JP6417939B2 - 手書きシステム及びプログラム - Google Patents
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Description
この電子黒板において、指示具から発光(放射)される光を、電子黒板の周辺(例えば、電子黒板の両隅2箇所)に設置した受光センサで検知し、三角測量により指示具の座標を検知する技術が知られている。
但し、特許文献1に記載の入力システムでは、画像情報のみに基づいて予測処理を実行することから、指示具の座標を検知する精度が低くなるという問題がある。
図1は、本発明の実施形態に係る手書きシステム1の概略ブロック図である。
図1の手書きシステム1は、図示のように、主にコンピュータ10、ディスプレイ20、指示具30、及びディスプレイ20の各隅に設置される受光センサ40(40a〜40d)から構成される。
また、コンピュータ10には、付加的な要素として、PC(Personal Computer)60が接続される。
なお、図1の50(50a〜50d)は、周辺発光部である。
例えば、ユーザが、ディスプレイ20に表示したメニュー画面から「線の描画」を選択し、発光部を有する電子ペン等の指示具30でディスプレイ20に図形を描画した場合、コンピュータ10は、指示具30の発光部から放射される光(即ち、受光センサ40からの信号)に基づいて、指示具30がディスプレイ20に接触している位置をリアルタイムで解析し、その解析結果から時系列で座標位置を算出する。
その後に、コンピュータ10は、時系列で生成した座標位置を線分で結線し、ディスプレイ20に表示するように制御する。
ここで、ストロークとは、指示具30の座標が検出されてから、検出が終了するまでの連続したフレームに対応する指示具30の座標の集合のことである。
なお、図1では、PC60から映像データ(即ち、太陽及び山を被写対象とする映像データ)が出力されていることから、コンピュータ10は、ディスプレイ20に、その映像データを重畳して表示するように制御している。
ディスプレイ20は、ユーザにより手書き入力された文字、図形等、及びPC60から出力される映像データ等を表示するための表示装置である。
また、詳細は図3において後述するが、手書きシステム1の指示具30は、筆圧計測部、加速度計測部及び計測情報送信部を備え、計測した筆圧及び加速度に関する情報を、計測情報送信部よりコンピュータ10に送信する。
コンピュータ10は、指示具30と受光センサ40の間に遮蔽が発生した場合に、指示具30の計測情報送信部より送信された計測情報に基づき、文字、図形等の座標を予測し、補正する。
受光センサ40は、受光素子を備え、例えば、図1に示すように矩形のディスプレイ20を囲む4隅部に配置されており、指示具30から発光(放射)される光を検知する。
コンピュータ10は、情報処理装置であり、図2に示すように、アドレスバス、データバス等のバスラインを介して電気的に接続される、CPU(Central Processing Unit)101、ROM(Read Only Memory)102、RAM(Random Access Memory)103、SSD(Solid State Drive)104、ネットワークコントローラ105、外部記憶コントローラ106、キャプチャデバイス107、GPU(Graphics Processing Unit)108、ディスプレイコントローラ109、センサコントローラ110、指示具コントローラ111、及びアプリケーション112を備える。
ROM102は、起動時にCPU101が実行するプログラム(IPL(Initial Program Loader)等)を記憶する。
RAM103は、CPU101がアプリケーション112を実行する際のワークエリアとして使用される。
ネットワークコントローラ105は、ネットワークを介してサーバ等と通信する際に通信プロトコルに基づく処理を実行する。
ここで、ネットワークとは、例えば、LAN(Local Area Network)又は複数のLANが接続されたWAN(Wide Area Network)等である。
なお、着脱可能な外部メモリ113として、例えば、USB(Universal Serial Bus)メモリ、SDカード等を使用することができる。
GPU108は、ディスプレイ20の各ピクセルの画素値を演算するグラフィック用のプロセッサである。
ディスプレイコントローラ109は、GPU108が生成した画像をディスプレイ20に出力する。
センサコントローラ110は、受光センサ40と接続され、指示具30の発光部から放射される光に基づき三角測量方式による座標の算出を実行する。
なお、CPU101は、アプリケーション112を、外部メモリ113から読み出すことで、またネットワークコントローラ105により所定のサーバからダウンロードすることで、実行することができる。また、アプリケーション112は、外部メモリ等において、圧縮された状態で記憶させておいてもよい。
指示具30は、図3に示すように、筆圧計測部301、加速度計測部302、及び計測した筆圧及び加速度に関する情報をコンピュータ10に送信する計測情報送信部303を備える。
加速度計測部302は、主に加速度センサ等で構成され、指示具30の先端部における加速度を計測する。
計測情報送信部303は、筆圧計測部301により計測された筆圧及び加速度計測部302により計測された加速度に関する情報(即ち、計測情報)を、前述のように、例えば、Bluetooth(登録商標)等の通信規格に準拠させて、コンピュータ10の計測情報受信部151(図4)に送信する。
コンピュータ10は、図4に示すように、計測情報受信部151、筆圧変化量算出部152、加速度変化量算出部153、座標算出部154、フレーム判定部155、遮蔽判定部156、座標予測部157、座標補正部158、遮蔽距離算出部159、遮蔽時間計測部160、及び表示制御部161を備える。
筆圧変化量算出部152は、計測情報受信部151(筆圧情報受信部)により受信された筆圧情報に基づき、筆圧の時間変化量を算出する。
また、加速度変化量算出部153は、計測情報受信部151(加速度情報受信部)により受信された加速度情報に基づき、加速度の時間変化量を算出する。
フレーム判定部155は、遮蔽判定処理の対象とするフレームを判定する。
遮蔽判定部156は、指示具30と受光センサ40の間に遮蔽が発生しているか否かを判定する。
また、座標予測部157は、座標算出部154により算出した座標の時間変化から、描画方向を特定する描画方向特定手段としても機能する。
遮蔽距離算出部159は、遮蔽判定部156により遮蔽が生じていると判定した部分の座標間距離(長さ)を算出する。
遮蔽時間計測部160は、遮蔽が発生してから1ストロークが終了するまでの時間を計測する。
表示制御部161は、座標補正部158により補正された座標に基づき、文字、図形等に関するデータを生成し、ディスプレイ20に表示するように制御する。
ユーザがディスプレイ20に文字、図形等を描画すると、受光センサ40aは画像OLを、また受光センサ40bは画像ORを取得する(S101)。
なお、受光センサ40により取得される画像は、1次元であっても、2次元であってもよい。
具体的には、座標算出部154は、ラベリング処理により画像から発光領域を切り出し、その発光領域の重心の位置(即ち、高輝度な箇所の重心の位置)、及びその重心の数を特徴量として算出する。
ここで、発光領域の重心の位置は、ステップS103において後述するように座標算出部154における角度の算出処理に、また発光領域の重心の数はステップS106において後述するように遮蔽判定部156における遮蔽判定処理で用いられる。
なお、本実施形態に係る手書きシステムでは、発光方式の指示具30を使用しているが、光遮断方式の指示具を使用する場合には、ラベリング処理により画像から遮断領域を切り出し、その遮断領域の重心の位置(即ち、低輝度な箇所の重心の位置)、及びその重心の数を特徴量として算出する。
具体的には、座標算出部154は、画像の全画角内における重心の位置と角度を示す参照用テーブルを予め作成し、その参照用テーブルを参照することで、角度θL及び角度θRを算出する。
座標の算出には、公知の三角測量を用いればよい。
フレーム判定部155は、受光センサ40により取得された画像OL及び画像ORが遮蔽判定の対象となる画像(フレーム)であるか否かを判定する(S105)。
なお、フレーム判定部155におけるフレーム判定処理(S105)は、図6を用いて後述する。
遮蔽判定部156は、遮蔽が有ると最初に判定したときに、それまでに算出した座標をRAM103に記憶する。
なお、遮蔽判定部156における遮蔽判定処理(S106)は、図7を用いて後述する。
筆圧変化量算出部152は、計測情報受信部151により受信(取得)した筆圧情報に基づき、筆圧の時間変化量を算出する(S108)。
加速度変化量算出部153は、計測情報受信部151により受信(取得)した加速度情報に基づき、加速度の時間変化量を算出する(S110)。
なお、筆圧情報を取得してから筆圧の時間変化量を算出するまでの処理(S107、S108)と、加速度情報を取得してから加速度の時間変化量を算出するまでの処理(S109、S110)に関して、実行する順序の先後は問わず、また同時に実行してもよい。
表示制御部161は、座標補正部158により補正した座標に基づき、ディスプレイ20上に文字、図形等を表示させる(S113)。
なお、座標予測部157におけるステップS111の処理、また座標補正部158におけるステップS112の処理は、図8から図14を用いて後述する。
フレーム判定部155は、受光センサ40から出力される各フレームのフレーム番号Nが1より大きいか否かを判定する(S201)。
フレーム判定部155は、フレーム番号Nが1より大きければ遮蔽判定処理(図7)に移行させ、それ以外の場合(即ち、フレーム番号N=1)であれば、フレームの判定処理を終了する。
遮蔽判定部156は、受光センサ40aにより取得したフレーム番号Nの画像OLNの重心の数と、受光センサ40bにより取得したフレーム番号Nの画像ORNの重心の数を比較する(S301)。
ここで、遮蔽判定部156は、画像OLNの重心の数と画像ORNの重心の数が等しくない場合、重心の数が少ない画像の受光センサ40と指示具30の間に、遮蔽が生じていると判定する。また、逆に、遮蔽判定部は、画像OLNの重心の数と画像ORNの重心の数が等しい場合、受光センサ40と指示具30の間に、遮蔽は生じていないと判定する。
また、遮蔽判定部156は、重心の数を比較した結果、重心の数が等しいと判定すると(即ち、遮蔽が無いと判定すると)(S301 No(遮蔽無し))、座標の予測及び補正処理(図8)に処理を移行させる。
ここで、遮蔽が無い場合であっても、座標の予測及び補正処理に移行させる理由は、遮蔽が無いと判定される画像の直前までの画像の取得時に遮蔽が生じている場合があり、その場合、遮蔽前後の画像から指示具30の座標を予測し、補正する必要があるからである。
遮蔽判定部156は、座標を保存した後に、遮蔽回数をインクリメントする(S304)。
また、遮蔽判定部156は、ステップS302において遮蔽回数が0ではないと判定すると(S302 No)、遮蔽回数をインクリメントして(S305)、座標の予測及び補正処理(図8)に処理を移行させる。
座標予測部157は、遮蔽回数が「0」であるか否かを判定し(S401)、遮蔽回数が「0」ではない場合に(S401 Yes)、座標の予測及び補正に関する処理を開始する。
なお、座標予測部157は、遮蔽回数が「0」である場合、指示具30の座標の予測処理を実行することなく、表示制御部161の表示処理に処理を移行させる。
座標予測部157は、1ストロークが終了するまで(S402 Yes)、筆圧情報を監視する。
なお、座標予測部157は、筆圧情報が所定の値から「0」になると、1ストロークが終了したものと判定する。
座標予測部157は、1ストロークが遮蔽されていない状態で終了したものと判定すると(即ち、1ストロークの途中に遮蔽が生じたものと判定すると)(S403 No)、遮蔽前後の画像から指示具30の座標位置を予測する(S404)。
表示制御部161は、補正された指示具30の座標に基づき、遮蔽発生時における文字、図形等の一部をマーキングして表示する(S406)。
表示制御部161は、遮蔽部分の座標間距離が所定の閾値よりも大きいと判定すると(S407 Yes)、マーキング内容に問題がないか否かに関して、ユーザに対して確認画面を表示する(S408)。
また、ユーザが表示された確認画面において「NG」を選択すると(S409 「NG」)、表示制御部161は、マーキング内容を消去し、ユーザに再度、筆記するように指示する(S410)。
遮蔽判定部156は、表示制御部161によりマーキング内容を消去すると(S410)、遮蔽回数を「0」にリセットする(S411)。
表示制御部161は、補正された指示具30の座標に基づき、遮蔽発生時における文字、図形等の一部をマーキングして表示する(S414)。
表示制御部161は、遮蔽時間が所定の閾値よりも長いと判定すると(S415 Yes)、マーキング内容に問題がないか否かに関して、ユーザに対して確認画面を表示する(S416)。
また、ユーザが表示された確認画面において「NG」を選択すると(S417 「NG」)、表示制御部161は、マーキング内容を消去し、ユーザに再度、筆記するように指示する(S418)。
遮蔽判定部156は、表示制御部161によりマーキング内容を消去すると(S418)、遮蔽回数を「0」にリセットする(S419)。
即ち、1ストロークの途中に遮蔽が生じた場合に、指示具30の座標を予測及び補正する場合を例示しており、図8のステップS404からステップS411までの処理に該当する。
図9において、遮蔽が生じている箇所を点線部分で、また遮蔽が生じたことで一時的に記憶する、指示具30の座標位置を四角で囲むことにより示している。
具体的には、遮蔽発生時の指示具30の座標を、遮蔽が開始されたときに記憶した指示具30の座標と遮蔽が無くなったときに算出される指示具30の座標(即ち、遮蔽前後の指示具30の座標)から、n次の多項式を用いた最小二乗法で予測し、補正する。
なお、この処理は、図8のステップS412からステップS419までの処理に該当する。
図10において、図10Aは指示具30の座標の予測及び補正処理を実行する前、図10Bは指示具30の座標の予測及び補正処理を実行した後を示している。
また、図10Aでは、図9と同様に、遮蔽が生じている箇所を点線部分で、また遮蔽が生じたことで一時的に記憶する、指示具30の座標位置を四角で囲むことにより示している。
ここで、座標予測部157は、事前にSSD104等に保持している筆圧及び加速度の時間変化量と、筆圧変化量算出部152により算出した筆圧の時間変化量及び加速度変化量算出部153により算出した加速度の時間変化量とを照合することにより、指示具30の座標位置を予測する。
「とめ」を筆記する場合、図10Bに示すように、終点において指示具30を停止させることから、筆圧は終点にかけて上昇又は維持され、また加速度は終点にかけて低下又は維持されることになる。
「はね」を筆記する場合、図10Bに示すように、途中点(即ち、はねる直前)において指示具30を一時的に停止させ、そこから終点にかけてはねる必要があることから、筆圧は途中点まで上昇又は維持され、その後に低下することとなる。また、加速度は途中点まで低下又は維持され、その後に上昇することとなる。
「はらい」を筆記する場合、図10Bに示すように、終点にかけてはらう必要があることから、筆圧は終点にかけて低下し、また加速度は終点にかけて上昇することとなる。
次に、上記で説明した終筆、即ち「とめ」、「はね」、「はらい」の筆記上の特徴に関して、図11を用いて筆圧の時間変化量を、また図12を用いて加速度の時間変化量をグラフ化して説明する。
図11では、「とめ」、「はね」及び「はらい」に関する筆圧の時間変化量を示している。
図11において、横軸に時間、また縦軸に筆圧を示している。
「はね」の場合、図11Bに示すように、筆圧は途中点まで上昇又はある程度維持され、その後に低下することとなる。
「はらい」の場合、図11Cに示すように、筆圧は時間の経過に伴って低下することとなる。
図12では、「とめ」、「はね」及び「はらい」に関する加速度の時間変化量を示している。
図12において、横軸に時間、また縦軸に加速度を示している。
「はね」の場合、図12Bに示すように、加速度は途中点まで低下又は維持され、その後に上昇する。
「はらい」の場合、図12Cに示すように、加速度は上昇する。
なお、終筆の「とめ」、「はね」に関して、筆圧及び加速度の時間変化量は途中まで同様の特徴を有するが、その後に相違するため、座標予測部157は、「とめ」、「はね」を判別(予測)することができる。
また、座標予測部157は、筆圧及び加速度の時間変化量から指示具30の座標を予測する上で、図11、図12に示すグラフの傾きを利用することができ、その傾きに所定の閾値を設定することもできる。
例えば、座標予測部157は、加速度の時間変化量の傾きが所定の範囲(閾値)内で上昇しているときに、「はらい」と判定する。
図13は、筆圧及び加速度の時間変化量に基づく、終筆の判定(座標の予測)及び座標の補正について説明する図である。
この場合、座標補正部は、「とめ」の筆記上の特徴を踏まえ、太く(筆圧をある程度高くして)、短く補正する。
座標予測部は158、筆圧が途中点まで上昇又は維持され、その後に低下し、また加速度が途中点まで低下又は維持され、その後に上昇する場合に、「はね」と判定する。
この場合、座用補正部は、「はね」の筆記上の特徴を踏まえ、途中点まで太く(筆圧をある程度高くして)、短く、終点まで細く(筆圧をある程度低くして)、長く補正する。
座標予測部は、筆圧が終点にかけて低下し、また加速度が上昇する場合に、「はらい」と判定する。
この場合、座標補正部は、「はらい」の筆記上の特徴を踏まえ、細く(筆圧を低くして)、長く補正する。
また、本発明の実施形態に係る手書きシステムでは、加速度センサとして、加速度の方向を計測しない(即ち、スカラー量のみ計測する)安価なものを実装することを想定している。
この場合、座標予測部158は、指示具30の筆圧及び加速度の時間変化量より、「とめ」、「はらい」に関しては問題なく指示具30の座標を予測することができるが、「はね」に関しては、どの方向にはねているのか予測することができない。
そこで、「はね」に関して、図14を用いて、どの方向にはねているのか予測する方法を説明する。
「はね」には、図14に示すように、以下の特性がある。
図14Aは、左下方向に描画され、その後に「はね」動作に入る場合を示しており、左上方向にはねる。
図14Bは、真下方向に描画され、その後に「はね」動作に入る場合を示しており、左上方向にはねる。
図14Cは、右下方向に描画され、その後に「はね」動作に入る場合を示しており、右上方向にはねる。
図14Dは、真横方向に描画され、その後に「はね」動作に入る場合を示しており、真上方向にはねる。
座標予測の具体的な処理として、線形予測フィルタ等の処理速度に負荷がかからない程度の軽い処理を選択することも可能であり、指示具30の筆圧及び加速度の時間変化量、並びに描画方向を入力し、予め用紙したテーブル等を参照することで、補正する文字の長さ、太さ、はねる方向を一意に決定する。
この場合、記録媒体から読み出されたプログラムコード自体が指示具と受光センサ付の電子黒板等を備えた手書きシステムの機能を実現することになり、そのプログラムコード又はそのプログラムを記憶した記録媒体は本発明を構成することになる。
プログラムコードを供給するための記録媒体としては、FD(Floppy Disk)、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、CD−ROM、CD−R、磁気テープ、不揮発性のメモリ、ROMなどの光記録媒体、磁気記録媒体、光磁気記録媒体、半導体記録媒体を使用することができる。
また、記録媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるCPU等が実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって前述の画像表示システムの機能が実現される場合も含まれることは言うまでもない。
Claims (7)
- 電子黒板と、前記電子黒板に文字又は図形を入力する発光方式の入力装置である指示具と、前記指示具から発光される光を受光する2個以上の受光センサと、前記受光センサで検知した受光情報に基づき指示具の座標を算出する座標算出手段と、前記指示具と前記受光センサの間に遮蔽が発生しているか否かを判定する遮蔽判定手段と、前記座標算出手段で算出した座標に基づき、前記指示具で入力された文字又は図形を前記電子黒板に表示するように制御する表示制御手段と、を有する手書きシステムであって、
前記指示具の筆圧を計測する筆圧計測手段と、
前記指示具の加速度を計測する加速度計測手段と、
前記筆圧計測手段により計測した筆圧の時間変化量を算出する筆圧変化量算出手段と、
前記加速度計測手段により計測した加速度の時間変化量を算出する加速度変化量算出手段と、
前記遮蔽判定手段により遮蔽が発生していると判定したときに、前記筆圧変化量算出手段により算出した筆圧の時間変化量及び前記加速度変化量算出手段により算出した加速度の時間変化量から、前記指示具の座標位置を予測する座標予測手段と、
前記座標予測手段により予測した座標に基づき、前記指示具の座標位置を補正する座標補正手段と、
を有する手書きシステム。 - 請求項1に記載された手書きシステムにおいて、
前記電子黒板に、前記指示具で所定の文字又は図形を筆記したときの筆圧及び加速度の時間変化量を、文字又は図形毎に記憶する記憶手段を有し、
前記座標予測手段が、前記記憶手段に記憶した筆圧及び加速度の時間変化量と、前記筆圧変化量算出手段により算出した筆圧の時間変化量及び前記加速度変化量算出手段により算出した加速度の時間変化量とを照合することで、前記指示具の座標位置を予測する手書きシステム。 - 請求項2に記載された手書きシステムにおいて、
前記座標予測手段が、前記記憶手段に記憶した筆圧及び加速度の時間変化量に所定の範囲を設定し、前記筆圧変化量算出手段により算出した筆圧の時間変化量及び前記加速度変化量算出手段により算出した加速度の時間変化量が前記所定の範囲以内にあるか否かを判定することで、前記指示具の座標位置を予測する手書きシステム。 - 請求項3に記載された手書きシステムにおいて、
前記記憶手段に記憶する、筆圧及び加速度の時間変化量を、ユーザ毎に設定可能な手書きシステム。 - 請求項1ないし4のいずれかに記載された手書きシステムにおいて、
前記座標算出手段により算出された座標の時間変化から、指示具の描画方向を特定する描画方向特定手段を有し、
前記座標予測手段が、前記描画方向特定手段により特定された指示具の描画方向から、前記指示具の座標位置を予測する手書きシステム。 - 請求項5に記載された手書きシステムにおいて、
前記描画方向特定手段が前記指示具の描画方向を少なくとも2つ以上の方向に特定する手書きシステム。 - コンピュータを、請求項1に記載された手書きシステムの各手段として機能させるためのプログラム。
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