JP2008204196A - Information input system - Google Patents

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Tatsuo Arai
健生 新井
Kenji Inoue
健司 井上
Atsushi Iio
淳 飯尾
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a six-degree-of-freedom information input system, capable of simultaneously inputting six pieces of information through simple operation. <P>SOLUTION: A camera 300 is disposed in a predetermined position within a world coordinate space, and takes irradiation point images containing five irradiation points to an irradiated surface SA of five laser beams emitted by a laser irradiation device 10. An arithmetic device 20 calculates a position in an irradiation point image space of each irradiation point contained in each irradiation point image taken by the camera 300, calculates a position in the world coordinate space of each irradiation point in the world coordinate space, and calculates input information composed of first to third pieces of information showing the position of the laser emitting device 100 within the world coordinate space, forth and fifth pieces of information showing the attitude of the device 100, and sixth piece of information showing the rotating quantity of the device 100 based on a straight line connecting an irradiation hole 127 to the irradiated surface SA. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、レーザポインタの位置及び姿勢に関する情報を入力するための情報入力システムに関するものである。   The present invention relates to an information input system for inputting information related to the position and orientation of a laser pointer.

CADや3次元モデルソフトウェアで対象とするオブジェクトを透視投影変換で表示する際の視点及び視線の操作、モデル空間内でのオブジェクトの位置姿勢の操作、ロボットアームなど実空間中で対象を制御する操作、或いはエンターテインメント機器における直感的な空間位置姿勢情報の入力操作を行うに際して、空間的な6つの自由度、すなわち、入力装置の3次元空間内における位置を示す3つの情報、姿勢を示す2つの情報、及び入力装置の回転角度を示す1つの情報とからなる計6つの情報を入力したいという要望がある。   Operations to control the target in real space, such as manipulation of the viewpoint and line of sight when displaying the target object with CAD or 3D model software by perspective projection transformation, position and orientation of the object in the model space, robot arm, etc. Or, when performing an input operation of intuitive spatial position and orientation information in an entertainment device, six spatial degrees of freedom, that is, three information indicating the position of the input device in the three-dimensional space, and two information indicating the orientation There is a desire to input a total of six pieces of information including one piece of information indicating the rotation angle of the input device.

しかしながら、現状では、マウスやトラックボール、ジョイスティックといった入力装置が用いられ、このような従来の入力装置は、たかだか2つの情報を同時に入力する、すなわち2つの自由度を同時入力できるに留まっており、3つ以上の情報を同時に入力する場合、ユーザは、特定のボタンを押しながらマウスを操作したり、マウスに付属するホイールのような直感に反する装置を操作したり、或いはソフトウェア的に入力のモードを切り換えて縦・横・高さ・回転方向等の情報入力の制御軸を設定する操作を行う必要があった。   However, at present, input devices such as a mouse, a trackball, and a joystick are used, and such a conventional input device can input at most two pieces of information simultaneously, that is, can input two degrees of freedom simultaneously. When inputting three or more pieces of information at the same time, the user operates the mouse while pressing a specific button, operates an unintuitive device such as a wheel attached to the mouse, or enters a software input mode. It was necessary to perform an operation to set the control axis for information input such as length, width, height, and rotation direction.

そのため、これらの操作の習得にはある程度の期間と努力とを要することから、これら従来の入力装置の取り扱いに慣れていないユーザは、3つ以上の情報を直感的に入力することができないという問題があった。   Therefore, since it takes a certain amount of time and effort to learn these operations, users who are not used to handling these conventional input devices cannot intuitively input three or more pieces of information. was there.

そこで、非特許文献1には、半透過型の板とレーザポインタとを両手に持たせ、板の位置と板に照射されたレーザビームの照射点との認識を同時に行うことによりレーザポインタの3次元的な位置を推定し、推定した3次元的な位置を入力情報とする入力装置が開示されている。
Shoroering,M.A., Grimm,C,M., and Pless, R.: A New Input Device for 3D Sketiching; Vision Interface,pp311-318(2003)(ショーリング・エム・エー、グリム・シー・エム、プレス・アール、ニューインプットデバイス・フォー・スリーディースケッチング、ビジョンインターフェイス)
Therefore, in Non-Patent Document 1, a transflective plate and a laser pointer are held in both hands, and the laser pointer 3 is recognized by simultaneously recognizing the position of the plate and the irradiation point of the laser beam irradiated on the plate. An input device that estimates a three-dimensional position and uses the estimated three-dimensional position as input information is disclosed.
Shoroering, MA, Grimm, C, M., and Pless, R .: A New Input Device for 3D Sketiching; Vision Interface, pp311-318 (2003) R, New Input Device for 3D Sketching, Vision Interface)

しかしながら、非特許文献1に示す入力装置は、半透過型の板とレーザポインタとをそれぞれの手で持たなければならないため、片手で操作することが困難であり、操作性に欠けるといった課題がある。また、同時に6つの情報を入力することができないという課題がある。   However, since the input device shown in Non-Patent Document 1 has to hold a transflective plate and a laser pointer with each hand, it is difficult to operate with one hand, and there is a problem that operability is lacking. . There is also a problem that six pieces of information cannot be input simultaneously.

本発明の目的は、簡便な操作でありながら、同時に6つの情報を入力することができる6自由度の情報入力システムを提供することである。   An object of the present invention is to provide an information input system with six degrees of freedom that can input six pieces of information at the same time while being a simple operation.

本発明による情報入力システムは、所定の照射面へのレーザビームの照射点がn角形(nは4以上の整数)の頂点に位置するようにn本のレーザビームを照射口から放射状に照射するレーザ照射装置と、3次元実空間である世界座標空間内の所定の位置に配設され、前記レーザ照射装置により照射された各レーザビームの前記照射面への照射点を含む照射点画像を撮影する撮像装置と、演算装置とを備え、前記演算装置は、前記撮像装置により撮影された照射点画像に含まれる各照射点の照射点画像空間上の位置を算出する位置算出手段と、前記位置算出手段により照射点画像空間上の位置が算出された各照射点を、前記世界座標空間と前記照射点画像空間との位置関係から予め定められた平面射影行列を用いて前記世界座標空間に変換する変換手段と、前記変換手段により算出された各照射点の前記世界座標空間内の位置に基づいて、前記世界座標空間内における前記レーザ照射装置の位置を示す第1〜第3の情報と、前記レーザ照射装置の姿勢を示す第4及び第5の情報と、前記照射口及び前記照射面を結ぶ直線を基準としたときの前記レーザ照射装置の回転量を示す第6の情報とからなる入力情報を算出する入力情報算出手段とを備えることを特徴とする。   The information input system according to the present invention irradiates n laser beams radially from the irradiation port so that the irradiation point of the laser beam on the predetermined irradiation surface is positioned at the apex of the n-gon (n is an integer of 4 or more). An irradiation point image that is disposed at a predetermined position in a world coordinate space that is a three-dimensional real space and includes an irradiation point on the irradiation surface of each laser beam irradiated by the laser irradiation device is captured. A position calculating means for calculating a position on the irradiation point image space of each irradiation point included in the irradiation point image photographed by the imaging device; and the position Each irradiation point whose position in the irradiation point image space is calculated by the calculating means is converted into the world coordinate space using a plane projection matrix determined in advance from the positional relationship between the world coordinate space and the irradiation point image space. Do First to third information indicating the position of the laser irradiation device in the world coordinate space based on the position in the world coordinate space of each irradiation point calculated by the conversion means; Input information comprising fourth and fifth information indicating the attitude of the laser irradiation apparatus and sixth information indicating the amount of rotation of the laser irradiation apparatus with reference to a straight line connecting the irradiation port and the irradiation surface. And an input information calculating means for calculating.

この構成によれば、所定の照射面へのレーザビームの照射点がn角形(nは4以上の整数)の頂点に位置するようにn本のレーザビームが照射され、3次元空間である世界座標空間内の所定の位置に配設された撮像装置により各レーザビームの照射面への照射点を含む照射点画像が撮影され、照射点画像に含まれる各照射点の照射点画像空間内における位置が算出され、各照射点の世界座標空間における位置が、世界座標空間と照射点画像空間との位置関係から予め定められた平面投射行列を用いて算出され、各照射点の世界座標空間内の位置に基づいて、世界座標空間内におけるレーザ照射装置の位置を示す第1〜第3の情報と、レーザ照射装置の姿勢を示す第4及び第5の情報と、照射口及び前記照射面を結ぶ直線を中心としたときのレーザ照射装置の回転量を示す第6の情報とからなる入力情報が算出される。   According to this configuration, n laser beams are irradiated such that a laser beam irradiation point on a predetermined irradiation surface is positioned at the apex of an n-gon (n is an integer of 4 or more), and the world is a three-dimensional space. An irradiation point image including an irradiation point on the irradiation surface of each laser beam is taken by an imaging device arranged at a predetermined position in the coordinate space, and each irradiation point included in the irradiation point image is within the irradiation point image space. The position is calculated, and the position of each irradiation point in the world coordinate space is calculated using a plane projection matrix determined in advance from the positional relationship between the world coordinate space and the irradiation point image space. First to third information indicating the position of the laser irradiation apparatus in the world coordinate space, fourth and fifth information indicating the attitude of the laser irradiation apparatus, the irradiation port, and the irradiation surface. When the center is the straight line Input information is calculated comprising a sixth information showing the amount of rotation of THE irradiation device.

これにより、ユーザは、レーザ照射装置を動かしたり回転させたりして、レーザ照射装置から出力されるレーザビームの照射点の照射面における位置を移動させるといった簡便な操作を行うだけで、第1〜第6の情報からなる入力情報を同時に入力することが可能となり、簡便な操作でありながら、同時に6つの情報を入力することができる。   As a result, the user simply moves the position of the irradiation point of the laser beam output from the laser irradiation apparatus by moving or rotating the laser irradiation apparatus, and simply performs the first operation. It becomes possible to input the input information consisting of the sixth information at the same time, and it is possible to input six pieces of information at the same time with a simple operation.

また、前記レーザ照射装置は、放射状に出力されたレーザビームの前記照射面への照射点によって形成されるn角形の中心に照射点が位置するように更に1本のレーザビームを前記照射面に向けて照射することが好ましい。   In addition, the laser irradiation apparatus may further emit one laser beam on the irradiation surface so that the irradiation point is located at the center of an n-gon formed by the irradiation point of the laser beam output radially on the irradiation surface. It is preferable to irradiate toward.

この場合、放射状に出力されたレーザビームの照射点によって形成されるn角形の中心に照射点が位置するように更に1本のレーザビームが照射されるため、ユーザはレーザ照射装置の照射口がどの方向に向いているのかを容易に認識することができる。   In this case, since one more laser beam is irradiated so that the irradiation point is located at the center of the n-gon formed by the irradiation point of the laser beam output in a radial manner, the user can open the irradiation port of the laser irradiation apparatus. It is easy to recognize which direction it is facing.

また、前記n角形は四角形であり、前記レーザ照射手段は、第1のレーザビームの照射点と第2のレーザビームの照射点とが前記四角形の一方の対角線上に位置し、第3のレーザビームの照射点と第4のレーザビームの照射点とが前記四角形の他方の対角線上に位置し、前記第5のレーザビームの照射点が前記四角形の中心に位置し、第5のレーザビームと第1〜第4のレーザビームのそれぞれとのなす角度が一定の値ψとなるように第1〜第5のレーザビームを照射し、前記第4の情報(=θ)は、前記世界座標空間の座標軸を互いに直交するX、Y、Z軸とし、前記照射面はZ=0平面に位置するものとし、前記照射口の前記世界座標空間内での位置を点Pとし、前記第1〜第5のレーザビームの前記世界座標空間内での照射点を各々点A,B,C,D,Oとし、点A及び点O間の長さをL0、点B及び点O間の長さをL1とした場合における、平面PABへのZ軸の射影と直線OPとの角度であり、式(A)で表され、前記第5の情報(=φ)は、点C及び点O間の長さをL0´、点D及び点O間の長さをL1´とした場合における、平面PCDへのZ軸の射影と、直線OPとのなす角度であり、式(B)で表されることが好ましい。   In addition, the n-gon is a quadrangle, and the laser irradiation unit is configured such that the irradiation point of the first laser beam and the irradiation point of the second laser beam are located on one diagonal line of the rectangle, and the third laser An irradiation point of the beam and an irradiation point of the fourth laser beam are located on the other diagonal line of the quadrangle, an irradiation point of the fifth laser beam is located at the center of the quadrangle, The first to fifth laser beams are irradiated so that the angle between each of the first to fourth laser beams is a constant value ψ, and the fourth information (= θ) is stored in the world coordinate space. The X, Y and Z axes are orthogonal to each other, the irradiation surface is located on the Z = 0 plane, the position of the irradiation port in the world coordinate space is a point P, and the first to first Each of the irradiation points in the world coordinate space of 5 laser beams is point A , B, C, D, and O, the length between the point A and the point O is L0, and the length between the point B and the point O is L1. The fifth information (= φ) is expressed by the equation (A), and the length between the point C and the point O is L0 ′, and the length between the point D and the point O is L1 ′. In this case, the angle formed by the projection of the Z axis onto the plane PCD and the straight line OP is preferably represented by the formula (B).

θ=arctan((L0−L1)/((tanψ)・(L0+L1)))・(L0/L1))・・・(A)
φ=arctan((L0´−L1´)/((tanψ)・(L0´+L1´)))・(L0´/L1´))・・・(B)
この場合、式(A)及び(B)に示す演算を行って第4及び第5の情報が算出されているため、レーザ照射装置の姿勢を精度良く算出することができる。
θ = arctan ((L0−L1) / ((tanφ) · (L0 + L1))) · (L0 / L1)) (A)
φ = arctan ((L0′−L1 ′) / ((tanψ) · (L0 ′ + L1 ′))) · (L0 ′ / L1 ′)) (B)
In this case, since the fourth and fifth information are calculated by performing the calculations shown in the equations (A) and (B), the attitude of the laser irradiation apparatus can be calculated with high accuracy.

また、前記第1及び第2の情報(=X,Y)は、点O及び点P間の長さをlとし、点PのZ=0平面への垂線の足を点Rとし、点A及び点Bを通る直線ABと、点Rを通り直線ABに直交する直線との交点を点Sとし、点C及び点Dを通る直線CDと、点Rを通り直線CDに直交する直線との交点を点Tとすると、式(C)〜(F)で表され、前記第3の情報(=Z)は、式(G)で表されることが好ましい。   Further, the first and second information (= X, Y) has a length between the point O and the point P as l, a perpendicular to the Z = 0 plane of the point P as a point R, and a point A And an intersection of a straight line AB passing through the point B and a straight line passing through the point R and perpendicular to the straight line AB is a point S, and a straight line CD passing through the point C and the point D and a straight line passing through the point R and perpendicular to the straight line CD When the intersection is a point T, it is preferably expressed by the formulas (C) to (F), and the third information (= Z) is preferably expressed by the formula (G).

Figure 2008204196
Figure 2008204196

但し、rは点RのX成分を示し、rは点RのY成分を示し、eは直線ABの単位ベクトルを示し、e1xはeのX成分を示し、e1yはeのY成分を示し、eは直線CDの単位ベクトルを示し、e2xはeのX成分を示し、e2yはeのY成分を示し、ベクトルsは、点Sの位置ベクトルを示し、ベクトルtは点Tの位置ベクトルを示し、ベクトルOは点Oの位置ベクトルを示し、O,O,Oは点OのX,Y,Z成分を示す。 However, r x represents the X component of the point R, r y represent the Y component of point R, e 1 denotes the unit vector of the straight line AB, e 1x represents the X component of e 1, e 1y is e shows one of the Y component, e 2 represents the unit vector of the straight line CD, e 2x represents the X component of e 2, e 2y represents the Y component of e 2, the position vector of the vector s is the point S The vector t indicates the position vector of the point T, the vector O indicates the position vector of the point O, and O x , O y , and O z indicate the X, Y, and Z components of the point O.

この場合、第1〜第3の情報が式(C)〜(G)を用いて算出されているため、レーザ照射装置の世界座標空間における位置を精度良く算出することができる。   In this case, since the first to third information is calculated using the equations (C) to (G), the position of the laser irradiation apparatus in the world coordinate space can be calculated with high accuracy.

また、前記入力情報算出手段は、点P及び点Oを結ぶ直線POに直交する平面において、X軸の射影と、点A及び点Bを結ぶ第1の対角線の射影、又は点C及び点Dを結ぶ第2の対角線の射影との角度を求める処理を、前記撮影手段により連続して撮影された各照射点画像において実行し、求めた角度の照射点画像間における差分をとることで前記第6の情報を算出することが好ましい。   In addition, the input information calculation means may perform projection of the X axis and projection of the first diagonal line connecting the points A and B, or the points C and D on a plane orthogonal to the straight line PO connecting the points P and O. A process for obtaining an angle with the projection of the second diagonal line connecting the two is performed on each irradiation point image continuously photographed by the photographing means, and the difference between the irradiation point images at the obtained angle is obtained. It is preferable to calculate 6 information.

この場合、照射口と照射面とを結ぶ直線に対するレーザ照射装置の回転角度を示す第6の情報を精度良く算出することができる。   In this case, the sixth information indicating the rotation angle of the laser irradiation apparatus with respect to the straight line connecting the irradiation port and the irradiation surface can be calculated with high accuracy.

また、前記レーザ照射装置は、光源と、頂部が前記光源側を向き、各側面がミラーとされ、底面が前記光源から出力されたレーザビームの光軸と直交するように配設され、かつ前記レーザビームの一部を前記照射口に導くための孔が頂部に形成された正n角錐形状を有するn角錐ミラーと、前記光源と前記n角錐ミラーとの間に配設され、中心部に前記光源から出力されたレーザビームを通過させるための孔が形成され、前記n角錐ミラーの各側面で反射されたn本のレーザビームを反射して前記照射口に導く平板ミラーとを備えることが好ましい。   Further, the laser irradiation device is disposed such that the light source, the top portion faces the light source side, each side surface is a mirror, and the bottom surface is orthogonal to the optical axis of the laser beam output from the light source, and An n-pyramidal mirror having a regular n-pyramidal shape in which a hole for guiding a part of a laser beam to the irradiation port is formed at the top, and the light source and the n-pyramidal mirror, It is preferable that a hole for allowing a laser beam output from a light source to pass therethrough is formed, and a flat plate mirror that reflects n laser beams reflected from each side surface of the n-pyramidal mirror and guides the laser beam to the irradiation port. .

この場合、光源から出力されたレーザビームは、平板ミラーの中心部に設けられた孔を通過した後、n角錐ミラーの頂部に到達し、到達したレーザビームの一部は頂部に設けられた孔を通過して照射口に導かれる一方、到達したレーザビームの残りは正n角錐形状を有するn角錐ミラーの各側面で反射されてn本のレーザビームに分割されて平板ミラーへと導かれ、これらn本のレーザビームは平板ミラーにより更に反射されて照射口へと導かれるため、分割されたn本のレーザビームとn角錐ミラーの中心部を通過したレーザビームとのなす角度が一定の角度となるように、n本のレーザビームを照射面に向けて放射状に照射することができる。   In this case, the laser beam output from the light source passes through the hole provided in the center of the flat mirror and then reaches the top of the n-pyramidal mirror, and a part of the reached laser beam is provided in the hole provided at the top. And the remainder of the laser beam that has reached is reflected on each side of the n-pyramidal mirror having a regular n-pyramidal shape, divided into n laser beams, and led to a flat mirror, Since these n laser beams are further reflected by the flat mirror and guided to the irradiation port, the angle formed by the divided n laser beams and the laser beam that has passed through the center of the n-pyramidal mirror is a constant angle. N laser beams can be irradiated radially toward the irradiation surface.

また、前記レーザ照射装置は、レーザポインタと、前記レーザポインタの先端部において着脱自在に配設されたアタッチメント部とを備え、前記レーザポインタは、前記光源を含み、前記アタッチメント部は、前記n角錐ミラー及び前記平板ミラーを含むことが好ましい。   The laser irradiation apparatus includes a laser pointer and an attachment unit detachably disposed at a tip of the laser pointer, the laser pointer includes the light source, and the attachment unit includes the n-pyramid. It is preferable that a mirror and the flat mirror are included.

この場合、市販のレーザポインタにアタッチメント部を取り付けるという簡便な作業によりレーザ照射装置を得ることができる。   In this case, the laser irradiation apparatus can be obtained by a simple operation of attaching the attachment part to a commercially available laser pointer.

本発明によれば、簡便な操作でありながら、同時に6つの情報を入力することができる6自由度の情報入力システムを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a six-degree-of-freedom information input system capable of inputting six pieces of information at the same time while being a simple operation.

以下、本発明の実施の形態による情報入力システムについて説明する。図1は、本情報入力システムの全体構成図を示している。本情報入力システムは、レーザ照射装置100、演算装置200、及びカメラ300(撮像装置)を備えている。レーザ照射装置100は、所定の照射面SAへのレーザビームの照射点がn角形(nは4以上の整数)の頂点に位置するようにn本のレーザビームを照射口から放射状に出力する。本実施の形態では、レーザ照射装置100は、照射面SAへのレーザビームの照射点が四角形の頂点に位置するように放射状に4本のレーザビームを照射すると共に、前記四角形の4つの頂点を結ぶ2本の対角線の交点に照射点が位置するように1本のレーザビームを照射する。そして、ユーザは、レーザ照射装置100を移動させたり回転させたりすることで、照射面SA上で5本のレーザビームの照射点の位置を移動させ、後述する第1〜第6の情報を含む入力情報を入力する。   Hereinafter, an information input system according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 shows an overall configuration diagram of the information input system. The information input system includes a laser irradiation device 100, a calculation device 200, and a camera 300 (imaging device). The laser irradiation apparatus 100 outputs n laser beams radially from the irradiation port so that the irradiation point of the laser beam on the predetermined irradiation surface SA is positioned at the apex of the n-gon (n is an integer of 4 or more). In the present embodiment, the laser irradiation apparatus 100 irradiates four laser beams radially so that the irradiation point of the laser beam on the irradiation surface SA is positioned at the vertex of the quadrangle, and the four apexes of the quadrangle. One laser beam is irradiated so that the irradiation point is located at the intersection of two diagonal lines to be connected. Then, the user moves or rotates the laser irradiation apparatus 100 to move the positions of the irradiation points of the five laser beams on the irradiation surface SA, and includes first to sixth information described later. Enter the input information.

図2は、レーザ照射装置100の構成図であり、(a)は照射口近傍の断面図を示し、(b)は照射口近傍の透視斜視図を示している。図2に示すようにレーザ照射装置100は、レーザポインタ110と、レーザポインタ110の先端側に着脱可能に配設されたアタッチメント部120とを備えている。レーザポインタ110は、円筒状の筐体111の内部にレーザビームを照射する光源が配設された市販のレーザポインタから構成される。アタッチメント部120は、筐体121、四角錐ミラー122、及び平板ミラー123を備えている。筐体121は、上面と下面とが開放され、側面が筐体111の側面と連なるような円筒形状を有している。また、筐体121の上方には筐体111の側面の内壁に設けられた凹部112に嵌め込まれる凸部130が形成されている。   2A and 2B are configuration diagrams of the laser irradiation apparatus 100. FIG. 2A is a cross-sectional view of the vicinity of the irradiation port, and FIG. 2B is a perspective view of the vicinity of the irradiation port. As shown in FIG. 2, the laser irradiation apparatus 100 includes a laser pointer 110 and an attachment unit 120 that is detachably disposed on the distal end side of the laser pointer 110. The laser pointer 110 is composed of a commercially available laser pointer in which a light source for irradiating a laser beam is disposed inside a cylindrical casing 111. The attachment unit 120 includes a housing 121, a quadrangular pyramid mirror 122, and a flat plate mirror 123. The housing 121 has a cylindrical shape in which an upper surface and a lower surface are opened and a side surface is continuous with a side surface of the housing 111. Further, a convex portion 130 that is fitted into a concave portion 112 provided on the inner wall of the side surface of the casing 111 is formed above the casing 121.

四角錐ミラー122は、4本の留具128によって筐体121に取り付けられ、正四角錐形状を有し、頂部125が光源側を向き、底面124が光源から出力されたレーザビームLB1の光軸と直交するように配設されている。   The quadrangular pyramid mirror 122 is attached to the casing 121 by four fasteners 128, has a regular quadrangular pyramid shape, the top portion 125 faces the light source side, and the bottom surface 124 is an optical axis of the laser beam LB1 output from the light source. They are arranged so as to be orthogonal.

四角錐ミラー122の頂部125には、レーザビームLB1の一部をレーザビームLB15として照射口127に導くための孔126が形成されている。また、四角錐ミラー122の4つの側面はミラーから構成され、レーザビームLB1を各側面で反射することでレーザビームLB1を4本のレーザビームLB11〜LB14に分割する。ここで、孔126の断面は円形であり、その半径はレーザビームLB1の断面の半径よりも小さい。   A hole 126 for guiding a part of the laser beam LB1 to the irradiation port 127 as a laser beam LB15 is formed in the top portion 125 of the quadrangular pyramid mirror 122. Further, the four side surfaces of the quadrangular pyramid mirror 122 are constituted by mirrors, and the laser beam LB1 is divided into four laser beams LB11 to LB14 by reflecting the laser beam LB1 on each side surface. Here, the cross section of the hole 126 is circular, and its radius is smaller than the radius of the cross section of the laser beam LB1.

平板ミラー123は、中心部にレーザビームLB1を通過させるための孔129が形成された平板ドーナツ形状を有し、アタッチメント部120の上側において、レーザビームLB1の光軸と直交するように配設され、4本のレーザビームLB11〜LB14を反射して照射口127に導く。   The flat mirror 123 has a flat donut shape in which a hole 129 for allowing the laser beam LB1 to pass is formed in the center, and is disposed on the upper side of the attachment unit 120 so as to be orthogonal to the optical axis of the laser beam LB1. The four laser beams LB11 to LB14 are reflected and guided to the irradiation port 127.

図3は、本情報入力システムの演算装置200及びカメラ300の関係を示したブロック図である。演算装置200は、1.5GHzのペンティアム(登録商標)CPUを備え、Linux(Fedora Core)がOSとして実装され、IEEE1394インターフェイスを備える市販のパーソナルコンピュータから構成されている。   FIG. 3 is a block diagram showing the relationship between the arithmetic device 200 and the camera 300 of the information input system. The arithmetic device 200 includes a 1.5 GHz Pentium (registered trademark) CPU, a Linux (Fedora Core) as an OS, and a commercially available personal computer including an IEEE1394 interface.

カメラ300は、IEEE1394インターフェイスを備えるカメラから構成され、演算装置200とIEEE1394に準拠したケーブルを介して接続されている。また、カメラ300は、3次元実空間である世界座標空間内の所定の位置に配設され、レーザ照射装置100により照射されたレーザビームLB11〜LB15の照射面SAへの5個の照射点を含む照射点画像を撮影する。ここで、レーザ照射装置100は、所定のフレームレートで矩形状の照射点画像を撮影し、撮影した照射点画像をケーブルを介して演算装置200へ出力する。世界座標空間は、3次元実空間上の所定の位置を原点とし、互いに直交するX、Y、Zの3本の座標軸によって表される3次元空間である。また、照射点画像において、5個の照射点は輝度の高い領域となって表れる。   The camera 300 is composed of a camera having an IEEE 1394 interface, and is connected to the arithmetic device 200 via a cable compliant with IEEE 1394. The camera 300 is arranged at a predetermined position in the world coordinate space that is a three-dimensional real space, and has five irradiation points on the irradiation surface SA of the laser beams LB11 to LB15 irradiated by the laser irradiation apparatus 100. Take the irradiation point image that contains it. Here, the laser irradiation device 100 captures a rectangular irradiation point image at a predetermined frame rate, and outputs the captured irradiation point image to the arithmetic device 200 via a cable. The world coordinate space is a three-dimensional space represented by three coordinate axes of X, Y, and Z orthogonal to each other with a predetermined position in the three-dimensional real space as an origin. Further, in the irradiation point image, the five irradiation points appear as high luminance areas.

演算装置200は、入力処理部210、レンダリング部221、3次元モデル記憶部222、及び表示装置223を備えている。入力処理部210は、カメラ300により撮影された照射点画像から後述する入力情報を算出するものであり、位置算出部211(位置算出手段)、変換部212(変換手段)、及び入力情報算出部213(入力情報算出手段)を備えている。   The arithmetic device 200 includes an input processing unit 210, a rendering unit 221, a three-dimensional model storage unit 222, and a display device 223. The input processing unit 210 calculates input information to be described later from an irradiation point image photographed by the camera 300, and includes a position calculation unit 211 (position calculation unit), a conversion unit 212 (conversion unit), and an input information calculation unit. 213 (input information calculation means).

位置算出部211は、カメラ300により撮影された各照射点画像に含まれる各照射点の照射点画像空間内における位置を算出する。具体的には、位置算出部211は、照射点画像から輝度の高い領域を抽出し、膨張・収縮処理を実行してノイズを削減し、ラベリング処理を実行して大きな領域から順番に5つの領域を抽出し、抽出した5つの領域の例えば重心の座標を各照射点の位置として算出する。ここで、照射点画像空間は、矩形状の照射点画像の所定の位置、例えば左上の頂点を原点として、直交するx、yの2本の座標軸によって表される2次元空間である。   The position calculation unit 211 calculates the position of each irradiation point included in each irradiation point image photographed by the camera 300 in the irradiation point image space. Specifically, the position calculation unit 211 extracts a region with high luminance from the irradiation point image, performs expansion / contraction processing to reduce noise, performs labeling processing, and performs five regions in order from a large region. And the coordinates of, for example, the center of gravity of the extracted five regions are calculated as the positions of the respective irradiation points. Here, the irradiation point image space is a two-dimensional space represented by two orthogonal x and y coordinate axes with a predetermined position of the rectangular irradiation point image, for example, the upper left vertex as the origin.

変換部212は、位置算出部211により照射点画像空間内における位置が算出された各照射点を、世界座標空間と照射点画像空間との位置関係から予め定められた平面投射行列を用いて世界座標空間に変換する。   The conversion unit 212 uses the planar projection matrix determined in advance from the positional relationship between the world coordinate space and the irradiation point image space for each irradiation point whose position in the irradiation point image space is calculated by the position calculation unit 211. Convert to coordinate space.

変換部212は、以下のようにして平面投射行列を求める。世界座標空間における平面(便宜上、Z=0とする)の点をp=(p,p)、pをカメラ300で撮影した画像上の点をq=(q,q)とすると、それぞれの関係は、3×3の平面射影行列H={hij}(i,j=0,1,2)を用いて式(1)によって表される。なお、式(1)においてωはカメラ300の焦点距離に関するパラメータである。 The conversion unit 212 obtains a planar projection matrix as follows. Let p = (p x , p y ) be a point on the plane in the world coordinate space (for convenience, Z = 0), and q = (q x , q y ) be a point on the image taken by the camera 300. , Each relationship is expressed by equation (1) using a 3 × 3 planar projection matrix H = {h ij } (i, j = 0, 1, 2). In Equation (1), ω is a parameter related to the focal length of the camera 300.

Figure 2008204196
Figure 2008204196

一方、pは透視投影変換後の点であるから、式(1)を用いて式(2)、(3)によって表される。   On the other hand, since p is a point after perspective projection conversion, it is expressed by equations (2) and (3) using equation (1).

Figure 2008204196
Figure 2008204196

ここで、h22は倍率に影響を与えるだけでありh22=1と置いて良い。この条件のもとで、直線状に並ばないようなp及びq(i=0,1,2,3)の4点の組を用意すれば、式(4)に示すh00からh21までの8変数に関する一次方程式を解くことができ、平面投射行列Hを定めることができる。 Here, h 22 only affects the magnification and may be set as h 22 = 1. Under these conditions, if a set of four points p i and q i (i = 0, 1, 2, 3) that do not line up in a straight line is prepared, h 00 to h shown in Expression (4) It is possible to solve a linear equation for 8 variables up to 21 and to determine a planar projection matrix H.

Figure 2008204196
Figure 2008204196

実際には、カメラ300の撮影する矩形状の範囲を計測し、4つの頂点の世界座標空間内における位置と、カメラ300が撮影した画像中の4隅の点の照射点画像空間内における位置とから平面投射行列Hを定めることが好ましい。   Actually, the rectangular range captured by the camera 300 is measured, and the positions of the four vertices in the world coordinate space and the positions of the four corner points in the image captured by the camera 300 in the irradiation point image space It is preferable to determine the plane projection matrix H from

そして、変換部212はこのようにして求めておいた平面投射行列Hを記憶装置に記憶させておき、実際の処理時には、記憶していた平面投射行列Hと式(2)と式(3)とを用いて世界座標空間内における各照射点の位置を算出する。   Then, the conversion unit 212 stores the planar projection matrix H obtained in this way in the storage device, and at the time of actual processing, the stored planar projection matrix H, Formula (2), and Formula (3). Are used to calculate the position of each irradiation point in the world coordinate space.

入力情報算出部213は、変換部212により算出された各照射点の位置に基づいて、世界座標空間内におけるレーザ照射装置100の位置を示す第1〜第3の情報と、レーザ照射装置100の姿勢を示す第4及び第5の情報と、照射口127及び照射面SAを結ぶ直線を基準としたときのレーザ照射装置100の回転量を示す第6の情報とからなる入力情報を算出する。なお、本実施の形態では、照射口127の世界座標空間内の位置をレーザ照射装置100の位置をとする。   Based on the position of each irradiation point calculated by the conversion unit 212, the input information calculation unit 213 includes first to third information indicating the position of the laser irradiation device 100 in the world coordinate space, and the laser irradiation device 100. Input information including fourth and fifth information indicating the posture and sixth information indicating the amount of rotation of the laser irradiation apparatus 100 with reference to a straight line connecting the irradiation port 127 and the irradiation surface SA is calculated. In the present embodiment, the position of the irradiation port 127 in the world coordinate space is the position of the laser irradiation apparatus 100.

ここで、入力情報算出部213は、以下のようにして第1〜第3の情報(=X,Y,Z)及び第4,第5の情報(=θ、φ)を算出する。図4及び図5は、入力情報算出部213の処理の説明図である。   Here, the input information calculation unit 213 calculates the first to third information (= X, Y, Z) and the fourth and fifth information (= θ, φ) as follows. 4 and 5 are explanatory diagrams of processing of the input information calculation unit 213. FIG.

図4及び図5において点A〜DはレーザビームLB11〜LB14の照射点の世界座標空間内での位置を示し、点OはレーザビームLB15の照射点の世界座標空間内での位置を示し、点Pは照射口127の世界座標空間内での位置を示している。また、lは点O及び点P間の長さを示し、点Rは、点PのZ=0平面への垂線の足を示し、点Sは点A及び点Bを通る直線ABと、点Rを通り直線ABに直交する直線との交点を示し、点Tは、点C及び点Dを通る直線CDと、点Rを通り直線CDに直交する直線との交点を示す。また、図5に示すL1は点B及び点O間の長さを示し、L0は点A及び点O間の長さを示している。また、θは、平面PABへのZ軸の射影と、直線OPとの角度を示し、φ(図略)は、平面PCDへのZ軸の射影と、直線OPとのなす角度を示す。また、図4に示すL1´は点D及び点O間の長さを示し、L0´は点C及び点O間の長さを示している。なお、本実施の形態では、照射面SAはZ=0平面上に設定しているため、点A〜D、点Oの各点は、Z=0平面上に位置している。   4 and 5, points A to D indicate positions of the irradiation points of the laser beams LB11 to LB14 in the world coordinate space, points O indicate positions of the irradiation points of the laser beam LB15 in the world coordinate space, A point P indicates the position of the irradiation port 127 in the world coordinate space. 1 indicates the length between the point O and the point P, the point R indicates a leg of the perpendicular to the Z = 0 plane of the point P, the point S indicates a straight line AB passing through the points A and B, and a point An intersection point with a straight line passing through the point R and perpendicular to the straight line AB is shown, and a point T shows an intersection point between the straight line CD passing through the points C and D and a straight line passing through the point R and perpendicular to the straight line CD. 5 indicates the length between the point B and the point O, and L0 indicates the length between the point A and the point O. Θ represents the angle between the projection of the Z axis on the plane PAB and the straight line OP, and φ (not shown) represents the angle formed between the projection of the Z axis on the plane PCD and the straight line OP. 4 indicates the length between the point D and the point O, and L0 ′ indicates the length between the point C and the point O. In this embodiment, since the irradiation surface SA is set on the Z = 0 plane, the points A to D and the point O are located on the Z = 0 plane.

また、レーザビームLB1の照射点とレーザビームLB2の照射点とは照射点を頂点とする四角形の一方の対角線上に位置し、レーザビームLB3の照射点とレーザビームLB4の照射点とは前記四角形の他方の対角線上に位置し、レーザビームLB5の照射点が前記四角形の中心に位置し、レーザビームLB5とレーザビームLB1〜LB4のそれぞれとのなす角度は一定でありψとする。   Further, the irradiation point of the laser beam LB1 and the irradiation point of the laser beam LB2 are located on one diagonal line of a quadrangle with the irradiation point as a vertex, and the irradiation point of the laser beam LB3 and the irradiation point of the laser beam LB4 The irradiation point of the laser beam LB5 is located at the center of the square, and the angle formed between the laser beam LB5 and each of the laser beams LB1 to LB4 is constant and is ψ.

まず、入力情報算出部213は、図4に示すように点Oを中心として対角に挟むように点A〜Dを点A,Bの組と点C,Dの組とに分類する。この分類は、照射面SA上のX軸に平行でかつ点Oを通るベクトルと、点Oから点A〜Dの各点に向かうベクトルとのなす4つの角度を計算し、得られた4つの角度の大きさに基づいて点A〜Dの各点を点A,Bの組と点C,Dの組とに分類する。   First, the input information calculation unit 213 classifies the points A to D into a set of points A and B and a set of points C and D so as to be sandwiched diagonally around the point O as shown in FIG. In this classification, four angles obtained by calculating four angles formed by a vector parallel to the X axis on the irradiation surface SA and passing through the point O and a vector from the point O toward each of the points A to D are obtained. Based on the magnitude of the angle, the points A to D are classified into a set of points A and B and a set of points C and D.

そして、入力情報算出部213は、式(A)を用いて第4の情報(=θ)を算出すると共に、式(B)を用いて第5の情報(=φ)を算出する。   Then, the input information calculation unit 213 calculates the fourth information (= θ) using the equation (A) and calculates the fifth information (= φ) using the equation (B).

θ=arctan(((L0−L1)/((tanψ)・(L0+L1)))・(L0/L1))・・・(A)
φ=arctan(((L0´−L1´)/((tanψ)・(L0´+L1´)))・(L0´/L1´))・・・(B)
また、入力情報算出部213は、式(C)〜(F)を用いて第1及び第2の情報(=X,Y)を算出し、式(G)を用いて第3の情報(=Z)を算出する。
θ = arctan (((L0−L1) / ((tanφ) · (L0 + L1))) · (L0 / L1)) (A)
φ = arctan (((L0′−L1 ′) / ((tan ψ) · (L0 ′ + L1 ′))) · (L0 ′ / L1 ′)) (B)
The input information calculation unit 213 calculates the first and second information (= X, Y) using the equations (C) to (F), and uses the equation (G) to calculate the third information (= Z) is calculated.

Figure 2008204196
Figure 2008204196

但し、rは点RのX成分を示し、rは点RのY成分を示し、eは直線ABの単位ベクトルを示し、e1xはeのX成分を示し、e1yはeのY成分を示し、eは直線CDの単位ベクトルを示し、e2xはeのX成分を示し、e2yはeのY成分を示し、ベクトルsは、点Sの位置ベクトルを示し、ベクトルtは点Tの位置ベクトルを示し、ベクトルOは点Oの位置ベクトルを示し、O,O,OはOのX,Y,Z成分を示す。 However, r x represents the X component of the point R, r y represent the Y component of point R, e 1 denotes the unit vector of the straight line AB, e 1x represents the X component of e 1, e 1y is e shows one of the Y component, e 2 represents the unit vector of the straight line CD, e 2x represents the X component of e 2, e 2y represents the Y component of e 2, the position vector of the vector s is the point S The vector t represents the position vector of the point T, the vector O represents the position vector of the point O, and O x , O y , and O z represent the X, Y, and Z components of O.

次に、式(A)〜(G)について図4及び図5を用いて説明する。図5に示すように直角三角形PAA´及び直角三角形PBB´から、次の2式を得る。   Next, expressions (A) to (G) will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 5, the following two equations are obtained from the right triangle PAA ′ and the right triangle PBB ′.

tanψ=L0cosθ/(l+L0sinθ)・・・(5)
tanψ=L1cosθ/(l−L1sinθ)・・・(6)
両式からtanψ/cosθを消去すると、式(7)が得られる。
tan ψ = L0 cos θ / (l + L0 sin θ) (5)
tan ψ = L1 cos θ / (1-L1 sin θ) (6)
When tan ψ / cos θ is eliminated from both equations, equation (7) is obtained.

(l+L0sinθ)/L0=(l−L1sinθ)/L1・・・(7)
さらに、式(7)をsinθについて解くと式(8)が得られる。
(L + L0sin θ) / L0 = (1-L1 sin θ) / L1 (7)
Further, when equation (7) is solved for sin θ, equation (8) is obtained.

sinθ=l(L0−L1)/2L0・L1・・・(8)
一方、式(5)から式(9)(=式(F))が得られるため、式(8)及び式(9)からlを消去してまとめると式(10)が得られる。
sin θ = 1 (L0−L1) / 2L0 · L1 (8)
On the other hand, since Expression (9) (= Expression (F)) is obtained from Expression (5), Expression (10) is obtained by eliminating l from Expression (8) and Expression (9).

l=L0cosθ/tanψ−L0sinθ・・・(9)
(1/tanψ)(L0−L1)L0cosθ=(L0+L1)L1sinθ・・・(10)
式(10)をθに関して整理すると式(11)が得られる。
l = L0 cos θ / tan ψ−L0 sin θ (9)
(1 / tan ψ) (L0−L1) L0 cos θ = (L0 + L1) L1 sin θ (10)
When formula (10) is rearranged with respect to θ, formula (11) is obtained.

tanθ=((L0−L1)/(tanψ・(L0+L1)))・(L0/L1)・・・(11)
そして、式(11)をθについて解くと式(A)が得られる。ここで、L0,L1,ψは既知であるため、θを算出することができる。また、式(9)からlを求めることができる。lが求まれば線分OSの長さはlsinθとして定まるので、点Sの位置ベクトルは式(D)で表される。同様の計算で点Tの位置ベクトルも決めることができ、点Tの位置ベクトルは、式(E)で表される。
tan θ = ((L0−L1) / (tan ψ · (L0 + L1))) · (L0 / L1) (11)
Then, when equation (11) is solved for θ, equation (A) is obtained. Here, since L0, L1, and ψ are known, θ can be calculated. Moreover, l can be calculated | required from Formula (9). If l is obtained, the length of the line segment OS is determined as l sin θ, and the position vector of the point S is expressed by the equation (D). The position vector of the point T can also be determined by the same calculation, and the position vector of the point T is expressed by Expression (E).

また、直線RSと直線ABとは直交し、直線RTと直線CDとは直交するため、式(12)、式(13)が成り立つ。   Further, since the straight line RS and the straight line AB are orthogonal to each other, and the straight line RT and the straight line CD are orthogonal to each other, the expressions (12) and (13) are established.

Figure 2008204196
Figure 2008204196

但し、ベクトルrは点Rの位置ベクトルを示し、ベクトルsは点Sの位置ベクトルを示す。   Here, the vector r indicates the position vector of the point R, and the vector s indicates the position vector of the point S.

従って、点PのX座標、Y座標の値r,rは式(C)で表される。 Therefore, X coordinate of the point P, the Y-coordinate values r x, r y is represented by formula (C).

また、点Rは点Pの照射面SAへの垂線の足であるため、PR、すなわち、点PのZ座標の値は、PR=√(OP−OR)と表され、式(G)が得られる。 Further, since the point R is a leg of the perpendicular to the irradiation surface SA of the point P, PR, that is, the value of the Z coordinate of the point P is expressed as PR = √ (OP 2 −OR 2 ), and the equation (G ) Is obtained.

図3に示す入力情報算出部213は、点P及び点Oを結ぶ直線POに直交する平面において、X軸の射影と、点A及び点Bを結ぶ第1の対角線の射影、又は点C及び点Dを結ぶ第2の対角線の射影との角度を求める処理を、カメラ300により連続して撮影された各照射点画像において実行し、求めた角度の照射点画像間における差分をとることで第6の情報を算出する。   The input information calculation unit 213 shown in FIG. 3 projects the X-axis projection and the first diagonal line connecting the point A and the point B on the plane orthogonal to the straight line PO connecting the point P and the point O, or the points C and A process for obtaining an angle with the projection of the second diagonal line connecting the points D is performed on each irradiation point image continuously photographed by the camera 300, and the difference between the irradiation point images at the obtained angle is obtained. 6 information is calculated.

レンダリング部221は、入力情報算出部213により算出された入力情報から仮想3次元空間における視点及び視線を設定し、設定した視点及び視線に従って、3次元モデル記憶部222に記憶された仮想3次元モデルをレンダリングし、表示装置223に表示する。   The rendering unit 221 sets the viewpoint and line of sight in the virtual three-dimensional space from the input information calculated by the input information calculation unit 213, and the virtual three-dimensional model stored in the three-dimensional model storage unit 222 according to the set viewpoint and line of sight Are rendered and displayed on the display device 223.

ここで、レンダリング部221は、入力情報算出部213により算出された第1〜第3の情報に従って、予め定められた仮想3次元空間内の位置に視点を設定し、第4及び第5の情報に従って、仮想3次元空間の視線を設定し、第6の情報に示す回転角度に従って、レンダリングした仮想3次元モデルを、視線を中心に回転させる。   Here, the rendering unit 221 sets the viewpoint at a predetermined position in the virtual three-dimensional space according to the first to third information calculated by the input information calculation unit 213, and the fourth and fifth information Accordingly, the line of sight in the virtual three-dimensional space is set, and the rendered virtual three-dimensional model is rotated around the line of sight according to the rotation angle indicated in the sixth information.

3次元モデル記憶部222は、ハードディスク等から構成され、仮想3次元モデルを作成するためのモデリングソフトウエアを用いて予め作成された仮想3次元モデルを記憶する。表示装置223は、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、又はCRT等の表示装置から構成される。   The 3D model storage unit 222 includes a hard disk or the like, and stores a virtual 3D model created in advance using modeling software for creating a virtual 3D model. The display device 223 includes a display device such as a liquid crystal display, a plasma display, or a CRT.

次に、本情報入力システムの動作について説明する。図6は、本情報入力システムの動作を示すフローチャートである。まず、ステップS1において、カメラ300は、レーザ照射装置100により照射されたレーザビームL11〜L15の照射面SAへの5個の照射点を含む照射点画像を撮影する。   Next, the operation of this information input system will be described. FIG. 6 is a flowchart showing the operation of the information input system. First, in step S1, the camera 300 captures an irradiation point image including five irradiation points on the irradiation surface SA of the laser beams L11 to L15 irradiated by the laser irradiation apparatus 100.

次に、ステップS2において、入力処理部210は、ステップS1で撮影された照射点画像から第1〜第5の情報を算出する処理を実行する。図7は、第1〜第5の情報を算出する処理の詳細を示すフローチャートである。まず、ステップS11において、位置算出部211は、ステップS1で得られた照射点画像に含まれる5個の照射点(点A〜D,点O)の照射点画像空間内における位置を算出する。   Next, in step S2, the input processing unit 210 executes a process of calculating first to fifth information from the irradiation point image photographed in step S1. FIG. 7 is a flowchart showing details of processing for calculating the first to fifth information. First, in step S11, the position calculation unit 211 calculates the positions in the irradiation point image space of the five irradiation points (points A to D, point O) included in the irradiation point image obtained in step S1.

次に、ステップS12において、変換部212は、ステップS11で照射点画像空間内における位置が算出された各照射点(点A〜D,点O)を、平面投射行列Hを用いて世界座標空間に変換し、点A〜D,点Oの世界座標空間内における位置を算出する。   Next, in step S12, the conversion unit 212 uses the planar projection matrix H to represent each irradiation point (point A to D, point O) whose position in the irradiation point image space is calculated in step S11. And the positions of the points A to D and the point O in the world coordinate space are calculated.

次に、ステップS13において、入力情報算出部213は、ステップS12で算出された点A〜D,点Oの世界座標空間内における位置から、式(A)を用いて第4の情報(=θ)を算出すると共に、式(B)を用いて第5の情報(=φ)を算出する。   Next, in step S13, the input information calculation unit 213 uses the expression (A) to calculate fourth information (= θ from the positions of the points A to D and the point O calculated in step S12 in the world coordinate space. ) And fifth information (= φ) is calculated using the formula (B).

次に、ステップS14において、入力情報算出部213は、ステップS13で算出された第4及び第5の情報から、式(C)〜(F)を用いて第1及び第2の情報(=X,Y)を算出すると共に、式(G)を用いて第3の情報(=Z)を算出する。   Next, in step S14, the input information calculation unit 213 uses the expressions (C) to (F) to calculate the first and second information (= X) from the fourth and fifth information calculated in step S13. , Y) and the third information (= Z) is calculated using the equation (G).

図6に戻り、ステップS3において、レンダリング部221は、ステップS2で算出された第1〜第3の情報に応じて予め定められた仮想3次元空間内の位置に視点を設定すると共に、第4及び第5の情報に従って仮想3次元空間内に視線を設定し、3次元モデルをレンダリングし、表示装置223に表示する。図10は、表示装置223に表示された3次元モデルのレンダリング結果を示した画面図である。図10に示すように、本実施の形態では、3次元モデルとして牛が採用されている。また、図10において左側のフレーム内に示された画像は、カメラ300により撮影された照射点画像を示している。図10に示すように、照射点画像には、中央部に位置する1つの点と、その1つの点を取り囲むように4個の点が含まれていることが分かる。   Returning to FIG. 6, in step S <b> 3, the rendering unit 221 sets the viewpoint at a position in the virtual three-dimensional space that is predetermined according to the first to third information calculated in step S <b> 2, and the fourth The line of sight is set in the virtual three-dimensional space according to the fifth information, and the three-dimensional model is rendered and displayed on the display device 223. FIG. 10 is a screen diagram illustrating a rendering result of the three-dimensional model displayed on the display device 223. As shown in FIG. 10, in this embodiment, a cow is adopted as a three-dimensional model. Further, the image shown in the left frame in FIG. 10 shows an irradiation point image photographed by the camera 300. As shown in FIG. 10, it can be seen that the irradiation point image includes one point located at the center and four points so as to surround the one point.

ステップS4において、カメラ300は次の照射点画像を撮影する。ステップS5において、入力処理部210は、ステップS4で撮影された照射点画像に対して、第1〜第6の情報を算出する処理を実行する。図8は、第1〜第6の情報を算出する処理の詳細を示すフローチャートである。ステップS21〜S24の処理は、図7に示すステップS11〜S14の処理と同一であるため、説明を省略する。   In step S4, the camera 300 captures the next irradiation point image. In step S5, the input processing unit 210 executes a process of calculating first to sixth information on the irradiation point image photographed in step S4. FIG. 8 is a flowchart showing details of processing for calculating the first to sixth information. Since the process of step S21-S24 is the same as the process of step S11-S14 shown in FIG. 7, description is abbreviate | omitted.

ステップS25において、入力情報算出部213は、前回撮影された照射点画像において求めた、点P及び点Oを結ぶ直線POに直交する平面における、X軸の射影と、点A及び点Bを結ぶ第1の対角線の射影、又は点C及び点Dを結ぶ第2の対角線の射影との角度と、今回撮影された照射点画像において求めた同角度との差分を求め、第6の情報を算出する。   In step S25, the input information calculation unit 213 connects the projection of the X axis, the point A, and the point B in the plane orthogonal to the straight line PO connecting the point P and the point O obtained in the previously captured irradiation point image. The difference between the angle of the projection of the first diagonal line or the projection of the second diagonal line connecting point C and point D and the same angle obtained in the irradiation point image taken this time is obtained, and the sixth information is calculated. To do.

図9は、第6の情報の算出処理の説明図である。図9に示す、点A´〜D´、点O´は、前回撮影された照射点画像から得られる直線POに直交する平面SBにおける点A〜D、点Oの射影を示し、X´は平面SBにおけるX軸の射影を示している。入力情報算出部213は、X´と、点A´B´を結ぶ直線LA´B´(第1の対角線の平面SBへの射影)とのなす角度θ1を算出する。次に、入力情報算出部213は、同様にして、今回撮影された照射点画像に対するX´と、点A´B´を結ぶ直線LA´B´(第1の対角線の平面SBへの射影)とのなす角度θ2を算出する。そして、入力情報算出部213はθ2とθ1との差分を求め、第6の情報を算出する。   FIG. 9 is an explanatory diagram of the sixth information calculation process. The points A ′ to D ′ and the point O ′ shown in FIG. 9 represent the projections of the points A to D and the point O on the plane SB orthogonal to the straight line PO obtained from the previously captured irradiation point image, and X ′ The projection of the X axis in the plane SB is shown. The input information calculation unit 213 calculates an angle θ1 formed by X ′ and a straight line LA′B ′ (projection of the first diagonal line to the plane SB) connecting the points A′B ′. Next, the input information calculation unit 213 similarly performs a straight line LA′B ′ (projection of the first diagonal line onto the plane SB) connecting X ′ and the point A′B ′ with respect to the irradiation point image captured this time. Is calculated. Then, the input information calculation unit 213 calculates the difference between θ2 and θ1, and calculates sixth information.

ここで、入力情報算出部213は、角度θ1及びθ2を算出するにあたり、点C´D´を結ぶ直線LC´D´(第2の対角線の平面SBへの射影)とX´との角度を求めてもよい。また、平面SBにおけるY軸の射影であるY´と直線LA´B´との角度又はY´と直線LC´D´との角度をθ1及びθ2として採用してもよい。   Here, in calculating the angles θ1 and θ2, the input information calculation unit 213 calculates the angle between the straight line LC′D ′ (projection of the second diagonal line to the plane SB) connecting the point C′D ′ and X ′. You may ask for it. Further, the angle between Y ′ and the straight line LA′B ′ or the angle between Y ′ and the straight line LC′D ′, which is a projection of the Y axis in the plane SB, may be adopted as θ1 and θ2.

更に、入力情報算出部213は、前回撮影された照射点画像から得られる直線LA´B´とX´とのなす角度θ11と今回撮影された照射点画像から得られる直線LA´B´とX´とのなす角度θ12との第1の差分と、今回撮影された照射点画像から得られる直線LC´D´とX´とのなす角度θ21と今回撮影された照射点画像から得られる直線LC´D´とX´とのなす角度θ22との第2の差分とを求め、第1の差分と第2の差分の平均を第6の情報として採用してもよい。第1の差分と第2の差分とは基本的には同じ角度となるが、多少ばらつくこともあるため、このような処理を行うことで、第6の情報を精度良く算出することができる。   Further, the input information calculation unit 213 determines the angle θ11 formed by the straight line LA′B ′ and X ′ obtained from the previously captured irradiation point image and the straight lines LA′B ′ and X obtained from the currently captured irradiation point image. A straight line LC obtained from the first difference between the angle θ12 formed by ′ and the angle θ21 formed by the straight line LC′D ′ and X ′ obtained from the currently captured irradiation point image and the irradiated point image currently captured. The second difference between the angle θ22 formed by 'D' and X 'may be obtained, and the average of the first difference and the second difference may be employed as the sixth information. The first difference and the second difference are basically at the same angle, but may vary somewhat. Therefore, by performing such processing, the sixth information can be calculated with high accuracy.

図6に戻り、ステップS6において、レンダリング部221は、第1〜第5の情報に従って仮想3次元空間内に視点及び視線を設定し、立体モデルをレンダリングするとともに、第6の情報に示される回転角度に従って視線を中心としてレンダリングされた立体モデルを回転させる。   Returning to FIG. 6, in step S <b> 6, the rendering unit 221 sets the viewpoint and line of sight in the virtual three-dimensional space according to the first to fifth information, renders the stereo model, and rotates indicated by the sixth information. The rendered solid model is rotated around the line of sight according to the angle.

次に、ステップS7において、演算装置200の電源が切られたり、カメラ300の撮影が終了されたり、レンダリングソフトウエアが終了されたりされ、照射点画像の撮影が終了された場合(ステップS7でYES)、処理が終了され、照射点画像の撮影が終了されない場合(ステップS7でNO)処理がステップS2に戻され、ステップS2以降の処理が実行される。   Next, in step S7, when the arithmetic device 200 is turned off, the photographing of the camera 300 is finished, the rendering software is finished, and the photographing of the irradiation point image is finished (YES in step S7). ) When the process is completed and the shooting of the irradiation point image is not completed (NO in step S7), the process returns to step S2, and the processes after step S2 are executed.

以上説明したように、本情報入力システムによれば、ユーザは、レーザ照射装置100を動かしたり回転させたりして、レーザ照射装置100から出力されるレーザビームの照射点の照射面における位置を移動させるといった簡便な操作を行うだけで、第1〜第6の情報からなる入力情報を同時に入力することが可能となり、簡便な操作でありながら、同時に6つの情報を入力する6自由度の情報入力システムを提供することができる。   As described above, according to this information input system, the user moves or rotates the laser irradiation apparatus 100 to move the position of the irradiation point of the laser beam output from the laser irradiation apparatus 100 on the irradiation surface. It is possible to input the input information consisting of the first to sixth information at the same time simply by performing a simple operation such as making it possible to input six information at the same time while inputting simple information. A system can be provided.

なお、上記実施の形態では、本情報入力システムをレンダリング処理における視点の設定に適用したが、これに限定されず、ゲームなどにおいて仮想3次元空間内に表示されるキャラクタを同空間内で動かすための操作装置として採用してもよいし、実空間内に存在するロボット等の種々の機械の操作装置として採用してもよい。   In the above embodiment, the information input system is applied to setting the viewpoint in the rendering process. However, the present invention is not limited to this. In order to move a character displayed in the virtual three-dimensional space in a game or the like in the same space. It may be adopted as an operating device for a variety of machines such as a robot existing in a real space.

本実施の形態による情報入力システムの全体構成図を示している。1 shows an overall configuration diagram of an information input system according to the present embodiment. FIG. レーザ照射装置の構成図であり、(a)は照射口近傍の断面図を示し、(b)は照射口近傍の透視斜視図を示している。It is a block diagram of a laser irradiation apparatus, (a) shows sectional drawing of irradiation port vicinity, (b) has shown the perspective perspective view of irradiation port vicinity. 本実施の形態による情報入力システムの演算装置及びカメラの関係を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the relationship between the arithmetic unit of the information input system by this Embodiment, and a camera. 入力情報算出部の処理の説明図である。It is explanatory drawing of a process of an input information calculation part. 入力情報算出部の処理の説明図である。It is explanatory drawing of a process of an input information calculation part. 本実施の形態による情報入力システムの動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the information input system by this Embodiment. 第1〜第5の情報を算出する処理の詳細を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the detail of the process which calculates 1st-5th information. 第1〜第6の情報を算出する処理の詳細を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the detail of the process which calculates 1st-6th information. 第6の情報の算出処理の説明図である。It is explanatory drawing of the calculation process of 6th information. 表示装置に表示された3次元モデルのレンダリング結果を示した画面図である。It is the screen figure which showed the rendering result of the three-dimensional model displayed on the display apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

100 レーザ照射装置
110 レーザポインタ
120 アタッチメント部
122 四角錐ミラー
123 ミラー
124 底面
125 頂部
126 孔
127 照射口
129 孔
200 演算装置
210 入力処理部
211 位置算出部
212 位置算出部
213 入力情報算出部
221 レンダリング部
222 3次元モデル記憶部
223 表示装置
300 カメラ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Laser irradiation apparatus 110 Laser pointer 120 Attachment part 122 Square pyramid mirror 123 Mirror 124 Bottom 125 Top part 126 Hole 127 Irradiation hole 129 Hole 200 Arithmetic apparatus 210 Input processing part 211 Position calculation part 212 Position calculation part 213 Input information calculation part 221 Rendering part 222 Three-dimensional model storage unit 223 Display device 300 Camera

Claims (7)

所定の照射面へのレーザビームの照射点がn角形(nは4以上の整数)の頂点に位置するようにn本のレーザビームを照射口から放射状に照射するレーザ照射装置と、
3次元実空間である世界座標空間内の所定の位置に配設され、前記レーザ照射装置により照射された各レーザビームの前記照射面への照射点を含む照射点画像を撮影する撮像装置と、
演算装置とを備え、
前記演算装置は、
前記撮像装置により撮影された照射点画像に含まれる各照射点の照射点画像空間上の位置を算出する位置算出手段と、
前記位置算出手段により照射点画像空間上の位置が算出された各照射点を、前記世界座標空間と前記照射点画像空間との位置関係から予め定められた平面射影行列を用いて前記世界座標空間に変換する変換手段と、
前記変換手段により算出された各照射点の前記世界座標空間内の位置に基づいて、前記世界座標空間内における前記レーザ照射装置の位置を示す第1〜第3の情報と、前記レーザ照射装置の姿勢を示す第4及び第5の情報と、前記照射口及び前記照射面を結ぶ直線を基準としたときの前記レーザ照射装置の回転量を示す第6の情報とからなる入力情報を算出する入力情報算出手段とを備えることを特徴とする情報入力システム。
A laser irradiation apparatus that radiates n laser beams radially from an irradiation port so that an irradiation point of a laser beam on a predetermined irradiation surface is positioned at an apex of an n-gon (n is an integer of 4 or more);
An imaging device that is arranged at a predetermined position in a world coordinate space that is a three-dimensional real space, and that captures an irradiation point image including an irradiation point on the irradiation surface of each laser beam irradiated by the laser irradiation device;
An arithmetic unit,
The arithmetic unit is:
Position calculating means for calculating the position on the irradiation point image space of each irradiation point included in the irradiation point image captured by the imaging device;
Each irradiation point whose position in the irradiation point image space is calculated by the position calculation means is converted into the world coordinate space using a plane projection matrix determined in advance from the positional relationship between the world coordinate space and the irradiation point image space. Conversion means for converting to
Based on the position in the world coordinate space of each irradiation point calculated by the conversion means, first to third information indicating the position of the laser irradiation apparatus in the world coordinate space, and the laser irradiation apparatus Input for calculating input information including fourth and fifth information indicating a posture and sixth information indicating a rotation amount of the laser irradiation apparatus with reference to a straight line connecting the irradiation port and the irradiation surface. An information input system comprising an information calculating means.
前記レーザ照射装置は、放射状に出力されたレーザビームの前記照射面への照射点によって形成されるn角形の中心に照射点が位置するように更に1本のレーザビームを前記照射面に向けて照射することを特徴とする請求項1記載の情報入力システム。   The laser irradiation apparatus further directs one laser beam toward the irradiation surface so that the irradiation point is positioned at the center of an n-gon formed by the irradiation point of the laser beam output radially to the irradiation surface. The information input system according to claim 1, wherein irradiation is performed. 前記n角形は四角形であり、
前記レーザ照射手段は、第1のレーザビームの照射点と第2のレーザビームの照射点とが前記四角形の一方の対角線上に位置し、第3のレーザビームの照射点と第4のレーザビームの照射点とが前記四角形の他方の対角線上に位置し、前記第5のレーザビームの照射点が前記四角形の中心に位置し、第5のレーザビームと第1〜第4のレーザビームのそれぞれとのなす角度が一定の値ψとなるように前記第1〜第5のレーザビームを照射し、
前記第4の情報(=θ)は、前記世界座標空間の座標軸を互いに直交するX、Y、Z軸とし、前記照射面はZ=0平面に位置するものとし、前記照射口の前記世界座標空間内での位置を点Pとし、前記第1〜第5のレーザビームの前記世界座標空間内での照射点を各々点A,B,C,D,Oとし、点A及び点O間の長さをL0、点B及び点O間の長さをL1とした場合における、平面PABへのZ軸の射影と直線OPとの角度であり、式(A)で表され、
前記第5の情報(=φ)は、点D及び点O間の長さをL1´、点C及び点O間の長さをL0´とした場合における、平面PCDへのZ軸の射影と、直線OPとのなす角度であり、式(B)で表されることを特徴とする請求項2記載の情報入力システム。
θ=arctan(((L0−L1)/((tanψ)・(L0+L1)))・(L0/L1))・・・(A)
φ=arctan(((L0´−L1´)/((tanψ)・(L0´+L1´)))・(L0´/L1´))・・・(B)
The n-gon is a quadrangle;
In the laser irradiation means, the irradiation point of the first laser beam and the irradiation point of the second laser beam are located on one diagonal line of the square, and the irradiation point of the third laser beam and the fourth laser beam Is located on the other diagonal line of the quadrangle, the irradiation point of the fifth laser beam is located at the center of the quadrangle, and each of the fifth laser beam and the first to fourth laser beams Irradiating the first to fifth laser beams so that the angle formed by
The fourth information (= θ) is that the coordinate axes of the world coordinate space are X, Y, and Z axes orthogonal to each other, the irradiation surface is located on the Z = 0 plane, and the world coordinates of the irradiation port The position in space is a point P, the irradiation points of the first to fifth laser beams in the world coordinate space are points A, B, C, D, and O, respectively. The angle between the projection of the Z axis on the plane PAB and the straight line OP when the length is L0, and the length between the point B and the point O is L1, and is represented by the formula (A).
The fifth information (= φ) is the projection of the Z axis onto the plane PCD when the length between the point D and the point O is L1 ′ and the length between the point C and the point O is L0 ′. The information input system according to claim 2, wherein the information input system is an angle formed with the straight line OP and is represented by the formula (B).
θ = arctan (((L0−L1) / ((tanφ) · (L0 + L1))) · (L0 / L1)) (A)
φ = arctan (((L0′−L1 ′) / ((tan ψ) · (L0 ′ + L1 ′))) · (L0 ′ / L1 ′)) (B)
前記第1及び第2の情報(=X,Y)は、点O及び点P間の長さをlとし、点PのZ=0平面への垂線の足を点Rとし、点A及び点Bを通る直線ABと、点Rを通り直線ABに直交する直線との交点を点Sとし、点C及び点Dを通る直線CDと、点Rを通り直線CDに直交する直線との交点を点Tとすると、式(C)〜(F)で表され、前記第3の情報(=Z)は、式(G)で表されることを特徴とする請求項3記載の情報入力システム。
Figure 2008204196
但し、rは点RのX成分を示し、rは点RのY成分を示し、eは直線ABの単位ベクトルを示し、e1xはeのX成分を示し、e1yはeのY成分を示し、eは直線CDの単位ベクトルを示し、e2xはeのX成分を示し、e2yはeのY成分を示し、ベクトルsは、点Sの位置ベクトルを示し、ベクトルtは点Tの位置ベクトルを示し、ベクトルOは点Oの位置ベクトルを示し、O,O,Oは点OのX,Y,Z成分を示す。
In the first and second information (= X, Y), the length between the point O and the point P is set as l, the foot of the perpendicular to the Z = 0 plane of the point P is set as the point R, the point A and the point An intersection of a straight line AB passing through B and a straight line passing through point R and orthogonal to straight line AB is point S, and an intersection of a straight line CD passing through point C and point D and a straight line passing through point R and perpendicular to straight line CD 4. The information input system according to claim 3, wherein the point T is represented by equations (C) to (F), and the third information (= Z) is represented by equation (G).
Figure 2008204196
However, r x represents the X component of the point R, r y represent the Y component of point R, e 1 denotes the unit vector of the straight line AB, e 1x represents the X component of e 1, e 1y is e shows one of the Y component, e 2 represents the unit vector of the straight line CD, e 2x represents the X component of e 2, e 2y represents the Y component of e 2, the position vector of the vector s is the point S The vector t indicates the position vector of the point T, the vector O indicates the position vector of the point O, and O x , O y , and O z indicate the X, Y, and Z components of the point O.
前記入力情報算出手段は、点P及び点Oを結ぶ直線POに直交する平面において、X軸の射影と、点A及び点Bを結ぶ第1の対角線の射影、又は点C及び点Dを結ぶ第2の対角線の射影との角度を求める処理を、前記撮影手段により連続して撮影された各照射点画像において実行し、求めた角度の照射点画像間における差分をとることで前記第6の情報を算出することを特徴とする請求項3又は4記載の情報入力システム。   The input information calculation means connects the projection of the X axis and the projection of the first diagonal line connecting the points A and B, or the points C and D on a plane orthogonal to the straight line PO connecting the points P and O. A process for obtaining an angle with the projection of the second diagonal line is executed for each irradiation point image continuously photographed by the photographing means, and the difference between the irradiation point images of the obtained angle is obtained. 5. The information input system according to claim 3, wherein information is calculated. 前記レーザ照射装置は、
光源と、
頂部が前記光源側を向き、各側面がミラーとされ、底面が前記光源から出力されたレーザビームの光軸と直交するように配設され、かつ前記レーザビームの一部を前記照射口に導くための孔が頂部に形成された正n角錐形状を有するn角錐ミラーと、
前記光源と前記n角錐ミラーとの間に配設され、中心部に前記光源から出力されたレーザビームを通過させるための孔が形成され、前記n角錐ミラーの各側面で反射されたn本のレーザビームを反射して前記照射口に導く平板ミラーとを備えることを特徴とする請求項2〜5のいずれかに記載の情報入力システム。
The laser irradiation apparatus is
A light source;
The top portion faces the light source side, each side surface is a mirror, the bottom surface is disposed so as to be orthogonal to the optical axis of the laser beam output from the light source, and a part of the laser beam is guided to the irradiation port. An n-pyramidal mirror having a regular n-pyramidal shape with a hole for the top formed thereon,
A hole is provided between the light source and the n-pyramidal mirror, and a hole for allowing a laser beam output from the light source to pass therethrough is formed at a central portion. The information input system according to claim 2, further comprising a flat mirror that reflects a laser beam and guides the laser beam to the irradiation port.
前記レーザ照射装置は、
レーザポインタと、前記レーザポインタの先端部において着脱自在に配設されたアタッチメント部とを備え、
前記レーザポインタは、前記光源を含み、
前記アタッチメント部は、前記n角錐ミラー及び前記平板ミラーを含むことを特徴とする請求項6記載の情報入力システム。
The laser irradiation apparatus is
A laser pointer, and an attachment part detachably disposed at the tip of the laser pointer,
The laser pointer includes the light source,
The information input system according to claim 6, wherein the attachment unit includes the n-pyramidal mirror and the flat mirror.
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