自由度６の航跡を入れるコンピュータ入力装置
【課題】コンピュータやゲーム装置に３Ｄ運動を表現し入力することを可能にする直観的で直接的で人間工学的な入力装置を提供する。
【解決手段】コンピュータのために６つの自由度を有する３次元データを入力するための入力装置であり、第１軸線を定義する航跡ポイントの第１列と第２軸線又は平面を定義する第２列とを有する。航跡ポイントから反射するか発せられる光が画像化デバイスでキャプチャされる。キャプチャされた２次元画像から、アルゴリズムと参照テーブルを用いて、航跡ポイントの相対位置から、入力装置の位置と方向に関する３次元データが得られる。入力装置はしなやか棒と交差片の形状をしており、航跡ポイントは、コンピュータに、操作者のスイング運動をゲームや３次元適用例のバーチャル環境へと入力するのを可能にする。
【解決手段】コンピュータのために６つの自由度を有する３次元データを入力するための入力装置であり、第１軸線を定義する航跡ポイントの第１列と第２軸線又は平面を定義する第２列とを有する。航跡ポイントから反射するか発せられる光が画像化デバイスでキャプチャされる。キャプチャされた２次元画像から、アルゴリズムと参照テーブルを用いて、航跡ポイントの相対位置から、入力装置の位置と方向に関する３次元データが得られる。入力装置はしなやか棒と交差片の形状をしており、航跡ポイントは、コンピュータに、操作者のスイング運動をゲームや３次元適用例のバーチャル環境へと入力するのを可能にする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はコンピュータ入力装置に関する。
【０００２】
特に、本発明は、コンピュータやゲーム装置内に、３次元（３Ｄ）で自由度６のデータをエントリーさせるための、複数の航跡（tracking）ポイントや画像化デバイス（イメージ化装置）を有するコンピュータ入力装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
現在、コンピュータ用の主な入力手段はキーボード及び「マウス」と呼ばれるポインターデバイスである。コンピュータゲームの目的のためには、ジョイスティックやゲーム盤のような追加のデバイスが用いられ、ユーザーがゲームのバーチャル（仮想的）な環境下でより多くの入力の選択ができるように、特別に作られたボタンが利用可能となっている。しかしながら、これらは３Ｄの情報を入れるために２次元の入力装置を用いている。さらに最近では、「コンピュータインターフェース用アパレル（衣服）」として、実際にゲーマー（ゲーム操作者）によって織られたゲーム用手袋などが、彼らの運動の選択をコンピュータゲームに入力できるように用いられている。
【０００４】
このように入力装置が過多に存在するにもかかわらず、ある種のコンピュータゲームにおいて、剣を用いた格闘や、ラケット・クラブ・バットなどをスイングするような運動を望む通りの動きとして受け入れられるような満足な装置は存在していない。他の可能な適用例として、ゲームのマジック的なトリックを遂行するために、バトンの動きと調和的な動作をさせたり、「魔法の杖」を使って振り動かすような動作がある。カーソルコントロールキーとトラックボールの回転を組み合わせるだけでは、ある種のコンピュータゲームの操作においては、バーチャルな対象物やキャラクターに対し、ユーザーが意図した動きを満足に伝達することはできない。
【０００５】
加えて、コンピュータゲームの領域を超えた他の適用例、例えばコンピュータ補助設計（ＣＡＤ）やコンピュータ補助製造（ＣＡＭ）を活用するには、デザインの３Ｄ演出を修正する際に、３Ｄ入力が必要となる。現在の入力装置ではそのような適用例に容易に用いることはできない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、ユーザーがコンピュータやゲーム装置に３Ｄ運動を表現し入力することを可能にする直観的で直接的で人間工学的な入力装置が必要であることは明らかである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、コンピュータのために、６つの自由度を有する３次元データを入力するための入力装置であって、第１軸線を定義するための航跡ポイントを有する１つの列と、第１軸線に垂直な第２軸線又は平面を定義するための航跡ポイントを有する第２の列とを有し、前記航跡ポイント間の距離は、画像化デバイスによってキャプチャされた前記航跡ポイントの２次元イメージが、供給されたアルゴリズムを用いて、３次元空間内で前記入力装置の位置及び方向をプロセッサ（processor:処理装置）を用いて決定付けるのに用いられるように、注意深く選定されているような配置を有する入力装置を提供する。
【０００８】
また、本発明は１つの面において、交差片を有する１つのしなやか棒（wand）であってこのしなやか棒と交差片が複数の航跡ポイントを有しているような棒と、少なくとも１つの画像化デバイスと、少なくとも１つの発光手段と、少なくとも１つのプロセッサとを包含しているコンピュータ入力装置を提供する。
【０００９】
本発明の好適な実施態様について、例示として示した図面を参照しながら、さらに詳細に説明する。
【００１０】
図１は本発明の実施態様を図示している。
【００１１】
図２は初期条件からのしなやか棒の並進運動（translation ）と配置方向（orientation ）を表しており、初期条件においてその基準のフレームは画像化デバイスの基準のフレームと一致している。
【００１２】
図３はしなやか棒の２つの主要軸線が、本発明のアルゴリズムの反復処理において、いかにして決定されるかを示している。
【００１３】
図４は本発明によるしなやか棒の２つの実施態様を表している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の好適な実施態様に従い、本発明について詳細な説明を行う。以下の記述において、詳細は実施態様を説明するために提供される。しかしながら、当業者であれば、かかる詳細がなくても本発明を実施できることは明らかである。これら詳細の一部は、本発明をあいまいなものとしないために、長さについては説明していない。
【００１５】
本発明の１つの目的は、３Ｄ入力を受け入れるコンピュータ及びゲーム装置のための入力装置を提供することにある。
【００１６】
本発明の他の目的は、３Ｄ入力を受け入れるコンピュータ及びゲーム装置のための入力装置であって、バーチャル環境において、バーチャル対象物が意図する３Ｄ運動や６自由度運動を再生できるようにする入力装置を提供することにある。この形式の運動入力は、本発明がより単純で小さく低価格なコンピュータ及びゲーム装置に用いられ、かつ他の現在使用中の処理からあまり多くの処理資源（リソース）を要求することがないように、最低限のプロセッサ要求で遂行されなければならない。
【００１７】
ここで、「コンピュータ」及び「ゲーム装置」という用語は、ＣＡＤ／ＣＡＭワークステーション、「パーソナルコンピュータ」、特注されたコンピュータゲーム盤及び装置、パーソナルデジタルアシスタント、及び本発明によってキャプチャされたイメージを処理するための特注プロセッサなど３Ｄ入力を必要とするあらゆる種類のコンピュータ装置を包含するが、これらに限定されるものではない。
【００１８】
本発明の実施態様により、多くの利点が得られる。本発明の実施態様の１つの利点は、剣による格闘のスラスト（突き）や受け流し（よけ）、ゴルフのドライブ（球打ち）、ラケットやバットのスイング運動など、コンピュータゲームのバーチャル環境下でユーザーが所望する運動を、本発明によって航跡を追いかつ表現することが可能になることである。
【００１９】
他の利点は、これまで不可能とされていた、バーチャル美術技法におけるペインティングや彫刻ストロークのような適用例での入力様式や、さらには電話による医術や外科的訓練での医学的道具としての正確な手動操作における入力様式としても、本発明が実現できるということである。
【００２０】
本発明は、ある配置（arrangement ）を用いる入力装置を包含し、この配置は第１軸線を定義するための航跡ポイントを有する第１列と、第１軸線に垂直な第２軸線又は平面を定義するための航跡ポイントを有する第２列とを有し、前記航跡ポイント間の距離は、前記航跡ポイントの２次元イメージが、３次元空間内で前記入力装置の位置及び方向を決定付けるのに用いられるように、注意深く選定されている。
【００２１】
図１を参照すると本発明に基づく実施態様が図示されている。この列（array）はここで説明される実施態様に限定されてはならない。本発明の好適な実施態様の１つの要素は、しなやか棒（wand）１０１であり、これは長手方向に概ね直線状に延伸するデバイスであって、ハンドル端部１００と基準端部１０３とを有する。ユーザーは、概ねそのハンドル端部を握ることによりこのしなやか棒を手動操作する。
【００２２】
交差片１２０は、しなやか棒の基準端部の付近に垂直に配置されている。好適な実施態様において、交差片の平面はしなやか棒の長手方向軸線の平面と同じ平面上にある。好適な実施態様の交差片は概ね直線状の材料で作られているが、Ｌ字形の形状や三角形あるいはポリゴン（多角形）の形状とすることもできる。
【００２３】
しなやか棒の上の基準端部上には、第１の複数の航跡（tracking）ポイントがある。交差片の上にも第２の複数の航跡ポイントがある。これらの航跡ポイント１１０は、アクティブな光エミッター（発光体）であるか、あるいはパッシブな光リフレクタ（反射体）である。
【００２４】
アクティブな発光体が航跡ポイントに用いられるときは、発光体は光を全ての方向に放出することができなければならない。これは、航跡ポイントが本発明の１つの要素である画像化デバイスによって、航跡ポイントが不鮮明でなく画像化デバイスの視界の中にある限り、しなやか棒の全ての方向からキャプチャ（捕捉）されなければならないからである。
【００２５】
光の波長は、赤外線波長から可視光の波長、さらに紫外線の波長の範囲まで使用が可能である。
【００２６】
好適な実施態様において、航跡ポイントはパッシブな赤外線反射体で、Ｔ字形の配置に作られる。これら航跡ポイントの多くの好適な形状は、光の反射を最大化するために地球儀あるいはボールの形状に作られる。例外は、ハンドル端部（「最後」の航跡ポイント）に最も近いしなやか棒の航跡ポイントである。地球儀又は半地球儀の形状とする代わりに、この航跡ポイントはわずかにドーム状になっている。多くの適用例において、しなやか棒は３０ｃｍ以下で、ユーザーの広い領域を満たす長さとする。しなやか棒上には、直線上に少なくとも２つの航跡ポイントがあり、好適なのは３つである。図１では、交差片の両側に２つの航跡ポイントがあり、交差片の長さは約６ｃｍである。
【００２７】
本発明の他の要素として、好適な波長の範囲の光を供給する少なくとも１つの発光手段１５０と、少なくとも１つの画像化デバイス１３０とが含まれ、画像化デバイスは例えばＣＭＯＳ（complementary metal oxide semiconductor ）やＣＣＤ（charge-coupled device ）センサーを備えたカメラである。好適な実施態様において、１つの発光手段と１つの画像化デバイスが用いられ、画像化デバイスは処理装置に接続される。
【００２８】
操作時において、ユーザーは本発明によるしなやか棒を握りしめ、あたかも彼が選択のためのバーチャルな道具を操作しているかのように、振り回す。光源からの光はパッシブな航跡ポイントから反射され、画像化デバイスやカメラにより、輝くスポットとしてキャプチャされる。それから、その画像化デバイスはそのイメージ（画像）を処理装置へと伝達する。
【００２９】
本発明は視界の範囲内及び画像化デバイスやカメラの視界のライン内で機能する。かくして、発光手段と画像化手段との両方にとっての理想的な位置は、コンピュータ又はゲーム装置のディスプレイスクリーンに極めて接近した位置であり、発光手段と画像化手段の両方は、ユーザーがしなやか棒を振り回したいと希望する空間の容積に概ねポイントが置かれることになる。
【００３０】
ユーザーが画像化手段の視界でカバーされる空間の容積内にとどまるのを補助するために、境界線のマーキング１８０が付されたパッド１６０を用いて、ユーザーがカメラの視界を見積もるのを補助することができる。パッドの中心にマークされた円１７０は、ユーザーがしなやか棒を、適用例あるいはゲームのスタート時に中心に置くのを補助する。パッドの表面材料もまた、用いられる光の反射を最小化するように選定される。
【００３１】
図２において、しなやか棒の位置（並進運動Ｔ＝（ｔx ，ｔy ，ｔz ））及び方向、すなわちピッチ２０１、ロール２０３、ヨー（yaw ）２０２など全ての変化パラメータは、画像化デバイス又はカメラの基準フレーム（Ｘc ，Ｙc ，Ｚc）に対して表現される。
【００３２】
しなやか棒のフレーム（Ｘw ，Ｙw ，Ｚw ）は、その初期条件として、カメラのフレーム（Ｘc ，Ｙc ，Ｚc ）と整合している（同一線上にある）ものと仮定される。しなやか棒上のあるポイントＷ＝（ｘ，ｙ，ｚ，１）がカメラの空間で他のポイントＷ’＝（ｘ’，ｙ’，ｚ’，１）に変化したときは、次のＸＹＺの符号が付けられた角度へと変化させられる。
Ｗ’＝Ｔ＋ＲｚＲｙＲｘＷ
ここで、ＲｘはＸc 軸線回りのピッチ回転マトリックス、
ＲｙはＹc 軸線回りのヨー回転マトリックス、
ＲｚはＺc 軸線回りのロール回転マトリックスである。
【００３３】
キャプチャされた各イメージにおいて輝いている各スポット相互間の相対位置は、本発明による添付アルゴリズムによって用いられ、各時間間隔でのしなやか棒の位置と方向が再構成される。それから、この情報は、バーチャル環境において、ユーザーにより制御された対象物の対応する運動を形成するのに用いられる。
【００３４】
かくして、カメラによりキャプチャされたイメージ内でのしなやか棒の航跡ポイントの相対位置は、本発明において、しなやか棒の運動を再構成するために用いられる。
【００３５】
ここで用いられる他の情報は、交差片の２つの航跡ポイント間の距離ｄ１（この値は図３の線３２３で指示される）と、交差片に最も近いしなやか棒の２つの航跡ポイント間の距離ｄ２（この値は図３の線３２２で指示される）とである。カメラによりキャプチャされたこれら２つの明白な距離の比率は、しなやか棒によって表現されたバーチャル環境での対象物の位置を再構成する際に用いられる。
【００３６】
ハンドル端部に最も近いしなやか棒上の航跡ポイント２１０は、しなやか棒が画像化デバイスに向かったり離れたりしている方向によっては、画像化デバイスによってキャプチャされないかもしれない。しかしながら、本発明のアルゴリズムによれば、４つ又は５つの航跡ポイントでキャプチャされたイメージを分析することができる。
【００３７】
キャプチャされたイメージ内の４つ又は５つの航跡ポイントは、本発明のアルゴリズムにより、図３に示すような長手方向軸線とそれが包含する角度θ３２４を確定させるために用いられる。
【００３８】
図３Ａは、２Ｄ表現でカメラによりキャプチャされた３Ｄ空間内での５つの航跡ポイントのイメージの例を示している。図３Ｂに示すように、どれか２つのポイントを連結して１０本の線を得ることもできる。
【００３９】
図３Ｃに示すように、アルゴリズムは、これら１０本の仮想線の第１線３２０をこれら１０本の仮想線の他の１つと比較して、第１の線３２０が他の線３２１を二等分（bisect）していないかどうかを確定することから開始する。このプロセスは繰り返され、図３Ｄに示す例は成功していない例であるが、これら２つの線がこの関係を満たすと判断される（図３Ｅ）まで繰り返される。かくして、他の線を二等分している線３２２がしなやか棒の長手方向軸線である。二等分されている線３２３は、交差片の航跡ポイントによって定義された線であり、すなわち、交差片の軸線である。
【００４０】
アルゴリズムによって２つの軸線が同定されると、２つの軸線の交点（intersection）はしなやか棒上の基準原点１０３（図２）の位置を定義し、しなやか棒とその交差片の結合部を定義する。これは、キャプチャされたイメージ上の位置３２６によって表現される。
【００４１】
加えて、カメラによりキャプチャされたｄ１とｄ２の比率と同様に、これら２つの軸線の間の角度θも確定することができる。線３２３とイメージのＸ軸線とから、両者が形成する角度δ３２５、すなわち交差片の突出する軸線とイメージの水平軸線とにより形成される角度もまた確定することができる。それから、ロール角度を、角度δにより直接割り当てることができる。
【００４２】
付随的なこととして、キャプチャされたイメージ内のしなやか棒の基準原点３２６の位置から、並進運動ｔx 及びｔy が直接導き出される。
【００４３】
ここで必要な最後の小さな情報は、しなやか棒（ハンドル端部に最も近い）上の最後の航跡ポイント２１０がキャプチャされたイメージ上で見られるかどうかである。この情報はＰ５で表現され、ポイントが存在する場合は１、ポイントが存在しない場合は０である。
【００４４】
これらの重要なパラメータがいったん知られたならば、マッピングを遂行する参照テーブル内に準備された６自由度を有する情報から、しなやか棒の位置を再構成したり取得したりすることができる。マッピングでは、
＜θ，ｄ１／ｄ２，Ｐ５＞ → ＜ピッチ，ヨー，ｌ1 ，ｌ2 ＞
ここで、ｌl 及びｌu は次の一方からの突出した距離であり、
ａ．もしもｄ１／ｄ２＞＝１ならば、交差片の２つの航跡ポイント
ｂ．もしもｄ１／ｄ２＜１ならば、しなやか棒の原点３２６からしなやか棒上の４番目の航跡ポイント３００までの距離である。
これらは、しなやか棒の原点が、カメラから使用可能な操作範囲であるそれぞれ下限ｚl ，上限ｚu にあるカメラからの距離にあるときの、キャプチャされたイメージであり、そこでしなやか棒の方向は上記マッピングにおいて与えられた特定のピッチ及びヨーにある場合である。
【００４５】
かくして、ここで定義された使用可能な操作範囲は重要である。なぜならば、参照テーブルはカメラからのこの使用可能な操作範囲を基礎として生成されるからである。使用可能な操作範囲は本発明を限定するものではない。なぜならば、異なる適用例に対し、添付される参照テーブルによって、操作範囲は変化させられ寸法が変えられるからである。多くのデスクトップでの適用例のためには、ｚl 及びｚu はそれぞれ２５ｃｍと５０ｃｍにセットされる。
【００４６】
距離ｔz 、すなわちカメラから並進運動したしなやか棒の原点までの距離は、次の公式によって概算できる。
ｄ１／ｄ２＞＝１ならば
ｔz ＝ｚl ＋（（ｚu −ｚl ）ｘ（ｌi −ｄ１）／（ｌl −ｌu ））
ｄ１／ｄ２＜１ならば
ｔz ＝ｚl ＋（（ｚu −ｚl ）ｘ（ｌi −ｄ２）／（ｌl −ｌu ））
【００４７】
本発明によれば、しなやか棒の航跡となるユーザーの動きは、航跡ポイントの相対位置をキャプチャすることを伴い、しなやか棒の位置と方向の本質的なパラメータを決定し、それから当該バーチャル環境での運動を再構成する。このプロセスは、本発明が使用される限り、所要の時間間隔で繰り返される。
【００４８】
当業者であれば、ユーザーの身体の部分やしなやか棒それ自身の一部である他の物体が、カメラの視界となる線から、１つ又は複数の航跡ポイントをマスクしてしまうことがあり得ることに気付くであろう。これが起こったときは、単純なアルゴリズムではかかる状況を吸収することができない。この限界をカバーするためには、このアルゴリズムを満足させるようなドライバーソフトウェアをプログラムすれば、しなやか棒の意図した軌道や運動を予言し、かかる状況を無視して、充分な航跡ポイントがふたたび検知されるようになるまで、操作を続行することができる。ユーザーの手の動きが続くならば、かかる状況は頻繁に発生するわけではなく、ユーザーに不安を与えることもない。
【００４９】
好適な実施態様のための航跡ポイントの最小数は４つである。所定の回数の時間間隔の後で、画像化デバイスによって、この最小数の航跡ポイントが得られない時は、ここで用いられるドライバーソフトウェアによって、ユーザーに、航跡ポイントの許容できないあいまいさが発生したことを警告表示する。
【００５０】
かかる状況は、カメラがその視界から外れた時か、あるいは何かの物体によってあいまいさが継続している時である。図１のパッド１６０は、ユーザーがしなやか棒を画像化デバイスの視界の内部に保持したままにするのを補助することにより、かかる状況が発生するのを防止する。
【００５１】
航跡ポイント間の距離は、画像化デバイスによってキャプチャされた画像上で航跡ポイントを解析する際のあいまいさを最小限にするように注意深く決定され、しなやか棒の位置と方向が迅速に再構成されるようにする。
【００５２】
キャプチャされた画像内での航跡ポイントの相対位置から、しなやか棒の位置と方向を再構成するための他の可能な方法は、ロボットを用いた画像認識やコンピュータグラフィックスなどについて書かれた文献に見られるような標準の３Ｄ再構成アルゴリズムを用いることである。しかしながら、かかるアルゴリズムは、代表的なコンピュータにおいて、コンピュータ処理が高価となり、リアルタイム操作を失望させるものとなる。また、かかるアルゴリズムを装備することは、その適用例として、本発明が意図する単純なコンピュータ装置における装備という目的に反するものとなる。また、参照テーブルは、妥当性のある迅速な応答を供給するための中間的な対策として用いられるのである。
【００５３】
それにもかかわらず、本発明における要素は、処理装置の能力がかかるアルゴリズムを吸収することが可能である時は、３Ｄ運動を再構成するアルゴリズムとして機能することが可能である。
【００５４】
好適な実施態様として、光源は、カメラのレンズの周囲の同軸配置として搭載されるもので、概ね７５０−１０００ｎｍのリング状の光を放出するものである。
【００５５】
もしも狭い波長範囲の光が用いられるならば、最適な結果を得るためには、航跡ポイントのためのリフレクタ、光源のためのフィルター、画像化デバイスのためのレンズなどに対して適当な材料が必要となるであろう。好適な実施態様では、赤外線領域の光を用いるので、航跡ポイントは、この波長領域で最大の反射率となるように、例えば「レーザ−ゴールド（Laser Gold）」のようなコーティングを有することになる。
【００５６】
本発明では、白黒やカラーのカメラを使用可能であるが、データの転送における要求が最小化されるように、ピクセルあたり１ビット（すなわち、厳密に白と黒を表現できるような方式）を用いて画像を表現するように最適化されたカメラが好適である。
【００５７】
当業者であれば、本発明の範囲内で多くの実施態様が可能であることを理解できよう。例えば、交差片はＶ字形又はＬ字形（図４Ａ）、等辺三角形（図４Ｂ）、あるいは規則的な多角形にすることができる。本発明は、交差片の全ての航跡ポイントがしなやか棒の長手方向軸線に垂直な平面上に存在する限り、機能することになる。
【００５８】
本発明の各航跡ポイントは、画像化デバイスによって識別可能な異なるユニークな色や波長を放出したり反射したりすることもできるであろう。かかる実施態様において、カラーの画像化デバイスが用いられる時には、しなやか棒の位置の重要なパラメータを識別することが、より簡単でより迅速になり、しなやか棒の位置を再構成する速度が大きく増加するであろう。
【００５９】
この実施態様において、光源は可視光での照明とすることもでき、航跡ポイントの反射用コーティングは選択された色を反射するように選定することもできる。他の方法として、アクティブな光放出航跡ポイントとしての実施態様において、発光ダイオード（ＬＥＤｓ）のような小さな発光源を用いることもできる。
【００６０】
本発明はまた適用例によって量的に変化させることができる。本発明の感度は、例えば外科医の手の航跡を追うために、画像化デバイスをしなやか棒にもっと近く寄せたり、さらに高い解像度の画像化デバイスを用いるなどの方法で、増大させることができる。
【００６１】
他の方法として、修正されたラケット・バット・クラブなどのスイングのようなもっと巨大な動きを、カメラをその位置からさらに遠くまで移動させることにより、キャプチャすることもできる。これらスポーツ器具から画像をキャプチャすることは、それらの上に航跡ポイントを位置決めするか、あるいはこれらを代表するようにシミュレートした器具の上に位置決めすることでなされる。
【００６２】
技術が進歩するにつれて、処理装置の速度や能力が増大するので、イメージをキャプチャするためのリフレッシュレートや運動航跡を追う感度などもまた増大することになろう。
【００６３】
本発明を１つの画像化デバイスについて説明してきたが、本発明では複数の画像化デバイスを用いることも可能である。複数の画像化デバイスが用いられたときは、三角測量の技法を用いて、画像化デバイスからしなやか棒までの距離をさらに良好に再構成できるかもしれない。
【００６４】
当業者であれば、ここで説明したアルゴリズムは、高いレベルのプログラミング言語からアセンブリ言語やマシン語にいたるまで、各種のプログラミング言語に容易に移植することができることは理解できよう。本発明を各種のゲームやＣＡＤ／ＣＡＭの適用例へと統合させることは、当業者なら容易にできることであろう。
【００６５】
従って、本発明は、交差片を有するしなやか棒と、発光手段と、画像化デバイスと、処理装置と、アルゴリズム及び参照テーブルを包含して、ユーザーが従来技術による問題点を克服し、あるいは少なくとも軽減させることができるような入力装置を提供する。
【００６６】
好適な実施態様において、用いられる処理装置（processor ）は画像化デバイスが接続されているコンピュータであるとして説明してきたが、分離した特別な処理装置を用いて、キャプチャされた画像を解読し、しなやか棒の位置と方向を取得するような処理装置も、本発明の範囲内として用いることができる。
【００６７】
加えて、本発明は３Ｄで６つの自由度を有する入力データを解読する能力を有するが、当業者であれば、本発明による航跡の解読を３つの自由度を有する入力データだけに適用したり、６つの自由度を有するデータだけに適用したりするように容易に修正できることは明らかである。
【００６８】
１つの実施態様についてだけ詳細に説明してきたが、当業者であれば、本発明の範囲から離れることなく、多くの修正や改良をなすことができることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明による入力装置の実施態様の斜視図。
【図２】本発明におけるしなやか棒の並進運動と配置方向を表す斜視図。
【図３】しなやか棒の２つの主要軸線が本発明のアルゴリズムで決定される概念図。
【図４】しなやか棒の２つの実施態様を表す斜視図。
【技術分野】
【０００１】
本発明はコンピュータ入力装置に関する。
【０００２】
特に、本発明は、コンピュータやゲーム装置内に、３次元（３Ｄ）で自由度６のデータをエントリーさせるための、複数の航跡（tracking）ポイントや画像化デバイス（イメージ化装置）を有するコンピュータ入力装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
現在、コンピュータ用の主な入力手段はキーボード及び「マウス」と呼ばれるポインターデバイスである。コンピュータゲームの目的のためには、ジョイスティックやゲーム盤のような追加のデバイスが用いられ、ユーザーがゲームのバーチャル（仮想的）な環境下でより多くの入力の選択ができるように、特別に作られたボタンが利用可能となっている。しかしながら、これらは３Ｄの情報を入れるために２次元の入力装置を用いている。さらに最近では、「コンピュータインターフェース用アパレル（衣服）」として、実際にゲーマー（ゲーム操作者）によって織られたゲーム用手袋などが、彼らの運動の選択をコンピュータゲームに入力できるように用いられている。
【０００４】
このように入力装置が過多に存在するにもかかわらず、ある種のコンピュータゲームにおいて、剣を用いた格闘や、ラケット・クラブ・バットなどをスイングするような運動を望む通りの動きとして受け入れられるような満足な装置は存在していない。他の可能な適用例として、ゲームのマジック的なトリックを遂行するために、バトンの動きと調和的な動作をさせたり、「魔法の杖」を使って振り動かすような動作がある。カーソルコントロールキーとトラックボールの回転を組み合わせるだけでは、ある種のコンピュータゲームの操作においては、バーチャルな対象物やキャラクターに対し、ユーザーが意図した動きを満足に伝達することはできない。
【０００５】
加えて、コンピュータゲームの領域を超えた他の適用例、例えばコンピュータ補助設計（ＣＡＤ）やコンピュータ補助製造（ＣＡＭ）を活用するには、デザインの３Ｄ演出を修正する際に、３Ｄ入力が必要となる。現在の入力装置ではそのような適用例に容易に用いることはできない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、ユーザーがコンピュータやゲーム装置に３Ｄ運動を表現し入力することを可能にする直観的で直接的で人間工学的な入力装置が必要であることは明らかである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、コンピュータのために、６つの自由度を有する３次元データを入力するための入力装置であって、第１軸線を定義するための航跡ポイントを有する１つの列と、第１軸線に垂直な第２軸線又は平面を定義するための航跡ポイントを有する第２の列とを有し、前記航跡ポイント間の距離は、画像化デバイスによってキャプチャされた前記航跡ポイントの２次元イメージが、供給されたアルゴリズムを用いて、３次元空間内で前記入力装置の位置及び方向をプロセッサ（processor:処理装置）を用いて決定付けるのに用いられるように、注意深く選定されているような配置を有する入力装置を提供する。
【０００８】
また、本発明は１つの面において、交差片を有する１つのしなやか棒（wand）であってこのしなやか棒と交差片が複数の航跡ポイントを有しているような棒と、少なくとも１つの画像化デバイスと、少なくとも１つの発光手段と、少なくとも１つのプロセッサとを包含しているコンピュータ入力装置を提供する。
【０００９】
本発明の好適な実施態様について、例示として示した図面を参照しながら、さらに詳細に説明する。
【００１０】
図１は本発明の実施態様を図示している。
【００１１】
図２は初期条件からのしなやか棒の並進運動（translation ）と配置方向（orientation ）を表しており、初期条件においてその基準のフレームは画像化デバイスの基準のフレームと一致している。
【００１２】
図３はしなやか棒の２つの主要軸線が、本発明のアルゴリズムの反復処理において、いかにして決定されるかを示している。
【００１３】
図４は本発明によるしなやか棒の２つの実施態様を表している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の好適な実施態様に従い、本発明について詳細な説明を行う。以下の記述において、詳細は実施態様を説明するために提供される。しかしながら、当業者であれば、かかる詳細がなくても本発明を実施できることは明らかである。これら詳細の一部は、本発明をあいまいなものとしないために、長さについては説明していない。
【００１５】
本発明の１つの目的は、３Ｄ入力を受け入れるコンピュータ及びゲーム装置のための入力装置を提供することにある。
【００１６】
本発明の他の目的は、３Ｄ入力を受け入れるコンピュータ及びゲーム装置のための入力装置であって、バーチャル環境において、バーチャル対象物が意図する３Ｄ運動や６自由度運動を再生できるようにする入力装置を提供することにある。この形式の運動入力は、本発明がより単純で小さく低価格なコンピュータ及びゲーム装置に用いられ、かつ他の現在使用中の処理からあまり多くの処理資源（リソース）を要求することがないように、最低限のプロセッサ要求で遂行されなければならない。
【００１７】
ここで、「コンピュータ」及び「ゲーム装置」という用語は、ＣＡＤ／ＣＡＭワークステーション、「パーソナルコンピュータ」、特注されたコンピュータゲーム盤及び装置、パーソナルデジタルアシスタント、及び本発明によってキャプチャされたイメージを処理するための特注プロセッサなど３Ｄ入力を必要とするあらゆる種類のコンピュータ装置を包含するが、これらに限定されるものではない。
【００１８】
本発明の実施態様により、多くの利点が得られる。本発明の実施態様の１つの利点は、剣による格闘のスラスト（突き）や受け流し（よけ）、ゴルフのドライブ（球打ち）、ラケットやバットのスイング運動など、コンピュータゲームのバーチャル環境下でユーザーが所望する運動を、本発明によって航跡を追いかつ表現することが可能になることである。
【００１９】
他の利点は、これまで不可能とされていた、バーチャル美術技法におけるペインティングや彫刻ストロークのような適用例での入力様式や、さらには電話による医術や外科的訓練での医学的道具としての正確な手動操作における入力様式としても、本発明が実現できるということである。
【００２０】
本発明は、ある配置（arrangement ）を用いる入力装置を包含し、この配置は第１軸線を定義するための航跡ポイントを有する第１列と、第１軸線に垂直な第２軸線又は平面を定義するための航跡ポイントを有する第２列とを有し、前記航跡ポイント間の距離は、前記航跡ポイントの２次元イメージが、３次元空間内で前記入力装置の位置及び方向を決定付けるのに用いられるように、注意深く選定されている。
【００２１】
図１を参照すると本発明に基づく実施態様が図示されている。この列（array）はここで説明される実施態様に限定されてはならない。本発明の好適な実施態様の１つの要素は、しなやか棒（wand）１０１であり、これは長手方向に概ね直線状に延伸するデバイスであって、ハンドル端部１００と基準端部１０３とを有する。ユーザーは、概ねそのハンドル端部を握ることによりこのしなやか棒を手動操作する。
【００２２】
交差片１２０は、しなやか棒の基準端部の付近に垂直に配置されている。好適な実施態様において、交差片の平面はしなやか棒の長手方向軸線の平面と同じ平面上にある。好適な実施態様の交差片は概ね直線状の材料で作られているが、Ｌ字形の形状や三角形あるいはポリゴン（多角形）の形状とすることもできる。
【００２３】
しなやか棒の上の基準端部上には、第１の複数の航跡（tracking）ポイントがある。交差片の上にも第２の複数の航跡ポイントがある。これらの航跡ポイント１１０は、アクティブな光エミッター（発光体）であるか、あるいはパッシブな光リフレクタ（反射体）である。
【００２４】
アクティブな発光体が航跡ポイントに用いられるときは、発光体は光を全ての方向に放出することができなければならない。これは、航跡ポイントが本発明の１つの要素である画像化デバイスによって、航跡ポイントが不鮮明でなく画像化デバイスの視界の中にある限り、しなやか棒の全ての方向からキャプチャ（捕捉）されなければならないからである。
【００２５】
光の波長は、赤外線波長から可視光の波長、さらに紫外線の波長の範囲まで使用が可能である。
【００２６】
好適な実施態様において、航跡ポイントはパッシブな赤外線反射体で、Ｔ字形の配置に作られる。これら航跡ポイントの多くの好適な形状は、光の反射を最大化するために地球儀あるいはボールの形状に作られる。例外は、ハンドル端部（「最後」の航跡ポイント）に最も近いしなやか棒の航跡ポイントである。地球儀又は半地球儀の形状とする代わりに、この航跡ポイントはわずかにドーム状になっている。多くの適用例において、しなやか棒は３０ｃｍ以下で、ユーザーの広い領域を満たす長さとする。しなやか棒上には、直線上に少なくとも２つの航跡ポイントがあり、好適なのは３つである。図１では、交差片の両側に２つの航跡ポイントがあり、交差片の長さは約６ｃｍである。
【００２７】
本発明の他の要素として、好適な波長の範囲の光を供給する少なくとも１つの発光手段１５０と、少なくとも１つの画像化デバイス１３０とが含まれ、画像化デバイスは例えばＣＭＯＳ（complementary metal oxide semiconductor ）やＣＣＤ（charge-coupled device ）センサーを備えたカメラである。好適な実施態様において、１つの発光手段と１つの画像化デバイスが用いられ、画像化デバイスは処理装置に接続される。
【００２８】
操作時において、ユーザーは本発明によるしなやか棒を握りしめ、あたかも彼が選択のためのバーチャルな道具を操作しているかのように、振り回す。光源からの光はパッシブな航跡ポイントから反射され、画像化デバイスやカメラにより、輝くスポットとしてキャプチャされる。それから、その画像化デバイスはそのイメージ（画像）を処理装置へと伝達する。
【００２９】
本発明は視界の範囲内及び画像化デバイスやカメラの視界のライン内で機能する。かくして、発光手段と画像化手段との両方にとっての理想的な位置は、コンピュータ又はゲーム装置のディスプレイスクリーンに極めて接近した位置であり、発光手段と画像化手段の両方は、ユーザーがしなやか棒を振り回したいと希望する空間の容積に概ねポイントが置かれることになる。
【００３０】
ユーザーが画像化手段の視界でカバーされる空間の容積内にとどまるのを補助するために、境界線のマーキング１８０が付されたパッド１６０を用いて、ユーザーがカメラの視界を見積もるのを補助することができる。パッドの中心にマークされた円１７０は、ユーザーがしなやか棒を、適用例あるいはゲームのスタート時に中心に置くのを補助する。パッドの表面材料もまた、用いられる光の反射を最小化するように選定される。
【００３１】
図２において、しなやか棒の位置（並進運動Ｔ＝（ｔx ，ｔy ，ｔz ））及び方向、すなわちピッチ２０１、ロール２０３、ヨー（yaw ）２０２など全ての変化パラメータは、画像化デバイス又はカメラの基準フレーム（Ｘc ，Ｙc ，Ｚc）に対して表現される。
【００３２】
しなやか棒のフレーム（Ｘw ，Ｙw ，Ｚw ）は、その初期条件として、カメラのフレーム（Ｘc ，Ｙc ，Ｚc ）と整合している（同一線上にある）ものと仮定される。しなやか棒上のあるポイントＷ＝（ｘ，ｙ，ｚ，１）がカメラの空間で他のポイントＷ’＝（ｘ’，ｙ’，ｚ’，１）に変化したときは、次のＸＹＺの符号が付けられた角度へと変化させられる。
Ｗ’＝Ｔ＋ＲｚＲｙＲｘＷ
ここで、ＲｘはＸc 軸線回りのピッチ回転マトリックス、
ＲｙはＹc 軸線回りのヨー回転マトリックス、
ＲｚはＺc 軸線回りのロール回転マトリックスである。
【００３３】
キャプチャされた各イメージにおいて輝いている各スポット相互間の相対位置は、本発明による添付アルゴリズムによって用いられ、各時間間隔でのしなやか棒の位置と方向が再構成される。それから、この情報は、バーチャル環境において、ユーザーにより制御された対象物の対応する運動を形成するのに用いられる。
【００３４】
かくして、カメラによりキャプチャされたイメージ内でのしなやか棒の航跡ポイントの相対位置は、本発明において、しなやか棒の運動を再構成するために用いられる。
【００３５】
ここで用いられる他の情報は、交差片の２つの航跡ポイント間の距離ｄ１（この値は図３の線３２３で指示される）と、交差片に最も近いしなやか棒の２つの航跡ポイント間の距離ｄ２（この値は図３の線３２２で指示される）とである。カメラによりキャプチャされたこれら２つの明白な距離の比率は、しなやか棒によって表現されたバーチャル環境での対象物の位置を再構成する際に用いられる。
【００３６】
ハンドル端部に最も近いしなやか棒上の航跡ポイント２１０は、しなやか棒が画像化デバイスに向かったり離れたりしている方向によっては、画像化デバイスによってキャプチャされないかもしれない。しかしながら、本発明のアルゴリズムによれば、４つ又は５つの航跡ポイントでキャプチャされたイメージを分析することができる。
【００３７】
キャプチャされたイメージ内の４つ又は５つの航跡ポイントは、本発明のアルゴリズムにより、図３に示すような長手方向軸線とそれが包含する角度θ３２４を確定させるために用いられる。
【００３８】
図３Ａは、２Ｄ表現でカメラによりキャプチャされた３Ｄ空間内での５つの航跡ポイントのイメージの例を示している。図３Ｂに示すように、どれか２つのポイントを連結して１０本の線を得ることもできる。
【００３９】
図３Ｃに示すように、アルゴリズムは、これら１０本の仮想線の第１線３２０をこれら１０本の仮想線の他の１つと比較して、第１の線３２０が他の線３２１を二等分（bisect）していないかどうかを確定することから開始する。このプロセスは繰り返され、図３Ｄに示す例は成功していない例であるが、これら２つの線がこの関係を満たすと判断される（図３Ｅ）まで繰り返される。かくして、他の線を二等分している線３２２がしなやか棒の長手方向軸線である。二等分されている線３２３は、交差片の航跡ポイントによって定義された線であり、すなわち、交差片の軸線である。
【００４０】
アルゴリズムによって２つの軸線が同定されると、２つの軸線の交点（intersection）はしなやか棒上の基準原点１０３（図２）の位置を定義し、しなやか棒とその交差片の結合部を定義する。これは、キャプチャされたイメージ上の位置３２６によって表現される。
【００４１】
加えて、カメラによりキャプチャされたｄ１とｄ２の比率と同様に、これら２つの軸線の間の角度θも確定することができる。線３２３とイメージのＸ軸線とから、両者が形成する角度δ３２５、すなわち交差片の突出する軸線とイメージの水平軸線とにより形成される角度もまた確定することができる。それから、ロール角度を、角度δにより直接割り当てることができる。
【００４２】
付随的なこととして、キャプチャされたイメージ内のしなやか棒の基準原点３２６の位置から、並進運動ｔx 及びｔy が直接導き出される。
【００４３】
ここで必要な最後の小さな情報は、しなやか棒（ハンドル端部に最も近い）上の最後の航跡ポイント２１０がキャプチャされたイメージ上で見られるかどうかである。この情報はＰ５で表現され、ポイントが存在する場合は１、ポイントが存在しない場合は０である。
【００４４】
これらの重要なパラメータがいったん知られたならば、マッピングを遂行する参照テーブル内に準備された６自由度を有する情報から、しなやか棒の位置を再構成したり取得したりすることができる。マッピングでは、
＜θ，ｄ１／ｄ２，Ｐ５＞ → ＜ピッチ，ヨー，ｌ1 ，ｌ2 ＞
ここで、ｌl 及びｌu は次の一方からの突出した距離であり、
ａ．もしもｄ１／ｄ２＞＝１ならば、交差片の２つの航跡ポイント
ｂ．もしもｄ１／ｄ２＜１ならば、しなやか棒の原点３２６からしなやか棒上の４番目の航跡ポイント３００までの距離である。
これらは、しなやか棒の原点が、カメラから使用可能な操作範囲であるそれぞれ下限ｚl ，上限ｚu にあるカメラからの距離にあるときの、キャプチャされたイメージであり、そこでしなやか棒の方向は上記マッピングにおいて与えられた特定のピッチ及びヨーにある場合である。
【００４５】
かくして、ここで定義された使用可能な操作範囲は重要である。なぜならば、参照テーブルはカメラからのこの使用可能な操作範囲を基礎として生成されるからである。使用可能な操作範囲は本発明を限定するものではない。なぜならば、異なる適用例に対し、添付される参照テーブルによって、操作範囲は変化させられ寸法が変えられるからである。多くのデスクトップでの適用例のためには、ｚl 及びｚu はそれぞれ２５ｃｍと５０ｃｍにセットされる。
【００４６】
距離ｔz 、すなわちカメラから並進運動したしなやか棒の原点までの距離は、次の公式によって概算できる。
ｄ１／ｄ２＞＝１ならば
ｔz ＝ｚl ＋（（ｚu −ｚl ）ｘ（ｌi −ｄ１）／（ｌl −ｌu ））
ｄ１／ｄ２＜１ならば
ｔz ＝ｚl ＋（（ｚu −ｚl ）ｘ（ｌi −ｄ２）／（ｌl −ｌu ））
【００４７】
本発明によれば、しなやか棒の航跡となるユーザーの動きは、航跡ポイントの相対位置をキャプチャすることを伴い、しなやか棒の位置と方向の本質的なパラメータを決定し、それから当該バーチャル環境での運動を再構成する。このプロセスは、本発明が使用される限り、所要の時間間隔で繰り返される。
【００４８】
当業者であれば、ユーザーの身体の部分やしなやか棒それ自身の一部である他の物体が、カメラの視界となる線から、１つ又は複数の航跡ポイントをマスクしてしまうことがあり得ることに気付くであろう。これが起こったときは、単純なアルゴリズムではかかる状況を吸収することができない。この限界をカバーするためには、このアルゴリズムを満足させるようなドライバーソフトウェアをプログラムすれば、しなやか棒の意図した軌道や運動を予言し、かかる状況を無視して、充分な航跡ポイントがふたたび検知されるようになるまで、操作を続行することができる。ユーザーの手の動きが続くならば、かかる状況は頻繁に発生するわけではなく、ユーザーに不安を与えることもない。
【００４９】
好適な実施態様のための航跡ポイントの最小数は４つである。所定の回数の時間間隔の後で、画像化デバイスによって、この最小数の航跡ポイントが得られない時は、ここで用いられるドライバーソフトウェアによって、ユーザーに、航跡ポイントの許容できないあいまいさが発生したことを警告表示する。
【００５０】
かかる状況は、カメラがその視界から外れた時か、あるいは何かの物体によってあいまいさが継続している時である。図１のパッド１６０は、ユーザーがしなやか棒を画像化デバイスの視界の内部に保持したままにするのを補助することにより、かかる状況が発生するのを防止する。
【００５１】
航跡ポイント間の距離は、画像化デバイスによってキャプチャされた画像上で航跡ポイントを解析する際のあいまいさを最小限にするように注意深く決定され、しなやか棒の位置と方向が迅速に再構成されるようにする。
【００５２】
キャプチャされた画像内での航跡ポイントの相対位置から、しなやか棒の位置と方向を再構成するための他の可能な方法は、ロボットを用いた画像認識やコンピュータグラフィックスなどについて書かれた文献に見られるような標準の３Ｄ再構成アルゴリズムを用いることである。しかしながら、かかるアルゴリズムは、代表的なコンピュータにおいて、コンピュータ処理が高価となり、リアルタイム操作を失望させるものとなる。また、かかるアルゴリズムを装備することは、その適用例として、本発明が意図する単純なコンピュータ装置における装備という目的に反するものとなる。また、参照テーブルは、妥当性のある迅速な応答を供給するための中間的な対策として用いられるのである。
【００５３】
それにもかかわらず、本発明における要素は、処理装置の能力がかかるアルゴリズムを吸収することが可能である時は、３Ｄ運動を再構成するアルゴリズムとして機能することが可能である。
【００５４】
好適な実施態様として、光源は、カメラのレンズの周囲の同軸配置として搭載されるもので、概ね７５０−１０００ｎｍのリング状の光を放出するものである。
【００５５】
もしも狭い波長範囲の光が用いられるならば、最適な結果を得るためには、航跡ポイントのためのリフレクタ、光源のためのフィルター、画像化デバイスのためのレンズなどに対して適当な材料が必要となるであろう。好適な実施態様では、赤外線領域の光を用いるので、航跡ポイントは、この波長領域で最大の反射率となるように、例えば「レーザ−ゴールド（Laser Gold）」のようなコーティングを有することになる。
【００５６】
本発明では、白黒やカラーのカメラを使用可能であるが、データの転送における要求が最小化されるように、ピクセルあたり１ビット（すなわち、厳密に白と黒を表現できるような方式）を用いて画像を表現するように最適化されたカメラが好適である。
【００５７】
当業者であれば、本発明の範囲内で多くの実施態様が可能であることを理解できよう。例えば、交差片はＶ字形又はＬ字形（図４Ａ）、等辺三角形（図４Ｂ）、あるいは規則的な多角形にすることができる。本発明は、交差片の全ての航跡ポイントがしなやか棒の長手方向軸線に垂直な平面上に存在する限り、機能することになる。
【００５８】
本発明の各航跡ポイントは、画像化デバイスによって識別可能な異なるユニークな色や波長を放出したり反射したりすることもできるであろう。かかる実施態様において、カラーの画像化デバイスが用いられる時には、しなやか棒の位置の重要なパラメータを識別することが、より簡単でより迅速になり、しなやか棒の位置を再構成する速度が大きく増加するであろう。
【００５９】
この実施態様において、光源は可視光での照明とすることもでき、航跡ポイントの反射用コーティングは選択された色を反射するように選定することもできる。他の方法として、アクティブな光放出航跡ポイントとしての実施態様において、発光ダイオード（ＬＥＤｓ）のような小さな発光源を用いることもできる。
【００６０】
本発明はまた適用例によって量的に変化させることができる。本発明の感度は、例えば外科医の手の航跡を追うために、画像化デバイスをしなやか棒にもっと近く寄せたり、さらに高い解像度の画像化デバイスを用いるなどの方法で、増大させることができる。
【００６１】
他の方法として、修正されたラケット・バット・クラブなどのスイングのようなもっと巨大な動きを、カメラをその位置からさらに遠くまで移動させることにより、キャプチャすることもできる。これらスポーツ器具から画像をキャプチャすることは、それらの上に航跡ポイントを位置決めするか、あるいはこれらを代表するようにシミュレートした器具の上に位置決めすることでなされる。
【００６２】
技術が進歩するにつれて、処理装置の速度や能力が増大するので、イメージをキャプチャするためのリフレッシュレートや運動航跡を追う感度などもまた増大することになろう。
【００６３】
本発明を１つの画像化デバイスについて説明してきたが、本発明では複数の画像化デバイスを用いることも可能である。複数の画像化デバイスが用いられたときは、三角測量の技法を用いて、画像化デバイスからしなやか棒までの距離をさらに良好に再構成できるかもしれない。
【００６４】
当業者であれば、ここで説明したアルゴリズムは、高いレベルのプログラミング言語からアセンブリ言語やマシン語にいたるまで、各種のプログラミング言語に容易に移植することができることは理解できよう。本発明を各種のゲームやＣＡＤ／ＣＡＭの適用例へと統合させることは、当業者なら容易にできることであろう。
【００６５】
従って、本発明は、交差片を有するしなやか棒と、発光手段と、画像化デバイスと、処理装置と、アルゴリズム及び参照テーブルを包含して、ユーザーが従来技術による問題点を克服し、あるいは少なくとも軽減させることができるような入力装置を提供する。
【００６６】
好適な実施態様において、用いられる処理装置（processor ）は画像化デバイスが接続されているコンピュータであるとして説明してきたが、分離した特別な処理装置を用いて、キャプチャされた画像を解読し、しなやか棒の位置と方向を取得するような処理装置も、本発明の範囲内として用いることができる。
【００６７】
加えて、本発明は３Ｄで６つの自由度を有する入力データを解読する能力を有するが、当業者であれば、本発明による航跡の解読を３つの自由度を有する入力データだけに適用したり、６つの自由度を有するデータだけに適用したりするように容易に修正できることは明らかである。
【００６８】
１つの実施態様についてだけ詳細に説明してきたが、当業者であれば、本発明の範囲から離れることなく、多くの修正や改良をなすことができることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明による入力装置の実施態様の斜視図。
【図２】本発明におけるしなやか棒の並進運動と配置方向を表す斜視図。
【図３】しなやか棒の２つの主要軸線が本発明のアルゴリズムで決定される概念図。
【図４】しなやか棒の２つの実施態様を表す斜視図。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンピュータのために、６つの自由度を有する３次元データを入力するための入力装置であって、
第１軸線を定義するための航跡ポイントを有する第１列と、第１軸線に垂直な第２軸線又は平面を定義するための航跡ポイントを有する第２列とを有し、前記航跡ポイント間の距離は、前記航跡ポイントの２次元イメージが、供給されたアルゴリズムを用いて、３次元空間内で前記入力装置の位置及び方向を決定付けるのに用いられるように、注意深く選定されているような配置と、
少なくとも１つの画像化デバイスと、
少なくとも１つのプロセッサとを備える入力装置。
【請求項２】
前記供給されたアルゴリズムは、
キャプチャされた２次元イメージから航跡ポイントの位置と方向を同定し、
前記キャプチャされたイメージから第１軸線と第２軸線又は平面を同定し、
同定された第１軸線と第２軸線又は平面から前記配置の本質的なパラメータを決定し、
参照テーブルから前記入力装置の位置と方向を取得し、
コンピュータのために、前記入力装置の３次元的位置と方向を再構成することを包含している請求項１記載の入力装置。
【請求項３】
前記入力装置は、３次元空間内でのそれ自身の位置を決定するためだけに修正可能となっている請求項１記載の入力装置。
【請求項４】
前記入力装置は、３次元空間内でのそれ自身のピッチ、ロール及びヨーを決定するためだけに修正可能となっている請求項１記載の入力装置。
【請求項５】
前記入力装置はさらに少なくとも１つの発光手段を包含している請求項１記載の入力装置。
【請求項６】
コンピュータのために、６つの自由度を有する３次元データを入力するためのコンピュータ入力装置であって、
１つのしなやか棒であって、このしなやか棒はその棒の長手方向軸線に対し垂直に配置された交差片を有し、前記しなやか棒と交差片はさらに複数の航跡ポイントを有しているような棒と、
少なくとも１つの画像化デバイスと、
少なくとも１つのプロセッサと、
参照テーブルから、少なくとも１つの画像化デバイスによってキャプチャされた前記しなやか棒上の航跡ポイントの２次元イメージから、前記しなやか棒の位置と方向を決定付けることができるようなアルゴリズムとを包含しているコンピュータ入力装置。
【請求項７】
前記交差片は前記しなやか棒に垂直に配置されている請求項６記載の入力装置。
【請求項８】
前記しなやか棒の複数の航跡ポイントは、パッシブライトリフレクタを有し、そこでは前記入力装置がさらに少なくとも１つの発光手段を有している請求項６記載の入力装置。
【請求項９】
前記少なくとも１つの発光手段は、前記画像化デバイスのレンズの周囲に同軸に配置されたリング形状をしている請求項８記載の入力装置。
【請求項１０】
前記しなやか棒の複数の航跡ポイントは、アクティブライトエミッタを有する請求項６記載の入力装置。
【請求項１１】
前記複数の航跡ポイントは、波長の異なるアクティブライトエミッタを有する請求項１０記載の入力装置。
【請求項１２】
前記複数の航跡ポイント間の距離は、前記アルゴリズムによって、前記しなやか棒の位置と方向を決定付ける際のあいまいさを回避するように注意深く選定されている請求項６記載の入力装置。
【請求項１３】
前記画像化デバイスはさらに、用いられる光の選定された波長の範囲のためのゼロ又は複数のフィルタを包含している請求項６記載の入力装置。
【請求項１４】
前記入力装置はさらに、前記画像化デバイスの視界の範囲をユーザーが見積もるのを助けるためのパッドを有している請求項６記載の入力装置。
【請求項１】
コンピュータのために、６つの自由度を有する３次元データを入力するための入力装置であって、
第１軸線を定義するための航跡ポイントを有する第１列と、第１軸線に垂直な第２軸線又は平面を定義するための航跡ポイントを有する第２列とを有し、前記航跡ポイント間の距離は、前記航跡ポイントの２次元イメージが、供給されたアルゴリズムを用いて、３次元空間内で前記入力装置の位置及び方向を決定付けるのに用いられるように、注意深く選定されているような配置と、
少なくとも１つの画像化デバイスと、
少なくとも１つのプロセッサとを備える入力装置。
【請求項２】
前記供給されたアルゴリズムは、
キャプチャされた２次元イメージから航跡ポイントの位置と方向を同定し、
前記キャプチャされたイメージから第１軸線と第２軸線又は平面を同定し、
同定された第１軸線と第２軸線又は平面から前記配置の本質的なパラメータを決定し、
参照テーブルから前記入力装置の位置と方向を取得し、
コンピュータのために、前記入力装置の３次元的位置と方向を再構成することを包含している請求項１記載の入力装置。
【請求項３】
前記入力装置は、３次元空間内でのそれ自身の位置を決定するためだけに修正可能となっている請求項１記載の入力装置。
【請求項４】
前記入力装置は、３次元空間内でのそれ自身のピッチ、ロール及びヨーを決定するためだけに修正可能となっている請求項１記載の入力装置。
【請求項５】
前記入力装置はさらに少なくとも１つの発光手段を包含している請求項１記載の入力装置。
【請求項６】
コンピュータのために、６つの自由度を有する３次元データを入力するためのコンピュータ入力装置であって、
１つのしなやか棒であって、このしなやか棒はその棒の長手方向軸線に対し垂直に配置された交差片を有し、前記しなやか棒と交差片はさらに複数の航跡ポイントを有しているような棒と、
少なくとも１つの画像化デバイスと、
少なくとも１つのプロセッサと、
参照テーブルから、少なくとも１つの画像化デバイスによってキャプチャされた前記しなやか棒上の航跡ポイントの２次元イメージから、前記しなやか棒の位置と方向を決定付けることができるようなアルゴリズムとを包含しているコンピュータ入力装置。
【請求項７】
前記交差片は前記しなやか棒に垂直に配置されている請求項６記載の入力装置。
【請求項８】
前記しなやか棒の複数の航跡ポイントは、パッシブライトリフレクタを有し、そこでは前記入力装置がさらに少なくとも１つの発光手段を有している請求項６記載の入力装置。
【請求項９】
前記少なくとも１つの発光手段は、前記画像化デバイスのレンズの周囲に同軸に配置されたリング形状をしている請求項８記載の入力装置。
【請求項１０】
前記しなやか棒の複数の航跡ポイントは、アクティブライトエミッタを有する請求項６記載の入力装置。
【請求項１１】
前記複数の航跡ポイントは、波長の異なるアクティブライトエミッタを有する請求項１０記載の入力装置。
【請求項１２】
前記複数の航跡ポイント間の距離は、前記アルゴリズムによって、前記しなやか棒の位置と方向を決定付ける際のあいまいさを回避するように注意深く選定されている請求項６記載の入力装置。
【請求項１３】
前記画像化デバイスはさらに、用いられる光の選定された波長の範囲のためのゼロ又は複数のフィルタを包含している請求項６記載の入力装置。
【請求項１４】
前記入力装置はさらに、前記画像化デバイスの視界の範囲をユーザーが見積もるのを助けるためのパッドを有している請求項６記載の入力装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公表番号】特表２００７−５２１５５９（Ｐ２００７−５２１５５９Ａ）
【公表日】平成１９年８月２日（２００７．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５１７０６４（Ｐ２００６−５１７０６４）
【出願日】平成１６年６月１０日（２００４．６．１０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＳＧ２００４／０００１７５
【国際公開番号】ＷＯ２００４／１１４１１２
【国際公開日】平成１６年１２月２９日（２００４．１２．２９）
【出願人】（５０５４７０８５６）アフィネオン・テクノロジーズ・ピーティーイー・リミテッド (1)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年８月２日（２００７．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月１０日（２００４．６．１０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＳＧ２００４／０００１７５
【国際公開番号】ＷＯ２００４／１１４１１２
【国際公開日】平成１６年１２月２９日（２００４．１２．２９）
【出願人】（５０５４７０８５６）アフィネオン・テクノロジーズ・ピーティーイー・リミテッド (1)
【Ｆターム（参考）】
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