JPH10509541A - 遠隔ターゲットの位置感知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 遠隔ターゲットの位置を感知する装置が提供される。好ましい実施形態は、コンピュータスクリーン上のグラフィックポインタの位置を制御するのに使用される。発光ダイオードがコンピュータオペレータの頭を照射し、そして検出器のアレーが、オペレータの頭に取り付けられた逆反射器により返送される放射を検出する。信号処理手段が含まれていて、検出器の出力からオペレータの頭の位置に関する情報を導出し、そしてこれをコンピュータヘ入力するのに適した形態に変換する。

Description

【発明の詳細な説明】 遠隔ターゲットの位置感知装置発明の分野 本発明は、遠隔ターゲットの位置感知装置に係り、特に、コンピュータ産業に 関するが、これに限定されるものではない。先行技術の説明 コンピュータ産業は、製造者が競合製品に勝る利点を備えた技術革新を絶えず 求めている急速に発展する技術分野である。多くの注目を集めている１つの特定 の分野は、人間／コンピュータインターフェイス（ＨＣＩ）又は人間／機械イン ターフェイスであり、即ちコンピュータオペレータがコンピュータと通信し、デ ータ及びコマンドを入力しそして情報を受け取るための手段である。 メニュー駆動及びウインドウソフトウェアの使用は、特にこのようなソフトウ ェアをコンピュータマウス又はトラックボールに関連して使用した場合に、多く のコンピュータ関連製品に対するユーザの馴染み易さを大幅に進歩させた。これ らは、親指操作やボタンを押す操作で表面上にマウスを移動し又はトラックボー ルを操作してグラフィックポインタをコンピュータスクリーン上で移動し、表示 されたオプションから選択を行い、ソフトウェアウインドウを操作し、そして図 を描く等によってユーザがソフトウェア／ハードウェアと対話できるようにする ハンドヘルド装置である。発明の要旨 本発明は、ハンドヘルドマウスが冗長なものであり、そしてスクリーン上のポ インタがオペレータの頭の動きに応答して移動するようなシステムに特に適用さ れる。これは、キーボードを操作するように両手を解放し、例えば、タイピスト にとって特に効果的である。 オペレータの頭の動きによるカーソルの制御は、非常に人間工学的であり且つ 直観的なものである。マウスのボタンを押すのと同等のことが、キーボード上の 付加的なボタンの操作、或いは首を振る又はうなずくといった特定の頭の動きの 検出により達成できる。これは、ワイヤやバッテリやその他オペレータの邪魔に なるものを必要とせずに達成され、そして既存のマウスと同等のコストで具現化 できる。 オペレータの頭の動きを用いてスクリーン上のカーソル位置を制御する方法は 多数ある。 第１に、頭の動く速度に係わりなく、頭の動きとカーソルを厳密にロックする ことができる。これは、絶対的モードであり、以下に述べる実施形態に使用され る。 第２に、頭の位置と頭の動く速度の両方に基づくやり方で頭の動きとカーソル を結合することができる。これは、相対的モードであり、あるマウスシステムと 共に使用できる速度感知オプションである。頭が１ｃｍゆっくり動くことは、カ ーソルが１ｃｍ動くことに対応し、一方、頭が１ｃｍ速く動くと、カーソルが例 えば４ｃｍ動くことになる。このオプションは、以下に述べるシステムに使用す ることができ、そしてソフトウェア又はハードウェアで具現化できる。 第３に、カーソルは、頭の動きのみに応答して移動し、頭の絶対的な位置には 応答しないようにすることもできる。頭の絶対的な位置は、信号が存在するとき に抽出することができるが、その信号は、動きの間にのみ存在する。 本発明の多数の他の適用が考えられ、即ち、人間の目の逆反射特性を利用する ことにより、目の動きを感知して、乗物の運転者が眠りに入らないよう確保する ことができる。又、本発明は、オペレータの頭以外の物体を追跡するように用い ることもでき、即ち、手、足、又は義足の動きにより、身体障害者がソフトウェ ア駆動装置を用いて多数のタスクを行うことができ、目の動き及び頭の動きの走 査を組み合わせて凝視方向情報を抽出することができ、産業界において、不潔な 環境でのプロセス制御をハンズフリーで行うことができる。更に、本発明のシス テムを対で使用して、ターゲット上の二方向固定を得ることができ、三次元にお ける位置を確立することができる。 本発明は、物体から放出される電磁放射を使用して、その物体の位置に関する 情報を導出する。このような放射は、物体に対して固定された放射源から発生さ れてもよいし、物体から反射されてもよいし、或いは物体自体が放射源であって もよい。説明上、「物体から放出される」とは、これらの場合のいずれをも含む ものとする。 物体から放出される放射は、平面の領域を照射するのに使用される。これは、 例えば、レンズを使用してある放射を収集するか又はピンホールを使用すること により達成される。「ピンホール」とは、放射ビームが通過できる穴であり、こ のビームは、定められた境界（１つ又は複数）を有し、本発明を有効に作用させ るに充分な強度を有する。視差の作用により、照射領域の二次元位置は、ターゲ ットの角度位置に依存する。 本発明によれば、遠隔ターゲットの位置感知装置は、放射源と、入射した放射 の強度に基づく電気的出力を各々独立して発生することのできる検出素子のアレ ーと、上記検出素子の出力からターゲットの角度位置に関する情報を導出するた めの信号処理手段とを備え、更に、ターゲットに対して位置が固定された逆反射 器を備え、上記放射源は、検出素子のアレー及び逆反射器が存在する線上に実質 的に配置され、上記放射源は、上記逆反射器を照射し、その放射が検出素子のア レーに向かって逆反射されそして各検出素子に入射する放射の強度が視差の作用 によりターゲットの角度位置と共に変化するように構成される。 好ましい実施形態は、更に、上記検出素子のアレー及び放射源が存在する線上 に実質的に配置されたピンホールを備え、逆反射された放射は、このピンホール を通過した後に上記検出素子のアレーを照射する。 本発明の装置は、コンピュータスクリーン上のグラフィックポインタの位置を 制御するのに使用できる。このような実施形態において、ターゲットは、コンピ ュータオペレータの身体である。 検出素子は、ホトダイオードを含む。 放射源から放出されるものとは異なる波長の放射が上記検出素子のアレーを照 射するのを防止するためにフィルタ手段が含まれる。 放射源から放出される放射は、電磁スペクトルの可視赤外線領域であってもよ いし又は他の領域であってもよい。 本発明の装置は、放射源の出力を変調するための手段と、検出器の出力を復調 するための対応手段とを備えている。 本発明の一般的な原理は、一般に遠隔ターゲットの位置感知に適用することが できる。放射源がターゲット自体である（例えば、人体からの赤外線放射）場合 には、例えば、保安システムに適用できる受動的なシステムを考えることができ る。図面の簡単な説明 以下、添付図面を参照して、本発明を詳細に説明する。 図１は、放射源がオペレータの頭に固定された本発明の実施形態を示す図であ る。 図２は、遠隔放射源に関連して蛍光ラベルを使用し、オペレータの頭の方向か ら放出される放射を発生する本発明の実施形態の一部分を示す図である。 図３は、放射源に関連して逆反射器を使用し、オペレータの頭の方向から放出 される放射を発生する本発明の実施形態の一部分を示す図である。 図４は、検出素子の出力を処理するのに使用される電子回路を示す図である。 図５は、ターゲットの位置に関する一次元の情報を導出するのに使用される更 に別の処理回路を示す図である。 図６は、本発明とパーソナルコンピュータとの間のインターフェイスを示す図 である。好ましい実施形態の詳細な説明 図１を参照すれば、本発明の簡単な実施形態は、オペレータの頭２に取り付け られた電磁放射源１、例えば、発光ダイオードを備えている。放射源１は、例え ば、耳の後ろにはさまれたペンライトの形態をとる。放射源１からの放射は、レ ンズ３により収集され、そして前方散乱の拡散スクリーン５の照射領域４に集中 される。このスクリーンは、研磨ガラスシート又はろう紙である。 後方散乱の拡散スクリーン（例えば、白い紙のシート）も、等しく有効である ことが分かっている。この場合は、散乱光が反射され、そしてダイオード６ａ− ６ｄがスクリーン５の図示とは反対側に配置される。 コンピュータスクリーン７の付近に便利に配置された電磁放射検出素子６ａ、 ６ｂ、６ｃ及び６ｄのアレーは、照射領域４からの放射を検出する。各検出器６ ａ−６ｄの出力は、照射領域４の二次元の位置に基づく。次いで、照射領域４の 二次元の位置は、オペレータの頭２の動きにより制御される放射源１の角度位置 に基づく。 実際に、検出素子の２ｘ２のアレーが使用されるが、他の大きさのアレーでも 充分に機能する。この説明を通じて、「アレー」という用語は、１ｘ１を含む全 ての大きさのアレーを含むものとする。 放射源１により発生される放射の波長に基づいて通過帯域が決まる光学フィル タ８を含ませると、他の放射源からの放射に対して区別をすることができ、シス テムの性能を改善することができる。 通常、検出素子６ａ−６ｄは、ホトダイオードの形態をとる。他の形式の光検 出器、例えば、ホトトランジスタを使用することもできる。 検出器のアレーとは別に、ハママツホトニックスＵＫ社から入手できる装置Ｓ １３００のような位置感知検出器を用いて、照射領域４の位置に基づく電気信号 を導出することができる。 図２を参照すれば、オペレータの頭２には蛍光マーカー９が取り付けられる。 このマーカー９は、例えば、オペレータが着用する眼鏡又は他の物品に組み込ま れる。放射源１は、オペレータの頭２、特にマーカー９がその照射フィールド内 に入るように配置される。 動作中に、マーカー９は、放射源１によって照射され、そしてその蛍光体によ り、放射の放出を生じる。マーカー９からの放射は、レンズ３により収集され、 拡散スクリーン５の照射領域４に集中される。前記したように、検出素子６ａ− ６ｄは、領域４からの放射を検出し、オペレータの頭２の位置に基づく出力を発 生する。 蛍光マーカー９と、その蛍光体により発生される放射に基づいて通過帯域が決 まる光学フィルタ８とを使用することにより、とりわけ、放射源１により発生さ れてオペレータの頭２のマーカー以外の物体で反射された放射に対して弁別する ことが可能となる。 図３を参照すれば、単一の発光ダイオード（ＬＥＤ）１により放射が送られ、 ＬＥＤ１は、オペレータの頭２と検出器６ａ−６ｄのアレーとの間の線上に実質 的に位置され、そしてオペレータの頭２が照射フィールド内に入るように配置さ れる。この特定の実施形態に使用されるＬＥＤは、通常は８８０ｎｍで動作して ４０°の照射円錐角度を生じるシーメンスＳＦＨ４８７ ＧａＡｓ赤外線放射器 である。 ＬＥＤ１の出力の変調は、典型的に０から１００ｍＡまで切り換わる４ｋＨｚ 方形波駆動電流により達成される。この変調は、バックグランド照射のＤＣ及び 電源導出周波数成分に対して弁別しながらＬＥＤ１から発せられる照射を測定で きるようにするために使用される。 ＬＥＤ１の方向に放射の強力な返送を与えるためにオペレータの頭２に逆反射 器１０が取り付けられる。完全な逆反射器は、ＬＥＤ１自体によって阻止される 平行光線の狭いビームを返送する。本発明の説明上は、約２°の狭い円錐角度で ビームを返送する「不完全」な逆反射器が最も適当であり、ここでは、「逆反射 器」という用語は、本発明の動作に対して充分な返送放射を与える装置を意味す るものとする。 反射された放射の若干がＬＥＤ１を通過し、そして光学フィルタ８（オプショ ン）を通過した後に、拡散スクリーン５に入り、照射領域４を形成する。拡散ス クリーン５は、ＬＥＤ１の後方に配置され、従って、視差の作用により、照射領 域４の二次元の位置は、逆反射器１０、ひいては、オペレータの頭２の角度位置 に基づく。それ故、ホトダイオード６ａ−６ｄの各々は、オペレータの頭２の角 度位置に基づく出力を発生する。このシステムは、レンズ３を含ませることによ り返送放射を収集しそしてそれをスクリーン５上の更に集中した像へと収束する ように改善することができる。 又、スクリーン５を取り除き、逆反射器１０から返送される放射が検出器６ａ −６ｄのアレーに直接入射して、照射エリアを生じるようにすることも考えられ る。 図４を参照すれば、そこに示された回路が、図１ないし３に示された４つのホ トダイオード６ａ−６ｄの各々に対して繰り返される。 各ホトダイオード６ａ−６ｄからの信号は、電流／電圧コンバータ段１１に通 される。ここに使用される増幅器１２の好ましいものは、ダイナミックレンジの 広い低ノイズ演算増幅器である。照射放射の変調が使用される場合には、バック グランド照射による信号のＡＣ、ＤＣ及びノイズ成分に対して弁別するために、 ハイパスフィルタが使用される。その使用されるフィルタのカットオフは、これ らＡＣ、ＤＣ及びノイズ成分の除去と、変調された信号の位相シフトの回避との 間のバランスを表す。位相シフトは、各ホトダイオードからの信号を加算したと きにエラーを生じる。図３の装置に関連した４ｋＨｚの変調周波数では、２ｋＨ ｚのカットオフ周波数が使用される。 復調された信号は、段１４において整流及び積分される。 オペレータの頭の距離に対するシステムの依存性を減少するために、４つのホ トダイオード６ａ−６ｄに各々関連した４つの整流され復調された信号を加算し そしてその和で各信号を分割することにより信号の自動利得制御が達成される。 加算は、利得を制限するためにオフセット電圧を含む段１５において行われる。 個々の及び加算された信号は、各々、アナログデバイス社により供給されるＡ Ｄ５３４装置を備えた段１６へ送られ、ここで、自動利得制御が行われる。 図５を参照すれば、４つのレンジ補償された信号を合成して量（ｖ_a＋ｖ_c）− （ｖ_b＋ｖ_d）を得ることにより水平信号が導出される。但し、ｖ_a、ｖ_b等は、ホ トダイオード６ａ、６ｂ等から各々導出されたレンジ補償された信号である。 オペレータの頭の横方向移動に対するシステム応答の大きさは、出力リミッタ ／感度制御段１８において調整することができる。 図５に示したものと同様の構成を用いて、４つのレンジ補償された信号を合成 して量（ｖ_a＋ｖ_b）−（ｖ_c＋ｖ_d）を得ることにより、垂直信号が導出される。 図６を参照すれば、水平及び垂直変位を表す図５の段１８からのアナログ出力 は、各々、２チャンネルの１２ビットアナログ／デジタルコンバータ１９によっ て１２ビットデジタル値に変換される。１２ビットの使用は、各軸に４０９６の 解像度を許し、これは、各軸に約１０２４ピクセルのパーソナルコンピュータス クリーン座標に移行するのに充分である。デジタル化された水平及び垂直の変位 値は、シリアルプロトコル変換ハードウェア２０によって更に処理され、変位値 と、マウスボタンに取って代わる多数の追加入力２１（この場合は２）の状態と を合成するエンコードされたＲＳ２３２シーケンスを与える。この実施形態にお いては、これらの入力は、コンピュータキーボードに取り付けられた接点スイッ チから導出される。別の実施形態は、特定の頭の動き（例えば、うなずく又は首 を振る）に応答して従来のマウスボタンが押されたかのように動作する。 シリアルプロトコル変換ハードウェア２０は、アナログ／デジタルコンバータ 及びプログラム可能なロジックアレーを用いて構成される。しかしながら、上記 の要件を充たす他の手段も、当業者に明らかであろう。 使用するソフトウェアパッケージは、マイクロソフト社により製造されたウイ ンドウズ（登録商標）３．１であり、コンパック（登録商標）ＳＬＴパーソナル コンピュータで実行された。ウインドウズのマウスデバイスドライバソフトウェ アは、水平及び垂直変位情報と、追加入力の状態に関する情報をパーソナルコン ピュータのシリアルインターフェイス２２を経て受け入れるように変更された。 この情報は、割り込みベースで受け取られる。受け取られる各水平及び垂直のデ ータムは、最新のものであり、マウスドライバソフトウェアは、この情報を追跡 し、適当なスケール及び符号のデータムをウインドウズソフトウェアに通す。従 って、ドライバは、遠隔位置センサの座標を実際のスクリーン座標に切断する。 従来のマウスの左ボタンに対応する追加入力２１からの情報は、従来のマウス と同様に使用され、即ちコンピュータスクリーンに表示されたソフトウェアオプ ションに対して「クリック」する。他方のスイッチは、座標をスクリーンの中央 へリセットするのに使用される。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９６年１１月２１日 【補正内容】請求の範囲 １．放射源と、入射した放射の強度に基づく電気的出力を各々独立して発生する ことのできる検出素子のアレーと、上記検出素子の出力からターゲットの角度位 置に関する情報を導出する信号処理手段とを備えた遠隔ターゲットの位置感知装 置において、ターゲットに対して位置が固定された逆反射器を更に備え、上記放 射源は、検出素子のアレー及び逆反射器が存在する線上に実質的に配置され、上 記放射源は、上記逆反射器を照射し、その放射が検出素子のアレーに向かって逆 反射されそして各検出素子に入射する放射の強度が視差の作用によりターゲット の角度位置と共に変化するように構成されたことを特徴とする装置。 ２．上記検出素子のアレー及び放射源が存在する線上に実質的に配置されたピン ホールを備え、逆反射された放射は、このピンホールを通過した後に上記検出素 子のアレーを照射する請求項１に記載の装置。 ３．上記ターゲットは、コンピュータオペレータの身体の一部分であり、そして 導出された情報は、コンピュータスクリーン上のグラフィックポインタの位置を 制御するのに使用される請求項１に記載の装置。 ４．各々の上記検出素子は、ホトダイオードを含む請求項の前記いずれかに記載 の装置。 ５．放射源から放出されるものとは異なる波長の放射が上記検出素子のアレーを 照射するのを防止するためにフィルタ手段を更に備えた請求項の前記いずれかに 記載の装置。 ６．放射源から放出される放射は、電磁スペクトルの可視領域である請求項の前 記いずれかに記載の装置。 ７．放射源から放出される放射は、電磁スペクトルの赤外線領域である請求項の 前記いずれかに記載の装置。 ８．放射源の出力を変調する手段と、検出器の出力を復調する対応手段とを更に 備えた請求項の前記いずれかに記載の装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ディヴァイン ロバート ローリー スミ ス イギリス国 グラスゴー ジー42 ８エイ エイチ マウント フロリダ スタンモア ロード 25

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．コンピュータスクリーン上のグラフィックポインタの位置を制御する装置に おいて、 コンピュータオペレータの身体の一部分に対して固定された領域から放出さ れる電磁放射を発生する手段と、 上記電磁放射が照射される領域であって、その二次元の位置がコンピュータ オペレータの身体の上記部分の角度位置に基づくような領域を形成する手段と、 電磁放射を検出し、そして上記照射領域の位置に基づく電気的出力を発生す る手段と、 上記電気的出力からオペレータの身体の上記部分の角度位置に関する情報を 導出する信号処理手段と、 を備えたことを特徴とする装置。 ２．上記電磁放射は、コンピュータオペレータの頭に対して固定された領域から 放出される請求項１に記載の装置。 ３．オペレータの頭に固定された蛍光又は燐光ラベルを更に含む請求項２に記載 の装置。 ４．上記放射源は、オペレータの頭と検出素子のアレーとの間の線上に実質的に 配置され、そしてオペレータの頭に対して逆反射器が固定される請求項２に記載 の装置。 ５．電磁放射を検出し、そして照射領域の位置に基づく電気的出力を発生する上 記手段は、位置感知検出器を含む請求項４に記載の装置。 ６．電磁放射を検出し、そして照射領域の位置に基づく電気的出力を発生する上 記手段は、電磁放射検出素子のアレーを含み、その各々は、そこに入射する放射 の強度に基づく出力を発生する請求項４に記載の装置。 ７．オペレータの頭に対して固定された領域から放出されるものとは異なる波長 の放射を阻止するためのフィルタ手段を更に備えた請求項６に記載の装置。 ８．電磁放射は、電磁スペクトルの可視領域である請求項７に記載の装置。 ９．電磁放射は、電磁スペクトルの赤外線領域である請求項７に記載の装置。 10．上記電磁放射源は、発光ダイオードである請求項９に記載の装置。 11．各検出素子は、ホトダイオードを含む請求項１０に記載の装置。 12．散乱拡散スクリーンと光学レンズとを更に備え、これらは、オペレータの頭 の方向から放出される放射がレンズによって収集されて拡散スクリーン上の領域 に集中されるように配置される請求項１１に記載の装置。 13．上記放射源の出力を変調する手段と、検出器の出力復調する対応手段とを更 に備えた請求項１２に記載の装置。 14．遠隔ターゲットの位置を感知する装置において、 ターゲットに対し固定された領域から放出される電磁放射を発生する手段と 、 上記電磁放射が照射される領域であって、その二次元の位置がターゲットの 角度位置に基づくような領域を形成する手段と、 電磁放射を検出し、そして上記照射領域の位置に基づく電気的出力を発生す る手段と、 ターゲットの角度位置に関する情報を導出する信号処理手段と、 を備えたことを特徴とする装置。