KR102184243B1 - Imu 센서를 이용한 손가락 동작 기반 인터페이스 제어 시스템 - Google Patents

Imu 센서를 이용한 손가락 동작 기반 인터페이스 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

본 명세서의 실시예에 따른 IMU 센서를 이용한 손가락 동작 기반 인터페이스 제어 시스템은, 사용자의 손가락(손톱)에 부착되며 IMU 센서를 구비하는 웨어러블 장치; 상기 웨어러블 장치로부터 수신한 데이터를 처리하는 프로세서; 및 상기 프로세서에 의해 처리된 데이터를 출력하는 디스플레이 장치를 포함하되, 상기 프로세서는, 손가락에 부착된 IMU 센서를 이용하여 제1 동작을 인식함으로써, 손가락과 접촉면의 접촉을 인식하는 단계; 상기 IMU 센서를 이용하여 제2 동작을 인식함으로써, 손가락이 접촉한 접촉면의 경사 값을 계산하는 단계; 상기 IMU 센서를 이용하여 제3 동작을 인식함으로써, 손가락 동작 범위를 계산하는 단계; 상기 접촉면의 경사 값과 손가락 동작 범위에 기초하여, 손가락이 동작하는 실제 좌표계를 가상 좌표계에 매칭하는 단계; 및 상기 IMU 센서를 이용하여 미리 정의된 동작들을 인식함으로써 인터페이스를 제어하는 단계를 수행하도록 구성된다. 이에 따르면, 손가락을 움직이는 것만으로 가상객체를 선택, 이동, 회전시키는 조작을 수행할 수 있으므로, 장기간 이용에도 피로가 없고 좁은 공간이나 공공장소에서도 용이하게 이용할 수 있다.

Description

IMU 센서를 이용한 손가락 동작 기반 인터페이스 제어 시스템{SYSTEM FOR CONTROLLING INTERFACE BASED ON FINGER GESTURES USING IMU SENSOR}
본 발명은 인터페이스 제어 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 사용자의 손가락(손톱)에 부착된 IMU 센서를 이용하여 손가락의 움직임과 동작을 인식하고, 이에 대응되는 명령을 수행함으로써 가상객체를 조작할 수 있는 시스템에 관한 것이다.
몰입 가상 환경이란 컴퓨터 상의 가상공간의 가상 객체들과 인간의 다양한 감각들이 서로 상호 작용할 수 있는 공간을 의미한다. 최근 몰입 가상 환경을 제공해 주는 Head Mounted Display (HMD) 디바이스가 보급화 되면서 여러 가상 객체들과 상호작용하는 방법이 중요한 이슈가 되고 있다. 몰입 가상 환경에서 가상 객체와 상호작용하기 위해서 가장 중요한 부분은 사용자가 가상 객체를 정확하고 빠르게 선택할 수 있어야 하고 이를 위해서 많은 연구들이 이루어졌다.
가상 현실 환경에서 사용자는 키보드, 마우스, 조이스틱 등의 기존 입력장치를 이용하거나 터치, 음성 인식, 시선 추적 및 손 동작 인식 등을 통해 가상 객체 또는 가상 메뉴 등을 선택할 수 있다. 그러나 HMD 장치와 같이 사용자의 머리에 착용하여 눈 앞에 디스플레이 장치를 출력하는 경우, 기존의 키보드, 마우스, 조이스틱 등의 입력장치는 불편한 점이 많기에 별도의 직관적인 조작 디바이스를 이용하거나, 깊이 카메라를 이용하여 손 동작을 인식함으로써 가상객체와의 상호작용을 수행하는 방식이 개발되고 있다.
HMD 장치에서 구현되는 가상 현실 환경에서 가상 객체를 선택하기 위한 종래의 기술에는 다음과 같은 것들이 있다.
- 완드 디바이스: 터치패드와 조작버튼이 탑재된 완드를 이용하여 가상객체를 조작할 수 있다. 그러나 사용자가 완드를 항상 소지해야 하고 완드의 동작 범위가 넓어 좁은 공간 등에서 이용에 제약이 따른다.
- 터치 디바이스: HMD 장치의 측면에 부착된 터치패드를 이용하여 가상객체를 조작할 수 있다. 그러나 터치패드 조작을 위해서는 사용자가 HMD 높이까지 손을 올린 채 동작해야 하므로 오랜 작업 시 피로감이 누적된다.
- 손 동작 인식을 위한 깊이 카메라: 외부에 설치된 깊이 카메라를 이용하여 사용자의 손 동작을 인식하고 이에 대응되는 커서(cursor)나 가상의 손을 이용하여 가상객체를 조작하는 방식이다. 별도의 디바이스를 이용하는 경우보다 인식률이 떨어질 수 있고, 인식률을 높이기 위해서는 손 동작을 크고 정확하게 수행해야 하므로 오랜 작업 시 피로감이 누적된다.
- 웨어러블 디바이스: 손에 착용 가능한 장갑 형태의 센서를 이용하여 가상객체를 조작하는 방식으로서, 손 동작만으로 제어할 수 있다는 점에서 직관적이라는 장점이 있으나 사용자가 손을 공중에 띄운 채 조작해야 하고 손 동작을 지속해야 하므로 장기간 작업 시 피로감이 누적된다.
상기한 가상객체 조작 방식들은 사용자가 별도의 디바이스를 소지해야 하거나 손을 위로 올려서 크게 동작해야 하는 등 공간상의 제약이 있고 눈에 띄기 쉬워 공공 장소에서 장기간 사용하기에는 무리가 있다.
최근에는 센서와 프로세서 등 전자 디바이스의 소형화에 힘입어 손가락에 센서를 부착하고 손가락 동작을 통해 가상객체를 조작하는 방법이 연구되고 있다. 이와 같은 방식에서는 손 동작이 아닌 손가락 동작만으로 인터페이스를 제어할 수 있으므로 장기간 이용에도 신체에 무리가 가지 않고, 공공장소에서도 다른 사람의 눈에 띄지 않고 조작을 수행할 수 있다는 장점이 있다.
그러나 손가락은 다른 신체기관보다 좁은 가동 범위를 갖고 있어 인식률이 낮고, 손목이 고정된 상태에서의 손가락의 가동 범위는 부채꼴 형태로서 HMD와 같은 직각형 디스플레이 장치에 대응되지 않으므로 손가락의 움직임을 가상객체나 커서의 조작에 직접 대응시키는데 어려움이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1473143호 대한민국 공개특허공보 제10-2016-7001428호
본 발명의 기술적 과제는 이러한 문제점을 해결하기 위해 착안된 것으로서, 사용자의 손가락(손톱)에 부착되는 IMU 센서를 이용하여 손가락 동작을 인식하고, 이에 따라 계산된 손가락이 접촉한 접촉면의 경사 값 및 손가락 동작 범위를 고려하여 실제 좌표계를 가상 좌표계에 매칭함으로써, 종래의 기술에 비해 인식률이 높고 직관적으로 가상객체를 조작할 수 있는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인터페이스 제어 시스템은, 사용자의 손가락에 부착되며 IMU 센서를 구비하는 웨어러블 장치; 상기 웨어러블 장치로부터 수신한 데이터를 처리하는 프로세서; 및 상기 프로세서에 의해 처리된 데이터를 출력하는 디스플레이 장치를 포함하되, 상기 프로세서는, 상기 IMU 센서가 측정한 회전 값을 수신하는 단계; 상기 회전 값에 기초하여 손가락 위치를 계산하는 단계; 및 상기 손가락 위치에 기초하여 손가락이 동작하는 실제 좌표계를 가상 좌표계에 매칭하는 단계를 수행함으로써, 손가락 위치를 추적하도록 구성된다.
일 실시예에서, 상기 프로세서는, 손가락에 부착된 IMU 센서를 이용하여 제1 동작을 인식함으로써, 손가락과 접촉면의 접촉을 인식하는 단계; 상기 IMU 센서를 이용하여 제2 동작을 인식함으로써, 손가락이 접촉한 접촉면의 경사 값을 계산하는 단계; 및 상기 IMU 센서를 이용하여 제3 동작을 인식함으로써, 손가락 동작 범위를 계산하는 단계를 더 수행하도록 구성된다.
일 실시예에서, 상기 프로세서는, 상기 손가락 위치를 추적하여 미리 정의된 동작들을 인식하는 단계; 및 상기 인식된 동작들에 기초하여 가상현실의 인터페이스를 제어하는 단계를 더 수행하도록 구성된다.
일 실시예에서, 상기 인식된 동작들에 기초하여 가상현실의 인터페이스를 제어하는 단계는, 상기 손가락의 실제 좌표계 상의 움직임을 인식하여, 대응되는 커서(cursor)를 가상 좌표계에서 이동시키는 단계; 제4 동작을 인식하여 상기 커서가 위치한 가상객체를 선택하는 단계; 이동모드에서 상기 손가락의 실제 좌표계 상의 움직임을 인식하여, 상기 선택된 가상객체를 가상 좌표계에서 이동시키거나, 회전모드에서 상기 손가락의 실제 좌표계 상의 움직임을 인식하여, 상기 선택된 가상객체를 가상 좌표계에서 회전시키는 단계; 및 제5 동작을 인식하여 상기 가상객체를 현재위치에 고정시키는 단계를 포함하되, 상기 이동모드 및 회전모드는 제6 동작을 인식함으로써 전환될 수 있다.
일 실시예에서, 손가락의 수평방향 움직임을 인식하여, 상기 커서를 가상 좌표계에서 가로방향으로 이동시키고, 손가락의 수직방향 움직임을 인식하여, 상기 커서를 가상 좌표계에서 세로방향으로 이동시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 이동모드에서, 손가락의 수평방향 움직임을 인식하여 상기 가상객체를 가상 좌표계에서 가로방향으로 이동시키고, 손가락의 수직방향 움직임을 인식하여 상기 가상객체를 가상 좌표계에서 세로방향으로 이동시키며, 손가락의 전후방향 구부림을 인식하여 상기 가상객체를 가상 좌표계에서 깊이방향으로 이동시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 회전모드에서, 손가락의 움직임을 인식하여 이에 대응되는 방향으로 상기 가상객체를 회전시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 시스템은, 상기 프로세서 및 상기 디스플레이 장치를 구비한 HMD(Head Mounted Display) 장치를 더 포함하고, 상기 HMD 장치는 사용자의 머리 움직임을 인식하기 위한 제2 IMU 센서를 포함하며, 상기 프로세서는, 상기 제2 IMU 센서를 이용하여 사용자의 머리 움직임을 인식함으로써 상기 가상객체의 이동 또는 회전을 조작할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 이동모드에서, 손가락의 수평방향 움직임을 인식하여 상기 가상객체를 가상 좌표계에서 가로방향으로 이동시키고, 손가락의 전후방향 구부림을 인식하여 상기 가상객체를 가상 좌표계에서 깊이방향으로 이동시키고, 상기 HMD 장치가 장착된 머리의 수직방향 움직임을 인식하여 상기 가상객체를 가상 좌표계에서 세로방향으로 이동시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 회전모드에서, 손가락의 움직임과 머리의 움직임 중 적어도 하나를 인식하여 이에 대응되는 방향으로 상기 가상객체를 회전시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 프로세서는, 상기 IMU 센서가 인식한 손가락의 움직임에 대하여, 제1 조건 하에서는 상기 커서 또는 가상객체의 이동 또는 회전 명령으로 인식하여 상기 커서 또는 가상객체를 이동 또는 회전시키고, 제2 조건 하에서는 상기 제4 동작, 제5 동작, 또는 제6 동작으로 인식하여 이에 대응되는 동작을 수행하고, 상기 제1 조건 및 제2 조건은, 상기 IMU 센서가 측정한 각 축 방향의 가속도 값에 기초하여 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인터페이스 제어 방법은, 손가락에 부착된 IMU 센서가 측정한 회전 값을 수신하는 단계; 상기 회전 값에 기초하여 손가락 위치를 계산하는 단계; 및 상기 손가락 위치에 기초하여 손가락이 동작하는 실제 좌표계를 가상 좌표계에 매칭함으로써 손가락 위치를 추적하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 손가락에 부착된 IMU 센서를 이용하여 제1 동작을 인식함으로써, 손가락과 접촉면의 접촉을 인식하는 단계; 상기 IMU 센서를 이용하여 제2 동작을 인식함으로써, 손가락이 접촉한 접촉면의 경사 값을 계산하는 단계; 및 상기 IMU 센서를 이용하여 제3 동작을 인식함으로써, 손가락 동작 범위를 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 손가락 위치를 추적하여 미리 정의된 동작들을 인식하는 단계; 및 상기 인식된 동작들에 기초하여 가상현실의 인터페이스를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 인식된 동작들에 기초하여 가상현실의 인터페이스를 제어하는 단계는, 상기 손가락의 실제 좌표계 상의 움직임을 인식하여, 대응되는 커서(cursor)를 가상 좌표계에서 이동시키는 단계; 제4 동작을 인식하여 상기 커서가 위치한 가상객체를 선택하는 단계; 이동모드에서 상기 손가락의 실제 좌표계 상의 움직임을 인식하여, 상기 선택된 가상객체를 가상 좌표계에서 이동시키는 단계; 회전모드에서 상기 손가락의 실제 좌표계 상의 움직임을 인식하여, 상기 선택된 가상객체를 가상 좌표계에서 회전시키는 단계; 및 제5동작을 인식하여 상기 가상객체를 현재위치에 고정시키는 단계를 포함하되, 상기 이동모드 및 회전모드는 제6 동작을 인식함으로써 전환된다.
일 실시예에서, 상기 IMU 센서를 이용한 손가락 동작 기반 인터페이스 제어 방법을 수행하기 위한, 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에 저장되는 컴퓨터 프로그램이 제공된다.
일 실시예의 인터페이스 제어 시스템에 의하면, 손가락의 움직임에 따라 가상현실 세계의 인터페이스를 제어할 수 있다. 종래의 기술과 달리 손목을 고정시킨 채 손가락을 미소하게 움직이는 것만으로 가상객체를 선택, 이동, 회전시키는 조작을 수행할 수 있으므로, 장기간 이용에도 피로가 없고 좁은 공간이나 공공장소에서도 용이하게 이용할 수 있다.
이 때, 손가락이 접촉한 접촉면의 경사 값 및 손가락 동작 범위를 고려하여 실제 좌표계를 가상 좌표계에 매칭함으로써, 경사가 있는 접촉면을 평면 디스플레이 장치에 대응시키고, 부채꼴 형태의 손가락 가동 범위를 직각형 디스플레이 장치에 대응시킬 수 있다. 이에 따라 사용자는 손가락 가동 범위 내에서 디스플레이 장치 화면 전체를 제어할 수 있다.
도 1은 사용자가 손가락 동작 기반 인터페이스 제어 시스템을 이용하여 가상객체를 선택하는 것을 나타낸 도면이다.
도 2는 사용자가 손가락 동작 기반 인터페이스 제어 시스템을 이용하여 가상객체를 이동시키는 것을 나타낸 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 손가락 동작 기반 인터페이스 제어 방법의 각 단계를 나타낸 순서도이다.
도 4는 도 3의 가상객체를 조작하는 단계를 구체적으로 나타낸 순서도이다.
도 5는 특정 동작에 따라 손가락이 접촉한 접촉면의 경사 값을 계산하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 손가락이 동작하는 실제 좌표계를 가상 좌표계에 매칭하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 7는 손가락 동작에 의해 가상의 커서(cursor)를 조작하는 것을 나타낸 도면이다.
도 8은 손가락 동작에 의해 가상객체를 이동시키는 것을 나타낸 도면이다.
도 9는 손가락 동작에 의해 가상객체를 회전시키는 것을 나타낸 도면이다.
도 10은 손가락 동작과 머리 움직임에 의해 가상객체를 움직이는 것을 나타낸 도면이다.
도 11은 IMU 센서가 측정한 회전 값을 이용하여 손가락 위치를 추적하는 방법을 나타낸 도면이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 실시예를 상세하게 설명하지만, 청구하고자 하는 범위는 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 함을 밝혀두고자 한다.
또한, 본 명세서에 기술된 실시예는 전적으로 하드웨어이거나, 부분적으로 하드웨어이고 부분적으로 소프트웨어이거나, 또는 전적으로 소프트웨어인 측면을 가질 수 있다. 본 명세서에서 "부(unit)", "모듈(module)", "장치(device)", "서버(server)" 또는 "시스템(system)" 등은 하드웨어, 하드웨어와 소프트웨어의 조합, 또는 소프트웨어 등 컴퓨터 관련 엔티티(entity)를 지칭한다. 예를 들어, 부, 모듈, 장치, 서버 또는 시스템은 플랫폼(platform)의 일부 또는 전부를 구성하는 하드웨어 및/또는 상기 하드웨어를 구동하기 위한 애플리케이션(application) 등의 소프트웨어를 지칭하는 것일 수 있다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하도록 한다.
손가락 동작 기반 인터페이스 제어 시스템의 구성요소
도 1은 사용자가 손가락 동작 기반 인터페이스 제어 시스템을 이용하여 가상객체를 선택하는 것을 나타낸 도면이고, 도 2는 사용자가 손가락 동작 기반 인터페이스 제어 시스템을 이용하여 가상객체를 이동시키는 것을 나타낸 도면이다.
일 실시예에 따른 손가락 동작 기반 인터페이스 제어 시스템은, 사용자의 손가락(손톱)에 부착되는 웨어러블 장치(10), 상기 웨어러블 장치로부터 수신한 데이터를 처리하기 위한 프로세서(미도시), 상기 프로세서에 의해 처리된 데이터를 출력하는 디스플레이 장치(20)를 포함한다. 이는 본 발명의 시스템을 구성하는 최소한의 구성요소들로서, 실시예에 따라 일반적인 구성요소들이 더 포함될 수 있으나 발명의 기술적 사상을 명료하게 설명하기 위해 상기 구성요소들에 대해서만 상세하게 다루기로 한다.
도 1, 2를 참조하면, 사용자는 머리에 착용 가능한 형태의 디스플레이 장치(20), 예를 들어 HMD(Head Mounted Display) 장치를 착용하고, 손가락에 부착된 웨어러블 장치(10)를 움직임으로써 HMD에 표시되는 커서(100)를 움직이거나 가상객체(200)를 선택 및 이동할 수 있다.
구체적으로, 도 1에서 사용자가 웨어러블 장치(10)를 착용한 손가락을 움직이면, 디스플레이(20)에는 손가락 동작에 대응하는 방향으로 움직이는 커서(100)가 표시된다. 커서(100)가 가상객체(200)와 겹칠 때(가상의 광선이 커서와 가상객체를 통과할 때) 특정 손가락 동작을 수행함으로써 가상객체(200)를 선택할 수 있고, 도 2와 같이 손가락을 수평방향 또는 깊이방향으로 움직이거나 HMD를 수직방향으로 움직이는 것에 의해 가상객체(200)를 대응되는 방향으로 움직일 수 있다.
웨어러블 장치(10)는 사용자의 손가락(주로 검지손가락)이나 손톱(검지 손톱)에 착용되고, 관성 측정 유닛(Inertial Measurement Unit; 이하 "IMU 센서"라 한다)을 구비한다. 본 발명에서 IMU 센서는 3차원 공간에서의 3축(x, y, z축) 방향 이동을 감지할 수 있는 모든 형태의 센서가 포함될 수 있다. 예를 들어 전후(x축), 수평(y축), 수직(z축) 방향의 3축 이동을 감지하는 가속도 센서와 피치(pitch), 롤(roll), 요(yaw)의 3축 회전을 감지하는 자이로스코프 센서로 구성될 수 있다.
IMU 센서에 의해 측정된 손가락의 움직임 데이터(방향, 속도, 가속도 등)는 프로세서에 의해 처리되어 결과적으로 손가락 동작을 인식하는데 이용된다. 프로세서가 데이터로부터 동작을 인식하는 구체적인 매커니즘은 후술하도록 한다.
프로세서(processor)는 데이터를 처리, 가공하는 기능을 가진 하드웨어/소프트웨어 시스템을 지칭하는 것으로서, IMU 센서에 의해 측정된 데이터를 처리하여 사용자가 손가락을 어느 방향으로 움직였는지를 추적할 수 있고, 나아가 특정 패턴의 움직임을 미리 저장된 데이터와 비교하여 어떤 손가락 동작을 수행하였는지를 인식할 수 있다. 프로세서는 IMU 센서를 구비한 웨어러블 장치에 자체적으로 포함되거나 HMD 장치에 포함될 수 있고, 유무선 네트워크를 통해 연결된 외부 디바이스(데스크톱, 랩톱, 스마트폰, 태블릿PC 등)에 포함될 수도 있다.
디스플레이 장치(20)는 프로세서에 의해 처리된 데이터를 유무선 통신으로 수신하여 출력하기 위한 구성요소로서, 도면에서는 머리에 착용 가능한 형태인 HMD(Head Mounted Display) 장치를 도시하고 있으나 일반적인 LCD, OLED, PDP 등의 디스플레이에 대해서도 유사한 방식으로 구현될 수 있다.
HMD 장치는 사용자의 머리에 착용하여 양안에 대응되는 디스플레이를 통해 화면을 감상할 수 있는 차세대 디스플레이 장치이다. 일반적으로 IMU 센서를 포함하여 회전 값을 통해 사용자의 머리 움직임을 동기화 시킬 수 있고, 사용자는 가상객체를 선택하기 위해 머리를 회전하여 선택하고자 하는 범위의 가상 체 그룹을 선택할 수 있다. 이를 통해, 사용자는 증강현실(Augmented Reality) 또는 가상현실(Virtual Reality) 환경에서 종래의 모니터로 시청하는 경우보다 더 뛰어난 몰입감을 느낄 수 있다.
상기 시스템을 구성하는 각각의 구성요소들(IMU 센서, 웨어러블 장치, 프로세서, 디스플레이 장치 등)은 예시일 뿐이며 특정 형태의 장치나 제품으로 한정되지 않는다. 따라서 전술한 구성요소의 기능과 유사한 기능을 수행할 수 있는 모든 형태의 장치가 본 발명의 기술적 사상에 포함될 수 있다.
손가락 동작에 기반하여 인터페이스를 제어하는 방법
이하에서는, 프로세서에 의해 수행되는 인터페이스 제어 방법의 각 단계를 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 3은 일 실시예에 따른 손가락 동작 기반 인터페이스 제어 방법의 각 단계를 나타낸 순서도이다.
먼저, 손가락(손톱)에 부착된 IMU 센서를 이용하여 제1 동작을 인식함으로써 손가락과 접촉면의 접촉을 인식하는 단계가 수행된다(S100). 손가락은 IMU 센서를 구비한 웨어러블 장치가 부착된 손가락을 가리키며(도 1의 검지 손가락), 접촉면은 상기 손가락과 손목을 지지하는 임의의 대상물을 가리킨다(예를 들어, 책상의 상면(上面)).
본 발명의 실시예에 따르면, 사용자는 터치패드와 같은 별도의 장치 없이 임의의 접촉면에 손가락을 접촉한 채 마치 마우스를 움직이듯이 인터페이스를 제어할 수 있다.
제1 동작은 개시 동작으로서 사용자가 지금부터 손가락 동작을 통해 인터페이스를 제어하겠다는 것을 시스템에 알리기 위한 동작이다. 예를 들어, 제1 동작을 수행하기 이전에는 센서가 손가락의 움직임을 감지하여도 이를 입력으로 받아들이지 않도록 설정될 수 있다. 제1 동작 이후에 감지되는 손가락 동작은 다음 단계(예를 들어, 접촉면의 경사 값을 계산하는 단계)에서의 입력으로 받아들일 수 있다.
제1 동작은 예를 들어 손가락으로 접촉면을 가볍게 한 번 두드리는 탭(tap) 또는 두 번 두드리는 더블탭(double tap)과 같은 동작일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 제1 동작 내지 제6 동작은 각 단계에서의 동작을 구별하기 위해 편의상 분류한 것이며 각 동작은 동일하거나 상이할 수 있다.
IMU 센서가 감지한 신호를 분석하여 특정 동작임을 인식하는 기술은 당업자에게 널리 알려진 기술이므로 자세한 설명은 생략하도록 한다. 예를 들자면, 접촉면을 가볍게 두드리는 탭(tap) 동작은 손가락의 수직방향 움직임의 가속도 값을 분석하여 인식될 수 있다.
이어서, 상기 IMU 센서를 이용하여 제2 동작을 인식함으로써 손가락이 접촉한 접촉면의 경사 값을 계산하는 단계가 수행된다(S200).
IMU 센서는 회전에 따라 측정되는 값이 다르기 때문에 손가락과 접촉면이 이루는 각도, 즉 접촉면의 경사에 따라 측정값이 달라질 수 있다. 이에, 본 발명은 접촉면의 경사 값을 계산하고 이에 기초하여 IMU 센서가 측정한 움직임 신호를 보정함으로써 접촉면의 기울기에 무관하게 손가락 동작을 인식하기 위한 방법을 제공한다.
도 5에는 손가락이 접촉한 접촉면의 경사 값을 계산하는 방법이 도시되어 있다. 사용자는 도 5의 (B)와 같이 웨어러블 장치(10)가 부착된 손가락(index finger)을 접촉면(12)에 접촉한 채로 제2 동작을 수행한다. 여기서 제2 동작은 도 5의 (A)와 같이 수평(지점 A-B)로 움직이는 동작이다. 제2 동작을 수행하면 IMU 센서는 (C)와 같이 부채꼴 모양으로 손가락의 움직임을 추적한다.
식(1)은 IMU 센서로부터 측정된 쿼터니언(quaternion)을 기울어진 평면에 맞게 보정하는 식으로, 손가락 위치 추적과 탭 동작 인식 알고리즘에 적용하여 기울어진 평면에서도 수평한 평면과 같이 손가락 동작을 인식할 수 있다.
Figure 112018066726280-pat00001
는 IMU 센서에서 측정된 회전각인
Figure 112018066726280-pat00002
를 기울어진 평면에 대해 보정한 값이다.
Figure 112018066726280-pat00003
…식(1)
일반적으로 센서의 노이즈 등의 문제로 인해 수집된 데이터들이 평면 부채 모양을 형성하지 않을 수 있다. 본 발명의 실시예는 수집된 데이터에 대해 RANSAC(Random Sample Consensus)을 적용하여 손가락이 접촉한 평면의 기울기를 정확하게 계산하였다.
이어서, 상기 IMU 센서를 이용하여 제3 동작을 인식함으로써 손가락 동작 범위를 계산하는 단계가 수행된다(S300).
도 6a에 도시된 것처럼, 손목을 접촉면에 고정시킨 채 손가락을 움직이게 되면 손가락을 구부림에 따라 손가락이 수평으로 움직일 수 있는 범위가 좁아지기 때문에 평면상에서 손가락의 가동범위는 직사각형이 아닌 부채꼴 모양이 된다. 그러나 HMD를 포함한 일반적인 디스플레이는 직사각형 모양을 가지므로 손가락의 움직임을 디스플레이에 그대로 대응시키면 디스플레이 내 모든 오브젝트를 조작할 수 없는 문제가 생긴다.
이에, 본 발명의 실시예는 부채꼴 모양으로 제한된 손가락 가동 영역을 디스플레이와 같은 직사각형 영역에 대응시킴으로써 제한된 움직임만으로 가상 좌표계의 모든 오브젝트를 제어하기 위한 방법을 제공한다.
제3 동작은 손가락의 최대 가동 영역을 설정하기 위한 동작으로서, 웨어러블 장치를 부착한 손가락을 수평 방향으로 최대한 움직이는 동작과 전후 방향으로 최대한 구부리는 동작이 포함될 수 있다. 도 6a에 도시된 것처럼 사용자가 손가락을 최대한 수평으로 움직였을 때 측정된 회전각의 최댓값과 최솟값, 손가락을 전후로 움직였을 때 손목으로부터 손가락 끝까지 길이의 최댓값과 최솟값을 측정한다.
회전각의 최댓값과 최솟값은 단계(S200)에서 접촉면의 기울기를 계산할 때 취득한 데이터를 이용하여 얻을 수 있다. 손목으로부터 손가락 끝까지 길이의 최댓값과 최솟값은 도 6a처럼 사용자가 손가락을 구부리는 동작을 통해 구할 수 있다. 도 6b를 참조하면, 계산된 쿼터니언의 최댓값과 최솟값 그리고 길이의 최댓값과 최솟값을 이용하여 부채꼴 모양의 실제 좌표계 직사각형 모양의 가상 좌표계에 매칭할 수 있다. 이에 따라 사용자는 고정된 손가락의 가동 범위 내에서 디스플레이에 표시되는 가상객체를 자유롭게 조작할 수 있다.
이어서, 손가락(손톱)에 부착된 IMU 센서가 측정한 회전 값을 수신하는 단계(S400), 상기 회전 값에 기초하여 손가락 위치를 계산하는 단계(S500)가 차례로 수행된다.
손가락을 각 축의 방향으로 움직여 가상객체를 조작하기 위해서는 IMU 센서를 이용하여 손가락의 위치를 추적해야 하는데, 본 발명에서 개시하는 알고리즘을 이용하여 손가락 위치를 계산함으로써 손가락의 위치를 실시간으로 추적하는 것이 가능하다.
검지손가락을 기준으로 설명하면, 검지손가락은 4DOF(Degree of Freedom)를 갖는 신체 부위이다. 손목을 고정시킨 상태에서 검지가 좌우로 움직일 때는 중수지절관절(MCP)과 손목이 회전하고, 검지가 상하로 움직일 때는 중수지절관절(MCP), 근위지간관절(PIP) 및 원위지절간관절(DIP)이 회전하면서 움직인다.
검지손가락의 좌우 움직임(수평방향 움직임)은 PIP의 z축(수평방향) 회전 각도를 이용하여 추적할 수 있다. 이때, PIP가 수평방향으로 회전할 수 있는 각도의 범위가 작아서 손가락만으로 좌우 움직임을 제어하기에는 불편할 수 있다. 따라서, 도 5에 도시된 것처럼 손목(wrist)의 회전 범위도 손가락의 좌우 이동 범위에 포함된다.
검지손가락의 상하 움직임(수직방향 움직임)은 검지손가락의 MCP, PIP, DIP 관절의 y축 회전 각도를 이용하여 추적할 수 있고, “손가락이 평면에서 움직인다” 와 “외부적인 힘을 가하지 않으면 Intermediate phalanx과 Distal phalanx 사이의 각도가 θ일 때 Proximal phalanx와 Intermediate phalanx의 사이 각도를 3/2*θ로 정의할 수 있다”라는 조건을 통해 추적할 수 있다.
도 11을 참조하여 손가락 관절의 움직임에 따른 손가락 위치 추적 방법을 설명하기로 한다. 해부학적으로, 손 끝에 외부적인 힘이 가해지지 않은 상태에서 중수지절관절(Intermediate phalanx; MCP)과 원위지절간과절(Distal phalanx; DIP)이 이루는 각도를 θ라고 하면, 근위지간관절(Proximal phalanx; PIP)과 중수지절관절 (Intermediate phalanx; MCP)이 이루는 각도를 3/2*θ로 가정할 수 있다.
여기서 손가락이 평면에서 움직이고 있다고 가정하면 손가락 관절의 각 부분이 평면과 이루는 각도 및 높이는 도 11와 같이 표현될 수 있다. H는 평면으로부터 PIP의 최고점까지의 높이를 나타내며, 15.8, 22.4, 39.8 등의 상수는 각각 PIP, MIP, DIP 관절의 길이를 나타낸 것인데, 계산을 위해 일반적인 성인의 손가락 형태에 기초한 것이므로 사용자가 임의로 설정할 수 있다.
이와 같이 가정한 후, 식(2)을 이용하면 손가락 관절이 이루는 각도
Figure 112018066726280-pat00004
를 구할 수 있다. 여기서 A, B, C는 각각 PIP, MIP, DIP 관절의 길이를 나타내는 것으로서, 예를 들어 A=15.8, B=22.4, C=39.8 등의 상수를 대입할 수 있다.
Figure 112018066726280-pat00005
…식(2)
프로세서는 상기 식으로부터 손가락 관절이 이루는 각도 θ를 계산함으로써, 손가락의 위치를 실시간으로 추적할 수 있다. 이때 IMU 센서에서 측정된 쿼터니언 대신 식(1)을 사용해 보정된 쿼터니언을 사용하면 기울어진 평면에서도 손가락의 움직임을 추적할 수 있다.
이어서, 손가락 위치에 기초하여 손가락이 동작하는 실제 좌표계를 가상 좌표계에 매칭하는 단계가 수행된다(S600). 미리 손가락 동작 범위를 계산하여 좌표계를 일치시키는 것은 단계(S300)에서 설명한 바와 같고, 추적된 손가락 위치와 좌표계를 이용하여 실제 좌표계상의 손가락 움직임을 가상 좌표계에 매칭하여 표시한다.
이어서, 손가락 위치를 추적하여 미리 정의된 동작들을 인식하는 단계(S700) 및 인식된 동작들에 기초하여 가상현실의 인터페이스를 제어하는 단계가 수행된다(S800). 예를 들어, 사용자는 손가락을 움직이거나 탭(tap), 홀드(hold)와 같은 미리 정의된 동작을 수행함으로써 가상객체를 이동/회전시킬 수 있다.
이하에서는 도 7-10을 참조하여 가상객체를 조작하는 방법을 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
손가락 동작에 기반하여 가상객체를 조작하는 방법
가상객체(virtual object)란 넓은 의미로는 디스플레이 장치에 표시되는 커서(cursor), 아이콘(icon), 배경화면 등 가상환경 내에서 사용자가 상호작용할 수 있는 모든 형태의 객체를 의미하며, 좁은 의미로는 도 8 내지 도 10에서처럼 사용자가 이동시키거나 회전시키고자 하는 가상의 객체(200)를 의미한다.
인터페이스를 제어하는 단계(S800)는 도 4에 도시된 구체적인 단계들(S810 내지 S840)로 구성될 수 있다. 먼저, 상기 손가락의 실제 좌표계 상의 움직임을 인식하여 대응되는 커서를 가상 좌표계에서 이동시키는 단계가 수행된다(S810).
도 7을 참조하면, 사용자가 손가락을 x축 방향(수평)으로 움직이거나 y축 방향(수직)으로 움직임으로써, 이에 대응되는 십자표 커서(100)를 가상 좌표계에서 x축 방향(가로방향)이나 y축 방향(세로방향)으로 이동시킬 수 있다. 커서는 사용자가 조작하기를 원하는 가상객체를 선택하기 위한 표시자로서 색상이나 모양은 임의로 선택될 수 있다.
일 실시예에서, 커서가 2차원 평면에서 이동하고 가상객체를 선택하기 위해 광선 투사법(ray-casting)을 이용한다면 손가락을 z축 방향으로 구부리지 않아도 괜찮다. 그러나 커서가 가상객체와 동일하게 3차원 공간에서 이동한다면 손가락을 z축 방향으로 구부리는 동작으로써 커서를 z축 방향(깊이방향)으로도 이동시킬 수 있다.
이어서, 제4 동작을 인식하여 커서가 위치한 가상객체를 선택하는 단계가 수행된다(S820). 제4 동작은 예를 들어 손가락으로 접촉면을 가볍게 두드리는 탭(tap) 동작 또는 더블탭 동작일 수 있다.
가상현실 환경에서 멀리 떨어져 있는 객체들을 선택할 수 있는 방법 중 하나는 광선 투사법(ray-casting)이다. 이 방법은 사용자의 시점에서 가상의 광선을 발사하여 이 광선의 범위에 포함되는 객체를 사용자가 손동작이나 버튼을 클릭하여 선택하는 방법으로 사용자가 원하는 객체를 빠르면서도 간단하게 선택할 수 있다는 장점이 있어 널리 이용되고 있다.
도 1을 참조하면, 사용자가 착용 중인 HMD 장치(20)에는 사용자의 손가락 움직임에 대응하여 움직이는 커서(100)와 사용자의 시점에서 커서(100)를 관통하는 가상의 광선이 표시된다. 사용자는 손가락을 움직임으로써 커서를 원하는 방향으로 이동시킬 수 있고, 사용자의 시점에서 커서(100)가 가상객체(200)와 겹치는 순간(즉, 가상의 광선이 커서와 가상객체를 동시에 관통하는 순간) 제3 동작(예를 들어, 더블탭 동작)을 수행함으로써 가상객체를 선택할 수 있다.
가상객체(200)를 선택하게 되면 커서(100)는 화면에서 사라지고 이후부터는 사용자의 손가락 동작에 대응하여 커서가 아닌 가상객체가 움직이게 된다.
이어서, 이동모드에서 상기 손가락의 실제 좌표계 상의 움직임을 인식하여, 상기 선택된 가상객체를 가상 좌표계에서 이동시키거나, 회전모드에서 상기 손가락의 실제 좌표계 상의 움직임을 인식하여, 상기 선택된 가상객체를 가상 좌표계에서 회전시키는 단계가 수행된다(S830).
도 8은 이동모드에서 손가락 동작에 의해 가상객체를 이동시키는 것을 나타낸 도면이다. 도시된 것처럼, 웨어러블 장치를 착용한 검지손가락의 수직방향 움직임을 인식하여 가상객체(200)를 가상 좌표계에서 y축을 따라 세로방향으로 이동시킬 수 있고, 손가락의 수평방향 움직임을 인식하여 상기 가상객체를 x축을 따라 가로방향으로 이동시킬 수 있으며, 손가락의 전후방향 구부림을 인식하여 상기 가상객체를 가상 좌표계에서 z축을 따라 깊이방향으로 이동시킬 수 있다.
이와 같이, 사용자는 손가락의 제한적인 움직임만으로 가상객체를 3차원 공간에서 원하는 방향으로 이동시킬 수 있다. 손가락의 움직임과 이에 대응되는 가상객체의 이동 방향 축은 예시일 뿐이며 사용자가 임의로 설정할 수 있다. 예를 들어, 손가락의 수직방향 움직임을 z축 이동에 대응시킬 수 있고 손가락의 전후방향 구부림을 y축 이동에 대응시킬 수도 있다.
도 9는 회전모드에서 손가락 동작에 의해 가상객체를 회전시키는 것을 나타낸 도면이다. 도시된 것처럼, 웨어러블 장치를 착용한 검지손가락의 움직임을 인식하여 이에 대응되는 방향으로 가상객체(200)를 회전시킬 수 있다.
예를 들어, 손가락의 수직방향 움직임을 인식하여 가상객체를 y축을 기준으로 회전(pitch)시킬 수 있고, 손가락의 수평방향 움직임을 인식하여 상기 가상객체를 x축을 기준으로 회전(roll)시킬 수 있으며, 손가락의 전후방향 구부림을 인식하여 상기 가상객체를 z축을 기준으로 회전(yaw)시킬 수 있다. 이동모드와 마찬가지로 이는 예시일 뿐이며 임의로 설정될 수 있다.
실시예에서, 상기 이동모드 및 회전모드는 제6 동작을 인식함으로써 전환될 수 있다. 제6 동작은 예를 들어 손가락을 접촉면에 탭한 후 접촉상태를 유지하는 홀드(hold)동작일 수 있다. 이 경우, 사용자가 커서를 움직여 더블탭으로 가상객체를 선택한 후 접촉상태를 유지하면서 손가락을 움직이면 회전모드로 인식하여 가상객체를 회전시키고, 손가락을 접촉면과 분리한 후 다시 손가락을 움직이면 이동모드로 인식하여 가상객체를 이동시킬 수 있다.
이어서, 제5동작을 인식하여 상기 가상객체를 현재위치에 고정시키는 단계가 수행된다(S840). 제5 동작은 예를 들어 손가락으로 접촉면을 가볍게 두드리는 탭 동작 또는 더블탭 동작일 수 있다. 즉, 사용자가 가상객체를 원하는 위치로 이동시키고 원하는 각도로 회전시킨 후 제5 동작을 수행하면 이를 인식하여 가상객체를 해당 위치에 해당 각도로 고정시킨 후 디스플레이에 다시 커서(100)를 표시한다. 이후에는 다시 제4 동작을 수행하여 새로운/기존의 가상객체를 선택하기 전까지 가상객체를 고정시킨 채 커서만을 움직이게 된다.
손가락을 각 축의 방향으로 움직여 가상객체를 이동/회전시키기 위해서는 IMU 센서를 이용하여 손가락의 위치를 추적해야 한다. IMU 센서를 이용하여 손가락의 위치를 추적하는 방법은 도 11을 참조하여 상세히 설명하였다.
이하에서는, 경사를 갖는 접촉면 상에서 손가락 동작을 인식하기 위한 방법을 설명한다. 손가락 동작을 수행하는 접촉면이 수평면이 아닌 경사면일 경우 연관된 변수를 보정하여 수평면처럼 인식함으로써 접촉면의 상태와 무관하게 동작을 인식할 수 있다. 이에 따라 사용자는 수평면이 아니더라도 모든 환경에서 가상현실 인터페이스를 용이하게 제어할 수 있다.
정의된 손가락 동작들(제1 동작 내지 제6 동작)을 기울어진 평면에서 인식하기 위해서는 접촉한 평면의 기울기를 반영한 인식방법이 필요하다. 정의된 손가락 동작들을 인식하기 위해 IMU 센서에서 측정된 3축(x, y, z축) 각속도와 3축 가속도를 이용한다. 손가락 동작을 수행할 때 각속도는 평면의 기울기에 무관한 신호를 측정할 수 있지만, 가속도는 평면의 기울기에 따라 매우 다른 신호가 측정되므로 보정할 필요가 있다.
기본적으로 IMU 센서에서 측정된 가속도는 중력 가속도를 포함하기 때문에 식(3)을 이용하여 중력가속도를 제거하고 접촉한 평면의 기울기를 반영하여 가속도를 보정한다.
Figure 112018066726280-pat00006
…식(3)
상기 식(2)에서
Figure 112018066726280-pat00007
은 보정된 IMU 센서의 쿼터니언이고
Figure 112018066726280-pat00008
는 평면의 기울기 값이다.
Figure 112018066726280-pat00009
는 중력가속도이다.
정의된 손가락 동작들 중 탭(tap)과 더블탭(double tap) 동작을 인식하기 위해 시간에 따라 각 가속도와 각속도의 양(+)의 피크(peak)과 음(-)의 피크를 분석한다. 또한 홀드(hold) 동작의 인식을 위해 가속도와 각속도의 신호가 일정시간 변하지 않는지 분석한다. 예를 들어, 일정시간은 약 1초로 설정될 수 있다.
일 실시예에서, 가상현실 인터페이스의 제어는 손가락 움직임과 머리 움직임에 의해 동시에 수행될 수 있다. 이를 위해서는 HMD 장치에 사용자의 머리 움직임을 인식하기 위한 추가적인 IMU 센서가 요구된다. 사용자가 시청 중인 디스플레이 장치가 HMD가 아닌 일반적인 모니터라면 머리에 장착하여 회전 값을 통해 움직임을 동기화시킬 수 있는 IMU 센서가 더 요구된다.
도 10은 손가락 동작과 머리 움직임에 의해 가상객체를 움직이는 것을 나타낸 도면이다. 도시된 것처럼, 이동모드에서 상기 HMD 장치가 장착된 머리의 수직방향 움직임을 인식하여 상기 가상객체를 가상 좌표계에서 y축을 따라 세로방향으로 이동시킬 수 있다. 또한, 손가락의 수평방향 움직임을 인식하여 가상객체를 x축을 따라 가로방향으로 이동시키고, 손가락의 전후방향 구부림을 인식하여 가상객체를 z축을 따라 깊이방향으로 이동시킬 수 있다.
도 10의 실시예와 도 8의 실시예의 차이점은 손가락의 수직방향 움직임을 머리의 움직임으로 대체하는 것이다. 손가락을 수직방향과 수평방향으로 동시에 움직이는 것이 불편한 경우 사용자는 수직방향 움직임을 머리 움직임으로 대신 설정할 수 있다.
본 실시예에서는 회전모드에서 손가락의 움직임과 머리의 움직임 중 적어도 하나를 인식하여 이에 대응되는 방향으로 가상객체를 회전시킬 수 있다. 예를 들어, HMD를 착용한 머리의 수직방향 움직임을 인식하여 가상객체를 y축을 기준으로 회전(pitch)시킬 수 있고, 손가락의 수평방향 움직임을 인식하여 상기 가상객체를 x축을 기준으로 회전(roll)시킬 수 있으며, 손가락의 전후방향 구부림을 인식하여 상기 가상객체를 z축을 기준으로 회전(yaw)시킬 수 있다. 사용자의 신체 움직임과 가상객체 회전방향의 대응관계는 예시일 뿐이며 사용자가 임의로 설정할 수 있다.
손가락 움직임의 추적과 손가락 동작 인식을 구별하는 방법
편리한 상호작용을 제공하기 위해서는, IMU 센서를 부착한 손가락의 움직임을 추적하는 것과 미리 정의된 손가락 동작들을 동시에 인식할 수 있어야 한다. 그러나 손가락의 움직임과 특정 동작을 별개의 제스처로 구별하지 않으면, 사용자가 특정 동작을 수행하는 동안 손가락의 움직임도 동시에 추적하는 상황이 발생할 수 있다.
예를 들어, 사용자가 단계(S520)에서 커서를 가상객체 상에 위치시킨 후 가상객체를 선택하기 위해 탭(tap) 동작을 수행한다고 가정해보자. 탭 동작은 손가락을 수직방향으로 왕복하여 접촉면을 두드려야 하는데, 이 동작을 수행하기 위해 손가락을 수직방향으로 올리는 순간 이를 커서의 이동명령으로 인식하여 커서가 세로방향으로 움직이게 된다. 이렇게 되면 탭 동작을 완료하였을 때 커서는 가상객체 위가 아닌 다른 위치에 존재하게 되어 가상객체 선택을 실패할 가능성이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위해, 특정 동작(예를 들어 제4동작, 제5동작, 제6동작)을 수행할 때 손가락의 위치를 추적하지 않도록 하여 손가락의 움직임과 동작을 구별하는 기술이 필요하다.
실시예에 따르면, 상기 IMU 센서가 인식한 손가락의 움직임에 대하여, 제1 조건 하에서는 커서 또는 가상객체의 이동 또는 회전 명령으로 인식하여 커서 또는 가상객체를 이동 또는 회전시키고, 제2 조건 하에서는 제4 동작, 제5 동작, 또는 제6 동작으로 인식하여 이에 대응되는 명령을 실행할 수 있다.
이 때, 제1 조건 및 제2 조건은, 상기 IMU 센서가 측정한 각 축 방향의 가속도 값에 기초하여 결정될 수 있다.
특정 동작(탭 동작 또는 더블탭 동작)을 수행할 때와 커서나 가상객체를 이동/회전시키기 위해 손가락을 움직일 때 IMU 센서에 의해 측정되는 신호를 비교해보면, 각속도의 신호는 비슷하지만 가속도의 신호는 다르다. 예를 들어, 탭 동작을 수행할 때 가속도 3축(x, y, z축) 중 가장 많이 변하는 축은 z축이다. 따라서 z축의 신호를 가속도의 다른 x와 y축의 신호들과 비교하여 손가락 위치 추적의 여부를 결정할 수 있다. 이 때 z축의 신호를 바로 다른 축의 신호들과 바로 비교하지 않고 식(4)가 적용된 z값을 이용하여 비교한다.
Figure 112018066726280-pat00010
… 식(4)
식(4)에서 t는 보정된 가속도의 z값이 Zfilter보다 큰 순간부터 경과된 시간이고, F0는 보정된 가속도의 z값이 Zfilter보다 클 때 보정된 가속도의 z값의 절대값이다. C는 양의 상수 값이다.
식(5)은 식(4)가 적용된 가속도의 Z축 신호를 가속도의 X축과 y축 신호의 절대값과 비교하는 식이다.
Figure 112018066726280-pat00011
… 식(5)
식(4)를 적용하여
Figure 112018066726280-pat00012
가 High 면 손가락 위치를 추적하고(제1 조건), Low 면 손가락 위치를 추적하지 않는다(제2 조건). 여기서 T는 임계값이다.
즉,
Figure 112018066726280-pat00013
가 Low 인 경우(제2 조건) 제4, 5, 6 동작과 같은 특정 동작(예를 들어, 탭 또는 더블탭 동작)을 수행하는 것으로 인식하여 손가락의 위치를 추적하지 않는다. 따라서 탭 동작을 수행하기 위해 손가락을 수직방향으로 움직여도 커서나 가상객체가 이에 대응하여 움직이지 않는다.
Figure 112018066726280-pat00014
가 High 인 경우(제1 조건) 제4, 5, 6 동작을 수행하는 중이 아니므로 손가락 위치를 추적하여 커서나 가상객체를 대응되는 방향으로 이동/회전시킨다.
실시예에 따른 IMU 센서를 이용한 손가락 동작 기반 인터페이스 제어 방법은, 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상에서 설명한 인터페이스 제어 시스템에 의하면, IMU 센서를 이용해 추적한 손가락의 움직임에 따라 가상현실 세계의 인터페이스를 제어할 수 있다. 종래의 기술과 달리 손목을 고정시킨 채 손가락을 미소하게 움직이는 것만으로 가상객체를 선택, 이동, 회전시키는 조작을 수행할 수 있으므로, 장기간 이용에도 피로가 없고 좁은 공간이나 공공장소에서도 용이하게 이용할 수 있다.
또한, 손가락이 접촉한 접촉면의 경사 값 및 손가락 동작 범위를 고려하여 실제 좌표계를 가상 좌표계에 매칭함으로써, 경사가 있는 접촉면을 평면 디스플레이 장치에 대응시키고, 부채꼴 형태의 손가락 가동 범위를 직각형 디스플레이 장치에 대응시킬 수 있다. 이에 따라 사용자는 손가락 가동 범위 내에서 디스플레이 장치 화면 전체를 제어할 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 웨어러블 장치
12: 접촉면
20: 디스플레이 장치
100: 커서(cursor)
200: 가상객체

Claims (19)

  1. IMU 센서를 이용한 손가락 동작 기반 인터페이스 제어 시스템으로서,
    상기 시스템은,
    사용자의 손가락에 부착되며 IMU 센서를 구비하는 웨어러블 장치;
    상기 웨어러블 장치로부터 수신한 데이터를 처리하는 프로세서; 및
    상기 프로세서에 의해 처리된 데이터를 출력하는 디스플레이 장치를 포함하되,
    상기 프로세서는,
    상기 IMU 센서가 측정한 회전 값을 수신하는 단계;
    상기 회전 값에 기초하여 손가락 위치를 계산하는 단계; 및
    상기 손가락 위치에 기초하여 손가락이 동작하는 실제 좌표계를 가상 좌표계에 매칭하는 단계를 수행함으로써 손가락 위치를 추적하도록 구성되며,
    손가락에 부착된 IMU 센서를 이용하여 제1 동작을 인식함으로써, 손가락과 접촉면의 접촉을 인식하는 단계;
    상기 IMU 센서를 이용하여 제2 동작을 인식함으로써, 손가락이 접촉한 접촉면의 경사 값을 계산하는 단계; 및
    상기 IMU 센서를 이용하여 제3 동작을 인식함으로써, 손가락 동작 범위를 계산하는 단계를 더 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, IMU 센서를 이용한 손가락 동작 기반 인터페이스 제어 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 손가락 위치를 추적하여 미리 정의된 동작들을 인식하는 단계; 및
    상기 인식된 동작들에 기초하여 가상현실의 인터페이스를 제어하는 단계를 더 수행하는 것을 특징으로 하는, IMU 센서를 이용한 손가락 동작 기반 인터페이스 제어 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 인식된 동작들에 기초하여 가상현실의 인터페이스를 제어하는 단계는,
    상기 손가락의 실제 좌표계 상의 움직임을 인식하여, 대응되는 커서(cursor)를 가상 좌표계에서 이동시키는 단계;
    제4 동작을 인식하여 상기 커서가 위치한 가상객체를 선택하는 단계;
    이동모드에서 상기 손가락의 실제 좌표계 상의 움직임을 인식하여, 상기 선택된 가상객체를 가상 좌표계에서 이동시키거나, 회전모드에서 상기 손가락의 실제 좌표계 상의 움직임을 인식하여, 상기 선택된 가상객체를 가상 좌표계에서 회전시키는 단계; 및
    제5 동작을 인식하여 상기 가상객체를 현재위치에 고정시키는 단계를 포함하되,
    상기 이동모드 및 회전모드는 제6 동작을 인식함으로써 전환되는 것을 특징으로 하는, IMU 센서를 이용한 손가락 동작 기반 인터페이스 제어 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    손가락의 수평방향 움직임을 인식하여, 상기 커서를 가상 좌표계에서 가로방향으로 이동시키고,
    손가락의 수직방향 움직임을 인식하여, 상기 커서를 가상 좌표계에서 세로방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는, IMU 센서를 이용한 손가락 동작 기반 인터페이스 제어 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 이동모드에서, 손가락의 수평방향 움직임을 인식하여 상기 가상객체를 가상 좌표계에서 가로방향으로 이동시키고,
    손가락의 수직방향 움직임을 인식하여 상기 가상객체를 가상 좌표계에서 세로방향으로 이동시키며,
    손가락의 전후방향 구부림을 인식하여 상기 가상객체를 가상 좌표계에서 깊이방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는, IMU 센서를 이용한 손가락 동작 기반 인터페이스 제어 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 회전모드에서, 손가락의 움직임을 인식하여 이에 대응되는 방향으로 상기 가상객체를 회전시키는 것을 특징으로 하는, IMU 센서를 이용한 손가락 동작 기반 인터페이스 제어 시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 시스템은, 상기 프로세서 및 상기 디스플레이 장치를 구비한 HMD(Head Mounted Display) 장치를 더 포함하고,
    상기 HMD 장치는 사용자의 머리 움직임을 인식하기 위한 제2 IMU 센서를 포함하며,
    상기 프로세서는, 상기 제2 IMU 센서를 이용하여 사용자의 머리 움직임을 인식함으로써 상기 가상객체의 이동 또는 회전을 조작하는 것을 특징으로 하는, IMU 센서를 이용한 손가락 동작 기반 인터페이스 제어 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 이동모드에서, 손가락의 수평방향 움직임을 인식하여 상기 가상객체를 가상 좌표계에서 가로방향으로 이동시키고,
    손가락의 전후방향 구부림을 인식하여 상기 가상객체를 가상 좌표계에서 깊이방향으로 이동시키고,
    상기 HMD 장치가 장착된 머리의 수직방향 움직임을 인식하여 상기 가상객체를 가상 좌표계에서 세로방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는, IMU 센서를 이용한 손가락 동작 기반 인터페이스 제어 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 회전모드에서, 손가락의 움직임과 머리의 움직임 중 적어도 하나를 인식하여 이에 대응되는 방향으로 상기 가상객체를 회전시키는 것을 특징으로 하는, IMU 센서를 이용한 손가락 동작 기반 인터페이스 제어 시스템.
  11. 제4항에 있어서, 상기 프로세서는,
    제1 조건 하에서는 상기 커서 또는 가상객체의 이동 또는 회전 명령으로 인식하여 상기 커서 또는 가상객체를 이동 또는 회전시키고,
    제2 조건 하에서는 상기 제4 동작, 제5 동작, 또는 제6 동작으로 인식하여 이에 대응되는 명령을 실행하고,
    상기 제1 조건 및 제2 조건은, 상기 IMU 센서가 측정한 각 축 방향의 가속도 값에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는, IMU 센서를 이용한 손가락 동작 기반 인터페이스 제어 시스템.
  12. IMU 센서를 이용한 손가락 동작 기반 인터페이스 제어 방법으로서,
    손가락에 부착된 IMU 센서가 측정한 회전 값을 수신하는 단계;
    상기 회전 값에 기초하여 손가락 위치를 계산하는 단계; 및
    상기 손가락 위치에 기초하여 손가락이 동작하는 실제 좌표계를 가상 좌표계에 매칭함으로써 손가락 위치를 추적하는 단계를 포함하되,
    손가락에 부착된 IMU 센서를 이용하여 제1 동작을 인식함으로써, 손가락과 접촉면의 접촉을 인식하는 단계;
    상기 IMU 센서를 이용하여 제2 동작을 인식함으로써, 손가락이 접촉한 접촉면의 경사 값을 계산하는 단계; 및
    상기 IMU 센서를 이용하여 제3 동작을 인식함으로써, 손가락 동작 범위를 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, IMU 센서를 이용한 손가락 동작 기반 인터페이스 제어 방법.
  13. 삭제
  14. 제12항에 있어서,
    상기 손가락 위치를 추적하여 미리 정의된 동작들을 인식하는 단계; 및
    상기 인식된 동작들에 기초하여 가상현실의 인터페이스를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, IMU 센서를 이용한 손가락 동작 기반 인터페이스 제어 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 인식된 동작들에 기초하여 가상현실의 인터페이스를 제어하는 단계는,
    상기 손가락의 실제 좌표계 상의 움직임을 인식하여, 대응되는 커서(cursor)를 가상 좌표계에서 이동시키는 단계;
    제4 동작을 인식하여 상기 커서가 위치한 가상객체를 선택하는 단계;
    이동모드에서 상기 손가락의 실제 좌표계 상의 움직임을 인식하여, 상기 선택된 가상객체를 가상 좌표계에서 이동시키는 단계;
    회전모드에서 상기 손가락의 실제 좌표계 상의 움직임을 인식하여, 상기 선택된 가상객체를 가상 좌표계에서 회전시키는 단계; 및
    제5동작을 인식하여 상기 가상객체를 현재위치에 고정시키는 단계를 포함하되,
    상기 이동모드 및 회전모드는 제6 동작을 인식함으로써 전환되는 것을 특징으로 하는, IMU 센서를 이용한 손가락 동작 기반 인터페이스 제어 방법.
  16. 제12항, 제14항 및 15항 중 어느 한 항에 따른 IMU 센서를 이용한 손가락 동작 기반 인터페이스 제어 방법을 수행하기 위한, 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에 저장되는 컴퓨터 프로그램.
  17. IMU 센서를 이용한 손가락 동작 기반 인터페이스 제어 시스템으로서,
    상기 시스템은,
    사용자의 손가락에 부착되며 IMU 센서를 구비하는 웨어러블 장치;
    상기 웨어러블 장치로부터 수신한 데이터를 처리하는 프로세서; 및
    상기 프로세서에 의해 처리된 데이터를 출력하는 디스플레이 장치를 포함하되,
    상기 프로세서는,
    상기 IMU 센서가 측정한 회전 값, 가속도 값 및 각속도 값을 수신하는 단계;
    상기 회전 값과 손가락의 해부학 정보에 기초하여 손가락 위치를 계산하는 단계; 및
    상기 가속도 값 및 가속도 값에 기초하여 손가락 동작을 인식하는 단계를 수행하도록 구성되며,
    상기 손가락의 해부학 정보는, 손가락 관절의 각 부분이 평면과 이루는 각도 정보 및 평면으로부터 각 부분까지의 높이 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는, IMU 센서를 이용한 손가락 동작 기반 인터페이스 제어 시스템.
  18. 삭제
  19. 제17항에 있어서,
    상기 프로세서는, IMU 센서로부터 측정된 쿼터니언(quaternion)을 기울어진 평면에 맞게 보정한 후 이를 손가락 위치 추적과 탭 동작 인식 알고리즘에 적용함으로써, 기울어진 평면에서도 수평의 평면과 동일하게 손가락 동작을 인식할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는, IMU 센서를 이용한 손가락 동작 기반 인터페이스 제어 시스템.
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