JP6088636B2 - 器具の先端と筆記補助具との接触点の検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、器具の先端と筆記補助具との接触点を検出するための方法及び装置に関する。本発明の主題はまた、筆記補助具上に器具の先端により描かれた線を記録する方法である。

器具は、ペン及び字消し道具で構成されるグループにおいて選ばれる。

ペンにより、ここでは、有形の筆記補助具上に線を描くために、人の手により直接操作され得る何らかの器具が意味される。典型的には、線は、有形の補助具上で直接的に、又は、表示スクリーン上で、裸眼で見ることができる。補助具上に直接見ることができる線を残すために、ペンは筆記補助具上に着色された液体又は固体を置いて、人が見ることができる線を形成する。着色された液体は典型的にはインク又はペンキである。着色された固体は例えば黒鉛である。

字消し道具により、ここでは、ペンにより残された線に遭遇したときに、このペンにより残された線を消す線を有形の筆記補助具上に描くために、人の手により直接操作され得る器具が意味される。消し跡は、ペンを用いて記録された線のデータのデジタルな消し跡、又は、補助具上の線の有形の消し跡であり得る。例えば、補助具上の線の有形の消し跡は、化学反応から、及び／又は、摩耗のような機械的な効果から生じ得る。ペンに比べて、字消し道具で描かれた線は裸眼で一般的に見ることができない。

ここでは、“描くこと”は、書く又は消すために、先端で筆記補助具を横切ることの事実を含む。

筆記補助具は一枚の紙、布、又は、その上に描くことが可能な他の補助具である。

筆記補助具上にこの先端により描かれた線を正確に記録するために、器具の先端と筆記補助具との接触点の存在を正確に検出することがとても重要である。実際に、先端が筆記補助具ともはや接触していない度に、記録された線は中断されるべきである。

筆記補助具上に器具の先端により描かれた線を記録するための既知の方法は、
・器具上に自由度無しで固定された磁性物体の位置及び向きを計測すること、
・磁性物体の計測された位置及び計測された向きに応じて先端の位置を計算すること、
・器具の先端と筆記補助具との接触点を検出すること、
・接触点が検出される度に、先端に関して計算された位置を記録すること、これらの計算された位置を連続的に記録して、筆記補助具上に器具の先端により描かれた線の記録を形成すること
を含む。

例えば、そのような方法が、特許文献１に開示されている。この特許出願では、接触点の検出は、先端に掛かる圧力を計測することにより行われる。実際に、ペンの先端に掛かる圧力は、先端が空中にあるときよりも、先端が筆記補助具上に位置するときの方が、より大きい。したがって、先端はペンの内部に摺動自在に変位可能に搭載され、ペンは先端の変位を接触点の存在を示す信号に変換することができる変換器を有している。

国際公開第０２／０４３０４５号 仏国特許出願公開第２９５２４５０号明細書 米国特許出願公開第２００８／１０６５２０号明細書

このように、ペンの先端と筆記補助具との接触点を検出することの必要性は、ペンの内部に変位変換器を追加して、製造を複雑にしていることにより証明される。

本発明は、ペン又は字消し道具のような器具の先端と筆記補助具との接触点を、先端変位変換器に頼ることなく、検出することを目的とする。その主題は、それゆえ、請求項１の通りのそのような検出方法である。

上記方法は、筆記中に器具の先端に掛かる機械的な圧力を接触点の存在を示す信号に変換することができる変換器を器具内部に使用することを避けることを可能にする。この方法は、それゆえ、器具の簡単な製造を許容する。

検出のこの方法の実施の形態は、従属請求項の特徴の１つ以上を有することができる。

これらの実施の形態は、その上、次の利点を示す。
・支持面に関して器具の先端の高さを使用することは、ユーザの交代に関して、方法をよりロバストにする。
・接触しきい値を選択するときに、高さの計測値の信頼性を考慮することは、接触点の検出の正確さを高める。
・高さの確率密度における最初の最大値に応じて、接触しきい値を自動で計算することは、この接触しきい値を筆記補助具の厚さに自動的に適用することを可能にする。
・先端に関して磁性物体の位置を自動で校正することは、器具の軸に沿って磁性物体を任意の位置に適用することを可能にする。

本発明の主題はまた、請求項９の通りの、筆記補助具上に器具の先端により描かれた線を記録する方法である。

先端の位置を決定するために、及び、接触点を検出するために同じ磁性物体を使用することは、方法の実行を容易にする。

本発明の主題はまた、請求項１０の通りの、器具の先端と筆記補助具との接触点を検出するための装置である。

この装置の実施の形態は、請求項１１の特徴を有することができる。

図面を参照しながら、何も限定しない例として単に与えられた次に続く明細書を読むことで、本発明は良く理解されるであろう。

これらの図面において、同じ構成要素を指し示すために、同じ参照番号が使用されている。

筆記補助具上のペンの先端の線を記録するためのシステムの概略図である。 図１のシステムで使用される磁力計のネットワークの一部の概略図である。 図１のシステムを用いて筆記補助具上のペンの先端の線を記録する方法のフローチャートである。 図１のシステムにおいて、ペンの先端の高さの分散を図示するグラフである。 図３の方法で使用されるヒストグラムの図である。 図３の方法で使用されやすい校正段階のフローチャートである。 図１のシステムのペンの２つの異なる傾きの概略図である。 図１のシステムのペンの他の実施の形態の概略図である。 図１のシステムを用いた線の記録の実験結果の図である。 図１のシステムを用いた線の記録の実験結果の図である。

以下、この明細書において、当業者に良く知られた特徴及び機能は詳細に記述されない。

本発明は、器具がペンである特別な場合において、つぎに記述される。

図１は、筆記補助具６上のペン４の先端の線を記録するためのシステム２を示す。

ペン４は、システム２に自由度無しで固定されたフレームＸＹＺにおいて、人の手により直接的に、自由に変位可能である。ここで、このフレームの方向Ｘ及びＹは水平であり、方向Ｚは垂直である。この後、用語“上に”、“下に”、“上の方の”、“下の方の”は、垂直方向Ｚに関する。

ペン４は典型的には１ｋｇよりも、好ましくは、２００ｇ又は１００ｇよりも重くない。このペンの寸法はまた十分に小さく、人により片手を用いて保持される。ペン４は、楕円形状を呈する。ここでは、それは長手方向の軸７に沿って伸びる。

例えば、このペン４は、非磁性物質、すなわち、システム２により計測できる何かしらの磁気特性を示さない物質で完全にできている。

ペン４は、ここではボールペン、万年筆、羽ペン、フェルトペン、鉛筆、マーカー、ハイライトマーカー、葦ペン、羽ペン、毛筆で構成されるグループにおいて選ばれる。この実施の形態では、図示のために、ペン４はボールペンである。

ペン４は、筆記補助具６の上面１０上に着色された液体又は固体を置く先端８を呈する。この目的のために、例えば、ペン４はカートリッジのような着色された液体のタンクが備えられる。着色された液体は例えばインクである。先端８は、ペン４の下端で軸７に位置される。この実施の形態では、先端８は軸７に関して回転対称を示す。このように、軸７に関して先端８の角度位置は、補助具６上にこの先端８により残される線の幅又は形を変更しない。

例えば、補助具６は、方向Ｚにおいて０以外の厚さｅを呈する従来の筆記補助具である。ここでは、厚さｅは面１０の全体に渡って一定であると仮定される。厚さｅは任意であって良い。特に、この厚さｅは、一枚の紙又は布の場合に、とても小さても、すなわち、１ｍｍよりも、又は０．５ｍｍよりも小さくても良い。厚さｅはまた、ノート又はメモ帳の場合に、とても大きくても、すなわち、５ｍｍよりも大きくても良い。

補助具６は、曲がらなくても、又は、曲がりやすくても良い。例えば、曲がらない補助具は、ガラス又は金属板である。曲がりやすい補助具は、一枚の紙である。

面１０の表面は十分に大きく、書くこと又は描くことを可能にする。この目的のために、それは典型的には６又は２０よりも、又は１００ｃｍ^２よりも大きい。

補助具６はまた、面１０の反対側に下面１２を呈する。

システム２は、物体１４の計測された位置及び計測された向きに基づいて、ＸＹＺフレームにおいて先端８の位置を特定するための磁性物体１４及び装置１６を有する。図１では、垂直な波線は、装置１６の一部が示されなかったことを示す。

物体１４は、少なくとも１つの計測可能な磁気モーメントを呈する。典型的には、それは強磁性の、又は、フェリ磁性の物質でできている。ここでは、物体１４は単一の永久磁石１５で形成される。この磁石１５は外部磁場が存在しなくても０以外の磁気モーメントを呈する。例えば、この磁石１５の保磁力は１００Ａｍ^−１又は５００Ａｍ^−１よりも大きい。磁石１５の強さは、典型的には０．０１Ａｍ^２又は０．１Ａｍ^２よりも大きい。

ここでは、磁石１５は直径がその高さよりも大きい輪の形状を有する。この磁石１５の最大寸法はこの後Ｌで示される。ここでは、それは輪の外側の直径である。

物体１４は、磁石１５の磁気モーメントが長手方向の軸７と一致するようなやり方でペン４に自由度無しで固定される。この目的のために、輪の回転軸は軸７と一致する。ここでは、輪はペンの非磁性物質の剛性の本体を取り巻いている。図１では、磁石１５の磁気モーメントの向きは矢印により示される。

先端８を物体１４の重心の正投影から隔てる最短距離は、ここでは“ａ”で示される。

装置１６は支持前面２２及び後面２４を呈する平板２０を有する。この平板は典型的にはいかなる電気の、又は、電子の回路も有さない。それは例えば物質の単一の塊から製造される。

面２２は水平方向に広がる。補助具６の下面１２は面２２上に直接置かれる。面２２の表面は十分に大きく、書くこと又は描くことを可能にする。典型的には、それは２０又は１００ｃｍ^２よりも大きい。

平板２０は非磁性の剛性の物質でできている。例えば、平板２０のヤング率は２５℃で２又は１０又は５０ＧＰａよりも大きい。その上、その厚さは、補助具６上でペン４を用いて書くときに、ユーザの手により掛かる圧力で曲がらないために、十分である。例えば、平板２０は厚さが１ｍｍ又は４ｍｍよりも大きいガラス板である。

装置１６はＮ個の３軸磁力計Ｍｉｊのネットワークを有する。このネットワークはＸＹＺフレームにおいて物体１４の位置を特定することを可能にする。ここでは、位置を特定することは、ＸＹＺフレームでの物体１４の位置ｘ，ｙ，ｚを決定すること、及び、またＸＹＺフレームの方向Ｘ，Ｙ及びＺに関して物体１４の向きを決定することを意味すると理解される。例えば、物体１４の向きは、フレームの軸Ｘ，Ｙ及びＺに関してそれぞれ物体１４の磁気モーメントの角度Θｘ，Θｙ及びΘｚにより示される。

典型的には、Ｎは５よりも大きく、好ましくは、１６又は３２よりも大きい。ここでは、Ｎは６４以上である。

この実施の形態では、磁力計Ｍｉｊは行及び列に整列されてマトリックスを形成する。ここでは、このマトリックスは８行８列を有する。指数ｉ及びｊは磁力計Ｍｉｊが設置される交点での、このマトリックスの行及び列をそれぞれ特定する。図１では、行ｉの磁力計Ｍｉ１，Ｍｉ２，Ｍｉ３，Ｍｉ４及びＭｉ８だけが見られ得る。磁力計Ｍｉｊのお互いに関する位置は、図２を参照してより詳細に記述される。

各磁力計Ｍｉｊは、他の磁力計に対して自由度無しで固定される。この目的のために、磁力計Ｍｉｊは、平板２０の後面２２に自由度無しで固定される。

各磁力計Ｍｉｊは物体１４により生成された磁界の向き及び強度を計測する。したがって、各磁力計Ｍｉｊは、この磁力計の３つの計測軸上のこの磁力計Ｍｉｊの水準で物体１４により生成される磁界の正投影のノルムを計測する。ここでは、これらの３つの計測軸はお互いに直交する。例えば、磁力計Ｍｉｊのそれぞれについての計測軸は、フレームの方向Ｘ，Ｙ及びＺとそれぞれ平行である。磁力計Ｍｉｊの感度は、例えば、１０^−６又はＴ１０^−７Ｔよりも小さい。

各磁力計Ｍｉｊは、情報を伝達するためのバス２８を介して処理装置３０に接続されている。

処理装置３０は、磁力計Ｍｉｊにより計測されるＸＹＺフレームにおける物体１４の位置及び向きに基づいて、補助具６上の先端８の位置を決定することができる。この目的のため、装置３０は、情報記録媒体に記録された指令を実行することができるプログラム可能な電子コンピュータ３２を有する。装置３０は、それゆえまた、図３又は６の方法のコンピュータ３２による実行のために必要な指令を含むメモリ３４を有する。特に、装置３０は、磁力計Ｍｉｊの各測定値と、ＸＹＺフレームにおける物体１４の位置及び向きとを関連付ける数学的モデルを実行する。このモデルは、拡張カルマンフィルタの形式で実行される。このモデルは典型的には電磁気学の物理的な方程式に基づいて作成される。このモデルを作成するために、物体１４は磁気双極子により近似される。この近似は、もしも物体１４と磁力計Ｍｉｊとの間の距離が２Ｌよりも大きい、好ましくは３Ｌよりも大きいならば、ほとんど誤りを導かない。ここでは、Ｌは物体１４の最大寸法である。典型的には、Ｌは２０ｃｍよりも小さく、好ましくは、１０又は５ｃｍよりも小さい。

装置３０はまた、この先端に関して決定されるさまざまな位置に基づいて、補助具６上に先端８により残される線を取得し、記憶することができる。

図２は、装置１２の磁力計Ｍｉｊの一部を示す。これらの磁力計Ｍｉｊは方向Ｘに平行な行ｉに整列される。これらの磁力計はまた方向Ｙに平行な列ｊに整列され、マトリックスを形成する。行ｉ及び列ｊは、増加する指数の順に配置される。

磁力計Ｍｉｊの中心は、行ｉと列ｊとの交点に位置される。磁力計の中心は、磁界がこの磁力計により計測される箇所に対応する。ここでは、指数ｉ及びｊは区間［１；８］に属する。

行ｉに沿って直に相互に続く２つの磁力計Ｍｉｊ及びＭｉ，ｊ＋１の中心は、距離ｄｉ，ｊ，ｊ＋１により隔てられる。同様に、まったく同一の列ｊに沿って直に相互に続く２つの磁力計Ｍｉｊ及びＭｉ＋１，ｊの中心は、距離ｄｊ，ｉ，ｉ＋１により隔てられる。

ここでは、行ｉがどれであっても、距離ｄｉ，ｊ，ｊ＋１は同じである。この距離はそのためにｄｊと表される。同様に、列ｊがどれであっても、２つの磁力計の間の距離ｄｊ，ｉ，ｉ＋１は同じである。この距離はそのためｄｉと表される。

この特別な実施の形態では、距離ｄｉ及びｄｊはどちらもｄに等しい。

・永久磁石の強さが０．５Ａｍ^２である、
・磁力計の感度が４ｘ１０^−７Ｔである、そして、
・磁力計Ｍｉｊの数が６４である
ときに、典型的には、距離ｄは１及び４ｃｍの間にある。

システム２の動作が図３の方法を参照して次に記述される。

ステップ６０では、装置１６は、前面２２に自由度無しで結合されたＸＹＺフレームにおける物体１４の位置及び向きを永久に計測する。単純化するために、このフレームの方向Ｘ及びＹは前面２２の平面に含まれると仮定する。この後、面２２に関する物体１４の、ｈ０で示される、高さは、ＸＹＺフレームにおける物体１４のｚ座標の値と等しい。

この第１の実施の形態では、先端８を物体１４から隔てる距離“ａ”及び平板２０の厚さは既知であり、メモリ３４にあらかじめ記録されていると仮定される。例えば、距離“ａ”は作成により固定され、ユーザにより計測され、そして、処理装置３０に伝達され得る。この後、面２２に関する先端８の高さｈｐは、物体１４の位置及び向きが計測される度に認識される。先端８の位置は、物体１４の磁気モーメントの方向に距離“ａ”だけシフトされた物体１４の位置と等しい。例えば、高さｈｐは次の関係式を用いて計算される。

ｈｐ ＝ ｈ０ − ａ ^＊ ｃｏｓΘ

ここでは、Θは物体１４の磁気モーメントと垂直方向Ｚとの間の角度である。角度Θ及び高さｈ０の値はステップ６０で計測される。ＸＹＺフレームにおける先端８の位置座標は、ここではｘｐ，ｙｐ及びｚｐで表される。ここでは、座標ｚｐは高さｈｐに等しい。

並行して、校正段階６２では、接触しきい値Ｓｃｐが自動的に設定される。しきい値Ｓｃｐは、補助具６との先端８の接触を検出することを可能にする。実際に、もしも高さｈｐがしきい値Ｓｃｐ以下であるならば、先端８と補助具６との接触点は存在するとみなされる。このしきい値Ｓｃｐは補助具６の厚さに依存する。

このしきい値Ｓｃｐを自動的に決定するために、ステップ６４では、高さｈｐがしきい値Ｓｃｐｍａｘよりも小さい間は、高さｈｐの計測値が、期間ΔＴのスライディングウインドに渡って連続的に記録される。しきい値Ｓｃｐｍａｘはあらかじめ決定される。典型的には、このしきい値Ｓｃｐｍａｘは十分に小さく、高さｈｐがこのしきい値よりも小さいときはユーザが筆記中である可能性が高い。しきい値Ｓｃｐｍａｘはまた十分に大きくなるように選択されており、補助具６の厚さｅのとても大きな範囲に関して、しきい値Ｓｃｐを計算することを許容する。例えば、しきい値Ｓｃｐｍａｘは１ｃｍ又は３ｃｍよりも大きい。それはまた好ましくは１５ｃｍ又は２０ｃｍよりも小さい。

好ましくは、高さｈｐの計測値が記録される度に、コンピュータ３２は同時に高さｈｐのこの計測値における推定誤差の分散値ｖｐを記録する。例えば、この分散値ｖｐは、この時点で拡張カルマンフィルタにより推定された状態の共分散行列に基づいて計算される。このように、メモリ３４に含まれるテーブルは、分散値ｖｐと高さｈｐの各計測値とを関連付ける。高さｈｐの計測値と関連付けられた分散値ｖｐは、この計測値の信頼性を示す。実際に、磁力計Ｍｉｊに関して、物体１４の位置に応じて、高さｈｐの計測値の信頼性が変わる。例えば、もしも物体１４が平板２０の端部に位置されたならば、計測値の信頼性はより低い。

期間ΔＴは、この期間に渡って記録される計測値の数が１００又は１０００よりも大きいようなものである。その上、期間ΔＴは十分に長く、少なくとも５文字の完全な単語を書く間、好ましくは、少なくとも１５又は２０文字の表現を書く間に計測される高さｈｐの値を含む。例えば、期間ΔＴは５ｓ又は１０ｓ又は３０ｓよりも長い。期間ΔＴは一般的に１分よりも短い。

図４は、いくつかの単語の表現を書いている間に、ステップ６４で記録される高さｈｐの計測された値を示す。この図４では、横軸は時間を示し、縦軸は計測され、ｃｍで表現された高さｈｐを示す。

高さｈｐは、句読点を書くために、又は、２つの単語又は２つの一筆の間にスペースを置くために、ユーザがペン４を上げたときに大きくなる。一方、先端８が補助具１０と接触しているときは、高さｈｐはほとんど変化しない。この観測は、補助具６の厚さ“ｅ”を知ることを必要としないで、先端８が補助具６と接触する高さを特定することを可能にする。

その後は、ステップ７０で、しきい値Ｓｃｐがステップ６４で記録された値に基づいて、自動的に決定される。

例えば、この目的のために、動作７２では、装置３０は記録された計測値に基づいて、高さｈｐの確率密度Ｄを作成する。この例では、密度Ｄはヒストグラム７４である（図５）。このヒストグラム７４は、いくつかの高さの範囲Ｐｋに分割された横軸を有する。これらの範囲Ｐｋは隣接し、直接連続する。指数ｋは範囲を特定する。ここでは、全ての範囲Ｐｋは同じ幅Ｉを有する。幅Ｉは、取得することが望まれる正確さに依存する。例えば、幅が１ｍｍよりも小さい一筆を描くボールペンの場合に必要とされる正確さは、一筆の太さが５ｍｍよりも大きいマーカーに関して必要とされるものと同じではない。幅Ｉはそれゆえ実験的に決定される。この幅Ｉは典型的には１ｍｍよりも小さく、好ましくは、０．５又は０．２５又は０．１ｍｍよりも小さい。例えば、ここでは、幅Ｉは０．１ｍｍに等しい。それは、一般的には０．００５ｍｍよりも大きい。

図５を簡単にするために、５つの範囲Ｐ１からＰ６だけが示される。これらの範囲Ｐ１からＰ６はそれぞれ区間［０，０．１］，［０．１，０．２］，［０．２，０．３］，［０．３，０．４］，［０．４，０．５］，［０．５，０．６］に対応する。

横軸上のダッシュ記号は、ヒストグラム７４の一部だけが図５に示されていることを示す。

各範囲Ｐｋは垂直の棒線Ｂｋと関連付けられている。この例では、縦軸に沿ったこの棒線Ｂｋの長さは、値が範囲Ｐｋ内にある高さｈｐに関して記録された計測値の数Ｎｔｋを示す。ここでは、長さは数Ｎｔｋに直に比例する。

図５では、棒線Ｂ１からＢ３の長さは０であり、それらは示されていない。

その後、動作７６で、装置３０が、増加する高さｈｐの順で横軸を走査したときに現れる、ヒストグラム７４における最初の最大値、又は、最初の急上昇を特定する。もしも棒線Ｂｋの長さが棒線Ｂｋ−１及び棒線Ｂｋ＋１の長さよりも厳格に大きいならば、最大値は範囲Ｐｋ内で現れる。ここでは、この最大値は範囲Ｐ５で現れる。この範囲はこの後Ｐｍａｘで表される。

最初の最大値は、先端８が補助具６と接触する範囲Ｐｍａｘを特定することを可能にする。

その後、動作７８では、装置３２が範囲Ｐｍａｘに含まれる１つ以上の値に応じてしきい値Ｓｃｐを選択する。例えば、ここでは、しきい値Ｓｃｐは、範囲Ｐｍａｘの上限＋εと等しくなるように選択される。ここでは、εは許容誤差である。許容誤差εは実験的に決定される。例えば、εは１ｍｍ又は０．５ｍｍ又は０．１ｍｍ又は０．０５ｍｍ又は０．００２５ｍｍ以下にここでは選択される。一般的に、確率密度が最初の急上昇を示す高さの計測値からこのように選択されたしきい値Ｓｃｐは、５ｍｍ又は１ｍｍよりも小さい。

先端８と補助具６との接触点の存在を検出するために高さｈｐ及びしきい値Ｓｃｐを使用することはロバストである。実際に、しきい値Ｓｃｐはペンの傾きに依存しておらず、それゆえに、ユーザの交代に関して、よりロバストであることを可能にする。

ここで、厚さｅの変更に動的に継続的に順応するために、段階６２はループで繰り返される。

ひとたび、しきい値Ｓｃｐが設定されると、装置３０は補助具６の面１０上にペン４により残された線を記録する段階９０に着手する。

それに応じて、ステップ９２で、装置３０は、ステップ６０で計測された物体１４の位置及び向き、及び、既知の距離“ａ”に基づいて、ＸＹＺフレームにおける先端８の位置を計算する。その上、面１０と接触しているときの先端の位置は、接触点の位置と等しい。例えば、先端８の位置は、上述のように計算される。

ステップ９４で、装置３０は先端８と面１０との接触点を検出する。それに応じて、装置３０は高さｈｐとしきい値Ｓｃｐとを比較する。接触点は、高さｈｐがしきい値Ｓｃｐよりも小さいときにもっぱら検出される。

その後、接触点が検出される度に、ステップ９６で、装置３０はこの接触点が現れたときの座標ｘｐ及びｙｐを記録する。

その後、ステップ９８で、装置３０は、補助具６と接触しているときの先端８に関する計算された位置を、例えばメモリ３４に記録する。

ステップ９２から９８はループで繰り返される。

面１０における先端８の位置の連続的な記録は、この補助具６上に先端８により残された線の記録を構成する。例えば、ここでは、補助具６と接触しているときの先端８の各位置は発生順に記録される。逆に、補助具６と接触していないときの先端８の位置は、補助具６上に残された線の一部を形成しないように記録される。

図６は、図３の方法の他の実施の形態を示す。この他の実施の形態は、段階６２が校正段階１１０で置換されたことを除いて、図３の方法と同一である。図６を簡単にするために、段階１１０だけが示されている。

最初に、ステップ１１２で、ユーザは、ペン４の先端８を面１０と接触させておき、つぎに、ペン４の反対端を移動させて、この補助具６上の先端８の位置を変更することなく、補助具６に関してペンの傾きを変更する。図７は、ステップ１１２で得られたボールペン４の２つの位置を示す。この図では、軸７はボールペン４の第１の傾きに対応し、軸７ａは第２の傾きに対応する。図７を簡単にするために、第２の傾きに関して、軸７ａだけが示される。

並行して、ステップ１１４で、コンピュータ３２は、磁力計のネットワークに基づいて計測された物体１４の位置及び向きを記録する。このように、コンピュータ１４は、先端８と補助具６の面１０との接触点を全てが指し示す、向きの扇を記録する。図７では、この接触点は参照記号Ｉｔと記載する。

以下、この明細書では、しきい値Ｓｃｐ及び距離“ａ”の計算は、図７で示された第１及び第２の傾きの場合で示される。しかしながら、以下で記述されるものは、ペン４の２よりも多い傾きの場合に容易に一般化され得る。

ステップ１１６では、装置３０は軸７及び７ａの交点Ｉｔを計算する。好ましくは、それに応じて、装置３０は軸７と７ａとの間の距離を最小にするＸＹＺフレームの点の座標を計算する。面２２に関する交点Ｉｔの高さは、ここでは平板２０の厚さを既知と仮定するので、補助具６の厚さｅの推定値を得ることを可能にする。

その後、ステップ１１８で、しきい値Ｓｃｐが厚さｅのこの推定値に基づいて計算される。例えば、しきい値Ｓｃｐは、この推定値に許容誤差を加えたものと等しくなるように選択される。許容誤差は例えば動作７８で使用されたものと同じである。

最後に、ステップ１２０で距離“ａ”が計算される。例えば、装置３０は距離“ａ”をステップ１１４で記録された位置及び向きに応じて計算する。実際に、先端８は面１０との接触しているので、距離“ａ”は磁気モーメントの向きにおいて物体１４を面１０と隔てる距離に対応する。例えば、距離“ａ”は次の関係式を用いて計算される。

ｈ０ ＝ ａ ^＊ ｃｏｓΘ ＋ ｅ

ここでは、ｈ０は面２２に関する物体１４の高さであり、Θは物体１４の磁気モーメントと垂直方向Ｚとの角度であり、“ｅ”はステップ１１６で得られた補助具６の厚さの推定値である。

角度Θと高さｈ０の値とは、ステップ１１４で生成された記録から推測される。ひとたび距離“ａ”が計算されると、それは“既知”と呼ばれる。

図８はシステムの他の実施の形態を示す。この実施の形態では、ペン４はペン１３０で置換される。ペン１３０は、それが先端１３２及び磁性物体１３４を有する事実以外はペン４と同一である。

先端８と比べて、先端１３２は軸７に関して回転対称を示さない。結果的に、補助具６上にこの先端１３２により残される線は軸７に関するそれの角度位置に依存する。例えば、先端１３２は葦ペンの先端である。

磁性物体１３４は、軸７に関して先端１３２の角度位置を決定することを可能にする。それに応じて、物体１３４は追加の永久磁石１３６を有することを除いて物体１４と同一である。磁石１３６の磁気モーメントは、磁石１５の磁気モーメントとは同一線上にない。例えば、好ましくは、それらは相互に直交する。

装置３０は物体１３４の位置及び向きを計測するために適用される。例えば、もしも必要であるならば、物体１３４は、拡張カルマンフィルタを作成するために使用されるモデルにおいて、磁気双極子により各磁石１５，１３６を近似することによりモデル化される。このシステムの動作方法は、補助具６上に先端１３２により残される線の記録を構成するために、ＸＹＺフレームにおいて先端１３２の向きが更に記録されることを除いて、図３又は６を参照して記述されたものから推論される。

図９及び１０は、筆記補助具６上にペン１３０で生成された線、及び、このシステムの実験でシステムを用いて記録された線をそれぞれ示す。

数多くの他の実施の形態が可能である。例えば、筆記補助具は段ボール又は織物であっても良い。

他の実施の形態では、筆記補助具は平板２０からなる。この場合、もしも着色された液体がペンにより置かれたならば、それは平板２０の面２２に直接置かれる。例えば、この場合、平板２２は絵画、壁又は窓である。

もしも磁力計のネットワークの表面が十分に広ければ、システム２はいくつかの磁性物体１５を同時に有し得る。この場合、これらの磁性物体のそれぞれに関して、並行して
上述された方法が適用される。これは、例えば、同じ補助具上に数名のユーザが同時に書く線を記録することを可能にする。

物体１５の位置及び／又は向きを決定するための他のアルゴリズムが可能である。例えば、米国特許第６２６９３２４号明細書で記述された手順が使用可能である。これらの手順はカルマンフィルタを必ずしも使用しない。例えば、米国特許出願公開第２００２／１７１４２７号明細書又は米国特許第６２６３２３０号明細書で記述された手順が可能である。

変形例として、磁力計の計測値は、最初に物体１５の磁気による刻印を作成するために使用される。磁気による刻印はまた用語“磁気標識”により知られる。それは物体１５に特有の１つ以上の特徴からなり、他の磁性物体からそれを見分けることを可能にする。これらの特徴は磁力計の計測値に基づいて得られる。作成された刻印はその後既知の物体の所定の磁気による刻印のデータベースと照合される。このデータベースは、各既知の物体と、例えば、磁気モーメントの値、距離“ａ”又はそのようなもののような相補的な情報とを関連付けている。もしも作成された刻印がデータベースのものの一つと対応するならば、この既知の物体と関連付けられた相補的な情報は、つぎにこの物体の位置特定を改善する又は容易にするために使用される。このように、有利な実施の形態では、磁性物体の刻印はその磁気モーメントの値であり、データベースは距離“ａ”の値を磁気モーメントの各値と関連付ける。これからは、この実施の形態では、距離“ａ”の値を符号化するのは、永久磁石の磁気モーメントの値である。

カルマンフィルタを作成するために使用される近似はまた、４次又はより高い次元の近似であり得る。すなわち、電磁気方程式が双極子近似に対応するものよりも高い次元に近似される。

磁力計のネットワークの磁力計は、必ずしも行及び列に配置されない。それらはまた他のパターンに従って配置され得る。例えば、磁力計は、平面のメッシュの各３角又は６角のメッシュセルの各頂点に配置される。

磁力計の相互に関する配置はまたランダム又は不規則であり得る。このように、ネットワークにおいて直に連続する２つの磁力計の間の距離は、直に連続する２つの磁力計の全ての組みに関して必ずしも同じではない。例えば、ネットワークの所与の領域での磁力計の密度は、他の場所よりも高くなり得る。所与の領域での密度を高くすることは、この領域での計測値の正確さを高めることを可能にできる。エッジ効果を制限するために、ネットワークの周辺に、より高い密度の領域を考えることも可能である。例えば、磁力計のネットワークは、磁力計が無い中心領域を有し得る。この場合、磁力計は、この中心領域の周辺だけで分散され、中心領域を囲い定める磁力計の細長い領域を形成する。典型的には、この細長い領域の幅は、同じ方向で計測される中心領域の幅よりも厳格に小さい。

ヒストグラム７４の最初の最大値に応じて、しきい値Ｓｃｐを自動で決定することは、異なる方法で実行され得る。例えば、しきい値Ｓｃｐを計算するために採用された範囲Ｐｍａｘの値は、範囲Ｐｍａｘの中央値であり得る。範囲Ｐｍａｘに基づいてしきい値Ｓｃｐを計算するための他の可能性が存在する。例えば、範囲Ｐｍａｘに含まれるいろいろな高さの計測値の平均を実行することが可能である。この平均では、高さの各計測値はこの高さの計測値の信頼性を示す重みにより重み付けされ得る。例えば、この重みはメモリ３４に記憶されたテーブルにおいてこの高さと関連付けられた推定誤差の分散値ｖｐの逆数に等しい。この平均を計算するために、範囲Ｐｍａｘに隣接する範囲Ｐｋに含まれる高さの計測値を考慮することも可能である。以降、許容誤差εは計算された平均値に追加され得る。

他の実施の形態では、最初の最大値は、中間の高さにおいて最も小さい幅を有する確率密度の最大値であるとして特定される。実際に、先端と筆記補助具との接触だけが、高さｈｐの分散の強度を十分に削減することができる。

他の変形例では、ヒストグラムの各棒線Ｂｋの長さは、計測値の数Ｎｔｋに依存するだけではなく、加えて、計測値の信頼性を示す重みにも依存する。この目的のために、各棒線Ｂｋの長さは、例えば、範囲Ｐｋに含まれる各高さの計測値と関連付けられた分散値ｖｐに更に依存する。例えば、高さの計測値が範囲Ｐｋに含まれる度に、装置３０は棒線Ｂｋの長さを、高さｈｐのこの計測値と関連付けられた分散値ｖｐの逆数と等しい値により増加する。これは計測値の正確さを考慮することを可能にし、それゆえ、接触しきい値が決定される正確さを増加する。

高さｈｐの確率密度Ｄを作成するための動作７２はまた各計測値の信頼性を示す重みを考慮することにより実行され得る。例えば、装置３０は高さｈｐの各計測値ｈｐｉと、垂直位置がｈｋに等しい確率の分布値Ｐ（ｈｋ）とを関連付ける。ここでは、指数ｉは、計測値の通し番号の識別子である。例えば、もしも確率分布がガウシアンと仮定されるならば、各計測値ｈｐｉと次の関係式により定義される確率密度とを関連付ける。

Ｐ（ｈｋ） ＝ （１／（２πσｉ^２）^１／２ｅｘｐ［−（ｈｋ−μｉ）^２／２σｉ^２］

ここでは、Ｐ（ｈｋ）は高さｈｐがｈｋと等しくなる確率であり、σｉは標準偏差であり、“ｅｘｐ”は指数の数値演算であり、μｉは期待値である。

期待値μｉは計測値ｈｐｉと等しくなるように選択される。標準偏差σｉは計測値ｈｐｉと関連付けられた分散値ｖｐに基づいて計算され得る。この確率密度Ｐ（ｈｋ）は高さｈｐの計測値ｈｐｉに中心が置れている。装置３０はつぎに長時間の高さｈｐのいろいろな計測値に基づいて得られる密度Ｐ（ｈｋ）のそれぞれを合計することにより高さｈｐの確率密度Ｄを得る。その後、動作７６で使用されるのは、合計により得られたこの密度Ｄである。この手順では、計測値はそれゆえ、標準偏差が分散値ｖｐに依存する確率密度Ｐ（ｈｋ）により示される。密度Ｄに情報をこのように追加することの効果は、しきい値Ｓｃｐの決定の信頼性を高めることである。

しきい値Ｓｃｐは、記憶された計測値のヒストグラムの作成を伴うもの以外の方法により自動的に設定され得る。しかしながら、この場合でさえ、このように作成された値は、高さｈｐの確率密度の最初の最大値に依存する。例えば、しきい値Ｓｃｐを決定するための他の可能性は、スライディングウインドでのｈｐの計測値のサンプルにおいて最小値だけを探すことにある。好ましくは、許容誤差がこの最小値に追加される。許容誤差は例えば２ｃｍよりも小さく、好ましくは、５ｍｍ，１ｍｍ又は０．５ｍｍ又は実際は０．１ｍｍよりも小さい。このマージンは使用される筆記装置に依存する。フェルトペンに関しては大きなマージンを、ボールペンに関しては小さなマージンを取ることが可能である。このようにこのしきい値よりも小さい計測値は接触点を検出することに対応する。スライディングウインドに含まれるサンプル又は計測値の数は、十分に大きく、そして、２つの連続する接触点の間の期間よりも長くなくてはならない。例えば、スライディングウインドの期間は、少なくとも５ｓであり、好ましくは、１０ｓ、３０ｓ又は１ｍｉｎよりも長い。これは、実行される計測値の組み全体に対応する期間のスライディングウインドに関してさえ行われ得る。スライディングウインドで最小値を決定する他の可能性は、スライディングウインドで実行される高さの最も低い計測値Ｆを平均することにある。好ましくは、この数Ｆはスライディングウインド内部に含まれる計測値の数に応じて選択される。例えば、数Ｆはスライディングウインドに含まれる計測値の数の分数である。例えば、この分数は１／１０００と１／１０との間にある。図示のために、Ｆは２，１０又は５０よりも大きい。しきい値Ｓｃｐを決定するための後者の手順は雑音により感度を有しない。

その上、もしも面２２に関してペン４の傾きがいつも一定であるとみなされるならば、接触点は高さｈｐの計測値に代えて高さｈ０の計測値を使用して決定され得る。この変形例では、距離“ａ”を知ることは必要ではない。

しきい値Ｓｃｐを設定する段階は、自動的なやり方では実行されないかもしれない。例えば、しきい値Ｓｃｐは、前に記述されたように自動的に設定される代わりに、ユーザにより選択されても良い。しきい値Ｓｃｐはまた初期設定により固定され、あらかじめ記録され得る。これは補助具６の厚さがいつも同じ又は無視して良いときに可能である。例えば、平板２０の面２２に直接書く場合では、しきい値Ｓｃｐはあらかじめ記憶され、このしきい値の自動で設定する段階に着手することは必要ではない。

段階６２及び１１０は、ステップ６０で実行された物体１４又は１３４の位置及び向きの計測値で同時に実行されることは必要ではない。それどころか、これらの段階はまたステップ６０で記録されたデータに基づき、ステップ６０の後で実行され得る。

ステップ９６は異なる方法で実行され得る。例えば、座標ｘｐ，ｙｐの代わりに記録される座標は、物体の位置及び向きに基づいて生成された直線と、補助具６の面１０との交点に対応する座標ｘｉ，ｙｉである。ステップ９６での他の手順は、座標ｘｐ，ｙｐの代わりに、物体の位置及び向きに基づいて生成された直線と、面２２に平行で、しかしながら、しきい値Ｓｃｐにより上方にシフトされた平面との交点に対応する座標ｘｈ，ｙｈを記録することにある。また、座標ｘｐ，ｙｐの代わりに、ステップ９６で、３つの座標ｘｐ，ｙｐ，ｘｉ，ｙｉ及びｘｈ，ｙｈの重み付けに対応する座標ｘ，ｙを記録することも可能である。

変形例として、支持面２２は必ずしも平面ではない。例えば、それは湾曲形状又は球形状であっても良い。

他の実施の形態では、ペンは筆記補助具上に着色された液体又は固体を置かない。例えば、ペンはスタイラスペンである。しかしながら、この実施の形態でさえ、システム２はスタイラスペンの先端と筆記補助具との接触点を検出し、スタイラスペンを用いて描かれた線を記録することを可能にする。好ましくは、この場合では、システム２は、線が記録される限り、記録された線を、理想的にはリアルタイムで、例えばスクリーン上に、示すことを可能にする人−機械インターフェイスを備えている。例えば、この場合では、平板２０が、記録された線がリアルタイムで表示されるスクリーンである。

段階６２を参照して記述されたようなしきい値Ｓｃｐの自動設定は、高さｈｐを計測するためにどのようなセンサが使用されても、実行され得る。このように、この段階６２は磁力計以外のセンサを使用して実行され得る。例えば、変形例として、高さｈｐは、カメラ、及び、面２２に関してこの高さを決定することができる形状認識アルゴリズムを用いて、計測される。この場合、ペンは磁性物体を備えている必要はない。

ペンの特別な場合において上述された全てのことはまた、筆記補助具上の字消し道具の線を記録する場合に適用される。字消し道具はゴムであっても良く、又は、化学製品を置くことにより作用しても良い。ペンのように、字消し道具はまた簡単なスタイラスペンであっても良い。後者の場合には、スタイラスペンは、筆記補助具上に物理的に置かれた、着色された液体又は固体に何ら作用することなく、システム２により記録された線の一部を消すことだけを可能にする。ペンと比べて、字消し道具の先端と筆記補助具との接触は、メモリ３４において、字消し道具の先端に関して記録された位置と同様に、ペンに関して記録された位置の消去のきっかけとなる。他の実施の形態では、字消し道具の先端と筆記補助具との接触は、メモリ３４において、字消し道具の先端に関して記録された各位置に付属する所定の寸法の領域の内側に含まれるペンに関して記録された位置の消去のきっかけとなる。この字消し道具は、システム２を用いて、又は、他の、例えば従来の、システムを用いて、記録されたペンの線を消すために使用され得る。

段階６２及び１１０は、前に記述されたように相互に独立して実行され、又は、それどころか、まったく同一の校正段階で連続的に実行され得る。

Claims (10)

1. 器具の先端と筆記補助具との接触点を検出する方法であって、器具はペン及び字消し道具で構成されるグループにおいて選ばれ、この方法は器具に自由度無しで固定された磁性物体を用いて、平板の支持面に関して器具の点の高さを決定すること（９２）を含み、この支持面は筆記補助具を構成し、又は、筆記補助具を補助し、方法は、
   ・決定された高さをあらかじめ設定された接触しきい値と比較すること（９４）、及び
   ・もしも決定された高さが接触しきい値よりも小さいならば、器具の先端と筆記補助具との接触点を検出すること（９４）、及び、逆の場合には、器具の先端と筆記補助具との接触点を検出しないこと
   を含み、
   接触しきい値を自動で設定する段階（６２）を含み、この設定段階は、
   ・器具が筆記補助具上で書くために使用される時間間隔に渡って実行される器具の点の高さの全ての計測値を記録すること（６４）、及び
   ・記録された高さの計測値に応じて接触しきい値を選択すること（７８）
   を含むことを特徴とする。
2. 器具の点の高さを決定することは、支持面に関して器具の先端の高さを決定することにあり、この決定することは、
   ａ）器具の先端に関して、既知の位置において器具に自由度無しで固定された磁性物体の位置及び向きを計測すること（６０）、及び
   ｂ）磁性物体の計測された位置及び計測された向き及び器具の先端に関して磁性物体の既知の位置に基づいて、支持面に関して先端の高さを計算すること（９２）
   を含む請求項１記載の方法。
3. ・記録すること（６４）はまた記録された高さの各計測値と関連付けられた重みを記録することを含み、この重みはこの記録された高さの計測値の信頼性を示し、及び
   ・接触しきい値を選択すること（８８）は、記録された高さの計測値、及び、これらの計測値のそれぞれに関して記録された重みに応じて実行される
   請求項１または２記載の方法。
4. 接触しきい値を自動で設定する段階は、
   ・記録された計測値に基づいて、器具の点の高さの確率密度を作成すること（７２）、及び
   ・作成された確率密度が最初の最大値を呈する高さからプラス側に１ｍｍ以下離れたある値に等しい接触しきい値を選択すること（８８）、最初の最大値は増加する高さの順で確率密度の横軸を走査したときに遭遇される最初の最大値である
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 確率密度を作成することは、記録された計測値のヒストグラムを作成すること（７２）を含み、
   ・高さのいくつかの連続する範囲に切断された横軸、各範囲の幅は１ｍｍより小さい、及び
   ・各範囲と関連付けられた棒線、縦軸と平行なこの棒線の長さは、この棒線と関連付けられた高さの範囲に含まれる高さの記録された計測値の数に依存する
   請求項４記載の方法。
6. 方法は、先端に関して磁性物体の位置を自動で校正する段階（１１０）を含み、磁性物体の磁気モーメントの向きが特独のやり方で先端を通過する軸を特定するようなやり方で、この磁性物体は器具に固定されており、この方法は
   ・器具の先端と筆記補助具との接触点が存在するときに、磁性物体の計測された位置及び計測された向きを記録すること（１１４）、及び
   ・先端が筆記補助具と接触しているときに計測された、この磁性物体の位置及び向きに応じて、磁性物体に関して先端の位置を計算すること（１２０）
   を含む請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
7. 方法は、
   ・ステップａ）で、磁性物体の磁気モーメントを計測すること
   ・ステップａ）で計測された磁気モーメントに対応するあらかじめ記録された磁気モーメントをデータベースにおいて選択すること、このデータベースはあらかじめ記録された各磁気モーメントと、器具の先端に関して磁性物体の特定の位置を符号化する情報の項目とを対応付けており、
   ・ステップｂ）で、器具の先端に関して磁性物体の既知の位置を装って、データベースから選択されたあらかじめ記録された磁気モーメントと関連付けられた情報の項目により符号化された位置を使用すること
   を含む請求項２記載の方法。
8. 筆記補助具上に器具の先端により描かれた線を記録する方法であって、この器具はペン及び字消し道具で構成されるグループにおいて選ばれ、この方法は、
   ・器具に自由度無しで固定された磁性物体の位置及び向きを計測すること（６０）、
   ・磁性物体の計測された位置及び計測された向きに応じて先端の位置を計算すること（９２）、
   ・器具の先端と筆記補助具との接触点を検出すること（９４）、
   ・接触点が検出される度に、先端に関して計算された位置を記録すること（９８）、これらの計算された位置を連続して記録することは筆記補助具上に器具の先端により描かれた線の記録を形成する
   を含み、
   ・接触点の検出が、請求項１乃至７のいずれか１項に従う方法により実行され、及び
   ・接触点を検出するために使用される磁性物体が、筆記補助具上の先端の位置を決定するために使用されるものと同じであること
   を特徴とする方法。
9. 器具の先端と筆記補助具との接触点を検出するための装置であって、器具はペン及び字消し道具で構成されるグループにおいて選ばれ、この装置は、
   ・平板（２０）の支持面（２２）に関して、器具に自由度無しで固定された磁性物体の高さを計測することができる磁力計（Ｍｉｊ）のネットワーク、この支持面は筆記補助具を構成し、又は、筆記補助具を補助し、
   ・磁力計のネットワークの計測値に基づいて、平板の支持面に関して器具の点の高さを決定することができるコンピュータ（３２）、
   を含み、
   このコンピュータ（３２）は更に、
   ・決定された高さとあらかじめ設定された接触しきい値とを比較し、及び
   ・もしも決定された高さが接触しきい値よりも小さいならば、器具の先端と筆記補助具との接触点を検出し、及び、逆の場合には、器具の先端と筆記補助具との接触点を検出しない
   ようにプログラムされ、
   接触しきい値を自動で設定するようにプログラムされ、この設定は、
   ・器具が筆記補助具上で書くために使用される時間間隔に渡って実行される器具の点の高さの全ての計測値を記録すること（６４）、及び
   ・記録された高さの計測値に応じて接触しきい値を選択することを含む
   ことを特徴とする。
10. 磁力計（Ｍｉｊ）のネットワークは、支持面（２２）に自由度無しで固定されて支持面に平行な少なくとも２つの同一線上にない軸に沿って配置された３軸磁力計のネットワークであり、このネットワークはこれらの磁力計のそれぞれの間の既知の距離を維持するために自由度無しでお互いに結合されたＮ個の３軸磁力計を有し、ここではＮは５以上の整数である
    請求項９記載の装置。

Images