において受信したマイクロ波の周波数及び前記マイクロ波発生工程において発したマイクロ波の周波数からドップラー周波数を求め、このドップラー周波数に応じた信号を出力する信号出力工程と、前記信号出力工程において出力された信号に応じて前記マイクロ波受信工程において受信したマイクロ波が示す指示を解読する解読工程と、を有することを特徴とする。

本発明に係る第２の入力方法は、周波数が１ＧＨｚ乃至１００ＧＨｚのマイクロ波を人体又はこれに付随する物体に照射し、その反射波のドップラー効果を用いて、前記人体又は物体の動きを検出して、機器に入力作業を行うことを特徴とする。

本発明によれば、人体に専用の道具等を装着しなくても、パーソナルコンピュータやテレビ等の機器に指示を入力することができる。また、機器を操作するのに際し、場所の制限を受けない。更に、入力装置自体をディスプレイや壁に埋め込んでも、マイクロ波が透過できる程度であれば指示を入力することができるため、室内の美観に関しても好ましい。

以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る入力装置の構成を示す回路図である。

本実施形態に係る入力装置には、ドップラーモジュール５、及びこのドップラーモジュール５から出力された信号を解読する解読部３１が設けられている。ドップラーモジュール５には、周波数ｆｓのマイクロ波を発振する誘電体発振器２０が設けられており、このマイクロ波はアンテナ２１から外部に発信される。周波数ｆｓは、１ＧＨｚ乃至１００ＧＨｚであることが好ましく、例えば１０．５ＧＨｚである。また、ドップラーモジュール５には、受信用のアンテナ２２も設けられている。ここでは、アンテナ２１から発信され、対象物に衝突して反射されてアンテナ２２に受信されたマイクロ波の周波数がｆｏであるとする。また、本実施形態では、対象物は、人体自身又は人体の動きに付随して移動する物体である。

更に、ドップラーモジュール５には、誘電体発振器２０から発振された信号とアンテナ２２により受信された信号とを相互作用させるカプラ（図示せず）、及びカプラから出力された信号を整流するショットキーバリアダイオード２３が設けられている。そして、ショットキーバリアダイオード２３の出力信号が解読部３１に入力される。

解読部３１は、ショットキーバリアダイオード２３の出力信号に基づいて、人体自身又は人体の動きに付随して移動する物体の動きを検知し、予め設定された関係に基づいて、人体自身又は物体の動きが意図する指示を解読し、この指示を入力信号とするパーソナルコンピュータやテレビ等の機器に出力する。

ここで、ドップラーモジュール５の位置が固定され、対象物がドップラーモジュール５から離間する方向に速度ｖで移動している場合、ドップラー周波数Δｆは、下記数式１で表される。但し、ｃは光速（３００×１０⁶ｍ／ｓ）である。

つまり、人体又はこれに付随する物体等の対象物が移動している場合には、ドップラー効果により、発信したマイクロ波の周波数ｆｓと受信するマイクロ波の周波数ｆｏとが相違する。そして、この周波数の差（ドップラー周波数）Δｆに対応する信号がドップラーモジュール５から出力され、この信号に基づいて、アンテナ２２が受信したマイクロ波が示す指示内容を解読部３１が解読する。

ここで、ドップラーモジュール５から出力される信号について、実際に測定して得られた信号波形を参照しながら説明する。この測定に当たっては、図２に示すように、解読部３１の代わりに、ショットキーバリアダイオード２３から出力された信号を増幅するアンプ２４、及びアンプ２４から出力された信号（電圧）の変化を表示するオシロスコープ２５をドップラーモジュール５に接続した。そして、図３に示すように、ドップラーモジュール５の上方に、ドップラーモジュール５から約３０ｃｍの間隔を置いて手１を翳し、上下方向１０に手１を移動させながらマイクロ波１００の送受信を行った。

図４及び図５は、手の動きの速度を変えて実際に測定して得られた波形を示す図である。なお、この測定では、オシロスコープ２５として、テクトロニクス社の３００ＭＨｚのデジタルフォスファオシロスコープＴＤＳ−３０３２を用い、時間軸１００ｍｓ／ｄｉｖ、電圧軸１Ｖ／ｄｉｖの設定でＡＣ測定モードにした。図４は、手１をゆっくり動かした場合に得られた波形を示し、図５は、手１をすばやく動かした場合に得られた波形を示す。

図４及び図５に示すように、手１の動きの速度に応じて得られる波形には差が生じる。つまり、波形に応じて手１がどのような速度で動いているかを検出することができる。従って、手の速度と入力指示の内容との関係を予め設定しておけば、手１を動かす速度を変化させることにより、所望の指示を解読部３１から機器に入力することができる。なお、図４に示す手１の動きを遅くした場合に得られた波形の周期は約１１０ｍ秒であり、この周期は９ｋＨｚの交流信号に相当する。また、図５に示す手１の動きを速くした場合に得られた波形の周期は約３５ｍ秒であり、この周期は２９ｋＨｚの交流信号に相当する。

また、手を動かしている時間に応じて入力指示を識別することも可能である。図６及び図７は、手を動かす時間を変えて実際に測定して得られた波形を示す図である。この測定では、手１を動かす速度を実質的に一定にしながら、上記と同様の条件でマイクロ波１００の送受信を行った。図６は、手１を連続して動かした場合に得られた波形を示し、図７は、手１を間欠的（断続的）に動かした場合に得られた波形を示す。

図６及び図７に示すように、手を動かしている時間に応じて得られる波形には差が生じる。つまり、手１を動かしている間は、振幅が大きい波形が観測され、動きを止めると振幅が小さくなる。従って、所定の振幅以上の波が検出されている時間と入力指示の内容との関係を予め設定しておけば、手１を動かしている時間を変化させることにより、所望の指示を解読部３１から機器に入力することができる。

次に、上述の実施形態に係る入力装置を組み込んだパーソナルコンピュータの動作について説明する。図８は、上述の実施形態に係る入力装置を組み込んだパーソナルコンピュータの動作を示すフローチャートである。また、図９は、パーソナルコンピュータの動作に基づいて表示される画面の例を示す模式図である。

先ず、開始合図が入ると、誘電体発振器２０がアンテナ２１を介してマイクロ波を外部に発信する（ステップＳ１）。そして、このマイクロ波が人体等の対象物に当たって反射されると、反射して戻ってきたマイクロ波をアンテナ２２で受信する（ステップＳ２）。次に、解読部３１は、カプラを介して得られた信号に、ドップラー効果が生じているか否かを判定する（ステップＳ３）。つまり、図４乃至図７に示す波形のように、時間の経過と共に振幅（電圧値）が変動する波形（ドップラー波形）が得られたか判定する。

そして、ドップラー効果が生じていないと判定した場合には、ステップＳ１に戻り、再度マイクロ波を発信する。一方、ドップラー効果が生じていると判定した場合には、解読部３１は、その波形から周波数を検出し（ステップＳ４）、更に、振幅が変動している時間（信号発生時間）を検出する（ステップＳ５）。

次いで、解読部３１は、信号発生時間が予め設定しておいた時間Ｔ２より長いか否かを判定する（ステップＳ６）。ここで、時間Ｔ２は、人間が機器を操作する上で十分長いと感じる時間、例えば１５秒程度に設定しておく。そして、時間Ｔ２より信号発生時間が長い場合には、操作終了の指示が入力されたと判定して、システムの動作を終了させる（ステップＳ１４）。一方、信号発生時間が時間Ｔ２以下である場合には、解読部３１は、カプラを介して得られた信号の周波数が予め設定しておいた周波数Ｆ１より高いか否かを判定する（ステップＳ７）。ここで、周波数Ｆ１は、想定されるドップラー周波数の範囲、例えば５Ｈｚ乃至２００Ｈｚ程度の間で任意に設定することができる。

そして、検出した周波数が周波数Ｆ１以下の場合には、信号発生時間が予め設定しておいた時間Ｔ１より短いか否かを判定する（ステップＳ８）。時間Ｔ１としては、時間Ｔ２より短い時間を設定しておく。ステップＳ８において、信号発生時間が時間Ｔ１以上であると判定した場合には、画面に表示されるカーソルの位置を１単位だけ左方向に移動させ（ステップＳ９）、ステップＳ１へ戻る。また、ステップ８において、信号発生時間が時間Ｔ１より短いと判定した場合には、カーソルの位置を１単位だけ右方向へ移動させ（ステップＳ１０）、ステップＳ１へ戻る。

同様に、ステップＳ７において、検出した周波数が周波数Ｆ１より高いと判定した場合にも、信号発生時間が時間Ｔ１より短いか否かを判定する（ステップＳ１１）。そして、信号発生時間が時間Ｔ１以上であると判定した場合には、カーソルを１単位だけ上方に移動させ（ステップＳ１２）、ステップＳ１へ戻る。また、信号発生時間が時間Ｔ１より短いと判定した場合には、カーソルを１単位だけ下方に移動させ（ステップＳ１３）、ステップＳ１へ戻る。

なお、この動作では、カーソルの移動方向を上下左右の４方向としているが、図１０に示すように、カーソルを斜め方向に移動させるようにしてもよい。このためには、例えば信号発生時間及び／又は周波数の基準値を多くすればよい。また、カーソルの移動だけでなく、例えば、プレゼンテーションの際に次のシートを表示させるための入力指示を受け付ける入力装置として用いることもできる。

次に、発信周波数の範囲について説明する。送信周波数を１ＭＨｚから１０ＴＨｚまで変化させたときに、得られるドップラー周波数Δｆ及びその周波数Ｔを、数式１を用いて求めたものを表１に示す。但し、ここでは、代表的な手の移動速度を想定して、対象物の移動速度ｖを０．１ｍ／ｓ又は０．５ｍ／ｓとした。

表１に示すように、発信周波数が１ＭＨｚ乃至１００ＭＨｚであると、ドップラー周波数の周期Ｔが３秒以上であり、手の動きを検出するために必要な時間が長くなってしまう。一方、発信周波数が３００ＧＨｚ乃至１０ＴＨｚであると、電磁波の送信に必要なデバイスとして、一般に用いられている半導体とは異なる特殊なデバイスが必要となり、装置が複雑で高価なものとなってしまう。

従って、本発明に係る入力装置に使用する発信器の発信周波数は、１ＧＨｚ乃至１００ＧＨｚとすることが好ましい。その中でも、発信周波数を３ＧＨｚ乃至３０ＧＨｚの間に設定すると、周期Ｔが１秒未満となり、人間の手の動きを容易に検出することができ、かつ送信機が複雑で高価なものにならないため、特に好ましい。

なお、上述のような入力装置は、種々の場所に設置することができる。例えば、図１１に示すように、パーソナルコンピュータのキーボードの内部や裏面に設置したり、図１２に示すように、テレビの表示部に設置したりしてもよい。マイクロ波はプラスチック及び木材等を透過するため、ドップラーモジュール５をキーボードの内部に設置しても反射波を十分に受信することができる。また、近年普及してきたフラットパネルディスプレイの両端に設置することにより、テレビのチャンネルの切り替え用の入力装置として用いることができる。また、インターネットの画像をテレビに表示する場合や、デジタルカメラで撮影した画像をテレビに表示する場合等にも入力装置として用いることができる。更に、人体を透過してマイクロ波が伝播するので、テレビの操作の場合等に、人等の障害物があったとしても、手の動きで操作を行うことができる。

本発明の実施形態に係る入力装置の構成を示す回路図である。 実際の測定で用いた回路の構成を示す回路図である。 本発明の実施形態に係る入力装置の使用方法の一例を示す模式図である。 手１をゆっくり動かした場合に得られた波形を示すグラフである。 手１をすばやく動かした場合に得られた波形を示すグラフである。 手１を連続して動かした場合に得られた波形を示すグラフである。 手１を間欠的に動かした場合に得られた波形を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る入力装置を組み込んだパーソナルコンピュータの動作を示すフローチャートである。 パーソナルコンピュータの動作に基づいて表示される画面の例を示す模式図である。 パーソナルコンピュータの動作に基づいて表示される画面の他の例を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る入力装置の設置場所の例を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る入力装置の設置場所の他の例を示す模式図である。

符号の説明

１：手
５：ドップラーモジュール
１０：上下方向
２０：誘電体発振器
２１、２２：アンテナ
２３：ショットキーバリアダイオード
２４：アンプ
２５：オシロスコープ
３１：解読部
１００：マイクロ波

Claims (8)

1. マイクロ波を発するマイクロ波発生手段と、
   前記マイクロ波発生手段により発せられ、任意の物体から反射してきたマイクロ波を受信するマイクロ波受信手段と、
   前記マイクロ波受信手段が受信したマイクロ波の周波数及び前記マイクロ波発生手段が発したマイクロ波の周波数からドップラー周波数を求め、このドップラー周波数に応じた信号を出力する信号出力手段と、
   前記信号出力手段から出力された信号に応じて前記マイクロ波受信手段が受信したマイクロ波が示す指示を解読する解読手段と、
   を有することを特徴とする入力装置。
2. 前記マイクロ波発生手段が発するマイクロ波の周波数が１ＧＨｚ乃至１００ＧＨｚであることを特徴とする請求項１に記載の入力装置。
3. 前記解読手段は、前記信号出力手段から出力された信号の波形の周波数及び振幅が連続して変化している時間に応じて指示を解読することを特徴とする請求項１又は２に記載の入力装置。
4. 前記任意の物体は、人体又はこれに付随した物体であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の入力装置。
5. 周波数が１ＧＨｚ乃至１００ＧＨｚのマイクロ波を人体又はこれに付随する物体に照射し、その反射波のドップラー効果を用いて、前記人体又は物体の動きを検出して、機器に入力作業を行うことを特徴とする入力装置。
6. ドップラー波形の周波数及び波形発生時間を検出して、機器入力とすることを特徴とする請求項５に記載の入力装置。
7. マイクロ波を発するマイクロ波発生工程と、
   前記マイクロ波発生工程において発せられ、任意の物体から反射してきたマイクロ波を受信するマイクロ波受信工程と、
   前記マイクロ波受信工程において受信したマイクロ波の周波数及び前記マイクロ波発生工程において発したマイクロ波の周波数からドップラー周波数を求め、このドップラー周波数に応じた信号を出力する信号出力工程と、
   前記信号出力工程において出力された信号に応じて前記マイクロ波受信工程において受信したマイクロ波が示す指示を解読する解読工程と、
   を有することを特徴とする入力方法。
8. 周波数が１ＧＨｚ乃至１００ＧＨｚのマイクロ波を人体又はこれに付随する物体に照射し、その反射波のドップラー効果を用いて、前記人体又は物体の動きを検出して、機器に入力作業を行うことを特徴とする入力方法。

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