(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コントローラと、前記コントローラに動作可能に接続された、作業空間内の物体の静止画像およびビデオ画像を取り込むための作業空間カメラと、前記コントローラに動作可能に接続されたプロジェクタとを備え、
前記コントローラは、前記作業空間カメラおよび前記プロジェクタを制御して、前記作業空間内の実物体の物体像が取り込まれ、前記物体像が前記作業空間の中に投影されるように構成されるとともに、
前記コントローラが、前記カメラおよび前記プロジェクタを制御して、前記物体像が前記作業空間内で変更されているときに前記物体像の画像が取り込まれ、かつ前記変更された物体像が前記作業空間の中に投影されるように構成される
投影取込システム。
【請求項２】
前記コントローラは、前記プロジェクタを制御して、前記物体像が前記実物体の１対１比率のデジタル複写物として前記作業空間の中に投影されるように構成される
請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記コントローラは、前記プロジェクタを制御して、前記物体像が前記作業空間の中の、前記物体像が取り込まれたときに前記実物体が占めていたのと同じ位置に投影されるように構成される
請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記コントローラ、前記カメラ、前記プロジェクタが、単一の携帯型ユニットとして一緒に収容される
請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記コントローラに動作可能に接続された、前記作業空間内の実物体を前記作業空間の中に投影された物体像と区別するための物体認識デバイス
をさらに備える請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
投影取込デバイスの外部デバイスからデジタル情報を受け取り、また外部デバイスへデジタル情報を送出できる、前記コントローラと動作可能に接続された入出力部と、
ビデオおよび音声情報を外部デバイスに送出するための、および外部デバイスからビデオおよび音声情報を受け取るための前記入出力部とそれぞれ動作可能に接続されたビデオ会議カメラ、マイクロフォンおよびスピーカと
をさらに備える請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記コントローラ、前記カメラ、前記プロジェクタ、前記入出力部、前記マイクロフォン、および前記スピーカが、単一の携帯型ユニットとして一緒に収容される
請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
プロセッサによって実行されたときに、カメラが第１の作業空間内の実物体の物体像を取り込み、プロジェクタが、前記第１の作業空間の中に物体像を前記実物体の１対１比率のデジタル複写物として投影することになるプログラムであって、かつ、複数の作業空間のうちの１つ以上において前記物体像を変更することが可能になり、変更された物体像のデジタル画像を、それが前記作業空間のうちの１つで変更されているときに取り込み、複数のプロジェクタのそれぞれが、変更された物体像を、前記第１の作業空間を含む複数の作業空間のそれぞれの中に同時に投影することになるプログラム。
【請求項９】
実行されたときに、
前記プロジェクタが前記物体像を前記第１の作業空間の中の、前記物体像が取り込まれたときに前記実物体が占めていたのと同じ位置に投影することになる請求項８に記載のプログラム。
【請求項１０】
実行されたときに、
複数のプロジェクタのそれぞれが前記物体像を、前記第１の作業空間を含む複数の作業空間のそれぞれの中に同時に投影することになる請求項８に記載のプログラム。
【請求項１１】
第１の作業空間内の実物体のデジタル画像を取り込むステップと、
前記第１の作業空間を含む複数の作業空間の中に物体像を同時に投影するステップと、
変更された物体像のデジタル画像を、それが前記作業空間のうちの１つで変更されているときに取り込むステップと、
前記変更された物体像を、前記第１の作業空間を含む複数の作業空間の中に同時に投影するステップと
を含む作業空間共同作業方法。
【請求項１２】
前記物体像を複数の作業空間の中に同時に投影するステップが、
前記物体像を前記第１の作業空間の中の前記実物体の上に投影するステップ
を含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記物体像を複数の作業空間の中に投影するステップが、
前記実物体の１対１比率のデジタル複写物の像を前記複数の作業空間の中に投影するステップ
を含む請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投影取込システム、プログラムおよび方法に関する。
実物体と仮想物体が共存しリアル・タイムで相互作用する新しい環境を生成するために、様々なタイプの混成現実感システムが開発されてきた。仮想ホワイトボードおよび他のタイプの遠隔共同作業システムもまた、遠隔のユーザが情報を複数の場所で同時に共有および操作することを可能にするために開発されてきた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
本発明は、隔のユーザが情報を複数の場所で同時に共有および操作することを可能にすることを目的とする。
【図面の簡単な説明】
【０００３】
【図１Ａ】新規の投影取込システムの一例を示す斜視外部図であって、２次元物体（ハードコピー写真）の像が取り込まれ表示される図である。
【図１Ｂ】新規の投影取込システムの一例を示す斜視外部図であって、３次元物体（立方体）の像が取り込まれ表示される図である。
【図２】新規の投影取込システムの一例を示す斜視内部図である。
【図３】図２に示された投影取得システムのブロック図である。
【図４】図２および図３に示されたシステムのユーザ入力デバイスの一例を示すブロック図である。
【図５】図２および図３に示された投影取込システムのカメラおよびプロジェクタの配置を示す側面図である。
【図６】図２および図３に示された投影取込システムのカメラおよびプロジェクタの配置を示す正面図である。
【図７】投影取込システムのプロジェクタおよびカメラの様々な位置を示す一連の側面図であって、カメラ取込領域外にグレア・スポットを移動することに伴う問題のいくつかを図示する第１の図である。
【図８】投影取込システムのプロジェクタおよびカメラの様々な位置を示す一連の側面図であって、カメラ取込領域外にグレア・スポットを移動することに伴う問題のいくつかを図示する第２の図である。
【図９】投影取込システムのプロジェクタおよびカメラの様々な位置を示す一連の側面図であって、カメラ取込領域外にグレア・スポットを移動することに伴う問題のいくつかを図示する第３の図である。
【図１０】投影取込システムのプロジェクタおよびカメラの様々な位置を示す一連の側面図であって、カメラ取込領域外にグレア・スポットを移動することに伴う問題のいくつかを図示する第４の図である。
【図１１】投影取込システムのプロジェクタおよびカメラの様々な位置を示す一連の側面図であって、カメラ取込領域外にグレア・スポットを移動することに伴う問題のいくつかを図示する第５の図である。
【図１２】図２および図３に示された投影取込システムのカメラの一例を示す第１の図である。
【図１３】図２および図３に示された投影取込システムのカメラの一例を示す第２の図である。
【図１４】図２および図３に示された投影取込システムのプロジェクタの一例を示す図である。
【図１５】図２および図３に示された投影取込システムのユーザ入力デバイスの例を示す第２の図である。
【図１６】図２および図３に示された投影取込システムのユーザ入力デバイスの例を示す第２の図である。
【図１７】新規の携帯型投影取込デバイスの一例を示す第１の斜視図である。
【図１８】新規の携帯型投影取込デバイスの一例を示す第２の斜視図である。
【図１９】新規の携帯型投影取込デバイスの一例を示す第３の斜視図である。
【図２０】投影取込システムを他のデバイスと共に使用する３つの例示的シナリオを示す第１の図である。
【図２１】投影取込システムを他のデバイスと共に使用する３つの例示的シナリオを示す第２の図である。
【図２２】投影取込システムを他のデバイスと共に使用する３つの例示的シナリオを示す第３の図である。
【図２３】物体認識機能および音声／映像遠隔会議機能を含む新規の投影取込デバイスの一例を示すブロック図である。
【図２４】図２３に示されたものなどの投影取込デバイスを共同作業環境において実施するための１つの例示的アーキテクチャを示すブロック図である。
【図２５】実物体と仮想物体が視覚的に交換可能な論理層として処理される階層化技法を実施するためのコントローラの一例を示すブロック図である。
【図２６】作業面に投影された仮想チェッカー盤上に実際の駒が配置されている投影取込システムを示す図である。
【図２７】図２６のシステムにおける実物体および仮想物体のＺ軸階層化の一例を示す図である。
【図２８】実物体と仮想物体が視覚的に交換可能な論理層として処理される階層化技法を実施するための１つの例示的方法を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００４】
同じ部品番号は、すべての図にわたって同じまたは類似の部品を示す。
【０００５】
図に示され以下で説明される例は、この「発明を実施するための形態」に続く特許請求の範囲で定義される本発明を説明するものであるが、限定するものではない。
【０００６】
新規の投影取込システムが、物理的作業面上で実物体および仮想物体を用いて作業する対話型ユーザ体験を改善するために、また複数の遠隔ユーザ間の仮想共同作業を改善するために開発されてきた。この新規システムは、例えば、普通の作業面上に配置される１つまたは複数の独立型携帯デバイスとして実施することができる。デジタル・カメラ、プロジェクタ、および制御プログラムが一緒にデスクトップ・ユニット内に収容され、このユニットにより、実物体および投影／仮想物体を複数の遠隔ユーザ間で同時に操作および共有できる投影強化仮想現実が可能になる。このような携帯型デバイスは、大規模の企業ビジネス環境に適しているだけでなく小規模のビジネスにも、また個人消費者にさえも適した比較的安価なプラットフォーム全体にわたって、対話型共同作業のためにほとんどいつどこにでも配置することができる。
【０００７】
本明細書では、「実」物体とは、画像として表示、投影、またはそれ以外で描写されない物体を意味し、「仮想」物体とは、画像として表示、投影、またはそれ以外で描写される物体を意味する。
【０００８】
まず図１〜１９を参照して、新規の投影取込システムおよび携帯型投影取込デバイスの例を説明する。次に図２０〜２８を参照して、共同作業環境における新規の投影取込システムおよびデバイスの実施の例を説明する。
投影取込システムおよびデバイス
【０００９】
図１Ａおよび図１Ｂは、新規の投影取込システム１０の一例、およびシステム１０に付随する対話型作業空間を示す斜視外部図である。図２は、外部筐体１３が取り除かれた投影取込システム１０の一例を示す斜視図である。図３は、図２に示されたシステム１０のブロック図である。図１Ａ、１Ｂ、２および３を参照すると、投影取込システム１０は、デジタル・カメラ１４、プロジェクタ１６、およびコントローラ１８を含む。カメラ１４が作業空間１２内の物体２０の像を取り込むために、またプロジェクタ１６が物体像２２を作業空間１２の中に投影するために、またいくつかの例では、カメラ１４が投影物体像２２の像を取り込むために、カメラ１４およびプロジェクタ１６はコントローラ１８に動作可能に接続される。筐体１３の下方部分は、透明窓２１をプロジェクタ１６（および赤外線カメラ３０）の上に含む。
【００１０】
図１Ａに示された例では、作業空間１２内の作業面２４の上に置かれた２次元物体２０（ハードコピー写真）がカメラ１４（図２）によって撮影され、物体２０が作業空間１２の側方に移動されており、また物体像２２が、これをカメラ１４（図２）によって撮影および／または別の方法でユーザが操作し、作業空間１２の中に再投影することができる作業面２４の上に投影されている。図１Ｂに示された例では、作業面２４の上に置かれた３次元物体２０（立方体）がカメラ１４（図２）によって撮影され、物体２０が作業空間１２の側方に移動されており、また物体像２２が、これをカメラ１２によって撮影および／または別の方法でユーザが操作し、作業空間１２の中に再投影することができる作業空間１２の中に投影されている。
【００１１】
システム１０の1つの例示的実施態様では、物体２０の像がカメラ１４によって取り込まれたときの物体２０の位置と同じ作業空間２４内の位置に物体像２２を投影するように、コントローラ１８がプログラムされ、プロジェクタ１６が構成される。したがって、物体２０の１対１比率のデジタル複写物２２をその原物の上に投影して、ローカル・ユーザ、または同じ投影作業空間１２で共同作業する複数の遠隔ユーザが、要望通りにデジタル複写物をその場所で操作、移動、およびそれ以外に変更することを可能にすることができる。投影像はまた、原物から遠ざけるように移動させて、同一の作業空間１２でユーザが原物と複写物を一緒に用いて作業することを可能にすることもできる。
【００１２】
システム１０はまた、ユーザがシステム１０と対話することを可能にするユーザ入力デバイス２６を含む。ユーザは、入力デバイス２６を介して作業空間１２内の物体２０および／または物体像２２と対話することができ、物体像２２は、共同作業ユーザ対話のために遠隔システム１０上の別の作業空間１２（図示せず）に送信することができ、また必要に応じて物体像２２は、さらなるユーザ対話のために、カメラ１４によって撮影して近くの、および／または遠隔の作業空間１２の中に再投影することもできる。図１Ａでは、作業面２４は、机上の一部、または下にある他の支持構造物２３の一部である。図１Ｂでは、作業面２４は、タッチ・センス領域を含むことができる携帯マット２５の上にある。図１Ａでは、例えば、ユーザ制御パネル２７が作業面２４上に投影されているのに対し、図１Ｂでは、制御パネル２７は、マット２５のタッチ・センス領域に埋め込まれていてよい。同様に、Ａ４、手紙または他の標準サイズ文書配置領域２９が、図１Ａの作業面２４の上に投影されても、図１Ｂのマット２５に印刷されてもよい。もちろん、作業面２４の他の構成も可能である。例えば、システム１０のいくつかの用途では、作業面２４の色、テクスチャまたは他の特性を制御するために別の空白マット２５を使用することが望ましいことがあり、したがって制御パネル２７および文書配置領域２９は、図１Ａの机上２３に投影されるのと全く同様に、図１Ｂの空白マット２５の上に投影されてもよい。
【００１３】
図４に示された例では、ユーザ入力デバイス２６は、赤外線デジタル・スタイラス２８と、作業空間１２内のスタイラス２８を検出する赤外線カメラ３０とを含む。適切などんなユーザ入力デバイスも使用することができるが、デジタル・スタイラスには、作業面２４に沿って入力することを含め、３次元の入力が感知パッドまたは他の特別な面を用いずに可能になるという利点がある。したがってシステム１０は、非常に多種多様な作業面２４の上で使用することができる。また、作業面２４が通常は水平の向きであることにより、作業面２４が多くの一般の仕事に有用になる。作業面２４の上で従来の筆記用具を使用できることは、垂直または移動型のコンピューティング・インターフェースと比べて有利である。対話型表示部を作業机上に投影することにより、計算の仕事が実際の机上に存在し得る標準物体と混合され、したがって、物理的物体が投影物体と共存することができる。そのため、実際の筆記用具ならびにそれらの（スタイラス２８のような）デジタル対応物を使用する快適さは、効果的な使用法モデルになる。パッドのない３次元デジタル・スタイラスにより、作業面２４の上で従来の用具を使用することが感知パッドで邪魔されずに、物理的物体の上部または近くに注釈をつけることが可能になる。
【００１４】
システム１０の１つの例示的実施態様では、プロジェクタ１６がカメラ１４の光源として機能する。カメラ取込領域３２（図１２）とプロジェクタ表示領域３４（図１４）は、作業面２４の上で重なる。したがって、かなりの動作効率を得ることが、プロジェクタ１６を画像投影とカメラ照明の両方に使用して可能である。プロジェクタ１６から作業空間１２を通って作業面２４に至る光路は、作業面２４および作業空間１２内の物体からの、カメラ１４をくらませる鏡面グレアを回避しながら最小限の影遮蔽でユーザ・ディスプレイ対話を可能にするように、カメラ１４に対して配置されなければならない。以下で説明するシステム構成では、作業空間１２内の２次元および３次元物体の適切な照明および投影に望まれるプロジェクタ光路の十分に急な入射角を維持しながら、従来のカメラ照明の幾何学的配置により生じるグレア誘発アーティファクトが回避される。
【００１５】
理想的にはプロジェクタ１６は、作業空間１２の真上の、作業面２４の上方の無限の高さに設置して平行光線を確保する。もちろん、この構成は現実的ではない。プロジェクタ１６が作業面２４の上方の現実的な高さまで下方に移動されたとしても（依然として真下に向きながら）、プロジェクタの光は、光沢面または半光沢面、および物体でまっすぐ後ろにカメラ１４の中に反射されて、くらませる鏡面グレアが作り出される。したがってグレア・スポットは、カメラ取込領域３２の外に移動されなければならない。（鏡面グレアとは、入射光線の入射角と反射光線の反射角が等しく、入射方向、反射方向および法線方向が同一平面上にある、鏡面反射によるグレアのことを指す。）
【００１６】
この鏡面グレアの問題に対する商業的に妥当な解決策を実現するために、カメラ１４およびプロジェクタ１６は、取込領域３２および表示領域３４の中心から遠ざけるように移動され、プロジェクタ１６は、図５および図６に示されるように、基部３６の近くに低く配置され、折返し鏡３８がプロジェクタの光路の中に導入されて、作業面２４の上方の高い所にプロジェクタ位置がシミュレートされる。プロジェクタ１６のシミュレートされた位置、および対応する鏡３８上方の光路が図５および図６に想像線で示されている。しかし、図５および図６に示された構造をより詳細に説明する前に、カメラ取込領域３２の外にグレア・スポットを移動させるための他のあり得る構成に伴う問題を考察することは有用である。
【００１７】
図７で、カメラ１４は取込領域３２の中心に配置され、オーバヘッド・プロジェクタ１６が、カメラ１４によりプロジェクタ光路が遮られないようにわずかに中心から外れている。図７の構成では、鏡面グレア・スポット３９（入射光線４１と反射光線４３の交点の所）は取込領域３２の中に入り、したがって、取込領域３２内の一部の物体および像に対してカメラ１４をくらませる。加えて、カメラ１４とプロジェクタ１６の両方が基部の上方の高い所に配置されている図７に示された構成では、システム１０は上部が重くなり、したがって、市販製品実施態様には望ましくない。プロジェクタ１６が、図８に示されるように、グレア・スポット３９をカメラ取込領域３２の外に移動させるのに必要な距離だけ側方に配置される場合には、対応する必要なプロジェクタ・レンズ・オフセットは実現可能ではない。また、図８に示されたシステム１０の構成のいかなる製品実施態様も、望ましくないことには幅広になり上部が重くなる。
【００１８】
図９に示されるように、カメラ１４を取込領域３２の上で中心から外すと、プロジェクタ１６が中に入ってシステムの幅が小さくなるが、プロジェクタ・レンズ・オフセットは依然としてあまりに大きく、また製品は依然として上部が重い。図１０に示された構成では、プロジェクタ１６が、許容できるレンズ・オフセットに十分近くなることが可能なようにある高さまで持ち上げられるが、もちろん、今度は製品があまりに高くなり、かつ上部が重くなる。最も望ましい解決策は、図１０の「高く密な」構造が折返し鏡３８を使用してシミュレートされる、図５および図１１に示されたプロジェクタ１６の「折返し」光路である。図５および図１１で、プロジェクタ１６、および上方の光路は、鏡３８の反射面の上で折り返されて、図１０の構造のものと同じ光路が作業面２４へ投射される。この折返し効果は図５で最もよく分かり、折返し角Θ１=Θ２およびΦ１=Φ２である。
【００１９】
図５および図６に示されるように、カメラ１４は、それがプロジェクタの光路を遮らないように作業空間１２の上方の鏡３８の前に置かれる。カメラ１４は、カメラ１４とプロジェクタ１６の両方に対して許容できるオフセットでグレア・スポット３９を取込領域３２の外にとどめておくように、幾何学的配置全体の一部として中心からＹ方向に外して配置される（図５）。プロジェクタ１６は、プロジェクタ１６からの光が鏡３８で反射され作業空間１２に入るように、鏡３８上に焦点が合わされる。プロジェクタ１６を下方に低く移動し、折返し鏡３８をプロジェクタ光路に導入することによって、グレア・スポット３９が許容できるプロジェクタ・オフセットで取込領域３２の外にとどめておかれ、システム１０は十分に幅が狭く、短く、かつ安定して（上部が重くない）、商業的に魅力のある製品実施態様を支持する。
【００２０】
したがって、図１Ａ、１Ｂおよび図２を再び参照すると、システム１０の構成要素は、単一のデバイス４０として一緒に収容することができる。また図３を参照すると、一体化独立型デバイス４０としてシステム１０を実施する助けとするために、コントローラ１８は、デバイス４０に一緒に収容されたプロセッサ４２、メモリ４４、および入出力部４６を含むことができる。入出力部４６は、図２０〜２２を参照して以下で説明するように、デバイス４０が外部デバイスから情報を受け取り、また外部デバイスへ情報を送出することを可能にする。図３には、入出力部４６がコントローラ１８の一部であるとして示されているが、入出力部４６の一部または全部がコントローラ１８から分かれていてもよい。
【００２１】
図３に示されたコントローラ１８の構成では、カメラ１４およびプロジェクタ１６の機能を制御し調和させるためのシステム・プログラムが、プロセッサ４２によって実行するために実質的にコントローラ・メモリ４４に常駐することができ、それによって独立型デバイス４０が可能になり、またカメラ１４およびプロジェクタ１６の特別なプログラムの必要性が低減する。コントローラ１８用のプログラムは、１つまたは複数のソフトウエア・モジュール、ハードウェア・モジュール、特定目的ハードウェア（例えば、特定用途ハードウェア、特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）、埋込コントローラ、ハードワイヤード回路など）、またはこれらの何らかの組合せを含む、プロセッサ実行可能媒体の適切などんな形でも実施することができる。また、例えばコントローラ１８が、カメラ１４およびプロジェクタ１６から遠隔のコンピュータまたはサーバを使用して全部または一部形成される他の構成も可能であるが、図１Ａ、１Ｂおよび図２に示されたデバイス４０などの小型の独立型機器が、一体化された小型の移動型デバイス４０の形で完全な機能をユーザに提供する。
【００２２】
次に図１２を参照すると、カメラ１４が作業空間１２上方の鏡３８の前、取込領域３２の中心からオフセットされた位置に配置されている。上記のように、このカメラ１４のオフセット位置は、プロジェクタ１６の光路を遮らずに作業空間１２内の物体を撮影する場合に鏡面グレアを回避する助けになる。カメラ１４は一般に、作業空間１２内で静止画像およびビデオ画像を選択的に取り込むための適切な任意のデジタル・カメラであるが、システム１０のほとんどの用途では、高解像度デジタル・カメラが使用されることが予想される。本明細書で「高解像度」デジタル・カメラとは、少なくとも１２００万画素のセンサ・アレイを有するカメラを意味する。いくつかの基本走査機能および複写機能では低解像度カメラが許容できることもあり得るが、１２００万画素未満の解像度は現在のところ、操作および共同作業の機能全般に関して十分に細密なデジタル画像を生成するのには不適切である。高解像度センサを有する小型高品質デジタル・カメラは今や全く一般的であり、様々なカメラ・メーカから市販されている。多くのデジタル・カメラに利用可能な高性能デジタル信号処理（ＤＳＰ）チップと対をなす高解像度センサにより、画像処理時間が十分に高速になって（例えばクリックからプレビューまでの時間が１秒未満）、ほとんどのシステム１０の用途に対して許容できる性能が提供される。
【００２３】
次に図１３もまた参照すると、図示の例では、カメラ・センサ５０が作業面２４の平面に平行な面方向に向けられ、光がシフト・レンズ５２を介してセンサ５０の上に焦点を合わされる。このセンサ５０およびレンズ５２の構成を用いて、物体像についてのデジタル・キーストン補正なしで、光学的にキーストン歪みを補正することができる。カメラ１４の視野により、カメラ１４が像を実際上取り込むことができる３次元取込空間５１が作業空間１２内に画定される。取込空間５１は、作業面２４上のカメラ取込領域３２によってＸ次元およびＹ次元の境界が定められる。レンズ５２は、取込空間５１に対応する固定距離、固定焦点および固定ズームについて最適化することができる。
【００２４】
図１４を参照すると、プロジェクタ１６は、プロジェクタ１６からの光が鏡３８で反射されて作業空間１２に入るように、プロジェクタ表示領域３４の外側の基部３６の近くに配置され鏡３８に焦点が合わされる。プロジェクタ１６および鏡３８により、プロジェクタ１６が像を有効に表示することができる３次元表示空間５３が作業空間１２内に画定される。プロジェクタ表示空間５３は、カメラ取込空間５１（図１２）と重なり、作業面２４上の表示領域３４によってＸ次元およびＹ次元の境界が定められる。プロジェクタ１６は一般に、適切な任意の光プロジェクタであるが、ＬＥＤまたはレーザをベースとするＤＬＰ（デジタル光処理）プロジェクタの小型サイズおよび電力効率が、システム１０のほとんどの用途には望ましい。プロジェクタ１６にはまた、投影像の完全な光学キーストン補正を可能にするシフト・レンズを使用することもできる。上記のように、鏡３８を使用すると、一体化独立型デバイス４０の商業的に妥当な高さが依然として可能でありながら、プロジェクタ１６のオーバヘッド配置によく似て、プロジェクタの有効光路長が増加する。
【００２５】
独立型デバイス４０としてのシステム１０の適切な特性の一例が、表１に列記されている。（表１の寸法参照値は図５および図６に対するもの。）
【００２６】
【表１】
0005941146.tif 000002
【００２７】
プロジェクタ１６は、静止画像およびビデオの取込みのためのカメラ１２の光源として機能するので、投影光は、鏡面グレアによる欠陥を引き起こし得るいかなる周辺光も圧倒するのに十分なだけ明るくなければならない。システム１０およびデバイス４０の典型的な机上用途では、周辺光を圧倒するのに２００ルーメン以上の投影光が十分な明るさであることが確定されている。ビデオ取込みおよびリアルタイム・ビデオ共同作業では、物体（１つまたは複数）２０に光を当てるために、プロジェクタ１６が作業空間１２の中を白色光で照らす。ＬＥＤプロジェクタ１６では、白色光を構成する赤色、緑色および青色のＬＥＤの時間順序がカメラ１４のビデオ・フレーム・レートと同期される。プロジェクタ１６のリフレッシュ・レートおよび各ＬＥＤサブフレーム・リフレッシュ期間は、ビデオ画像中の「虹バンディング」および他の望ましくない効果を回避するために、各取込フレームに対するカメラのある整数の露出時間でなければならない。また、カメラのビデオ・フレーム・レートは、ＡＣライン周波数の２倍（例えば、６０ＨｚＡＣ電源ラインでは１２０Ｈｚ）で通常はちらつくどんな周辺蛍光照明の周波数とも同期されなければならない。周辺光周波数を検知し、それに応じてカメラ１４のビデオ・フレーム・レートを調整するには周辺光センサを使用することができる。静止画像取込みでは、プロジェクタの赤色、緑色および青色のＬＥＤは、作業空間１２内の光輝度を増すためにカメラ・フラッシュに対して同時にオンして、周辺光を圧倒する助けにすると共に、速いシャッタ・スピードおよび／または小さな絞り値を可能にして画像中のノイズを低減することができる。
【００２８】
図に示され上述された独立型デバイス４０に一体化されたシステム１０の例示的構成では、製品サイズ、性能、使いやすさおよびコストの間の望ましいバランスが達成される。プロジェクタ１６の折返し光路により、カメラ１２の取込領域内の鏡面グレアを防止するためにプロジェクタの実効的な配置が作業空間１２の上方の高い所に維持されながら、デバイス４０の高さが低減する。このプロジェクタの光路により、水平作業面２４が急角度で照らされて、３Ｄ物体像取込みが可能になる。長い光路と急角度のこの組合せが、取込領域全体にわたって光減衰を最小限にしてカメラ・フラッシュの光均一性を最大化する。加えて、折返し光路により、製品安定性のためにプロジェクタ１６を基部３６の近くに配置することが可能になる。
【００２９】
システム１０で使用するための適切な入力デバイスおよび技法には、例えば、フィンガ・タッチ、タッチ・ジェスチャ、スタイラス、空中ジェスチャ、音声認識、頭部追跡、および視線追跡が含まれる。タッチ・パッドを使用して、グラフィック・ユーザ・インターフェースをナビゲートするための、あるいは、プッシュ、フリック、スワイプ、スクロール、ピンチとズーム、および２本指回転などの直観的ジェスチャ操作を実施するためのマルチタッチ・インターフェースが可能になる。構造化光、飛行時間、分散光パターンまたは立体視覚を用いる深度カメラもまた使用して、タッチ・パッドを用いずに空中ジェスチャ検出または制限タッチ検出、およびタッチ・ジェスチャ検出を可能にすることもできる。タッチなしデジタル・スタイラスは特に、システム１０のユーザ入力部２６としてよく適している。すなわち、図に示された例では、ユーザ入力部２６には赤外線デジタル・スタイラス２８と、作業空間１２内のスタイラス２８を検出する赤外線カメラ３０とが含まれる。上記のように、タッチなしデジタル・スタイラスには、作業面２４に沿って入力することを含め、３次元の入力が感知パッドまたは他の特別な面を用いずに可能になるという利点がある。
【００３０】
次に図４および図１５を参照すると、入力デバイス２６は、赤外線スタイラス２８、赤外線カメラ３０およびスタイラス充電ドック５４を含む。スタイラス２８は、赤外線発光体５６と、発光体５６をタッチに基づいて自動的にオン・オフするタッチ・センス先端スイッチ５８と、発光体５６を手動でオン・オフする手動オン／オフ・スイッチ６０とを含む。（先端スイッチ５８および手動スイッチ６０は、図４のブロック図に示されている。）発光体５６は、例えば、図１５に示されているようにスタイラス２８の先端に配置して、カメラ３０と発光体５６の間の開けた見通し線の維持を助けることができる。発光体５６はまた、発光体がオンであるかオフであるかをユーザが判断する助けになるように、可視光を発光することもできる。
【００３１】
先端スイッチ５８は、例えば約２ｇの力を接触感知するものとして、従来の筆記用具をシミュレートすることができる。スタイラスの先端が作業面２４または他の物体に接触すると、先端スイッチ５８はその接触を検出し、発光体５６をオンにする。オンになる発光体５６が、タッチ接触事象を信号伝送するカメラ３０によって検出される（マウス・ボタン・クリック、またはタッチ・パッド上のフィンガ・タッチと同様）。カメラ３０は、接触していることの信号伝送を継続して、発光体５６がオンのままである限りスタイラス２８のいかなる動きも追跡する。ユーザは、スタイラス２８をどの面のまわりにもペンのように滑らせて、その面をトレースすることも、制御機能を活性化することもできる。スタイラス先端がもはや物体と接触していない場合は、発光体５６はオフに切り替えられ、カメラ３０は、接触していないことを信号伝送する。手動光スイッチ６０を使用して、非接触事象を信号伝送することができる。例えば、３次元作業空間１２で作業しているとき、ユーザは、手動で「仮想」接触事象を信号伝送することによって、作業面２４上の投影像を修正、変更、またはそれ以外の操作を望むことがある。
【００３２】
赤外線カメラ３０および鏡３８により、赤外線カメラ３０がスタイラス２８からの光を実際上検出できる３次元赤外線取込空間６１が作業空間１２内に画定される。取込空間６１は、作業面２４上の赤外線カメラ取込領域６２によってＸ次元およびＹ次元の境界が定められる。図１４と図１５を比較することによって最もよく分かる図示の例では、赤外線カメラ取込空間６１は、プロジェクタ表示空間５３と同一の広がりを持つ。したがって、赤外線カメラ３０は、表示空間５３内のどこでもスタイラス活性化を取り込むことができる。
【００３３】
図１６に示された１つの例示的実施態様では、カメラ３０は投影光路の中に組み込まれ、その結果、スタイラス２８が、すなわち赤外線カメラ３０からのトラッキング信号が、作業空間１２内のどこでもプロジェクタ・ディスプレイと適切に整合することを確実にする助けになるように、プロジェクタ視野と赤外線カメラ視野が一致することになる。図１６を参照すると、プロジェクタ１６内の赤色、緑色および青色ＬＥＤ  ６６、６８および７０によって発生した可視光６４は、様々な光学部品７２（シフト・レンズ７４を含む）を通過して鏡３８（図１４）に向かって出る。作業空間１２内において鏡３８で反射してプロジェクタ１６に向かうスタイラス２８からの赤外光７５は、赤外線ビーム・スプリッタ７８によってシフト・レンズ８０を通して赤外線カメラ・センサ７６まで導かれる。（前述のカメラ１４の例示的構成と同様に、カメラ３０の赤外光センサ７６は作業面２４の面と平行な面方向に向けることができ、光は、完全光学キーストン補正のためのシフト・レンズ８０を通してセンサ７６の上に焦点を合わせることができる。）
【００３４】
図１６に示されるように、プロジェクタ１６と赤外線カメラ３０を一緒に単一の筐体８２に収納することが、いくつかの商用の実施態様では望ましいことがある。図１６に示される赤外線カメラ３０の幾何学的配置構成は、作業面２４の上のスタイラス２８がどんな高さにあろうと、スタイラス追跡信号がディスプレイと整合することを確実にする助けになる。プロジェクタ視野と赤外線カメラ視野が一致しない場合には、作業面２４の上の複数の高さでスタイラス追跡を較正することが困難になって、所望のスタイラス入力位置と結果として得られる表示位置との間に視差シフトのリスクが生じ得る。
【００３５】
作業空間１２は通常、物体２０を支持する物理的作業面２４を含むことが予想されるが、作業空間１２はまた、物理的作業面がない全くの投影作業空間として実施することもできる。加えて、作業空間１２は、２次元および３次元物体を用いて作業するための３次元作業空間としても、２次元物体だけを用いて作業するための２次元作業空間としても実施することができる。作業空間１２の構成は通常、システム１０のハードウェア要素およびプログラム要素によって主として決定されるが、作業空間１２の構成はまた、物理的作業面２４の特性によって影響を受けることもある。したがって、システム１０およびデバイス４０のいくつかの例では、デバイス３６が動作中のとき物理的作業空間内で操作されるべきシステム１０に仮想作業空間が付随するという意味で、作業空間１２がシステム１０の一部であると考えることが適切なことがあり、別の例では、作業空間１２がシステム１０の一部ではないと考えることが適切なことがある。
【００３６】
図１７〜１９は、携帯型投影取込デバイス４０、およびデバイス４０に付随する対話型作業空間１２の別の例を示す斜視図である。図１７〜１９を参照すると、携帯型デバイス４０は、取込領域３２（および取込空間５１）内の物体２０の静止画像およびビデオ画像を取り込むためのデジタル・カメラ１４と、取込領域３２（および取込空間５１）内の物体を照らすため、および表示領域３４の上に（また表示空間５３の中に）画像を投影するためのプロジェクタ１６とを含む。取込領域３２内に配置された２次元物体２０（ハードコピー写真）がカメラ１４によって撮影されており（図１７および図１８）、物体２０が取込領域３２から取り出され、また物体画像２２が、それをカメラ１４によって撮影し、かつ／またはそれ以外にユーザによって操作することができる場合に、表示領域３４の上に投影されている（図１９）。
【００３７】
この例では、デバイス４０はまた、カメラ１４からのライブ映像、以前にカメラ１４によって取り込まれた画像、または表示空間５３の中に投影されたグラフィック・ユーザ・インターフェース（ＧＵＩ）８６を介してユーザによって操作されているときの画像が表わされたもの、を選択的に表示するための電子ディスプレイ８４を含む。（ＧＵＩ８６は、図１７〜１９に示された例の中の表示領域３２の上に投影されている。）カメラ１４、プロジェクタ１６およびディスプレイ８４は、コントローラ１８を介して動作可能に一緒に接続され、単一の携帯型デバイス４０として筐体１３の中に一緒に収納される。プロジェクタ１６は、光を表示空間５３の中および表示領域３４の上に直接投影するために、筐体１３内の高い所にあるカメラ１４の下に配置される。プロジェクタ表示空間５３および表示領域３４は、カメラ取込空間５１および取込領域３２と重なり合い、その結果、プロジェクタ１６は、空間５１内および領域３２上の実物体２０の像を取り込むカメラ１４の光源として機能することができ、またカメラ１４は、空間５１内および領域３２上に投影された画像２０の像を取り込むことができるようになる。
【００３８】
図１７および図１８の取込ボタン８８、ならびに図１９の取消ボタン９０、固定ボタン９２、およびＯＫボタン９４などのデバイス制御「ボタン」が例えば含まれるＧＵＩ８６を生成するようにコントローラ１８がプログラムされ、そのＧＵＩ８６をプロジェクタ１６が投影する。図１７〜１９のデバイス４０はまた、より複雑なＧＵＩ、およびコントローラ１８内の対応する制御プログラム、ならびに他のユーザ入力デバイス（１つまたは複数）を含むこともできるが、図１７〜１９のデバイス構成は、あまり高価ではない消費者向け机上製品市場により適した、基本的なデジタル複写機能および画像操作機能を示す。
【００３９】
図に示された、１つのカメラ１４および１つのプロジェクタ１６を有するシステム１０およびデバイス４０の例は、２つ以上のカメラ１４および／または２つ以上のプロジェクタ１６を使用することを除外するものではない。実際は、システム１０およびデバイス４０のいくつかの用途では、複数のカメラ、複数のプロジェクタ、または複数の他のシステム構成要素を含むことが望ましいことがある。
共同作業環境における投影取込
【００４０】
図２０〜２２は、投影取込デバイス４０を他のデバイスと共に使用するための３つの例示的シナリオを示す。図２０の使用シナリオでは、投影取込デバイス４０は、コンピュータ・ワークステーション８８および移動型デバイス９０とリンクされる。図２１の使用シナリオでは、複数の投影取込デバイス４０がサーバ９２を介して一緒にリンクされる。図２２の使用シナリオでは、投影取込デバイス４０、コンピュータ・ワークステーション８８、および移動型デバイス９０がサーバ９２を介して一緒にリンクされる。図２０〜２２の各リンク９４は一般に、ケーブル、無線、光ファイバ、または遠隔接続のうちの１つ以上を表し、この遠隔接続は、通信リンク、赤外線リンク、無線周波数リンク、またはリンクされたデバイス間の電子通信を可能にする他の任意のコネクタもしくはシステムを介する。個別リンク９４が示されているが、複数のデバイスが同一のリンクを利用してもよい。また、他の使用シナリオも実現可能である。例えば、サーバ９２を用いずに、複数の投影取込デバイス４０を一緒に直接リンクすることができる。
【００４１】
図２０〜２２に示されたシナリオのそれぞれでは、個々のユーザがデバイス４０、８８、９０を用いて仮想物体を生成、操作、転送、および格納することができ、また複数のユーザが実物体と仮想物体の組合せを用いてデバイス４０、８８、９０の間で共同作業することができる。仮想物体は、例えば、投影取込デバイス４０において投影像として描写されるデジタル・コンテンツ、ならびに別のデバイス８８および９０においてスライド、文書、デジタル写真などとしてディスプレイ上に描写されるデジタル・コンテンツを含む。図１Ａ、１Ｂ、図２および図３に関して前に述べたように、各投影取込デバイス４０は、物体２０の像がカメラ１４によって取り込まれたときの物体２０の位置と同じ作業空間２４内の位置に物体像２２を投影するように構成することができる。したがって、物体２０の１対１比率のデジタル複写物２２をその原物の上に投影して、デバイス４０において投影された、またはデバイス８８、９０において表示された作業空間１２で共同作業する複数の遠隔ユーザが、要望通りにデジタル複写物をその場所で操作、移動、およびそれ以外に変更することを可能にすることができる。適切な任意の変更技法が、例えば、「ピンチとズーム」などのタッチ認識およびジェスチャ認識、または投影デバイス４０のＩＲスタイラス２８からの入力、および／またはコンピュータ・デバイス８８、９０のデジタルファイルを変更することを含め、使用されてよい。投影像はまた、原物から遠ざけるように移動させて、同一の作業空間１２でユーザが原物と複写物を一緒に用いて作業することを可能にすることもできる。
【００４２】
図２３は、音声およびビデオ遠隔会議機能部９６を含む投影取込デバイス４０の一例を示すブロック図である。図２３を参照すると、会議機能部９６は、前向きカメラ９８、マイクロフォン１００、およびスピーカ１０２を含む。会議機能部９６の追加により、デバイス４０は、フル装備共同作業ツールとして機能することが可能になる。図２３の投影取込デバイス４０はまた、作業空間内の実物体と仮想物体を区別するための物体認識デバイス１０４を含む。図示の例では、物体認識デバイス１０４は、赤外線カメラ１０６および赤外発光体１０８を含む。作業空間カメラ１４が実物体および投影像（仮想物体）を見る場合、赤外線カメラ１０６は実物体だけを見ることになる。したがって、カメラ１４および１０６からのビデオ・ストリーム（または静止画像データ）を使用して、例えばコントローラ１８に常駐するプログラムにより、作業空間において実物体を仮想物体と区別することができる。
【００４３】
作業空間を照らすＬＥＤ、レーザ、または他の適切な赤外発光体１０８をカメラ１０６と共に使用して、物体認識を改善することができる。また、物体認識（カメラ１０６）とＩＲスタイラス感知（図４、図１５および図１６のカメラ３０）の両方のために同一の赤外線カメラを使用することも可能であり得るとはいえ、物体認識のためのカメラ・フレーム・レートは通常、スタイラス位置感知のためのフレーム・レートほど高いことが必要ではないが、高い解像度が必要になり得ることが予想される。その結果、いくつかの実施態様では、物体認識とスタイラス感知で別々の赤外線カメラを使用することが望ましい場合がある。ＩＲカメラ１０６は、適切な物体認識デバイス１０４の一例にすぎない。他の実施態様も実現可能である。作業空間において実物体を仮想物体と区別するために、例えば、ＩＲカメラの代わりに深度カメラをデバイス４０に使用することができる。
【００４４】
図２４は、共同作業環境において図２３の投影取込デバイス４０を実施するためのプログラムおよび信号処理の１つの例示的アーキテクチャを示す。この例では、実物体と仮想物体は別々に管理される。作業空間カメラ１４を用いて取り込まれた実物体は動画ビデオを介して管理されるのに対し、仮想物体はビットマップ画像、ベクトル・グラフィック・オブジェクト、およびテキストなどの静止画像グラフィック要素を介して管理される。独立型投影取込デバイス４０では、図２４に示されたブロックはコントローラ１８で実施される。図２４を参照すると、作業空間カメラ１４および前向きカメラ９８からのビデオ・ストリームは、出力ビデオ管理部１１０に行き、ここでブロック１１２のリンクされたデバイスへ出力される。作業空間カメラからの静止画像は、オブジェクト管理部１１４に転送される。オブジェクト管理部１１４は、プロジェクタ表示用画像オブジェクトをブロック１１６で合成すること、およびリンクされたデバイスへの出力用画像オブジェクトをブロック１１８で合成することを含め、デジタル・コンテンツを格納および操作するシステム構成要素である。会議マイクロフォン１００からの音声信号は出力音声管理部１２０へ行き、ここでブロック１１２のリンクされたデバイスへ出力される。ブロック１２２のリンクされたデバイスからの入力は適切な管理部に転送され、静止画像はオブジェクト管理部１１４に転送され、ビデオは、オブジェクト合成１１６およびプロジェクタ１６へ出力するために入力ビデオ管理部１２４に転送され、音声は、スピーカ１０２へ出力するために入力音声管理部１２６に転送される。
【００４５】
次に、実物体と仮想物体の間の対話を管理する一例を図２５〜２８を参照して説明する。この例では、実物体および仮想物体は、視覚的に交換可能な論理層として取り扱われ、この論理層により投影取込デバイスが、その作業空間を解釈および制御することが可能になり、また共同作業環境において各ユーザが近くの物体および遠隔の物体と効果的に対話するのを助けることが可能になる。図２５は、この階層化技法を投影取込デバイス・コントローラ１８に常駐するプログラム・モジュール１２８によって実施する一例を示すブロック図である。階層化モジュール１２８は、実物体を１つの視覚層（または層の組）と関連づけ、仮想物体をもう１つの視覚層（または層の組）と関連づける。図２４を参照して上述したように、作業空間カメラ１４を用いて取り込まれた実物体はデジタル動画ビデオを介して管理されるのに対し、仮想物体はデジタル静止画像グラフィック要素を介して管理される。オブジェクト管理部１１４は、階層化モジュール１２８で実施される視覚的階層化を含め、デジタル・コンテンツを格納および操作する。一例では、それぞれのビデオ画像および静止画像のデジタル要素は、ＸＹＺ座標系内の位置と関連づけられる。階層化モジュール１２８は、そのＸＹＺ位置情報を使用して、座標系の各面（ＸＹ面、ＸＺ面、ＹＺ面）内の層について各要素の相対位置を特徴づける。次に、各要素の視覚的位置は、対応する層（１つまたは複数）を操作することによって変更することができる。例えば、１つのオブジェクト（またはオブジェクト内の要素）に対するＸＹ層が、別のオブジェクトに対するＸＹ層の上にあるように最初は見えることがある場合、コントローラ１８は、一方または両方の層をＺ方向に移動することによって、この視覚的位置を変更することができる。
【００４６】
次に、図２６および図２７を参照して階層化技法を説明する助けにする。図２６は、作業面２４に投影された仮想チェッカー盤１３２上に実際の駒１３０が配置されている、投影取込デバイス４０および作業空間１２を示す。作業空間１２はまた、例えば図２２の１つまたは複数のリンクされたデバイス４０、８８、９０からのデジタル・コンテンツを使用してチェッカー盤１３２の上に投影された仮想駒１３４を含む。図２６で、実線は実物体を示し、破線は仮想物体を示す。図２７は、図２６の物体のＺ軸階層化を示す。重ね（キング）駒のＺ軸位置が層１３８の上に論理層１３６によって表わされる。層１３８は、層１４０の上の単駒の位置を表わす。層１４０は、作業面２４の位置を表わす層１４２の上の仮想チェッカー盤１３２の位置を表わす。物体または物体中の要素の位置が論理層と関連づけられた後、階層化モジュール１２８（図２５）は、層の視覚的順序についての状態情報を維持する。視覚的関係が変更されるとき、例えば図２６の駒が移動された場合、層は、デジタル要素のうちの１つ以上と関連づけられた新しい位置データに従って再順序付けされる。
【００４７】
一般に、また図２３および図２５のブロック図と共に図２８の流れ図を参照すると、コントローラ１８は、ブロック２０２で作業空間１２内の実物体の存在および位置を、例えば作業空間カメラ１４および物体認識デバイス１０４を使用して特定する。ブロック２０４で、階層化モジュール１２８は、実物体を第１の論理層（または３次元空間配置では論理層の第１の組）と関連づける。ブロック２０６で仮想物体（物体像）が、作業空間１２の中の第２の論理層に対応する位置に投影される。次に、物体のうちの１つの位置変更に応じて、またはいくつかの他のユーザ入力に応じて、階層化モジュール１２８は、ブロック２０８で論理層の視覚的隣接関係を変えて変更／入力を反映する。例えば、第１の層は最初、作業面２４に視覚的に隣接し、第２の層は第１の層に視覚的に隣接することがある。変更／入力に応じて層の順序が逆転され、その結果、第２の層は作業面２４に視覚的に隣接することになり、第１の層は第２の層に視覚的に隣接することになる。
【００４８】
図２０〜２２に示されたものなどの共同作業環境において投影取込システム１０を使用することにより（例えば携帯型デバイス４０を介して）、各共同作業者は、近くの物体と遠隔の物体の両方を見ること、および両方と対話することが可能になる。リンクされたデバイス間のライブ・ビデオ供給では、様々な異なる入力デバイスおよび入力技法によってリアル・タイムでユーザ入力を共用する。共同作業者対話は、すべての参加者が投影取込デバイス４０（またはシステム１０）を使用しているときにはより広範囲にわたり得るが、効果的な共同作業環境が、異なるタイプのデバイスを使用して依然として利用可能である。一方の参加者が投影取込システム１０を使用し、他方の参加者がシステム１０のクライアント・プログラムを実行するデバイスを使用する場合、興味深い共同作業が可能になる。このような「混合」環境では、システム１０の作業空間と対話する代わりに、参加者は、マウス、キーボードまたはタッチ・パッドを使用して、そのクライアント・プログラムを介して対話する。プロジェクション・ディスプレイの代わりに、共同作業デバイス８８または９０のクライアント・プログラムは、コンピュータ作業空間内のウインドウ・ディスプレイを使用してもよい。また、オーバヘッドカメラの代わりに、クライアント・アプリケーションではスクリーン・ショットを使用して物体像を取り込むこともできる。
【００４９】
この「発明を実施する形態」の初めに述べたように、図に示され上述された例は、本発明を説明するものであるが限定するものではない。他の例、実施形態、および実施態様も実現可能である。したがって、上記の説明は、以下の特許請求の範囲に定義される本発明の範囲を限定すると解釈されるべきではない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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