TWI376520B - Free space pointing devices and methods - Google Patents

Description

1376520 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明描述了自由空間定位（free Space p〇inting) 技術、系統和裝置，本發明還描述了可在其他類型的手 持裝置+使用的一些技術和裝置。 【先前技術】 與資訊的通信相關的技術在過去的幾十年裏有了 _迅迷的發展。電視、蜂窩電話、互聯網和光學通信技術 (這裏僅列出幾樣）結合起來將消費者淹沒在可得到的 資訊和娛樂選擇中。以電視為例，最近3 〇年來已經引 、入了有線電視服務、衛星電視服務、按次計費電影和視 • 頻點播。然而，20世紀60年代的電視觀眾在他們的電 視機上通常只能夠接收到也許是四或五個無線電視頻 道’今天的電視觀眾有機會在數以百計、千計和潛在的 鲁數以百萬計的節目和資訊頻道中選擇。目前主要在旅館 卓中使用的視頻點播技術提供了一種用於從數以千i十 的電影節目單中進行家庭娛樂選擇的潛能。 為終端用戶提供那麼多的資訊和内容的能力的技 術給系統設計人員和服務供應商提供了機會和挑戰。— 個挑戰是儘管終端用戶通常更願意擁有更多的選擇而 不願意選擇變小，這種喜好與他們希望的即快迷又簡單 的選擇處理所相背。不幸的是’終端用戶通過其來訪門 5193-7085-PF 5 不簡單。再攻去 時. 〜電視節目的例子。在電視處於初期 時，確定看哪—個節 於初期 選擇的數目較少。人 因為可 較-人們可以查閱印製的節目指南 目指南被格式化发ΑΙ , Μ即 為例如一系列的行和列，這坻 示出了在（1 )鄰诉沾♦ —订和列顯 鄰近的電視頻道、（2)被傳輸到這此 節目以及、二頭道的 期和時間之間的對應關係。通 諧鈕，雷葙姑细味 逍過調節調 電視被調譖到戶斤需的㈣，並且觀 擇的節目。在这夕祕 規有到所選 ^ 後’允許觀眾遠距離調諧電親的、定_ 控制裝置被引入…你 、 *視的遙控

运種對用戶—電視交互的增添產生了 被稱為“頻道衝乍，，二 .在王J 曰 衝，良的現象，借此，觀眾能夠迅速地觀 在大置頻道中廣播的短片斷，從而可以快速得知在任 意給定的時間什麼節目是可看的。 儘管存在頻道的數量和可觀看的内容急劇增加的 實，但通常可得到的用於電視的用戶介面、控制設備 選擇和架構在過去的3G年裏沒有改變太多。印製的節 南仍然疋用於傳遞節目資訊的最流行的機制。具有 箭頭的多按赵遙控器仍然是最流行的頻道/内容選 擇裝置 〇 *^5* -*4· ^ "十和實現TV用戶介面的人們對可得到的媒 體内合的增加的反應已經成為現存的選擇處理和介面 物件的直接延伸。這樣，印製的節目指南中的行數被增 力口 容知g 爭夕 2, 夕的頻道。遙控裝置中的按鈕的個數也被增 加以支援附加的功能和内容處理，例如，像第1圖所示 的那樣。然而，這種 到資訊所需的時間和 方法大大增加了觀眾用來流覽可得 執行選擇所需動作的複雜度。可論

5193-7085-PF 6 印6520 證的是’現存介面的麻煩的本質阻礙了一些服務（例如 視頻點播）的商業應用，這是由於消費者反對給在他們 看來已經是太慢和太複雜的介面再増加複雜度的新服 務。 鲁 除了在帶寬和内容方面増加之外，技術的集成還加 劇了用戶介面的瓶頸問題。消費者正在積極地做出反應 要選擇購買集成系統而不是大量可分離元件。這種趨勢 的、—個例子是電視觸鳩的組合，其中的三個組成部 是：個獨立的元件’如今則作為-個集成單元而 被頻繁購買。這種趨勢會延續下窗 □ ^ y. ' θ在的最終結果是 通二：庭中可以找到的大部分(如果不是全部的話) …又將會組合在一起作為集成 觸/_互聯網接入/收音機/身歷聲單二 此繼Β#· π» . . Ρ便疋那 二繼，·突購貝女離兀件的人們也 無縫控制和這些分立元件之 早獨χ件的 .成度的增長，產生了使用戶介2相父互。隨著這種集 ^ ^ 戶；|面更加複雜的潛在可能。 VCR搖批i 早7^ (例如TV遙控單元和 ㈣遙控…能的組合)被提出時，這歧 上的独的數目通常地多於單個τν遙控 工= 控單元上的按紐數目。如果+ 1《VCR遙 置中的正碑按鈕，這此辦加了备曰地搜索到該遙控裝 了只能在控制η或二 的按-和功能使人除 他任何事情。許多時候，這些 ⑽控制其 足夠的按鈕以訪問某迪 特、工裝置不能提供 -電視所財的控制或特性的許

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多層次。在這種情況下，仍然需要原始設備的遙控單 兀，並且由於集成的複雜度導致的用戶介面問題，所以 處理多遙控的最初爭論仍然存在。一呰遙控單元通過增 加用高級（expert)命令程式編制的“軟”按鈕解決了 這個問題》這些軟按鈕有時具有附隨的LCD顯示裝置來 指示它們的動作1種方式也具有缺陷，即，如果不將 視線從TV轉移到遙控裝置，它們就難以使用。這些遙 控單元的另一個缺陷是在試圖減少按鈕個數方面的多 核式.。在這些“模式化”的通用遙控單元中，存在專門 的按鈕來選擇該遙控裝置是否與TV、DVD播放器、有線 置頂盒和VCR等通信。這產生了許多使用性的問題，包 括發送命令到錯誤的裝置、迫使用戶通過觀看遙控裝置 來確信其是否處於正福的模式，並且它不能給多裝置的 集成提供任何的簡化。這些通用遙控單元的最大好處是 它可通過允許用戶將給多個裝置的命令序列編制到遙 控裝置中來提供—定的集成度。這是一個較目難的任 務，以至於許多用戶雇傭職業的安裝人員來對他們的通 用遙控單元進行程式編制。 人們還做出了 一些嘗試來使終端用戶和媒體系統 之間的螢幕介面適應現代需求。然而，此 受到(在其他的缺點中)不能夠容易地在媒:體嘗專式= 集合和媒體專案的小集合之間調整比例（scale)的痛 ^。例如，依靠節目列表的介面可以為小的媒體節目集 合很好地工作，但是流覽大的媒體節目集合是冗長乏味 5193 -7〇85 8 ⑧ 13?652〇 的。依賴於分等級的導引（例如樹結構）的介面可以具有 比用於大媒體節目集合的列表介面更快的遍曆速度，但 是不適於小的媒體節目集合。另外，用戶趨向於失去在 其中用戶不得不在樹結構中移動經過三層或更多層的 選擇處理的興趣》對於所有的這些情況，目前的遙控單 元通過迫使用戶反復地按下上按益和下按紐以遍曆上 述列表或分級結構來更冗長乏味.地進行這些選擇處 理。在可以使用選擇跳躍控制時（例如上翻頁和下翻 頁）’用戶經常不得不看該遙控裝置以找到這些具體的 按赵’或不得不經過訓練以知道它們恰好存在。因此， 在序列號為10/7 68,432、申請日為2004年1月30日、 題為“用於組織、選擇和啟動媒體專案的帶有可縮放的 圖形用戶介面的控制框架體系，，的美國專利申請中提 出了能夠簡化用戶和媒體系統之間的控制和螢幕介面 並能加速選擇處理的組織架構、技術和系統，其同時允 許服務提供商通過使大量媒體節目的供應和對用戶的 新服務獲得簡化而受益於終端用戶設備的可用帶寬的 增加該專利申請公開的内容併入本文作為參考。 該說明書的特殊興趣是可用於與上述架構以及其 他的應用和系統交互的遙控裝置。如在上述併入的申請 中所提到的那樣，各種不同類型的遙控裝置可以與這樣 的架構-起使用’包括例如跟蹤球、“滑鼠”型的定位 裝置 '光筆、等等。然而，能夠與上述架構（和其他應 用）-起使用的另一種類型的遙控裝置是自由空間定位

5193-7085-PP 1376520 短。。自由 Λ 間定位（free space pointing)，， 在本說明書令被用來說明輸入裝置在諸如顯示幕幕前 面的二間中以三維（或更多維）的方式移動的能力以及 用戶介面將這些移動直接轉換成用戶介面命令（例如顯 .· 示幕幕中游標的運動）的相應能力。在自由空間定位裝 置之間的資料傳輸可以通過將自由空間定位裝置無線 地或經由導線連接到其他的裝置來實現。因此，“自由 二間定位”不同于例如傳統的電腦滑鼠定位技術，傳統 _的電腦滑鼠定位技術使用諸如桌子表面或滑鼠墊的表 面作為代理（proxy)表面，來自於這些表面的滑鼠運動 被轉化成電腦顯示幕中的游標運動。自由空間定位裝置 ， 的例子可從第5, 440,326號美國專利中找到。 除了其他内容以外，該‘326專利描述了適於由作 為控制計算記機顯示器中的游镡位置的定位裝置使用 的垂直回轉儀（gyrosc〇pe)。位於該回轉儀的核心處的 鲁電機由來自.手持控制裝置的兩對正交的萬向節 . 掛起，並且通過一個下垂裝置而被標定指向以使其轉軸 . 垂直。在手持控制器裝置被用戶操縱時，電光桿角度編 碼器感知它的方向，所產生的電子輸出被轉換成電腦可 用的格式以控制電腦螢幕中的游標運動。 然而’通常在手持裝置設計領域中，尤其是在自由 空間定位裝置（p〇inter)設計領域中存在重要的改進空 間〇 5193-7085-PF 10 1376520 【發明内容】 根據本發明的系統和方法通過提供一種合一 個或多個運動感測器的手持 番N 符裝置（例如自由空間定位# 的匕’從而解決了上述需要和其他需要。各種包括將： =動作為輸人、補償傾斜度⑴⑴、將來自參考體坐 :仙_)的運動資料轉換到另一種參考 街得到了描述。 根據本發明的一個示例性實施方案，一種手持定位 裝置包括：第一轉動感測器，用 * 用於確疋上述定位裝置繞 軸的轉動ϋ產生與上述轉動關聯❾帛—轉動輸 出；第二轉動感測器，詩確定上述定位裝置繞第二轴 的轉動並產生與上述轉動„的第二轉動輸出；加速度 計，用於確定上$定位纟置的加速度並輸出與上述加速 度關聯的加速度輸出；以及處理單元，用於接收上述第 一和第二轉動輸出以及加速度輸出，並用於：在訓 練階段，當用戶持有定位裝置而沒有故意移動它時，通 過對從上述第一和第二轉動輸出及上述加速度輸出中 的至少一個所獲得的訓練資料進行處理，以建立多個手 的顫動類別，其中每個上述顫動類別都與該用戶相關； 以及（b)在訓練階段之後’通過對從當前的第一轉動輸 出 ¥則的第一轉動輸出及當前的加速度中的至少一個 所獲得的資料與在訓練階段建立的上述多個手的顫動 類別進行比較，從而確定上述定位裝置的當前用戶的身 份。 5193-7085-PF 11 根據本發明的另—個示例性實施方案—種用 別手持震置㈣戶时法包括以下㈣：檢測與持有上 述手㈣置的用戶相關聯的手的顫動，以及基於上述檢 測到的手的顫動來識別上述用戶。 根據本發明的另一個示例性實施方案，一種手持裝 置包括：至少一個運動感測器，其能夠產生與上述手持 裝置的移動相關聯的資料；以及處理單元，用於根據上 述移動資料來檢測手的顏動資料，並用於根據上述手的 顫動資料來識別用戶。 【實施 .下 附圖中 外，以 相反， 為 可以實 詳細描 明並不 更多或 排210 該I/O 信號進 匯流排 方式 面參照附圖對本發明進行詳細的說明。在不同的 ，相同或相似的元件表示為同一參考標號。此 下對本發明的詳細說明並不是對本發明的限制。 本發明的範圍是由所附申請專利範圍來限定的。 提供上下文以便於討論’首先參考第2圖對其中 現本發明的"個示例性的集成媒體moo進行 述。但是，本領域普通技術人員可以理解，本發 僅限於實現這類媒體系、统，而是可以在其中包括 更少的元件。在本系統争，輸入/輪出（1/0)匯流 用於將媒體系，统200中的各個元件連接在一起。 匯流排210代表多種用於對媒體系統元件之間的 打傳輪的機制和技術十的任意一種。例如，該J / 0 210可以包括適當數量的獨立的用於傳輸音頻信 5193-7085-PF 12 1376520 號的音頻“插頭”電纜、用於傳輸視頻信號的同轴電 變、用於傳輸控制信號的雙線式串列線路或红外線或射 頻收發器、光纖或任何用於傳輸其他類型的信號的其他 傳輸機制。 在這個示例性的實施方案中，媒體系統2〇〇包括電 視/監視器212、視頻卡式記錄器（VCR)214、數位化視頻 盤（DVD)記錄/播放裝置216、音頻/視頻調諧器218和小 型碟播放機220，這些器件都被連接倒丨/〇匯流排2 i 〇 上。VCR 214、DVD 216和小型碟播放機22〇可以是單光 碟或單磁帶式設備，也可以是多光碟或多磁帶式設備。 它們可以是獨立的單元或者被集成在一起。此外，媒體 系統20 0還包括一個麥克風/揚聲器系統222、攝像機 224和無線I/O控制裝置226。根據本發明的示例性實 施方案，無線I /〇控制裝置226是依照以下所述示例性 實施方案之一的自由空間定位裝置。無線1/()控制裝置 226忐夠利用例如ir或RF發射機或收發器與媒體系統 200進行通信。作為一種選擇，1/()控制裝置也可通過 導線與媒體系統200連接。 媒體系統200還包括系統控制器228。根據本發明 的一個示例性的實施方案所述，系統控制器228能夠操 作以存儲和顯示可從多個媒體系統資料源獲得的媒體 系統資料，並能控制與系統各元件相關的多種特徵。如 第2圖所示，必要時，系統控制器.228可通過I/〇.匯流 排210被直接或者間接地連接到系統的各個元件。在一 5193-7085-PF 13 1376520 ' 個示例性的實施方案中’除I/O匯流排210外，或者用 來替代I/O匯流排210，系統控制器228被設置為帶有 無線通信發射機（或收發器），它能夠通過IR信號或RF ' 仏號與系統元件進行通信。無論控制媒質是什麼，系統 控制器228都被設置成能夠通過下文所述的圖形用戶介 面來控制媒體系統2 0 0中的各個媒體元件。 如第2圖進一步所示，媒體系統2〇〇可以被設置用 於接收來自多個媒體源和服務提供者的媒體項目。在這 •個示例性的實施方案中，媒體系統200從以下資料源中 的任一個或全部接收並且可選擇地向其發送資訊：有線 廣播230，衛星廣播232(例如通過衛星天線），廣播電 視網234的甚高頻（VHF)或超高頻（UHF)射頻通信（例如 通過空中的天線），電話網236和有線數據機238 (或者 其他的互聯網資料源）。本領域技術人員可以理解，第2 圖所示的媒體元件和媒體源僅僅是一個示例，媒體系統 _ 200可以包括更多或者更少的這些元件。例如，另一種 形式的系統輸入包括AM/FM無線裝置和衛星無線裝置。 關於對本示例性的媒體系統及其相關的框架體系 的•更詳細的描述可以在上述併入本文作為參考的題為 用於組織、選擇和啟動媒體專案的帶有可縮放的圖形 用戶；I面的控制框架結構，，的美國專利申請中找到。此 外，根據本發明的遙控裝置可以與其他系統（例如電腦 系統，其包括顯示器，處理器和存儲系統）結合使用， 或者可與各種其他的系統及應用結合使用。

5193-7085-PP iJ/b52〇 如背景技術部分所述，用於自由空間定位的遙控裝 置是本說明書尤其關心的問題。這種裝置能夠將運動狀 態（例如姿態（gesture))轉換成為發送到用戶介面的命 令° 一個示例性的自由空間定位裝置400在第3圖中得 到說明。在第3圖中，自由空間定位裝置的用戶運動可 依照例如以下的組合被定義出來，即，自由空間定位裝 置40〇在X軸方向上的姿態（滾動）、在y轴方向上的升 降（俯仰-pitch)和/或在z軸方向上的導向（偏斜）的組 合。此外，本發明的示例性的實施方案還能夠測量自由 空間定位裝置40 0沿X，y和z軸的線性位移，從而產 生游標移動或其他用戶介面命令。在第3圖的示例性的 實施方案中’自由空間定位裝置400包括兩個按鈕4〇2 和404以及一個滾輪406，不過，其他的示例性的實施 方案可以包括其他物理結構。根據本發明的示例性的實 施方案，可以預期，自由空間定位裝置4〇〇在顯示器4〇8 的前方被用戶持握，自由空間定位裝置4〇〇的運動將被 自由空間定位裝置4 0 0鳇拖基·?τ田从, Λ ^

從而使游標410沿顯示器 顯示器408上的 乐既0J用的輸出， Xz軸移動。可以理 5193-7085-PP 15 ⑧ 1376520 解，自由空間定位裝置400能夠通過除了（或包括）游標 移動以外的多種其他方式與顯示器408進行交互，例如 • 它能控制游標消失，音量或者媒體傳送（播放、暫停、 . 快進和倒退輪入命令可以包括除游標移動以外的操 作，例如，放大或縮小顯示器的特定區域。游標可以為 可見或不可見的。類似地，自由空間定位裝置4〇〇感知 到的自由空間定位裝置400繞X軸的轉動可被用於提供 用戶介面的輸入，或者作為一個備選方案而與y轴和/ 或z軸的轉動一起提供用戶介面的輸入。 如第4圖所示’根據本發明的一個示例性的實施方 案，兩個轉動感測器5 0 2和5 0 4以及一個加速度計5 〇 6 被用作自由空間定位裝置400上的感測器。轉動感測器 502和504能夠例如採用由類比設備公司（Anai〇g Devices)製造的ADXRS150或ADXRS401感測器。本領域 技術人員可以理解，轉動感測器502和504也可以採用 鲁其他類型的轉動感測器，這裏的ADXRS150和ADXRS401 感測益僅僅是用作示例性的例子。不同于傳統的回轉 儀’這些轉動感測器採用微電子機械系統（MEMS)技術來 :供與一個坐標系相聯繫的諧振塊（resonate mass) * 從而使其僅能沿一個方向產生諧振。當附帶感測器的物 體繞該感測器的感測軸轉動時，該諧振塊被移動。這種 移動能夠利用寇里奥利（Cor i ο 1 i s)加速效應來測量，從 而確定出與沿感測軸的轉動相關的角速度。如果轉動感 測器502和504具有單個感測軸（如ADXRS150系列）， -7085-PP 16 1376520 則它們能夠被固定在自由空間定位裝置400中以使得它 們的感測軸與待測的轉動對齊。對於本發明的這個示例 性的實施方案而言，這意味著轉動感測器504被固定成 使得它的感測軸與y軸平行，而轉動感測器5〇2則被固 定成使得它的感測軸與z軸平行，如第4圖所示乂但是， 應虽注意’由於本發明的示例性實施方案還提供了用於 補償軸間偏移的技術，所以就不再需要使轉動感測器 5 02和504的感測軸與待測轉動轴平行對齊。 實現依照本發明的示例性的自由空間定位裝置 所面臨的一個挑戰是，它既要採用相對便宜的元件（諸 如轉動感測器502和504),同時還要能提供自由空間定 裝置40。的運動、對用戶介面如何對自由空間定位裝 置的該特定運動做出回應的用 山w粑町用戶預期、以及回應該運動 的實際用戶介面性能這三者間古 $心间的间度相關性。例如， 如果.自由空間定位裝置4〇〇沒有 動用戶將會預期游 標不應在顯示器上漂移。類似 -6 , ^ 那禾用戶僅繞y軸轉 動自由二間定位裝置4〇〇， 主 引起的游標在顯示器4〇8上 打 舳66 士 A你 咬切甘有任何大的沿χ2 移動的成分。為實現本| _ 牵中的★ + ^ 巩不發明的不例性的實施方 /、、""二或其他方面，通過手持裝置4〇〇執行 測量和計算用#喵M , U執仃了各種 T异用於調整感測器5〇2、5〇4 或多個的輪出，和/或作為個虑* 506中的一個 基於感測”〇2 J 器的部分輸入從而 個適當的齡ψ 疋用戶介面的一 輸出。廷些測量和計算被用 用於補償以下兩類主 5193-7085-pp 1376520 要因素：1.自由空間定位裝置400的自身因素，例如， 與自由空間定位裝置400中所採用的特定感測器5〇2、 5 04和506相關的誤差，或與感測器在自由空間定位裝 置400中的女裝方式相關的誤差；2非自由空間定位裝 置400的自身因素，而是與用戶使用自由空間定位裝置 400的方式相關的因素，例如，線性加速度，傾斜度或 顫動。用於處理這些因素的示例性技術將在下文中說 明。 第5圖中顯不了 一個處理模型6〇〇，該模型說明了 依照本發明的示例性實施方案所述的自由空間定位裝 置的一般操作。轉動感測器502和5〇4以及加速度計5〇6 產生類比信號，這些信號被週期性地採樣，例如，每秒 採樣200次。為便於討論，需利用符號（χ、y、z、^ y、 αζ)來指代這些輸入，纟中，X、7、ζ是分別與自由空 間定位裝置在X軸、y軸和ζ軸方向的加速度相關的示 例性三軸加速度計506的採樣輪出值’ ay是與自由空 間定位裝置繞y軸#向轉動相目的轉動感❹5〇2的採 樣輸出值…是與自由空間定位裝置沿z軸方向轉動 相關的轉動感測器504的採樣輸出值。 加速度計506的輸出被提供，並且如果加速度計 5 06提供的是模擬輸出，那麼該輸出將被採樣並通過A" 轉換器（未示出）進行數位化，從而產生採樣的加速度叶 輸出602。如轉換功能模組6〇.4所.指示.，採樣.輸出^從 原始單位被轉換成加速度單&，例如重力⑷。加速度

5193-7085-PF 1^/6520 校正模組606為轉換功能模组6〇4提供資料。對加 出60 2的校正包括諸如與加速度計5〇 6相關的一個或T 個比例、偏移和軸向偏差的誤差補償。加速度計數據二 不例性的轉換通過下列公式完成： A = S*((M-P). *g(T)) d) 其中，Μ是一個由採樣輪出值（χ，y，z)組成的心 1维的列向量’ P是一個與感測器偏移相關的3“維的 歹J向量s疋一個包括比例、軸向偏差和感測器轉動補 償的3x 3矩陣。g(T)是一個增益因數，該因數是與溫度 相關的函數。“*，，操作符代表矩陣乘法， 符代表組分相乘（element multipHcati〇n)。示例性的 加速度計5 0 6具有示例性的+/— 2g的滿量程。感測器偏 移量P指得是在加速度計的測量結果為Gg時感測器的 輸出M。比例（scale)是指採樣單位值和g之間的轉換因 數。任何給定的加速度計感測器的實際比例都可能因為 諸如製造偏差的原因而偏離這些標稱的比例值。因此， 上述方程式中的比例因數應當與這些偏差成比例。 例如，可通過沿一個軸方向施加lg的力並測量結 果R1，從而測量加速度計506的比例和偏移量（〇ffset deviation)。隨後，施加一lg的力並測量結果R2。各 轴方向的比例S和軸向偏移p可計算如下： s = (Rl - R2)/2 (2) p=(Rl+R2)/2 (3) 在這個簡單的情況中’ P是各個軸向的p的列向 ⑧ 5193-7085-PF 19 Ϊ376520 量，S是各個轴向的i/s的對角矩陣。 但是’除比例和偏移量外，由加速度計506產生的 讀數也可能會受到交又轴效應（cr〇ss_axes effect)的 衫響。父又軸效應包括未對齊的軸，例如，當加速度計 506被安裝在自由空間定位裝置4〇〇中時加速度計5〇6 的一個或多個感測軸與慣性參考坐標系中的相應軸沒 有對齊；或者包括與加速度計506自身加工相關的機械 誤差，例如，雖然軸被正確地對齊，但是一個純粹處於 y軸方向的加速度力可產生沿加速度計506的z轴方向 的一個感測器讀數。這兩種效應都可被測量並由功能模 組606進行校正。 在依照本發明示例性實施方案所述的自由空間定 位裝置中’加速度計506起到了多種作用。例如，如果 轉動感測器502和504採用上述示例性的寇里奥利 (c〇riolis)效應轉動感測器實現，那麼轉動感測器5〇2 和504的輸出將會基於由每個轉動感測器所經歷的線性 加速而改變。因此，加速度計506的—個示例性用途是 補償由轉動感測器502和504產生的讀數中的波動，這 些波動是由線性加速度的變化所引起的。該補償可通過 用增益矩陣610乘以經轉換的加速讀數，並減去（或加 上）來自（或傳送到）相應採樣的轉動傳感資料612來實 現。例如，來自轉動感測器502的採樣的轉動資料 能夠在模組614對線性加速度進行補償： a y* = a y- C*A (4) 5193-7085-PF 20 ⑧ ^76520 /、中’ c疋與各個轴向的線性加速度的轉動感測器 靈敏度相關的以units/g的形式給出的lx3的行向量， A疋校正後的線性加速度。類似地，來自轉動感測器504 的採樣的轉動資料αζ可由模組614提供線性加速度補 償增益矩陣C可根據轉動感測器製造工藝的不同而改 變。C可以利用多個轉動感測器的平均值進行計算，也 可以對每一個轉動感測器進行專門計算。 與加速度數據類似，採樣的轉動資料6丨2隨後在功 能模組616中被從採樣的單位值轉換成與角旋轉速率相 關的數值，例如，弧度/秒。這種轉換步驟也可包括由 功能模組618提供的校正，從而為諸如比例和偏移量補 乜採樣的轉動資料。例如，對於ay*az的轉換/校正 可以通過如下方程實現： a rad/s=(a J-offset(T))^scale+d0ffset (5) 其中，a，是指正被轉換/校正的數值，〇ffset(T) 疋指與溫度相關的偏移量，scale是指採樣的單位值和 弧度/秒之間的轉換因數，d0ffset是指動態偏移量。方 程式（5)可以矩陣方程式的形式實現，在這種情況下， 除scale外的其他所有變數都是向量。在矩陣方程形式 中，scale用於修正軸向失准和轉動偏移因素。各變數 將在下文進行更為詳細的討論。 偏移里offset(T)和dOffset可通過多種方式確 定。例如，當自由空間定位裝置‘4〇‘〇沒有.沿例.如y軸方 向轉動時，感測器502應輸出其偏移量。但是偏移量會

5193-7085-PF 1376520 爻到溫度的报大影響，因此，該偏移量將很可能改變。 偏移量溫度校正工作可在工廠執行，在這種情況下， . of fset(T)的數值可被預先編程到手持裝置400中，或 • 者，偏移量溫度校正也可以在裝置的使用壽命期間被動 態學習。為實現動態偏移量校正，來自溫度感測器6工9 的輸入在轉動校正功能模組618中被用於計算 〇亡{861：(1')的當前值。〇衍361：(1)參數消除了來自感測器 讃數的主要的偏移誤差《不過，消除零移動時幾乎所有 癱的游標漂移將有利於製造一個高性能的定位裝置。因 此，在使用自由空間定位裝置40 0時，附加因數d〇ffset 可被動態地計算出來。靜態檢測功能模組6 0 8決定手持 裝置何時最可能處於靜止以及偏移量何時應被重新計 异。下文中將詳細說明實現靜態檢測功能模組6 0 8的示 例性的技術以及由此產生的其他應用。 dOff set計算的一個示例性的實現方案是採用經過 φ低通滤波的校正後的感測器輪出。靜態輸出檢測功能模 組6 08為轉動校正功能模組6 1 8提供指示，以觸發對諸 如低通渡波輸出的平均值（mean)的計算。當一個新的計 算方法被引入現有的dOff set數值時，靜態檢測功能模 組6 0 8也能進行控制。本領域技術人員能夠認識到，多 種不同的技術能夠用來從現有的dOffset數值和新的方 法中計算出新的dOffset數值’這些新的方法包括但不 僅限於’簡單的取平均、低通.濾波和卡瞰曼乂以^⑽）濾 波。此外’本領域技術人員能夠認識到，可以採用多種 5193-7085-PF 22 ⑧ iJ/0^20 變例以實現對轉動感測器5〇2和5〇4的偏移補償。例 如，off set (T)函數能夠包括一個常數（例如，關於溫度 的疋1). ’採用兩個以上的偏移補償值和/或僅計算/採 用一個偏移數值用於偏移補償。 在模組616進行轉換/校正後，來自轉動感測器5〇2 的輪入可被進一步處理，從而將這些輸入轉動到一個慣 陡參考坐標系，以用於例如在功能模組62〇中對與用戶 持握自由空間定位裝置4〇〇的方式相關的傾斜度（ti lt) 進行補償。傾斜度校正是本發明部分示例性實施方案中 的又一個重要方面，因為其用於補償依照本發明的自由 二間定位裝置的不同使用模式。更具體地講，依照本發 明的不例性實施方案的傾斜度校正，其意圖是用於對這 樣的情況進行補償，即，雖然用戶將在不同的χ軸轉動 位置將疋位裝置持握在他們的手中，但是自由空間定位 裝置4 0 0中的轉動感測器5 〇 2和5 〇 4的感測轴卻是固定 的。因此’希望游標在顯示器408上的平移對於用戶持 握自由空間定位裝置4 〇 〇的方式充分地不敏感，例如， 無論用戶持握該自由空間定位裝置400的方位如何，當 以通常對應於顯示器508的水平維度（η軸）的方式使自 由空間定位桌置400前後轉動時，應該導致游標沿χ2 抽方向平移，而當以通常對應於顯示器5〇8的垂直維度 (y2軸）的方式使自由空間定位裝置4〇〇上下轉動時，會 導致游標沿y2轴方向平移。 為更好地理解依照本發明的示例性實施方案所述 5193-7085-PF 23 ⑧ 1376520 的傾斜度補償的必要性，考慮第6圖（A)所示的例子。 在第6圖(A)中’用戶在一個示例性的慣性參考坐標系 中持握自由空間定位裝置4GG，該慣性參考坐標系被定 義為具有0度的X軸向的轉動數值。僅作為例子而言， 該慣性參考坐標系可對應於如第6圖(A)所示的方向， 或者其也能被定義為任何其他方向。自由空間定位裝置 400在y軸或z軸方向的轉動將分別被轉動感測器 和5 04感測到。例如，如第6圖（B)所示，自由空間定 位裝置400沿2軸的轉動量Δζ將導致游標在顯示器樹 上沿Χ2軸方向平移Δχ2(例如，游標41G的點劃線41〇 和非點劃線之間的距離）。 另一方面，如果用戶以不同的方位持握自由空間定 位裝置400，例如’在χ軸方向相對於慣性參考坐標系 有一定量的轉動’那麼由感測器5 0 2和504提供的資訊 (缺少傾斜度補償)將不能準確地代表用戶期望的介面 動作。例*，參考第6圖⑹，考慮當用戶以相對於第6 圖⑴所不的慣性參考坐標系中的χ輪轉動45度的角产 來持握自由空間定位裝置4。。時的情況。假設用戶同樣 沿Ζ軸轉動ΔΖ，游標41°將變為同時沿Χ2軸方向和；2 轴方向平移’如第6圖⑻所示。這是因為轉動感測， 502的感測轴此時的方位處在y轴和ζ軸之間（由於定位 裝置在用戶手中的方位的原因）。類似地，轉動感測， 5〇4的感測轴的方位也處在y轴和H(雖然在不同 的象限）。為了提供一個能夠根據自由空間定位裝置被 5193-7085-PF 24 ⑧ 1376520 持握的方式向用戶清楚顯示 性實施方案的傾斜度補償將 數輸出轉換回慣性參考坐標 讀數轉換為用來表徵自由空 的資訊的處理的一部分 的介面，依照本發明的系例 轉動感測器502和504的讀 系’以作為將這些感測器的 間定位裝置400的轉動速動 回到第5圖’依照本發明的_ y丨^ & ..., 货月的不例性實施方案所述 通過在功能模組622上利用拄你^ Λ 〜用接收到的來自加速度計5 〇 6 的輸入y和z來確定出自士办p日a ^ .. 33目由空間定位裝置400的傾斜 # 度，就可以實現該目的。更且栌以地 上 ^ ^ 文具體地講，當加速度數據經 過上述轉換和校正後，可以使其經過LpF似的低通滤 波，從而向傾斜度確定功能模組622提供一個平均的加 • 速度（重力）值。隨後，在功能模組622中，傾角θ可由 下式得到： 0 stair1 ㈤ (7)

\ZJ

數值Θ可通過atan2(y，z)進行數值計算’從而防止 除零情況，並能給出正確的符號。然後通過以下公式， 功能模组62G就可實現對經過轉換/校正的輸入ay和 ο: z的轉動R : (8) 「cos0sin0 R = -sin0cos0 從而通過轉動經過轉換/校正的輸入ay*az來補 償傾角0。本示例性實施方案中所述的傾斜度補償是一 些常見的用於將感測器的讀數從本體（b〇dy)#考坐標 系轉換到用戶參考坐標系的技術的一個子集，這些技術 5193-7085-PP 25 在上述被引入本文作為參考的、題為“具有.傾斜度補償 和改進的使用性能的自由空間定位裝置，，的專利申請 中有進一步的描述。 一旦經過校正的感測器讀數得到線性加速度補 償、被處理為表徵自由空間定位裝置400的角轉動的讀 數、並經過傾斜度補償之後，後處理過程就可以在模組 6 26和6 28中執行。示例性的後處理過程可包括對諸如 人體顫動的各種因素的補償。該顫動可以通過多種方式 被消除，其中一種方式是通過滯後作用（hysteresis)s 除顫動。由轉動功能模組620產生的角速度被綜合用以 提供一個角位置。隨後，校正後的幅度的滯後作用將被 應用於角位置。由此導出的結果是通過滯後作用模組的 輪出再次產生一個角速度》所產生的輸出隨後在功能模 組6 28中被執行比例調節（scaied)(例如，基於採樣週 期），並用於產生介面中的結果，例如游標41〇在顯示 器408上的移動。 在提供了根據本發明的示例性自由空間定位茫置 的過程描述之後，第7圖描述了示例性的硬體體系結 構。在其中，處理器800與自由空間定位裝置的其他元 件通信’包括滾輪802、JTAG 804、LED(發光二極 體）806、開關矩陣8〇8、IR光電探測器81〇 '轉動感測 器812、加速度計814和收發器816。滾輪8〇2是選擇 輸入元件，其使用戶能夠通過順時針或反時針轉動滾輪 802以將輸入提供到上述介面^ JTAG 8〇4為上述處理器

5193-7085-PF 提供程式編制和調試介面。led 8〇6例如在按知被 時為用戶提供視覺化的反饋。開關矩陣8 08接收例如用 於指示自由空間定位裝置4。。的按紐被按下或釋= 接著將/傳遞到處理器_。可選的以光電探測 : 可破提供以使該示例性的自由空間定位裝置能夠 從其他的遙控器獲知iR編碼。轉動感測器812將例如 與上述的自以間^位裝置“軸和以的轉動相關的 讀數提供到處理器_。加速度計814將與自由空間定 位裝置400相關的線性加速度提供到處理器_，其能 夠被如上所述地使用以實現例如傾斜度補償，並且補償 由線性加速度引入到轉動感測器812所產生的轉動讀數 之中的誤差。收發器816被用來將資訊傳輸到自由空間 疋位裝置4GG和從其傳出，例如傳輸到系統控制器咖 或傳輸到與電腦關聯的處理器。收發器816可以是例如 根據用於短範圍無線通信的籃牙標準來操作的無線收 發器’或是紅外線收發器。料一種選擇，自由空間定 位裝置400可以，經由有線線路連接與系統通信。 在第4圖的示例性的實施方案中，自由空間定位裝 置400包括兩個轉動感測^咖和5〇4以及一個加速度 十5 0 6仁疋，按照本發明的另一示例性的實施方案， 自由空間定位裝置可選地包括恰好-個例如用於測量z 軸方向中的角速度的轉動感測器和加速度計。對於這一 不例性的實施方案，與上面插述的相·似的功能可通過利 用加速度計確定沿著沒有被轉動感測器感測的軸的角 5193-7085-PF 27 1376520 速度而獲得。例如，圍繞y軸的轉動速度可利用加速度 計所產生的資料並根據下列算式獲得： 此外，還應該消除沒有被轉動感測器測量的寄生 (parasitic)加速度效應。這些效應包括實際的線性加 速度'由於轉動速度和轉動加速度導致的被測加速度以 及由於人為顫動的加速度。

上面簡要提到的靜態檢測功能模組6〇8可運行以痛 疋自由二間定位裝置4 〇 〇是例如靜態的還是活動的（務 動的）。這種分類可以採用多種不同的方式實現。按鶊 本發明的示例性的實施方案所述的一種方式是，例如每 四分之-秒的時間計算在預定視窗上的所有輸入(χ，y， Ζ’ αΥ’ αΖ)的採樣輸入資料的方差（variance)。這個 方差然後被與閾值進行比較以將自由空間定位裝釁分 類為靜態的或活動的。 «:把不I明的示 彳】的實靶方案所述的另〆采 態檢測技術包括通過也 逋過例如對輸入資料執行快速傅』 變換（FFT)而將這此备λ絲说^ 、二輸入轉換到頻域中。然 例如峰值檢測方法 付"以… 析，以確定自由玄” 位裝置400是靜態的 妁或活動的。另外，還可以區分iJ 三種類別，具體是指 ^ 匕为 、 用戶持有自由空間定位裝f 但沒有移動它的g < 能、^白障况（在本文中也稱為“穩定，， 態）。當自由空間定位奘 位裝置400破用戶持有時，巧·ϋ 檢測由用戶的手的顫私 顫動引致的自由空間定位裝置

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系田 β F 狀能冑而將該第三種類別與靜態(未被握持)和活動 進 一 J刀月b模組608也可使用峰值檢測以 二-確定。在人為顫動的頻率範圍(例如正常為8 態的二之内的峰值通常會超過該裝置(當該裝置是靜 5 ’又有被握持時）的雜訊最低限度約2〇dB。 :前述實施例中，頻域中的變化在特定的頻率範圍 測’但是被監測和用於表徵自由空間定位裝置 的狀態的實際頻率範圍可以變化。例如，基於諸如 C學和自由空間定位裝置4〇°的重量，通常的顫 頻率範圍可從在例如8— 12Η" 4— 7Hz之間變化。 按照本發明的另一示例性的實施方案，靜態檢測裝 _ 608可包括狀態機。一種示例性的狀態機如第8圖所 不。其中’ “活動（Active)，’狀態（在本實施例中）是在 自由空間定位裝置4。0移動或被用於例如向用戶介面提 供輪入的過程令的默認狀態。自由空間定位裝置4〇〇可 在由重定輸入所表示的該裝置通電時進入“活動，，狀 態。如果自由空間定位裝置400停止移動，則它可進入 /非活動（Inactive)，，狀態。如第8圖所示的不同的狀 態轉換可由多種不同的條件（包括但不限於從轉動感測 器5 02和5 04的一個或兩個輸出的資料、從加速度計5〇6 輸出的資料、時域資料、頻域資料或它們的組合）所觸 發。本文的狀態轉換條件一般依照慣例 ‘‘ Conditi OIlstateA 今 state B (條件狀β A +狀β B ) ” 來表示。例 如’當COnditiOIlactive+Uactive發生時，自由空間定位穿 5193-7085-PF 29 1376520 置400從“活動，，狀態轉換為“非活動”狀態。為了單 純說明的目的，當來自轉動感測器和加速度計的平均偏 差值和/或標準偏差值在第一預定時間間隔中都落在第 一預定閾值之下時，則在示例性的自由空間定位裝置 400 中 wa 為 C〇nditi〇nective_^inactive 能夠發生。告·在“活 動”狀態時，從運動感測器（例如轉動感測器和/或加速 度計）接收的資料可使用一種或多種處理技術（例如線 性濾波、卡爾曼濾波、卡爾曼平滑處理（““Μ smoothing)、狀態空間估計、期望最大 (EXpectation-Maxiinizati〇n)或其他基於模型的技術） 被區分為與由用戶引入的有意動作相關的第一資料和 與由用戶（顫勤）引入的無意資料相關 資料然後可被進一步處理以產生與手持裝置：二 作（例如，為了支持游標移動）相關的輪出，而帛二資料 可被用作為例如用戶識別的顫動輸入，下面將 描述。 “轉換可由多種基於解釋感測器輸出的不同條 件：確定。包括在時間視窗上的解釋信號的方差、在時 間由口上的參考值和解釋信號之間的間值、在時間窗口 上的參考值和過遽的解釋信號之間的閾值以及從開如 =的參考值和解釋信號之間的間值的示例性的條‘ ^夠被用於確定狀態轉換。這些條件度量的全部或 擇，° &夠被用於觸發狀態的轉換。作為-種選 ，可使用其他的度量。按照本發明的一個示例性的 5193-7085-pp 3〇 1376520 實施方案，從“非活動”狀態到《活動，，狀態的轉換發 生在下列情況··（ 1)在時間窗口上的感測器輸出的平均 值比預疋的閾值大，或者（2)在時間視窗上的感測器輪 出的值的方差比預定的閾值大；或者（3)感測器值之間 的暫態增量（delta)比預定的閾值大。 非活動狀癌使得靜態檢測裝置6.08能夠在自由 空間疋位裝置4 0 0仍然被使用的過程中的短暫停止（例 如，大約十分之一秒）與實際轉換到穩定或靜態情況中 進行區分。這樣在“穩定（STABLE)，，和“靜態 (STATIONARY)’’狀態中所執行的保護功能（如下所述） 就不會在自由S間定位裝置被使用時被無意地執行。自 由空間定位裝置400在c〇nditi〇 …、aetlve發生時 (例如，如果在“非活動”狀態中的第二預定時間間隔 過去之前’自由空間定位裝置重新開始移動使得從 轉動感測器和加速度計測量的輸出超過第—閨值 換回“活動”狀態。 、轉 在第二預定時間間隔過去之後，自由空間定位 400將轉換為“穩定”狀態或‘‘靜態”狀態。如 述，“穩定’’狀態反映了白士六門宕仞肚助 所 Γ自由空間疋位裝置4〇〇被 但實際上沒有移動時的特徵，而“靜態，，狀離反 由空間定位裝置不被人持有時的特徵。因二、自 定時間間隔已經過去之後 乐一預 <设如果出現與手部顫動相 小移動，按照本發明的示例:性的.狀.態機，為轉換、 定狀態，否則將轉換到“靜態，，狀態。 穩

5193-7085-PF 1376520 穩定”和“靜態，，狀態定出了自由空間定位裝 置400能夠執行不同功能的時段。例如，因為“穩定” 狀態用於反映用戶持有自由空間定位裝置4〇〇但沒有移 動它的時段’所以當處於“穩定，，狀態時該裝置能夠通 過例如存儲從在這樣的狀態中的轉動感測器和/或加速 度汁的輸出來記錄自由空間定位裝置4〇〇的移動。這些 存儲的測量結果可被用於確定與具體的一個或多個^ 戶相關的顫動模式，如下所述。否則，當在“靜態，，狀 態。中時，自由空間定位裝S 400可如上所述地從^動感 測器和/或加速度計獲得讀數用於補償偏差。 如果自由空間定位裝置400在“穩定，，或“靜態” 狀態中開始移動，則能觸發返回到“活動”狀態。否 則，在獲得測量結果後，該裝置可轉換到“睡眠 (SLEEP)”狀態。在睡眠狀態中時，該裝置可進入減低 能量消耗模式，其中自由空間定位裝置的能量消耗被降 低，例如轉動感測器和/或加速度計的採樣率也被降 低。“睡眠’’狀態也可通過外部命令進入，以便用戶或 其他裝置能夠控制自由空間定位裝置4〇〇進入“睡眠” 狀態。 在收到其他命令時，或者如果自由空間定位裝置 400開始移動，那麼該裝置可從“睡眠”狀態轉換到 “喚醒（WAKEUP)”狀態。如同“非活動，，狀態“喚 醒，狀態為該裝置提供時機以確▲認轉.換到….活.動，，狀 態是合理的，例如，自由空間定位裝置4〇〇沒有被不經 5193-7085-PF 32 1376520 意地推擠。

進入或離開一種狀態也可被用於觸發其他設備功 能。例如，用戶介面可在從其他狀態到“活動”狀態的 轉換的基礎上通電。相反地，當自由空間定位裝i從 活動或穩定”狀態轉換到“靜態，，或“非活 動”狀態時’自由空間定位裝置和/或用戶介面可被關 閉（或進入睡眠模式）。作為一種選擇，游標41〇可在從 自由空間定位裝置4〇0的靜態狀態或轉換到自由空間定 位裝置400的靜態狀態的基礎上顯示在螢幕上或從 上移走。 顫動（Tremor) 如上所述，手持裝置處於“穩定，，狀態的時間間隔 能夠：如被用於存儲與具體用戶相關的顫動資料。典型

例性的貫施方案，用戶的這一 戶目前正在持有該手持裝、置,

5193-7085-PF 地每個用戶表現出不同的顫動模式。^照本發明的示 例性的實施方案，田 y' 而不需要.用戶方面'.的‘任何 用戶的顫動模式可 33 13Ί6520 在初始化過程被手拉 ^ 6 ^ 手持裝置或糸統所存儲（例如，既可存 儲在自由空間定位梦 仔 用卢中也可傳輪到系統），其中 ^ ^ 時間内儘量穩定地持有自由空間定 位裝置（例如1 0秒）。 疋 這-模式可被用作用戶的唯一（或准唯一)簽名以 執仃多種用戶介面功能。 J ^ 用尸介面和/或手拉奘 置能夠通過將當前的顫動掇—.命六 飞予符裝 Μ顫動^與存館在記憶體中的模 式進仃比較而從一組用戶一 _ ^ 個豕庭）中識別用 戶。廷種識別隨後可祐用在M H 土 被用來例如檢索與被識別的用戶相 關的偏愛設置。例如，如 例如如果自由空間定位裝置盥上文社 合引用的專利申請令描述的 ^文、-° 綠體系、-先結合使用，那麼與 用戶相關的媒體選擇專牵顯 X> 寻茶，4不參數就能在該系統通過 顫動模式比較識別用戶以後姑敌包 U後被啟動。系統安全也可使用 顫動識別來實現，例如可在 你用尸掌起自由空間定位裝置 400後在用戶識別的基礎上勃并斜么^ 堤上執仃對系統訪問的禁止或限 制。 可使用多種不同的方法來實現按照本發明的顫動 模式檢測、分類和存儲的方案。現在參照第九到十二圖 描述—個示例性的實施方案。用於將顫動模式進行分類 的總體方案在帛9圖的流程圖中得到描述。其中，在步 驟900中從多個用戶收隼資斜隹 呆貧枓集。資料集收集可以是訓 練/初始化處理過程的一邱公，甘上 ' ^邛刀，其中用戶被要求在預定 的時間間隔内（例如5— 15秒）.持有«置而没有言意動 作，或者資料隸集在㈣料持I置時可被“掠過式 5193-7085-PF 34 1376520 地（on-the-fly)’’實現。此外，資料收集可在以預定的 方向持有手持裝置時實現。一些純粹示例性的頻譜資 .料，如第10圖（A)到第1〇圖（D)所示，在四個不同方向 • 上被為具體的持有自由空間定位裝置400的用戶收集。 回到第9圖，收集的資料然後可被處理以便識別與 手持裝置400的每個不同用戶相關的類別。例如，在步 驟902中，可從收集的資料的每個集合中提取出一個或 多個特徵集以在分類處理中使用。選定的在步驟902中 •使用的具體的一個或多個特徵集被選擇以便為顫動資 料長:供良好的類別區分’其可依賴與通過顫動處理的用 戶識別相關的執行參數（包括’例如在分類池中待被區 分的用戶數目 '在步驟900中將被收集的訓練資料的數 里和類型、裝置特性、如上所述的例如與第8圖相關以 及與貝葉斯（Bayesian)用戶資訊（例如日曆 (time-of-day))相關的狀態資訊）而變化…下面的表j m T V應用於步驟902的特徵集的示例性列表。 |時域 AR係數(例如RPLR或迭代INVFREQZ方法） ^二化自相關延遲，AR係數(例如帆幻，Keenan、Tsay或 bubba Rao測試，時間序列的純分佈特徵，時間反演不變性， 自相關函數的非對稱衰減 頻域 轉動感測器的PSD—特徵(例如峰值頻率，動差），psd係數 加速度計的PSD—特徵(例如峰·值頻率，動差），psj)係數 帶有加速度計數據的轉動感測器資料的夺叉諶公妍 高階統計 fios(雙譜，三譜）一利用顫動的非高斯性 Hinich統計測試 Volterra系列建模 時間-頻率域 從 STFT，Wigner-Ville 和/或(Choi-wniiams)TF 分佈提取的 參數 時間-比例域 DWT-離散小波變換

5193-7085-PF 1376520 M0DWT-最大疊加變換(迴圈不變數） CWT—複數小波變換(移位元不變數） 其他變換 週期變換(例如小到大' m-best等） 迴圈頻譜 其他測量 混沌測量(例如Lyapunov指數、分數維、相關維數） 表1 關於這些特徵集的資訊和相應的測試可在 j. Jakubowski, Κ· Kwi atos, A. Chwaleba, S. Osowski 的文章“用於顫動識別的高階統計和神經網路”， (Higher Order Statistics and Neural Network For

Tremor Recogni t ion) IEEE生物醫學工程學報，2002年 2 月第 49 卷第 2 號，1 52 - 1 5 9 頁（IEEE Transactions on

Biomedical Engineering, vol. 49, no. 2, pp. 152-159 IEEE, Feb 2002)中找到，該文公開的内容通過引用被 併入本文《按照本發明一個純粹示例性的實施方案（下 面將更詳細描述）所述，來自收集的資料的功率譜密度 (PSD)的低頻頻譜在步驟9〇2中被用作特徵集。除了上 面列出的域、轉換等的特徵集也可在將對其進行顫動檢 測/識別的手持裝置中可用的感測器的數量和類型的基 礎上變化。例如，在較早的示例性的實施方案中描述的 手持裝置的自由空間定位裝置4〇〇中，可從—個或兩個 轉動感測器、加速度計或它們的組合收集顫動資料。 在從收集的資料提取特徵集之後，特徵集可在步驟 904被減少。更具體地，，.特徵集可在步驟9〇4被減少為 能為在類別（用戶）間區別目的最好地代表特徵的特徵

5193-7085-PF 1376520 . 集。例如，用戶顫動資料的DC值可從減少的特徵集中 被忽略，而用戶顫動資料的9Hz值可被包括在減少後的 特徵集中，因為後者被認為在區分不同的用戶的手部顫 • 動中更有用。減少後的特徵集可以為例如最有表現力的 特徵（MEF)集，其使用主成分分析（pCA)演算法進行確 定。PCA演算法採用特徵集的奇異值分解以自動地找到 能最好地表示特徵向量（例如，在最小均方誤差（MMSE) 的感應中）的基本向量的適當集合❹應用pcA技術的例 •子可在由 P. Navarrete 和 j. Ruiz-del s〇lar 著的“基 於本征空間的面貌識別：比較和新方法” (Eigenspace-Based Recognition 〇f Faces. Comparisons and a New Approach),圖像分析與處理 (Image Analysis and Processing)，200 1 中找到，其 公開内容通過引用被併入本文β 然後減少後的特徵集可被用於在步驟9〇8中識別

簇，其可使用監控學習（即，其中處理操作基於單獨的 用戶對資料集貢獻的先驗知識（pri〇ri kn〇wledge))或 無監控學習（即，其中處理不具有任何先驗資訊）來實 案’可使用多種技術 *例如K-means聚合 現。按照本發明的不例性的實施方 來確定與顫動資料相關的簇，包括 ⑧ (clustering)和RF神經網路分類。一旦識別了簇，那 麼與識別的簇相關的估計的統計結果（例如平均或方差） 就可被用於區分新的特徵向量位於確定的竊的内部或 外部，即，在步驟910巾，在當前的感測器輸出的基礎 5193-7085-PF 37 1^76520 上識別目別持有手持裝置4〇〇的用戶。在初始的用戶/ 簇實例化後’學習方法可通過在感測器卫作中提煉藥中 心而使用感測器狀態資訊(如上所述，例如，關於第8 圖）付到改進^樣，最大數量的可用資料被用於提煉 簇（以監控的方式），以支援進一步的無監控學習。 為了測試前述的波 . 的基於檢測的手部顫動來識別用戶 m 的示例性的技術，與四個彡他用戶相1的資料集（除了 如第10圖(A)到(B)所示的資料)參照第9圖的流程圖以 如上所述的通用方式被故集和分析以說明手部顫動分 析可被用於區分/識別不同的用戶。這些資料集的兩個 從持有該手持裝置的同-人處收集，而另外三個資料集 可從不同的持有該手持裝置的人處收集。在這一測試 =步驟90 0中為五個資料集的每一個從兩個轉動感測 f 812收集資料。每個資料集被處理以具有零平均值和 單位方差。對於逆一示例性的測試，纟步驟9 〇 2中，來 自PSD估計的低頻頻譜（例如寄值頻率）被用於特徵值提 取以及在資料故集時間上被平均：更具體地，挪點的 FFT在0-30Hz的頻率範圍内在N=2〇48點上以…的 重疊率被平均。提取的特徵集使用PCA演算法從38χ 2〇 的矩陣減小為20χ 2〇的矩陣’其恰當地辨認出與提取出 的特徵集相關的特定的本征向量比其他的缺少表現力 且可被放棄。第11圖表示本實施例中被生成的本缸值 作為步驟904的-部分。其中，線UGQ表示與特徵集 2(在z轴方向上從轉動感測@ 5Q4收集的資料）相關的 5193-7085-PP 38 ⑧ 6520 本征值，線1102表示與特徵集丨（在y軸方向上從轉動 感测盗502收集的資料）相關的本征值。 在知種測試的情況下，聚合步驟在用戶產生的資料 集的先驗知識（監控學習）基礎上執行。在實際的執行 中，自動聚合技術（例如上面描述的其中之一）在步驟 9 〇 6中可以得到應用。對於這一純粹示例性的測試，簇 為從轉動感測器5〇2和5〇4收到的資料被單獨識別，以 把定與每個資料集相關的兩個類別質心（centroid)。然 資料集中的母個向量與兩個類別質心之間的距離的 總和(在本實施例中為歐幾裏得度量)被言十算。這一處理 的、·《果在帛12圖中示出。其中，χ軸代表減少後的資料 集向里，y軸代表距離，並且垂直線將到不同的類別（用 戶）質心的距離進行劃分。可以看出，在每個劃分中， ^ Μ類Μ的向量到質心的距離充分小於其他類別的向 量到質〜的距離’表示好的類別劃分以及能夠在用戶在 ，持裝置中引起的手部顫動的基礎上區分/識別用戶的 •力。例如特徵集等的一些特定的選擇被用於執行說明 性的測試，但是本文所提到的這些選擇是純粹示例性 的。 按照本發明#示例性的實施方帛，可採用多種變 例例如 旦在步驟9 0 8中簇被識別，那麼可執行簇 判別步驟以便強調每個簇的區別特徵。運行簇判別式以 將變換矩陣應用到提供在集合内最小分組和在集合間 最大距離的資料 給定描述總的協方差（covariance)的

5193-7085-PP 39 1376520 矩陣以及另一描述每一個簇的協方差和的矩陣，那麼線 性判別式的任務就是導出能同時將類別間的距離最大 化和將類別中的分散（scatter)最小化的線性變換。雖 然在模式識別的通用領域中已公知多個判別式，例如 Fi sher線性判別式（FLD) ’但是並非所有都可能適合本 文描述的基於手部顫動的識別用戶的具體問題。可用于 前述正文中實施例的一個具體的判別式被稱作是EFM-1 判別式在作者為C. Liu和H_ Wechsler的名為“用於

面貌識別的增強的Fisher線性判別式模型，，（Enhanced Fisher Linear Discriminant Models for Face

Recognition)的文章，關於模式識別的第十四屆國際會 議’澳大利亞昆士蘭，1 998年8月17 — 20日（Proc. 14th International Conference on Pattern Recognition,

Queensland Australia, August，17-20，1998)中得到 了描述’其公開内容通過引用被併入本文。 此外，雖然前述測試是利用早先描述的本發明的示 例性實施方案所述的手持定位裝置實現的，但是用戶的 基於顏動的識別並不受此限制《實際上，基於顫動的識 別可被應用在任何其他類型的具有可產生顫動資料的 任何類型運動感測器（包括回轉儀）的自由空間定位裝 置中。另外，按照本發明的基於顫動的識別也不限於定 位裝置，而可應用於任何手持裝置，例如，蜂窩電話、 PDA等，這些裝置結合了一個或多個運動感測器或者具 有一些用於測量與之相關的手部顫動的其他裝置。可利 40 ⑧

5193-7085-PF ^76520 用個訓練過程來執行例如步驟900到g〇8，隨後手持 裝置可執订僅僅收集與當前用戶的手部顫動相關的資 科=將每些資料與先前建立的用戶類別進行比較以識 1田別的用戶的方法。這些識別資訊然後可被用於多個· 不同的應用，前面提到其中一些例子。

SCO 盆 / 戶的身份（可利用基於顫動的識別或通過

其他識別技術所識別)可被用於解釋由用戶做出的姿態 以向用戶介面（如前面通過引用併入的專利申請中所述 的内容)發出命令。例如’在基於姿態的命令系統(其中 附隨時間的移動模式與具體的介面命令相關）中，不同 = 可採用有些不同的手持裝置的附隨時間的移動 :式來發起同樣的介面命令(更像不同的人有不同的書 2風格）。然後提供用戶識別的能力可被映射到不同的 作敕式例如存儲在手持裝置或系統中，使得該系統 作為整體正禮地娜丄β 5別作為由用戶引起的命令姿態的附 隨時間的各種移動模式。 參考坐標系射 *如亡所述，本發明的示例性的實施方案處理來 由工間定位裝置中的感測器的移動資料以將該資 2由空間定位裝置的本體參^轉換到其他來 的參考系。在用於控制顯示在螢幕上 :介面的自由空間定位裝置的示例性應用(例如電 用戶的參考系可以是與電視螢幕相關的坐標系 淪如何’將資料從本體參考系到其他參考系的轉換 5193-7085-ρρ 41 1376520 導致來自用戶方面而不是裝置方面的操作而改進了手 持裝置的可用性。因此，當該用戶在持有自由空間定位 裝置時在顯示器前從左向右移動他或她的手，游標將以 從左向右的方向移動而與自由空間定位裝置的方向無 關。

鋤

為了簡化這一討論，與自由空間定位裝置相關的示 例陡處理系統在第13圖中示出，例如上面進行的詳細 描述其中’手持系統使用一個或多個感測器1 3 〇丨（例 如轉動感測器、回轉儀、加速度計、磁力計、光感測器、 …、相機或匕們的組合）來感測運動。這些感測器然後在 模組1302中被解釋以產生對發生的運動的估計。處理 模組1 303然後將測量的運動從裝置的自然（本體）參考 系轉換到用戶的參考系。這種移動然後被映射13〇4為 有意義的動作，其在模組13〇5中被解釋然後輸送到系 統中以產生有意義的響應，例如移動螢幕上的游標。、 模組1 303將檢測到的移動轉換到用戶參考系而不 是裝置的參考系。可由許多不同的數學上類似的方法 (包括歐拉角、方向余弦矩陣（DCM)或單位四元數）來表 示方向。位置通常被表 (包括但不限於米、釐米、英尺、英寸和英里)表示的偏 移。在如上所述的一個示例性的實施方案中，自由空間 定位裝置測量包括加速度和轉動速度的慣性力。這些力 相對於裝置的本體通過安裝在其中的感測器來測量。為 了將測量的資料轉換到用戶參考系，裝置對其位置和； 42 ⑧

5193-7085-PF 1376520 • 向都進行估計。 在本示例性的實施方案中，假設用戶參考系是靜態 的且是具有固定方向的，雖然本領域技術人員可以理 • 解’按照本發明的這一技術可通過直接地轉換為隨時間 變化的坐標系或通過首先轉換為靜態坐標系然後轉換 為移動坐標系而被容易地延伸到用戶參考系是非靜態 的情況。對於靜態的、固定方向的用戶參考系的實施 例，從本體坐標系到用戶坐標牟的轉換可通過使用下面 # 的公式實現：

Pu=Rotate(Pb, Q)+Pdelta Pu’ =R〇tate(Pb’ ， Q)

Pu’ ’ =R〇tate(Pb’ ’ ， Q)

Wu=Rotate(Wb, Q)

Wu’ =R〇tate(Wb’ ， Q) 其中： φ R〇tate表示四元轉動運算元，使得R〇tate(A’ Q) 等於Q*AQ，其中q*為四元共軛，而向量人是具有複 數部分等於A而實數部分等於〇的四元數；

Pu用戶參考系中的位置；

Pb是裝置參考系的位置； 表不導數。因此，pu’是用戶參考系中的位置的 導數，即，用戶參考系中的速度； 疋用戶參考系中裝置的本體角的角速度；

Wb疋裝置的本體參考系中的裝置的本體角的角速

5193-7085-PF 43 1376520 度； pdelta是在用戶參考坐標系中的用戶參考系和本 體參考系的原點之間的差； Q是標準化的轉動四元數，其代表從本體坐標系到 戶坐標系的轉動。因為從用戶坐標系到本體坐標系的 轉動四元數是Q*，所以我們可用R*代替q，其中以從 :戶坐標系到本體坐標系的轉動。注意，Q可以用多種 等價的形式（包括歐拉角和方向余弦矩陣⑽））表示， =的公式可在不同的"表示的基礎上的等價形式中 到用U圖用圖表㈣式表^了從本體參考系 到用戶參考系的變換。 在操作過程中，裝置以與實 〇 、 頁現方案有關的方式估計 包括斜了广一轉換。如上所述的一個示例性的實現方案 戶補償（即，自由以1 ^位裝置基於它被用 、有的方式在X軸滾動的變化）。方向通 坐標系中的重力引起的加速产。對由本體 算。Mi ㈣1 Ab的第—估計被計 异通過疋義，由用戶參考系中的重力引刼 ^ ^起的加速度向 1 Ag破設置為[0，〇，_n。 rhA^. w 馬重力不能估計導向 1 ng)(關於z軸的轉動）， 俨会斗4 m 了导向採用本體坐 才不糸估计。因此，轉動四元數具有在z== 轉動軸。下面是用於舛笪鐘私 的平面中的 下面疋用於冲异轉動四元數的幾 的方法的其中之—·· 双干上等價 V='Ab| X Ugl (單位向量的向量積） qV= i VI 里積） 5193-7085-PF 44

a =s i η'11 V I Q-Quaternion[qV, a /2]=[qV*sin( a /2), c〇s(a /2) 位置然後作為用戶坐標系中的加速度的二重積分 被3十算。用戶坐標系中的加速度是通過上面的q轉動到 用戶坐標系中的本體坐標系的加速度。通常，當裝置被 最初啟動時原點假設為零，但是在以手工或自動地通常 操作中原點可以被復位。 通常’當裝置沒有移動時，Pu， 、pu， ， 、Wu和

Wu’ ’都為0。在本示例性的實施方案中，pb’ ，和Wb 是被測量的。雖然存在無窮大的轉動Q，但是最小的轉 動可從可得的集合中選擇並被用於在Wb的基礎上估計 Wu。作為一種選擇，q可使用假設的最初偏移方向Q〇 計算’通過使用離散時間積分對Wb在時間上進行如下 所不的積分：

WbAngle=|ffb|*period

Qdelta=[ I Wb I sin(WbAngle), cos(WbAng 1 e)]

Qnext = Qd**Qdelta 其中表示乘法，表示四元乘法。其他的靜態 可通過包括重力和地球磁場的恒場向量（constant field vector)以及與上面的結果的結合來提供。這種 結合可使用幾種數值和濾波方法（包括但不限於卡爾曼 濾波）來實現。 可採用多蘀不同的感測器，只要它們感測器能夠測

5193-7085-PF 45 1376520 *量相對於裝置的本體的運動即可。示例性的感測器包括 加速度計、轉動感測器、回轉儀、磁力計和照相機。用 戶坐標系不需要為靜態。例如，如果用戶參考系被選作 .用戶的前臂，那麼該裝置將只響應手腕和手指的運動。 本領域技術人員應能夠理解應用到在本發明中描 述的參考系統變換的交換性。因此，本文中描述的數學 運算的順序可被改變而不會對本發明造成實質上的影 響。此外，許多運動處理演算法可在等價的參考系中進 鲁行，特別是當用戶坐標系被選為具有恒定方向的靜態 時。 除了提供方便使用外，根據本發明的示例性實施方 案的參考坐標系轉換還能夠被用來解決手持裝置實現 中的其他難題。例如，如果感測器（例如加速度計 (accelerometer))沒有準確地位於本體參考坐標系中 的中心處時，所測量到的加速度將包括坐標系的加速度 _和由於該坐標系的轉動而造成的加速度分量。因此，所 測量到的加速度首先能夠使用下面的關係式被轉換為 該裝置的本體（body)坐標系内的不同的目標位置：

Abody = Aacce1erometer+ω，x R+ ω χ (ω χ R) 其中R式從加速度計到目標位置的向量，ω是本體 參考坐標系的角速度，ω ’是本體參考坐標系的角加速 度。如果裝置的本體坐標系被設置成使其位於距離加速 度計R處，則其應該具有零角加速度效果，並可以被更 容易地用來計算該裝置在用戶參考坐標系中的移動。這 5193-7085-PF 46 j37652〇 . 就補償了加速度計和本體參考坐標系的中心之間的有 意或無意的未對準。此外，重力向量的估計變得非常簡 單這是因為在轉動中心有較少數的力作用。則， Auser=Rotate(Abody, Q) ·- 其中，Q是從本體參考坐標系到參考加速度計坐標 . 系的轉動。 不幸的是，不同的用戶具有不同的R值。例如，一 個用戶可通過轉動他們的肘來使用上述手持裝置，而其 φ 他的用戶可通過轉動他們的手腕來使用上述裝置。此 外’人們的手腕和前臂大小不同。.為了提高使用性，該 實施方案的手持裝置動態地計算R和移動該本體原點， # 以使得其具有由於角度運動的最小的加速度分量。該示 例性的實施方案通過將R定義為[Rx，〇，〇]並使用和最 ， 小化本體轉動（Abody- R〇tate)[Ag，Q]來求出Rx，從而 估計出R。應該注意，存在許多可以實現計算Rx最小化 的遞迴最小二乘法和卡爾曼濾波的數值方法。 •籲 &於上述說明，本發明描述的各種技術、用於將所 感測的手持裝置的運動從一個參考坐標系（例如，本體 … 參考坐標系）映射到另外一個參考坐標系（例如用戶的 參考坐標系）的技術是顯而易見的。上述映射能夠獨立 於其他與手持裝置的使用相關聯的映射（例如將感測到 的運動映射為游標移動），4能夠肖它們組合在一起。 而且，根據本發明的轉換能夠被用來對來自運動公式的 輸入側或輸出側的投影的三維形式的感測到的運料⑧ 5193-7085-PF λΠ 1376520 行轉換，從而用於平移運 集。另外，對感測到的運 運動或它們的任意子 標系的選擇可以大量不所被映射或轉換到的參考坐 μ ψ ,. s 、方式來做出。上面提#的一 個實施例顯示了作為蛊 捉供的 6 aa A -b. 述'裝置的傾斜度相關掛ίΛ田 戶的參考坐標系的第二個 又相關的用 砧鐵3 /考坐標系’然而，許多苴他 的變種是可能的。例如， 矸夕其他 夂者也庐么-u 戶可以選擇他或她所期望的 苓亏坐標糸，這也設定 I胡至刃 I —。又疋可以被存儲在上 作為多個用戶喜好中的 寺裝置中以 尸口圩干的一個，並被用來 另一個實施例包括用戶識以轉換0 或用戶介面選擇），它們 按紐 的技術。 料用於選擇第二參考坐標系 另外，雖舞一 jib μ .+.,, 中運管亓撼Μ”、二述的示例性實施方案是在速度域 ^ , 6 並不局限於此。根據本發明所 述的映射或轉換也可以備 選地或附加地在例如位置或 加速度數據的基礎上執行，也可以 戈 者二者皆宜。而0 ^ 轉動、或 ，處理過程的順序並不是關鍵的。例 ’如果手持裝置被用於輸出姿態命令，則可以 映射，然後再執行姿態的確定，或者也可以先 然後再執行映射。 〜 無意運動的去除 根據本發月的示例性實施方案，用於處理測得的運 動的技術可以去除基於例如其他用戶裝置的交互作用 (如按紐刺激’和/或顫動）的不希望的效果。通常，如 第1 5圖所示，系統的輸入是掌上型自由空間定位裝置 5193-7085-PF 48 1376520 的人為移動。這一移動被裝置（模組1510)所測得，並在 模組1 51 2上被處理為代表性運動，例如，其詳細示例 在則面得到說明。但是應該注意到，本發明的這些示例 性實施方案並不限制於以上描述的示例性手持裝置 '自 用空間定位器件4〇〇的應用中，並且顯然的傾向於包括 其他手持裝置，例如使用其他類型的運動感測器的自由 空間疋位裝置。典型運動從而被轉換為有意義的表示 (模組1514)，其被根據模組1516的本發明的示例性實 施方案的示例性的“人為因素，，技術所執行。在此描述 的示例性實施方案中，人為因素處理模組1516的輸出 被繪製為例如2D指標（p〇inter)的運動。被處理後的運 動由手持裝置輸出，它的一個示例為可被用於控制螢幕 指標運動的資料。 本發明的這一示例性實施方案包括多種不同的技 術，用於處理在用戶啟動的事件（包括點擊按鈕）期間的 運動。根據第一個示例性實施方案，距離閨值和時間閾 值都被用於處理在用戶動作發生後（例如點擊按鈕）由 運動感測器（例如轉動感測器，加速計，磁力計，回轉 儀，攝像機或任何其組合等）產生的移動信號❶單是距 離本身可能不足以在點擊按鈕期間有效地產生穩定的 並且有響應的指針。當按鈕按壓被手持裝置檢測到之 後，來自模組151 6的輸出指標運動被抑制，直至距離 超過距離閾值或者經過的時間的量超過時間閾值為 止。對於例如按鈕按壓動作和按鈕釋放動作而言，距離 5193-7085-PF 49 ^76520 間值和時間聞值中的一個或兩者可能是不同的。該示例 . 性的按鈕操作可選擇地可通過向手持裝置發送指令而 被關閉。 不同的按鈕之間也可相互具有不同的閾值。在按鈕 擊過程中手持裝置經歷的運動量依賴於多個因素，包 括但不限於使用者、按紐激勵的強度、按㈣行程、= 及按鈕相對於手持裝置支撐中心（通常為使用者的手） 的位X。按金運㈣理參數可被單獨地設置以使每個按 ^的性能最優化。此外’該參數可基於一段時間的經驗 得到，或者如果使用者被系統所知則可基於使用者 到。 另外，人為因素處理功能模組1516可以存儲並且 追蹤手持裝置過去的移動歷史。舉例來說，當手持裝置 檢測到按鈕被按壓時，手持裝置中的處理單元能夠^回 到用戶啟動按鈕按壓事件的時間之前。對按鈕的物理激 鲁勵使用的是非限定的、總量可測量的時間，該時間可通 過心理測試以及動態裝置測量來確定。當按鈕被激勵 後，裝置可通過刪除在按鈕激勵發生期間/或之後得到 的資料採樣’從而回到按#激勵發生之間的狀態。因 此，發生在按鈕按壓期間的不確定的運動將被忽略並 “擦除’’。舉例來說，回應於測得的按鈕按壓，來自於 模組1516的輸出可由測定的位置P1(緊隨按鈕按壓動 作之後）改變至記憶的位置P2,其中位置P2被模組i 51 6 以先于按鈕按壓動作檢測的預定時間週期輸出。如果裝 (|)

5193-7085-PF 1376520 •置已經執行一個按鈕的動作並且當另一個按鈕動作發 生時仍然抑制運動，則人為因素處理功能模組1 51 6無 需重新進行返回處理。 •在戶介面中，至少可以發生兩種典型類型的按备 激勵在第16圖示出的第一種類型（精細模式點擊）中， 使用者提供小目標範圍内的精確激勵，並且仔細的對準 裝置停止運動，然後按壓按鈕。在第二種類型（非精 確模式點擊）中，目標很大並且用戶預期下一個動作， •即用戶只是使指標慢下來而沒有停τ或者只是在目標 範圍内盤旋，並且可能改為傾向於“掠過式，，地點擊目 標。對於精細模式點擊，上述處理技術從來自於手持裝 置的運動感測器的合成資料輸出流中精確地移除無意 的運動資料。然而，對於第二種類型的運動，進一步的 改進可有利於改善性能。 為了處理由非精確模式點擊所帶來的附加挑戰，人 •為因素處理單兀1516可以使用第二種可選的或補充的 技術。根據該第二示例性實施方案，從運動感測器接收 的運動資料被處理為運動向量，並且假設在按鈕激勵期 1用戶會&成游標的某些運動改變或在按鈕激勵期間 來自裝置的其他相關輸出。由牛頓第一定律可知，“運 動的物體傾向於保持其運動狀態”。由此，當按鈕被壓 手持裝置上時’它將產生偏離軌道的高頻運動。使用 運動向1和經過據的運動資訊，來自於點擊定位裝置的 可以在用戶激勵事件中或之後以與以前運動歷史

5193-7085-PF 51 1376520 相-致的方式繼續。其可以通過在處理鏈中增加滤波器 來實現。該慮波器被設計為允許在用戶啟動#事件（包 括與該事件相關的高頻運動）期間或之後的有意運動， 同時可以排除與事件自身相關的高頻運動。許多處理方 法例如低通渡波可以遽除高頻成分但是要付出增加延 遲時間（latency)的代價。由於延遲時間（裝置的移動與 指標裝置的移動之間的時間）對於用戶來說可能是重要 的，本發明的示例性實施方案可以使用自適應濾波器， 當用戶啟動的事件被檢測到時（例如，基於被手持裝置 所使用以將用戶事件傳輸到用戶介面的相同的信號）， 該自適應濾波器被轉換到信號處理通道中。自適應濾波 益被設置為可削弱尖銳的、高頻按鈕按壓的低通濾波 益。自適應濾波器的一個附加的輸入為發生在按鈕完全 反跳前的可選的預按鈕活動報警（〇pt i〇nal pre_butt〇n activity warnings該預按鈕活動報警通過允許更快 地通報按鈕事件處理而減少了濾波器的延遲時間需 求。自適應濾波器和預按鈕活動報警使設計時在有意運 動和延遲時間之間的折中最小化。 根據本發明的又一個示例性實施方案，由於自由空 間定位褒置的設計者在設計時通常知道不需要的運動 的方向，由此基於功效學和裝置的有意使用目的，運動 干擾的方向也可以知道。舉例來說，設計者知道按鈕激 勵相對於裝置的方向。主要的運動包括平行于按鈕行程 向量的線性運動或者基於使用者握持的轉矩的轉動運 5193-7085-PF 52 1376520 ' 動。這一認識允許方向性優選濾波器的執行，包括對於 按鈕激勵運動的認識。舉例來說，濾波器設計可以包括 狀態空間濾波器，例如卡爾曼濾波器和自適應濾波器。 這種濾波器在按紐激勵過程中檢測不希望的從已知的 方向上的有意路徑的偏離，然後在按鉦激勵過程中插入 所希望的運動路徑。這種優先濾波在方向的預期的改變 過程中產生更易反應的指標，同時仍然去除非預期的按 鈕運動。本領域技術人員可以認識到，狀態空間濾波器 Φ 可被擴展成能夠在正常使用過程中學習設計表數。 根據本發明的示例性實施方案的人為因素處理功 能模組1516可以執行上述技術中的一個或全部。並且 如果上述技術都被使用，則它可以提供分類器以在各技 術之間轉換1例來說，當第—種、精確類型的按赵點 擊被檢測到時，可以使用第一技術。當第二種、非精確 類型的按鈕點擊被檢測到時，可以使用第二技術」個 用於在各技術之間轉換的分類器可以利用手持褒置在 按紐激勵時或恰好在按域動之前的速率。舉例來說， 如果（a)手持裝置的速率低 預疋的迷率閾值，將使用 第-技術，其去棄緊隨檢測到的事件之後產生的 料，直至由運動感測器測得的任意一種運動都顯示手持 mi動得大於預定距離間值或者預定時間已經 右手持裝置的迷率大於預定逮率，將 使用第二技術，苴斜豎醏込別脾 對緊隨檢測到的事件之後產生的運動 資料進行濾波β 们逐動 5193-7085-ΡΡ 53

DZU 在上述示例性實施方案中涉及的按鈕點擊或者按 L括（但不跫限於）按鈕按壓以及按鈕釋放。所有以上 技術可被應用於任何已知的、會產生不希望運動的裝置 相互作用’而不只限制于按钮點擊。舉例來說，上述技 術可破應用於滾輪激勵、觸摸墊(touch pad)的使用或 者電容性條帶（GapaGitive strip)的使用。因此，本發 的示例陡實施方案描述了用於取消不希望的運動的 方法和裝置，該不希望的運動是基於激勵或無效其他事 件所產生的。 用於上述方法的參數可被調整為適合支持用於事 件的預期的運動特徵。在示例性實施方案中，用於按鈕 按壓的參數可以不同于用於按鈕釋放的參數。除了運動 的取消，用戶介面在根據本發明的用戶事件處理 (user-event handl ing)中可以施加或者建議其他的約 束。舉例來說，在微軟視窗作業系統中，如果在按鈕受 壓時游標移動，則拖拽動作被啟動。因此，與響應于用 戶的按鈕按壓動作的運動資料處理相關的參數可具有 這樣的值，即傾向于約束按鈕激勵過程中的指標運動以 防止出現不希望的拖拽事件。相反，在微軟視窗作業系 統中按鈕釋放後的游標運動對用戶介面中的物件只有 很小的影響，並且，因此根據本發明的示例性運動資料 處理可以使用這樣的參數（例如時間或距離閾值，滤波 器係數等），即，與緊隨按鈕按壓之後的運動資料處理 有關的相應參數相比，該參數傾向於對指標運動的限制 5193-7085-PF 54 ^/6520 性較小。 該運動可在速率或位置域内以多種不同的方式處 理以幫助去除不希望的按鈕運動。可在速率域内使用簡 單的滤波》遽波器可以為FIR或ηί?濾波器，雖然這些 濾波器可能會引入許多不希望的處理延遲。可以成功的 使用自適應濾波器而不會引入過多延遲。

本發明的示例性實施方案也可以通過卡爾曼濾波 器（或擴展的卡爾曼濾波器）實現。卡爾曼濾波器可以選 擇更合適的使用場景（靜止的或運動的）並且使用適當 =運動。神經網路可被用於實現同樣的結果。由此可以 得知，本發明進一步提供了一種方法以用於（a)檢測已 τ<發生的事件，（b)推斷用戶有意的運動以及（c)執行用 戶有意的運動而不是手持裝置實際的運動。該運動可以 在6D0F自由空間域内或者映射的2d〇f定位域内。6d〇f 自由空間域可在裝置的本體參考坐標系或者用戶參考 坐標系内》 根據本發明的又一個示例性實施方案，與用戶啟動 的事件相關聯的運動可以被模型化並且被明確地包括 在運動方程式中，該運動方程式提供來自於手持裝置的 基於運動感測器枚集的運動資料的輸 ::戶啟動的事件的按-按壓示例，由按紐按壓產生的 被推理地模型化以碟定一個或更多與按钮按壓 動相關聯的示例性運動振幅和方向，並且這也值可被 儲在手持裝㈣存料元中。然後，當㈣按壓被檢

5193-7085-PF 55 測到時，手持裝置的處理單元可以使用運動方程中的模 :匕運動以調整輸出，以使其反映用戶有意的運動而不 疋與按鈕按壓相關聯的運動檢測器檢測到的運動。處理 .單兀可以以多種不同的方法使用模型化的值，例如，將 -從檢測到的運動值中減去，基於與特定的用戶啟動的 事件相關的模型化數值來削弱檢測到的運動值，調整 ”手持裝置的輸出相關聯的語義映射（semantic map)等 等。 • 由此可以看出，本發明的示例性實施方案描述了實 現用於多種用途的手持遙控裝置（包括控制電視）的方 法，該裝置可以用於其他的應用，例如作為個人電腦的 輪入裝置和物件控制器。 遙控裝置不必再像按鈕的縮小的鍵盤一樣（當今典 型的IR遙控器具有40個按紐）。相反，根據本發明的 遙控裝置可以近似於滑鼠’其中^位傳輸資訊的行為超 鲁*了僅僅按磨按鈕。其結果是對裝置和應用的遙控來說 更加強大的用戶環境。設想當今的個人電腦不帶有滑鼠 並且你具有當今的電視控制環境。現在設想為電視添加 類似於/月鼠的功旎性，其結果是使用者的體驗的巨大改 善。其全部所需{具有允許定位和按紐激勵能力的無線 手持裝置。本發明就描述了這樣一種裝置。這一設計超 過傳統遙控的一個優點是，其允許用戶將游標定位在.營 幕上，此外還可以檢測按鈕激勵。其結果是螢幕敏感的 按鈕和控制器以及姿態識別成為可能。與添加功能就需 5193-7085-PF 56 1376520 要添加新按鈕的傳統遙控器相比，結果是提供了非常強 大的、靈活的以及可擴展的用戶介面。本發明的示例性 實施方案通過手持遙控裝置提供了這些性能，該手持遙 控裝置使用例如可測量裝置的角速度的基於微機械電 子系統（MEMS)的轉動感測器。另外，示例性實施 ^ •本體坐標系調整、校正和後處理以去除無意的運 ，的教導。這—結果是比傳統手持遙控裝置被更好的執 订、更便宜並且更小的完全獨特的實施。 、 這些示例性技術使用微機械感測器來測量轉動角 速度和線性加速度。然後，將校正和靜態檢測結合使用 以調整和縮放原始讀數的比例。線性加速度讀數被整合 ^被用於確定手持裝置的本體坐標系的定卜這一定向 貝料被用於將轉動速率讀數映射到適當的參考坐標系 中。最後的步驟是所有運動的讀數被後處理，從而無意 的運動（例如人的顫動）被滤除。讀數的坐標系定向過^ 可被容易地擴展到更多的自由度。輸出可以容易地包括 代替了二維的整個三維或者甚至是六個自由度。 上述示例性實施方案的意圖是對本發明各個方面 進行描述，Μ是限制。在具體的實現方案中’本發明 能夠具有許多變例’本領域技術人員能夠在本文所包含 的說明書中得到這些變例。舉例來說，雖然上述示例性 實施方案除了其他方面以外描述了使用慣性感測器來 檢測裝置的運動，但可以使用其他類型的感測器(例如 超聲波、磁性或光學感測器)來代替(或者附加至)慣性 5193-7085-PF 57 感測器以與上述信號處理相結合。所有的這些變化和修 改被認為是包括在由所附申請專利範圍所限定的本發 明的範圍和精神之内。在本申請的說明書中使用的元 件'行動或指令都不被解釋為對於本發明是關鍵的或必 須的，除非其被特別說明為關鍵的或必須的。另外，正 如在此使用的，冠詞“ 一”意為包括一個或多個部分。 【圖式簡單說明】 第1圖示出了用於娛樂系統的傳統的遙控單元； 第2圖示出了其中可以實現本發明示例性實施方案 的示例性媒體系統； 第3圖不出了根據本發明示例性實施方案的一種自 由空間定位裝置； 第4圖示出了在圖四中的包括兩個轉動感測器和一 個加速度計的自由空間定位裝置的剖視圖； 第5圖是描述與本發明示例性實施方案所述的自由 空間定位裝置相關的資料處理的方塊圖； 第6圖（a)-(d)描述了傾斜效應（1^11； 第7圖示出了根據本發明示例性實施方案所述的自 由空間定位裝置的硬體體系結構； 圖的狀態圖示出了根據本發明示例性實施方案 所述的靜態檢測機制； 圖的程圖示出了根據本發明示例性 所述的根據檢測到的手 们于持裝置的手顫動來識別用戶的 5193-7085-pp 58 1376520 方法； 第ι〇圖（a)-(d)是頻域顫動資料的曲線 顫動資料被收集作為根據本發明示例性實施方：頻域 用於根據手的顫動來識別用戶的示例性方裴：： 測試的一部分； 裝置的 據手 圖； 第11圖是與本發明示例性實施方案所述的用於根 的顏動來識別用户的方法相關聯的 …阻的曲線

第12圓是與本發明示例性實施方案所述的用於根 的顫動來識別用戶的方法關.聯的 曲線圖； 刀雕〜果的 第1 3圖示出了根據本發明示 將感釦拴實施方案所述的 册饮知的運動育料從第一參考坐 /可土裸糸轉換到第二參考 丄標系的方塊圖； 第14圖以圖形的方式示出了根 一 低课本發明不例性實 施方案所述的感知的運動資料從第一 • π代禾參考坐標系到第 二參考坐標系的轉換； 第15圖的方塊圖示出了根據本發明示例性實施方 案所述的用於從檢測到的運動中去除無意運動的系 統；及 第16圖描述了檢測到的與微動按鈕（fine button) 的點擊及粗動按紐（coarse button)的點擊相關的運動 的各種實施例。 ： 5193-7085-PF 59 1376520

【主要元件符號說明】 200〜媒體系統； 220~小型碟播放機； 224~攝像機； 2 2 8〜系統控制器； 230~有線廣播； 234~廣播電視網； 238〜有線數據機； 402、404〜按紐； 408〜顯示器； _ 5 0 6〜加速度計； 602〜加速度計輸出； 606〜加速度校正模組； 612〜轉動傳感資料； 61 9 ~溫度感測器； 800〜處理器； 804-JTAG ； 808~開關矩陣； 81 2 ~轉動感測器； 816~收發器； 1 3 0 2~模紐； 212〜電視/監視器； 218〜音頻/視頻調諧器； 222〜麥克風/揚聲器系統 226〜無線1/0控制裝置； 232〜衛星廣播； 2 3 6〜電話網； 400〜自由空間定位裝置； 406〜滾輪； 502、504〜轉動感測器； 600~處理模型； 604〜轉換功能模組； 61 0 ~增益矩陣； 614、626、628〜模組； 624-LPF ； 802〜滾輪； 806〜LED(發光二極體）； 81 0〜IR光電探測器； 814〜加速度計； 1 3 01〜感測器； 1 3 0 3 ~處理模組； 1 304〜映射； 1 3 05〜模組； 214~視頻卡式記錄器（^〇1〇; 210〜輸入/輸出d/〇)匯流排； 5193-7085-PP 60 1376520 608、616、618、622〜功能模組； 216〜數位化視頻盤（DVD)記錄/播放裝置。

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Claims (1)

1376520 101年4月3曰修正替換頁 第094114102號 十、申請專利範圍： 1. 一種定位裝置，包括： 第一轉動感測器，用於確定上述定位裝置繞第一軸 的轉動並產生與上述轉動相關聯的第一轉動輸出； 第二轉動感測器，用於確定上述定位.裝置繞第二轴 的轉動並產生與上述轉動相關聯的第二轉動輸出； 加速度計，用於確定上述定位裝置的加速度並輸出 與上述加速度相關聯的加速度輸出；以及 處理單元’用於僅根據上述加速度調整上述第一和 第二轉動輸出，並根據上述經調整的第一和第二轉動輸 出而產生輸出。 2. 如申請專利範圍第1項所述的定位裝置，其中， 上述第一轉動感測器還包括： 第一諧振塊’與第一坐標系相聯繫，其中，上述第 一轉動感測器中的上述第一諧振塊沿著上述第一軸諧 振 其中’上述第一譜振塊沿著上述第一軸的位移由上 述第一轉動感測器利用寇里奥利加速效應測定以產生 上述第一轉動輸出。 3. —種定位裝置，包括： 至少一個感測器，用於檢測上述定位裝置的移動； 及 處理單元’用於將所述定位裝置的移動轉換成用於 表不所述移動的輸出，並基於將用於根據所述至少一個 5193-7085-PF1 62 101年4月3日修正替換頁 137652〇第〇·碰號 感測器的輸出轉換為頻蜮，以及通過分析預定頻率範圍 ' 内的頻率回應幅度，來確定所述定位裝置是否處於靜熊 ‘的、穩定的和活動的之中的/種。 . 4.如申請專利範圍第3項所述的定位裝置’其中， 上述至少一個感測器還包括： 第一轉動感測器，用於確定上述定位裝置繞第—軸 的轉動，並產生與上述轉動相關聯的第一轉動輸出； 第二轉動感測器，其於確定上述定位裝置繞第二軸 的轉動，並產生與上述轉動相關聯的第二轉動輸出；以 及 加速度計，用於確定上述定位裝置的加速度並輪出 與上述加速度相關聯的加速度輸出。 5. —種手持定位裝置，包括： 至^、一個運動感測器’用於感測上述手持定位襄置 的移動’並產生與上述移動相關聯的輸出； • 處理單元，用於檢測事件的發生，並根據是否檢測 到所述事件來過濾上述輸出。 6. 如申請專利範圍第5項所述的手持定位裝置，其 中，上述手持定位裝置包括至少一個按鈕，並且上述事 件是按鈕按下或按鈕釋放動作。 7·如申請專利範圍第5項所述的手持定位裝置，其 中’上述至少—個運動感測器包括加速度計、轉動感測 器、回轉儀、磁力計、光學感測器和攝像裝置中的至少 一種0 5193-7085-PF1 63 101年4月3日修正替換頁

1376520 第094114102號 8, 一種手持定位裝置，包括： 至少一個運動感測器，用於感測上述手持定位裝 的移動並產生與上述移動相關聯的輸出；及 處理單元，用於檢測事件的發生，並當檢測到上 事件之後經過一段預定時間，或者在檢測到上述事件 後上述手持定位裝置已經移動預定的距離時，丟棄或 弱上述輸出。 9.如申請專利範圍第8項所述的手持定位裝置， 中，上述手持定位裝置包括至少一個按紐，並且上述 件是按紐按下或按钮釋放動作。 10. —種自由空間手持裝置，包括： 至少一個感測器 的移動；及 &你碉到的移動從# 自由空間定位裝置相關聯的本體參考坐標系轉摘 性參考坐標系，從而補償上述檢測到的移動，其_ 述處理單元通過下面的步驟來補 員上迷檢測到的章 確定與上述自由空間定位癸 <姐装置破握持的方伯 聯的傾斜；及 rn ^ 〇 1 1 ·如申請專利範圍第1 〇項 哨所述的自由空間 :，其中’上述處理單元進—步通過按照以下的 第-和第二轉動輸出旋轉人上述慣性參考 償上述檢測到的移動以校正傾斜产. 『 置 述 之 減 其 事 用於檢測上述自由空間定位裝 爽理早70，用於通過 置 述 慣 上 關 裝 將 補 5193-7085-PF1 64 I娜〇第_丽號 10〗年4月3日修正替換頁

cos^sin^ 1\ — -sin0cos0 ’其中0是傾斜角’ ay是上述第一轉動輸出，αζ 是上述第二轉動輸出。 1 2. —種自由空間定位裝置，包括： 檢測裝置，用於檢測所述自由空間定位裝置的運 動；及 補償裝置，用於補償檢測到的所述自由空間定位裝 置的運動以使得所述自由空間定位裝置不受傾斜影響。 13. —種自由空間定位裝置，包括： 加速度計，用於測量上述自由空間定位裝置的加速 度；及 處理單元，用於確定上述自由空間定位裝置的轉動 中心，並用於確定上述自由空間定位裝置在上述轉動中 心處的加速度。 14. 一種手持裝置，包括： 至乂 —個運動感測器，其能夠產生與上述手持裝置 的移動相關聯的資料；及 :處理單凡，用於根據上述移動資料檢測手的顫動資 料並用於根據上述手的顫動資料來識別用彳，其中， 土；斤述移動相關聯的資料的一個或多個選擇的特徵 檢測所述手的顫動資 只期貝才4，以及通過將所述一個或多個 擇的特徵途、 、 的顏動模式相比較而執行所述識別用 戶的步驟，兑中祕 迷顫動模式與用戶標識關聯地存儲。 如申印專利範圍第14項所述的手持裝置，其 5193-7〇85-pp^ 65 第094Π4丨02號 101年4月3日修正替換頁 中，上述至少一個運動感 儀 ^ ^ 、]盗包括轉動感測器、回轉 儀、加連度計、慣性感測器、 和攝像裝置中的至少一個。&性感測器、光學感測器 16. 如申請專利範圍第 項所述的手持裝置，i 上述處理單元在頻域中 ，、 檢測上述手的顫動資料。 17. 如申請專利範圍第u 4項所述的手持裝置，1 上述處理單元在時域八 叶埤中檢測上述手的顫動資料。 18. —種用於識別手持裝置的用戶的方法，包括 檢測與持有上述手持裝置的用戶相關聯 動；及 顏 根據所述檢測到的手顫動，通過將與所述 用戶關聯 的手顫動與一個或多個顫動模式相比較識 4 述用 戶’其中所述顫動模式與用戶身份標識關聯地存健 中 中 5193-7085-PF1 66