JP2013526748A - 音響インピディオグラフィを用いるポインティングデバイスのための方法およびシステム - Google Patents

Abstract

発明は、指の位置を特定し、次いで、該場所を使用してコンピュータ画面上のカーソルの位置を制御するための手段として、音響インピディオグラフィを使用する新規ポインティングデバイスを含む。加えて、指がセンサにタッチしている間、タッチ圧力を増加させ、ジェスチャのための手段を提供するのに伴って、平均輝度が低下するため、タッチ圧力レベルを統計的データ評価を介して推定することができる。本新しいデバイスは、コンピュータのユーザの識別を検証するための生体認証識別デバイスとしても兼ねることができるという利点を有する。

Description

本発明は、ヒューマンインターフェースデバイスに関する。より具体的には、本発明は、音響インピディオグラフィデバイスを使用して、コンピュータ画面上のカーソルまたはポインタ位置を制御することに関する。

コンピュータ技術において、ポインティングデバイスは、ユーザに、空間データをコンピュータに入力させるヒューマンインターフェースデバイスである。多くのコンピュータアプリケーション、特に、グラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）を利用するものは、ユーザに、物理的ジェスチャを使用して、コンピュータへのデータを制御および提供させる。これらのジェスチャ（例えば、ポイント、クリック、およびドラッグ）は、物理的デスクトップの表面にわたって、ハンドヘルドマウスを移動させマウス上のスイッチをアクティブ化することによって、生成される。ポインティングデバイスの移動は、ポインタ（または、カーソル）の移動および他の視覚的変化によって、画面上に反映される。

中でも最も一般的ポインティングデバイスは、マウスであるが、マウスデバイスを使用して、カーソルを位置付けることは、常に、可能なわけではない。ハンドヘルドコンピュータ、携帯情報端末（ＰＤＡ）、および「スマートフォン」は、サイズおよび他の物理的制限のため、従来のマウスデバイスを使用することが実行可能ではない、コンピュータシステムの例である。これらの状況では、トラックボールまたはタッチパッド等のよりコンパクトなポインティングデバイスの使用が好ましい。

タッチパッドは、ユーザの指の運動および位置を画面上の相対位置に変換することができる、特殊表面から成るヒューマンインターフェースデバイス（ＨＩＤ）である。現代のタッチパッドはまた、スタイラスポインティングデバイスと併用することができ、赤外線によって駆動されるものは、物理的タッチを要求しないが、単に、タッチパッドの表面からある最小範囲距離内において、手および指の移動を認識する。タッチパッドは、パームトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、モバイルスマートフォン（Ａｐｐｌｅ，Ｉｎｃ．製ｉＰｈｏｎｅ等）の導入、ならびにＳｙｍｂｉａｎ、Ｍａｃ ＯＳＸ、Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標） ＸＰ、およびＷｉｎｄｏｗｓ（登録商標） Ｖｉｓｔａオペレーティングシステム内への標準的タッチパッドデバイスドライバの可用性によって、益々人気となりつつある。しかしながら、これらの既存のタッチパッドは、ユーザの識別を提供することは可能ではない。

したがって、既存のタッチパッドシステムの前述の欠点を克服するための方法およびシステムが必要とされる。

本発明の実施形態は、指の位置を特定し、次いで、該場所を使用してコンピュータ画面上のカーソルの位置を制御するための手段として、音響インピディオグラフィを使用する新規ポインティングデバイスを提供することによって、前述の欠点を克服する。加えて、指が、センサにタッチしている間、タッチ圧力を増加させ、ジェスチャのための手段を提供するのに伴って、平均輝度が低下するため、タッチ圧力レベルを統計的データ評価を介して推定することができる。新しいデバイスは、コンピュータのユーザの識別を検証するための生体認証識別デバイスとしても兼ねることができるという利点を有する。１つのコンパクトデバイス内において、識別検証およびポインティング機能性を組み合わせることは、サイズが限界制約である場合、ポータブルコンピュータシステムまたはスマートフォンデバイスにおいて、大きな利点を有することができる。

より具体的には、本発明の実施形態は、音響センサの配列上において、人物の指先の印象の形状および場所を測定することを含む。一実施形態では、インピーダンス測定の２つの連続配列が、得られる。これらの２つの配列は、次いで、数学的相互相関分析を使用して処理され、センサをタッチするヒトの指の位置と関連付けられた可能性のあるシフトを算出する。

別の実施形態では、インピーダンス測定は、フーリエ変換を使用して、周波数領域に変換される。フーリエ変換相の特性は、次いで、指の場所が、音響配列上でどれくらいシフトしたかを測定するために使用される。この後者のアプローチは、相互相関分析に基づく、シフト検出方法と、概念上、異なり、かつ多くの場合、それに勝る。

本発明のさらなる実施形態、特徴、および利点に加え、本発明の種々の実施形態の構造ならびに動作について、付随の図面を参照して、以下に詳述される。

本明細書に組み込まれ、その一部を形成する、付随の図面は、本発明を例証し、説明とともに、さらに、本発明の原理を説明し、当業者に、本発明を作製および使用可能にする役割を果たす。

図１は、本発明の実施形態に従って構築される例示的センサである。

本発明は、特定の用途に対する例証的実施形態とともに本明細書に説明されるが、本発明は、それらに限定されないことを理解されたい。本明細書に提供される教示へのアクセスを伴う当業者は、その範囲内において、および本発明が、有意に実用的となるであろう、さらなる分野において、さらなる修正、用途、および実施形態を認識するであろう。

前述のように、本発明の実施形態は、表面音響インピディオグラフィの概念に基づく改良された感知デバイスを含む。本改良されたデバイスを使用して、指紋等の生体認証データを感知することができる。センサは、多数の小型感知要素の電気インピーダンスを推定することによって、指紋パターン等の生体認証画像の音響インピーダンスをマップする。特殊圧電化合物から作製される感知要素は、大規模において、安価に加工することができ、一例として、２０×２５平方ミリメートルの面積にわたって、最大５０μｍの分解能を提供することができる。

図１は、本発明の実施形態に従って構築された例示的センサ１００である。センサ１００の動作１０１の原理もまた、示される。感知要素１０２は、電子プロセッサチップ１０４に接続される。本チップは、感知要素１０２の各々の電気インピーダンスを変換し、それを０から２５５の８ビット２進数に変換する。センサ内の全感知要素と関連付けられた２進数は、次いで、数値の配列として、メモリデバイス内に記憶される。プロセッサチップ１０４は、Ｔマイクロ秒毎に、本プロセスを反復する。したがって、センサをタッチしている物体の表面音響インピーダンスの変化は、定期的時間間隔において測定および検出されることができる。

ｕ（ｎ、ｍ）は、時間Ｔ_０において、センサによって得られた音響インピーダンス測定と関連付けられた２進数のＮ×Ｍ個の配列を表し、ｖ（ｎ、ｍ）は、後の時間Ｔ_１において、センサの表面音響インピーダンスを測定することによって得られる２進数の第２の配列を表す。上述の表記では、第１の引数ｎは、水平方向における感知要素の指数を表し、第２の引数ｍは、垂直方向における感知要素の指数を表す。したがって、ｎ＝１、２、３、・・・、Ｎ、およびｍ＝１、２、３、・・・、Ｍである。

本発明の第１の実施形態では、センサ表面上の指の場所のシフトは、以下の式に示される相関関数を計算することによって検出される。

上式は、パラメータｐおよびｑの種々の値に対して計算される。Ｃ（ｐ、ｑ）に対する最大値につながる、ｐおよびｑの特定値は、センサ表面上の指の場所内の（それぞれ、水平および垂直方向における）シフトの量を表すであろう。

前述の手順は、音響センサが、その表面にタッチしている指の表面音響インピーダンスと関連付けられた数値の新しい配列を測定する度に反復される。このように、センサ上の指の位置の潜在的シフトを示す、ｐおよびｑに対する潜在的に新しい値は、Ｔマイクロ秒毎に得られる。これらの値は、本情報を使用して、コンピュータ画面上のポインタまたはカーソルの場所を制御する制御モジュールに送信される。

本発明の第２の実施形態では、センサ上の指の位置のシフトは、位相変換を使用して計算される。この場合、数値配列ｕ（ｎ、ｍ）およびｖ（ｎ、ｍ）が、最初に、２次元離散フーリエ変換（ＤＦＴ）として知られる手順を使用して、２つの数値配列Ｕ（ω_ｎ、ω_ｍ）およびＶ（ω_ｎ、ω_ｍ）に変換される。本手順は、デジタル信号処理の科学における当業者に周知である。新しい配列Ｕ（ω_ｎ、ω_ｍ）およびＶ（ω_ｎ、ω_ｍ）は、各配列エントリが、振幅および位相成分を有することを意味する、複素数値である。我々は、振幅成分を破棄し、数学的表記Φ（ω_ｎ、ω_ｍ）およびΨ（ω_ｎ、ω_ｍ）を使用して、それぞれ、複素配列Ｕ（ω_ｎ、ω_ｍ）およびＶ（ω_ｎ、ω_ｍ）の位相成分を表す。位相変換方法は、これらの２つの後者の配列を使用して、音響センサ上の指の場所のシフトを推定する。これは、最初に、以下の積分またはそれに対する近似を計算することによって、行われる。

上の積分は、パラメータｐおよびｑの種々の値に対して計算される。Ｄ（ｐ、ｑ）に対する最大値につながる、ｐおよびｑの特定値は、センサ表面上の指の場所における（それぞれ、水平および垂直方向における）推定されるシフトの量を表す。

第１の実施形態において行われたように、前述の手順は、音響センサが、その表面をタッチしている指の表面音響インピーダンスと関連付けられた数値の新しい配列を測定する度に反復される。このように、センサ上の指の位置の潜在的シフトを示す、ｐおよびｑに対する潜在的に新しい値は、Ｔミリ秒毎に得られる。これらの値は、次いで、本情報を使用して、コンピュータ画面上のポインタまたはカーソルの場所を制御する、制御モジュールに送信される。

第１の実施形態において説明された相互相関方法に勝る位相変換の大きな利点は、センサによって測定される音響表面インピーダンス値の振幅に影響を及ぼす、雑音および種々の他のアーチファクトに対するそのロバスト性である。また、分数（すなわち、非整数）シフトを計算するために、前述の位相変換式を使用することは、非常に容易である。

ｘ−およびｙ−方向へのナビゲーションに加え、タッチ圧力レベル（相対的）が、同時に、センサ活性表面と接触する指先面積のインピーダンスの実際の値から得られる。本圧力レベル推定は、レベル調節、オンおよびオフの切替等、さらなるアクティビティをトリガするために利用することができる。

低タッチ圧力は、平均輝度に対するより高いスコアによって反映される、センサと接触する、少ない隆線を提供する一方、より高い圧力は、最初に、センサと接触するより多い隆線につながり、次に、タッチ圧力によってより平坦になるのに伴って、より広い隆線につながる。両要因が、平均輝度の合計スコアを低下させる。両値間の差異は、圧力に対するスイッチまたはスライド尺度として、利用される。平均輝度の個々の差異は、それぞれの指先のソフトタッチおよびハードタッチが採取される短い較正手順によって補償される。

（結論）
本発明の方法、システム、および構成要素の例示的実施形態が、本明細書に記載された。これらの例示的実施形態は、例証目的のためだけに記載されており、限定するものではない。他の実施形態は、本明細書に含有される教示に基づいて、当業者には明白となるであろう。

Claims (1)

1. ジェスチャデバイスであって、
   生体認証画像の移動に基づいて、コンピュータに対するコマンドを提供するためのタッチパッドと、
   該タッチパッドに電気的に連結されているセンサであって、該センサは、該生体認証画像の音響インピーダンスを感知するために構成されている、センサと
   を備え、
   該音響インピーダンスは、該移動の方向を解釈し、かつ、ユーザを識別するために用いられる、デバイス。