JP2009043139A - 位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、複数の指示体の位置情報を認識することによってユーザと指示体を対応させ、複数のユーザが同時に使用可能な位置検出装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明による位置検出装置は、映像を投射するリアプロジェクタ１と、リアプロジェクタ１から投射された映像を映し出す投射スクリーン３と、リアプロジェクタ１の近傍に配置され、指示体１０、２０から発せられた光を投射スクリーン３の背面から撮影する撮像手段４と、撮像手段４によって撮影された映像を解析し、指示体１０、２０の光の検出領域において２次元的な位置を検出する座標演算処理手段５ｂとを備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のユーザが同時に使用可能な位置検出装置に関する。

従来における表示台に取り付けられた光学式の位置検出装置には、表示画面の表面部に透明の入力パネルが取り付けられており、入力パネルの表面の側方に光センサユニットが備えられたものがある。光センサユニットは、画面表示装置の上方の両端にそれぞれ設けられており、入力パネルから所定の距離の平行平面内において走査光を投受光している。また入力パネルの周囲には、光センサユニットから投射された光線を再帰反射するための再帰反射部材が設けられている。そして、表示画面上の一点を指または専用ペンで指示することによって、指示した座標位置を光センサユニットの受光した再帰反射光を利用して画像処理手段で解析することによって指示した座標位置を算出することができる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−５１７１号公報

特許文献１に記載の位置検出装置では、単一ユーザの認識は可能であるが、複数のユーザが利用したときに複数のユーザを認識することができないという問題がある。

本発明は、これらの問題を解決するためになされたもので、複数の指示体の位置情報を認識することによってユーザと指示体を対応させ、複数のユーザが同時に使用可能な位置検出装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明による位置検出装置は、映像を投射するリアプロジェクタと、リアプロジェクタから投射された映像を映し出す投射スクリーンと、投射スクリーンの前面から光を発して指示する指示体から発せられた光を投射スクリーンの背面から撮影する撮像手段と、撮像手段によって撮影された映像を解析し、指示体の光の検出領域において２次元的な位置を検出する座標演算処理手段とを備えることを特徴とする。

本発明は、請求項１に記載のように、リアプロジェクタは映像を投射し、投射スクリーンはリアプロジェクタから投射された映像を映し出し、撮像手段はリアプロジェクタの近傍に配置され、指示体から発せられた光を投射スクリーンの背面から撮影し、座標演算処理手段は撮像手段によって撮影された映像を解析し、指示体の光の検出領域において２次元的な位置を検出するので、複数の指示体の位置情報を認識することによってユーザと指示体を対応させ、複数のユーザが同時に使用可能な位置検出装置を提供することができる。

本発明の実施形態について、図面に基づいて以下に説明する。

〈実施形態１〉
図１は、本発明の実施形態１による位置検出装置の構成図である。本発明の実施形態１では、指示体の光源としてＲＧＢ発光ダイオードを使用しており、２つの指示体を認識する方法について説明する。

図１に示すように、投射レンズ７を有するプロジェクタ１は、コンピュータ２から送信された映像を投射スクリーン３上に投射する。第１の指示体１０および第２の指示体２０の各々には赤、青、緑の３色の発光ダイオードが内蔵されており、投射スクリーン３の前面から光を発して指示している。例えば第１の指示体１０は赤色発光ダイオードのみをＯＮにして赤色を発光させ、第２の指示体２０は緑色発光ダイオードのみをＯＮにして緑色を発光させているとする。カメラ４（撮像手段）は、プロジェクタ１に近接して配置されており、投射スクリーン３の下側からプロジェクタ１の投射映像を含む範囲を撮影する。すなわち、第１の指示体１０および第２の指示体２０から発せられた光を投射スクリーン３の背面から撮影している。図２は、本発明の実施形態によるカメラ４における撮像画像の一例を示した図である。図２に示すように、第１の指示体１０から発光した赤色の点、および第２の指示体２０から発光した緑色の点が得られることが分かる。

図１に示す位置検出装置におけるプロジェクタ１とカメラ４との配置位置は、プロジェクタ１から投射されて投射スクリーン３に映し出された画像をカメラ４で撮影するために、本来であれば投射スクリーン３の中心軸上に投影レンズ７とカメラ４とを配置すればよいが、プロジェクタ１とカメラ４とが物理的に干渉してしまう。そのため、プロジェクタ１は投射スクリーン３の略中心軸上に配置され、カメラ４はプロジェクタ１の略前後方向であって、プロジェクタ１およびカメラ４の各々の画角によるプロジェクタ１の投射範囲とカメラ４本体との干渉、またはカメラ４の撮影範囲とプロジェクタ１本体との干渉を回避できる範囲に配置する。

プロジェクタ１とカメラ４との配置の制約によって、カメラ４の撮影範囲を必要範囲よりも大きくする必要がある。しかし、カメラ４には不必要な撮影範囲が生じてしまい、カメラ４の有効画素が最大限利用できなくなってしまう。従って、カメラ４の有効画素を最大限利用する（カメラ４における不必要な撮影範囲を最小限にする）ためには、プロジェクタ１からの投影画像アスペクト比とカメラ４のデバイスアスペクト比との関係を適切に組み合わせる必要がある。例えば、プロジェクタ１のアスペクト比が略１６：９のときはカメラ４のアスペクト比を略４：３とし、プロジェクタ１のアスペクト比が略４：３のときはカメラ４のアスペクト比を略５：４とすることによって、カメラ４の解像度を最低限の劣化に抑制することが可能となる。また、カメラ４をプロジェクタ１の略前後方向に配置した場合には、偏芯系カメラを使用することによってカメラ４のデバイスアスペクト比をプロジェクタ１からの投射画像アスペクト比と略同一にすることが可能となり、カメラ４の解像度を有効に利用することができる。

カメラ４によって撮像された映像信号は色認識回路５ａに入力され、色認識回路５ａから出力された信号は座標演算処理回路５ｂ（座標演算処理手段）に入力される。座標演算処理回路５ｂでは、カメラ４によって撮像された第１の指示体１０および第２の指示体２０から発光された２つの光の点の２次元的な座標位置を検出する。図３は、本発明の実施形態１による座標演算の一例を示す図である。図３（ａ）は、カメラ４から出力された水平同期信号である。図３（ｂ）は、カメラ４が出力する赤色のみの信号を示している。図３（ａ）および図３（ｂ）より、水平同期信号の基準位置から第１の指示体１０の発光色である赤色の信号が存在する位置までの時間を求めることによって、第１の指示体１０の水平方向の位置を特定できる。図３（ｃ）は、カメラ４から出力された垂直同期信号である。図３（ｄ）は、カメラ４から出力された赤色のみの信号を示している。図３（ｃ）および図３（ｄ）より、垂直同期信号の基準位置から第１の指示体１０の発光色である赤色の信号が存在する位置までの時間を求めることによって、第１の指示体１０の垂直方向の位置を特定できる。以上の演算によって、第１の指示体１０の２次元的な位置の特定が可能となる。また、第２の指示体２０についても同様の方法によって位置を特定することができる。このように、指示体が２つ存在する場合であっても、それぞれの指示体を検出することが可能となる。

なお、本発明の実施形態における指示体には赤、青、緑の３色の発光ダイオードが内蔵されているため、指示体から発光する光の色を選択することによって基本的には色の組み合わせは無限であるが、検出精度を向上させるためには赤、青、緑、シアン、マゼンタ、黄、白などを使用することが好ましい。また、スクリーン３の自重方向への撓みによって２次元的な位置座標の検出精度に問題が生じる場合は、スクリーン３の下側に撓み防止部材６（図８、９、１３参照）を配置することで指示体の正確な２次元的な位置座標を特定することが可能となる。

さらに、プロジェクタ１からスクリーン３に投射された映像がスクリーン３または撓み防止部材６の入射面側で反射することによって生じる不要光と、指示体１０、２０からの光とを、カメラ４が識別できない場合がある。従って、スクリーン３または撓み防止部材６の入射面側に何らかの反射防止を施す必要がある。加えて、指示体１０、２０をスクリーン３上で自由に位置移動させたときの指示体１０、２０とスクリーン３との接触による、スクリーン３の破損、汚れ、小傷などを防止するために、スクリーン３の上面に耐摩擦性、耐強化性が高く、外光の映り込みを低減、拡散できるような部材を形成させるとより効果的である。

図４は、本発明の実施形態１による指示体の構成図である。図４に示すように、電源３０、発光の色を設定するスイッチ３１、発光ダイオードを駆動させるドライバ３２、３色発光ダイオード３３、発光ダイオードから発光された光を効率よく出力するレンズ３４、これらの構成部品を格納する筐体３５から構成される。なお、本実施形態における指示体には電源スイッチを設けていないが、指示体をスクリーン３上に押し当てたときのみ電源ＯＮとなるような機能を備えることによって電池の消耗を防ぐことができる。

座標演算処理回路５ｂから出力された各々の指示体の位置情報は、ＬＡＮ、ＵＳＢなどの外部Ｉ／Ｆ１６を介してコンピュータ２に入力される。コンピュータ２では、入力された識別情報および位置情報を用いて、コンピュータ２の内部にインストールされたアプリケーションソフトウェアの動作を制御する。

なお、識別情報や位置情報だけでなく、指示体による押圧、または可視光（非可視光）の照射面積などを変化させることによる情報をコンピュータ２に入力することも可能である。

ユーザ数が限定される場合において、例えば２人であれば２色の発光ダイオードがあればよく、カメラ４も１つのカラーカメラではなく２つの白黒カメラを使用し、各々の指示体に割り当てられた色のみが透過可能なフィルタを各々のカメラ前部に備えることによって費用を抑制することが可能となる。

プロジェクタ１とカメラ４との設置方法については、図５に示すように、カメラ４を投射スクリーン３の略中心軸上に設置し、プロジェクタ１を投射スクリーン３の略中心軸上から略前後左右方向に設置して投射スクリーン３に対しては偏芯投射するような方法がある。また、図６に示すように、カメラ４を投射スクリーン３の略中心軸上に設置し、プロジェクタ１を投射スクリーン３の略中心軸上から略前後左右方向に設置して投射スクリーン３に対しては正規投射（無偏芯投射）かつオーバースキャン投射し、投射スクリーン３上にのみ映像を映し出すようにする方法もある。このような設置方法であっても上記と同様の効果を奏する。

図７は、映像表示部監視者５１に対してより明るい映像が見えるような位置にプロジェクタ１を配置した図である。図７に示すように、映像表示部観察者５１（視聴者）が投射スクリーン３の中心軸から左右方向にずれた位置から映像を見ているとき、投射スクリーン３の中心軸上にプロジェクタ１ｂを設置するよりもプロジェクタ１ａの位置に設置した方が、映像表示部観察者５１は明るい映像を見ることが可能である。すなわち、プロジェクタ１ａは投射した映像の光軸が映像表示部観察者５１に向くように投射スクリーン３の中心軸からずれて配置されている。

本実施形態では、プロジェクタ１とカメラ４とを別々に配置したが、プロジェクタ１とカメラ４との物理的干渉を避けるため、かつプロジェクタ１とカメラ４とを投射スクリーン３の中心軸上に設置するために、プロジェクタ１にカメラ４を内蔵してもよい。

以上のことから、指示体に備えられた発光ダイオードから発光した光を用いて指示体の位置情報を検出し、指示体の位置だけでなく、ユーザが使用する指示体を特定することが可能となる。従って、複数のユーザが同時に各々の指示体を使用する場合であっても、指示体の情報を正確に把握することができる。

〈実施形態２〉
本実施形態の特徴は、指示体の光源として波長の異なる複数の非可視光ダイオードを用いていることである。その他の構成および動作については、実施形態１に則している。

図８および図９は、本発明の実施形態２による位置検出装置の構成図である。図８および図９に示すように、カメラ８およびカメラ９はプロジェクタ１に近接して配置されており、投射スクリーン３の下側からプロジェクタ１の投射映像を含む範囲を撮影する。カメラ８およびカメラ９には、第１の指示体１０および第２の指示体２０の各々に割り当てられた色のみが透過可能なフィルタ８１およびフィルタ９１が各々備えられており、プロジェクタ１から投射された映像が投射スクリーン３を反射することによって生じる不要光や外光などの影響を低減し、特定の指示体から発光された非可視光のみを検出することが可能となる。従って、実施形態１において記載したような、スクリーン３または撓み防止部材６の入射面側に対して反射防止の部材を形成する必要がなくなる。

図１０は、本発明の実施形態２による指示体の構成図である。図１０に示す指示体は、非可視光発光ダイオード３６以外は実施形態１で用いた指示体と同様の構成である。第１の指示体１０および第２の指示体２０には任意に選択した２つの異なる波長の非可視光（仮に１、２とする）の発光ダイオードが内蔵されており、例えば、第１の指示体１０の非可視光１のダイオードのみをＯＮにして発光させたときは、第２の指示体２０では非可視光２のダイオードのみをＯＮにして発光させる。なお、指示体の数を増やす場合は、上記とは異なる波長で発光する非可視光の発光ダイオードを内蔵する必要があり、同時にカメラとフィルターも指示体の増加数に応じて増やす必要がある。

図１１は、カメラ８によって撮像された撮像画像の一例を示す図である。図１１に示すように、第１の指示体１０から発光した非可視光８２の点と、第２の指示体２０から発光した非可視光９２の点と、プロジェクタ１から投射スクリーン３に投射した映像が反射したことによる不要光１０２の点とがカメラ８によって撮像される。しかし、実際にはカメラ８の前面部にはフィルタ８１が備えられているため、図１１では非可視光８２の点のみが撮影されていることになる。

図１２は、本発明の実施形態２による指示体の構成の一例を示す図である。図１２に示すように、複数の非可視光用発光ダイオード１１の各々に対応した複数の可視光用発光ダイオード１２を指示体に内蔵することによって、選択している非可視光発光ダイオードと対応した可視光発光ダイオードを視覚的に確認できるため、ユーザが使用中の指示体の種類を瞬時に確認することが可能となる。なお、複数の可視光用発光ダイオード１２は、１つの白色発光ダイオードとしてもよい。

また、本実施形態では、指示体の数に対応したカメラを配置しているが、ユーザ数が限定されているとき、例えば３人以下であれば３ＣＣＤ（または３ＣＭＯＳ）カメラを１つ配置してカメラ内蔵の色分離ブロックのフィルタ特性を３つの非可視光に対応させることによって、シンプルな構成が可能となる。

以上のことから、指示体に備えられた非可視光の発光ダイオードから発光した光を用いて指示体の位置情報を検出し、指示体の位置だけでなく、ユーザが使用する指示体を特定することが可能となる。従って、複数のユーザが同時に各々の指示体を使用する場合であっても、指示体の情報を正確に把握することができる。また、カメラには特定の波長のみを透過させるフィルタが備えられているため、プロジェクタ１から投射スクリーン３に投射した映像が反射したことによる不要光や外光などを除去することができる。

〈実施形態３〉
本実施形態の特徴は、折返ミラー１３を用いることによってプロジェクタ１とカメラ４との配置関係を比較的シンプルにしたことである。また、指示体の光源には非可視光発光ダイオードを使用している。その他の構成および動作については、実施形態１および実施形態２に則している。

図１３は、本発明の実施形態３による位置検出装置の構成図である。図１３に示すように、可視光のみを反射させて非可視光を透過させる折返ミラー１３を用いることによってプロジェクタ１から投射された映像を投射スクリーン３上に映し出し、第１の指示体１０および第２の指示体２０から発光した非可視光は折返ミラー１３を透過してカメラ４によって撮像される。プロジェクタ１とカメラ４との位置関係をこのようにすることによって、プロジェクタ１の投射レンズ７とカメラ４とを投射スクリーン３の略中心軸上に配置することが可能となる。従って、指示体の正確な２次元的な位置座標を特定する際に必要であった、カメラ４のレンズに起因する歪みを補正する機能を、比較的簡易な補正機能によって補正することができる。

なお、本実施形態では、可視光のみを反射させて非可視光を透過させる折返ミラー１３を用いたが、非可視光のみを反射させて可視光を透過させる折返しミラーを用いても同様の効果を奏する。

以上のことから、折返ミラー１３を用いて位置検出装置の構成をシンプルにするとともに、プロジェクタ１の投影画像アスペクト比とカメラ４のデバイスアスペクト比も略同一にすることが可能となり、カメラ４の解像度を有効に利用することができる。

〈実施形態４〉
本実施形態では、プロジェクタ１から投射スクリーン３に投射した映像が反射することによる不要光と指示体から発光した光とを識別する方法として、実施形態１において説明した反射防止部材の形成する方法とは異なり、プロジェクタ１の映像出力タイミングとカメラ４の指示体を認識するタイミングを各々制御することによる方法を特徴としている。その他の構成および動作については、実施形態１に則している。

図１４は、本発明の実施形態４による位置検出装置の動作を示す図である。図１４に示すように、プロジェクタ１の映像出力はＲＧＢの３色を時分割で出力している。カメラ４が第１の指示体１０および第２の指示体２０を認識するタイミングをプロジェクタ１の映像出力のタイミングに合わせることによって、不要光と指示体から発光した光とを識別することが可能となる。例えば、プロジェクタ１が赤（Ｒ）を出力するタイミングに合わせて指示体からの光で赤（Ｒ）成分を含まない青（Ｂ）、緑（Ｇ）、シアン（Ｃ）を認識させて、プロジェクタ１が青（Ｂ）を出力するタイミングに合わせて指示体からの光で青（Ｂ）成分を含まない赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、黄（Ｙ）を認識させるようにする。

なお、プロジェクタ１の光源が直流駆動のランプ等、ランプにＯＦＦのタイミングがない場合は任意にＯＦＦのタイミングを設けてもよい。また、ランプ以外であっても映像上にＯＦＦのタイミングを設けることによっても同様の効果を奏する。

以上のことから、プロジェクタ１から出力される色以外の色を正確に認識することによって、プロジェクタ１から投射スクリーン３に投射した映像が反射することによる不要光と指示体から発光した光とを正確に区別することが可能となる。また、プロジェクタ１の光源の交流駆動ランプのＯＦＦのタイミングのときに、指示体を認識させることによって、不要光の影響を完全に排除することができる。

本発明の実施形態１による位置検出装置の構成図である。 本発明の実施形態１による撮像画像の一例を示す図である。 本発明の実施形態１による座標演算の一例を示す図である。 本発明の実施形態１による指示体の構成図である。 本発明の実施形態１による投射方法の一例を示す図である。 本発明の実施形態１による投射方法の一例を示す図である。 本発明の実施形態１による投射方法の一例を示す図である。 本発明の実施形態２による位置検出装置の構成図である。 本発明の実施形態２による位置検出装置の構成図である。 本発明の実施形態２による指示体の構成図である。 本発明の実施形態２による撮像画像の一例を示す図である。 本発明の実施形態２による指示体の構成の一例を示す図である。 本発明の実施形態３による位置検出装置の構成図である。 本発明の実施形態４による位置検出装置の動作を示す図である。

符号の説明

１ プロジェクタ、１ａ プロジェクタ（偏芯投射）、１ｂ プロジェクタ（正規投射）、２ コンピュータ、３ 投射スクリーン、４ カメラ、５ａ 色認識回路、５ｂ 座標演算処理回路、６ 撓み防止部材、７ 投射レンズ、８ カメラ、９ カメラ、１０ 第１の指示体、１１ 非可視光用発光ダイオード、１２ 可視光用発光ダイオード、１３ 折返しミラー、１６ 外部Ｉ／Ｆ、２０ 第２の指示体、３０ 電池、３１ スイッチ、３２ ドライバ、３３ 発光ダイオード、３４ レンズ、３５ 筐体、３６ 非可視光用発光ダイオード、５１ 映像表示部観察者、８１ フィルタ、９１ フィルタ、８２ 指示体１０から発せられる非可視光の点、９２ 指示体２０から発せられる非可視光の点、１０２ プロジェクタ投射光による不要光。

Claims (15)

1. 映像を投射するリアプロジェクタと、
   前記リアプロジェクタから投射された映像を映し出す投射スクリーンと、
   前記投射スクリーンの前面から光を発して指示する指示体から発せられた光を前記投射スクリーンの背面から撮影する撮像手段と、
   前記撮像手段によって撮影された映像を解析し、前記指示体の光の検出領域において２次元的な位置を検出する座標演算処理手段と、
   を備えることを特徴とする、位置検出装置。
2. 前記指示体は複数備えられ、複数の前記指示体の光の各前記検出領域において２次元的な位置を検出することを特徴とする、請求項１に記載の位置検出装置。
3. 前記検出領域に含まれる情報として、複数の前記指示体の位置情報や識別情報以外の情報を検出することを特徴とする、請求項２に記載の位置検出装置。
4. 前記投射スクリーンの撓みを防ぐ部材をさらに備え、前記撓みを防ぐ部材における前記リアプロジェクタからの入射面に対して光の反射を防止する処理を施すことを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の位置検出装置。
5. 前記撮像手段は偏芯系撮像手段であって、前記投射スクリーンの略中心軸上に設置された前記リアプロジェクタの近傍であって互いに干渉し合わないように配置されることを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の位置検出装置。
6. 前記撮像手段は実際に必要な撮影範囲よりも広範囲を撮影し、前記投射スクリーンの略中心軸上に設置された前記リアプロジェクタの近傍であって互いに干渉し合わないように配置されることを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の位置検出装置。
7. 前記リアプロジェクタおよび前記撮像手段の各々のアスペクト比を適切に組み合わせるこによって、前記撮像手段における不必要な撮影範囲を最小限にすることを特徴とする、請求項６に記載の位置検出装置。
8. 前記リアプロジェクタは、投射した映像の光軸が視聴者に向くように前記投射スクリーンの中心軸からずれて配置されていることを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の位置検出装置。
9. 前記撮像手段は前記指示体の数に対応した複数の白黒タイプの撮像手段であって、前記撮像手段には各前記指示体に対応する特定の波長のみを透過するフィルタを備えることを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の位置検出装置。
10. 前記指示体の光源は非可視光であることを特徴とする、請求項１ないし請求項４または請求項９のいずれかに記載の位置検出装置。
11. 前記指示体から発せられる前記非可視光に対応する可視光の光源を前記指示体に内蔵することを特徴とする、請求項１０に記載の位置検出装置。
12. 可視光を反射し、非可視光を透過させる折返しミラーをさらに備えることを特徴とする、請求項１０に記載の位置検出装置。
13. 非可視光を反射し、可視光を透過させる折返しミラーをさらに備えることを特徴とする、請求項１０に記載の位置検出装置。
14. 前記撮像手段は、前記リアプロジェクタに内蔵することを特徴とする、請求項１ないし請求項４または請求項１０のいずれかに記載の位置検出装置。
15. 前記リアプロジェクタの映像出力タイミングと前記撮像手段の撮像タイミングとを各々制御し、前記リアプロジェクタから投射された映像による光と前記指示体から発せられた光とを区別することを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の位置検出装置。

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