(57)【要約】【課題】簡便な操作でありながら、同時に６つの情報を入力することができる６自由度の情報入力システムを提供する。【解決手段】カメラ３００は、世界座標空間内の所定の位置に配設され、レーザ照射装置１００により照射された５本のレーザビームの照射面ＳＡへの５個の照射点を含む照射点画像を撮影する。演算装置２００は、カメラ３００により撮影された各照射点画像に含まれる各照射点の照射点画像空間内における位置を算出し、各照射点の世界座標空間における位置を算出し、世界座標空間内におけるレーザ照射装置１００の位置を示す第１〜第３の情報と、レーザ照射装置１００の姿勢を示す第４及び第５の情報と、照射口１２７及び照射面ＳＡを結ぶ直線を基準としたときのレーザ照射装置１００の回転量を示す第６の情報とからなる入力情報を算出する。【選択図】図１
2008204196.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の照射面へのレーザビームの照射点がｎ角形（ｎは４以上の整数）の頂点に位置するようにｎ本のレーザビームを照射口から放射状に照射するレーザ照射装置と、
３次元実空間である世界座標空間内の所定の位置に配設され、前記レーザ照射装置により照射された各レーザビームの前記照射面への照射点を含む照射点画像を撮影する撮像装置と、
演算装置とを備え、
前記演算装置は、
前記撮像装置により撮影された照射点画像に含まれる各照射点の照射点画像空間上の位置を算出する位置算出手段と、
前記位置算出手段により照射点画像空間上の位置が算出された各照射点を、前記世界座標空間と前記照射点画像空間との位置関係から予め定められた平面射影行列を用いて前記世界座標空間に変換する変換手段と、
前記変換手段により算出された各照射点の前記世界座標空間内の位置に基づいて、前記世界座標空間内における前記レーザ照射装置の位置を示す第１〜第３の情報と、前記レーザ照射装置の姿勢を示す第４及び第５の情報と、前記照射口及び前記照射面を結ぶ直線を基準としたときの前記レーザ照射装置の回転量を示す第６の情報とからなる入力情報を算出する入力情報算出手段とを備えることを特徴とする情報入力システム。
【請求項２】
前記レーザ照射装置は、放射状に出力されたレーザビームの前記照射面への照射点によって形成されるｎ角形の中心に照射点が位置するように更に１本のレーザビームを前記照射面に向けて照射することを特徴とする請求項１記載の情報入力システム。
【請求項３】
前記ｎ角形は四角形であり、
前記レーザ照射手段は、第１のレーザビームの照射点と第２のレーザビームの照射点とが前記四角形の一方の対角線上に位置し、第３のレーザビームの照射点と第４のレーザビームの照射点とが前記四角形の他方の対角線上に位置し、前記第５のレーザビームの照射点が前記四角形の中心に位置し、第５のレーザビームと第１〜第４のレーザビームのそれぞれとのなす角度が一定の値ψとなるように前記第１〜第５のレーザビームを照射し、
前記第４の情報（＝θ）は、前記世界座標空間の座標軸を互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸とし、前記照射面はＺ＝０平面に位置するものとし、前記照射口の前記世界座標空間内での位置を点Ｐとし、前記第１〜第５のレーザビームの前記世界座標空間内での照射点を各々点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｏとし、点Ａ及び点Ｏ間の長さをＬ０、点Ｂ及び点Ｏ間の長さをＬ１とした場合における、平面ＰＡＢへのＺ軸の射影と直線ＯＰとの角度であり、式（Ａ）で表され、
前記第５の情報（＝φ）は、点Ｄ及び点Ｏ間の長さをＬ１´、点Ｃ及び点Ｏ間の長さをＬ０´とした場合における、平面ＰＣＤへのＺ軸の射影と、直線ＯＰとのなす角度であり、式（Ｂ）で表されることを特徴とする請求項２記載の情報入力システム。
θ＝ａｒｃｔａｎ（（（Ｌ０−Ｌ１）／（（ｔａｎψ）・（Ｌ０＋Ｌ１）））・（Ｌ０／Ｌ１））・・・（Ａ）
φ＝ａｒｃｔａｎ（（（Ｌ０´−Ｌ１´）／（（ｔａｎψ）・（Ｌ０´＋Ｌ１´）））・（Ｌ０´／Ｌ１´））・・・（Ｂ）
【請求項４】
前記第１及び第２の情報（＝Ｘ，Ｙ）は、点Ｏ及び点Ｐ間の長さをｌとし、点ＰのＺ＝０平面への垂線の足を点Ｒとし、点Ａ及び点Ｂを通る直線ＡＢと、点Ｒを通り直線ＡＢに直交する直線との交点を点Ｓとし、点Ｃ及び点Ｄを通る直線ＣＤと、点Ｒを通り直線ＣＤに直交する直線との交点を点Ｔとすると、式（Ｃ）〜（Ｆ）で表され、前記第３の情報（＝Ｚ）は、式（Ｇ）で表されることを特徴とする請求項３記載の情報入力システム。
【数１】
2008204196.tif 000009
但し、ｒｘは点ＲのＸ成分を示し、ｒｙは点ＲのＹ成分を示し、ｅ１は直線ＡＢの単位ベクトルを示し、ｅ１ｘはｅ１のＸ成分を示し、ｅ１ｙはｅ１のＹ成分を示し、ｅ２は直線ＣＤの単位ベクトルを示し、ｅ２ｘはｅ２のＸ成分を示し、ｅ２ｙはｅ２のＹ成分を示し、ベクトルｓは、点Ｓの位置ベクトルを示し、ベクトルｔは点Ｔの位置ベクトルを示し、ベクトルＯは点Ｏの位置ベクトルを示し、Ｏｘ，Ｏｙ，Ｏｚは点ＯのＸ，Ｙ，Ｚ成分を示す。
【請求項５】
前記入力情報算出手段は、点Ｐ及び点Ｏを結ぶ直線ＰＯに直交する平面において、Ｘ軸の射影と、点Ａ及び点Ｂを結ぶ第１の対角線の射影、又は点Ｃ及び点Ｄを結ぶ第２の対角線の射影との角度を求める処理を、前記撮影手段により連続して撮影された各照射点画像において実行し、求めた角度の照射点画像間における差分をとることで前記第６の情報を算出することを特徴とする請求項３又は４記載の情報入力システム。
【請求項６】
前記レーザ照射装置は、
光源と、
頂部が前記光源側を向き、各側面がミラーとされ、底面が前記光源から出力されたレーザビームの光軸と直交するように配設され、かつ前記レーザビームの一部を前記照射口に導くための孔が頂部に形成された正ｎ角錐形状を有するｎ角錐ミラーと、
前記光源と前記ｎ角錐ミラーとの間に配設され、中心部に前記光源から出力されたレーザビームを通過させるための孔が形成され、前記ｎ角錐ミラーの各側面で反射されたｎ本のレーザビームを反射して前記照射口に導く平板ミラーとを備えることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の情報入力システム。
【請求項７】
前記レーザ照射装置は、
レーザポインタと、前記レーザポインタの先端部において着脱自在に配設されたアタッチメント部とを備え、
前記レーザポインタは、前記光源を含み、
前記アタッチメント部は、前記ｎ角錐ミラー及び前記平板ミラーを含むことを特徴とする請求項６記載の情報入力システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザポインタの位置及び姿勢に関する情報を入力するための情報入力システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＣＡＤや３次元モデルソフトウェアで対象とするオブジェクトを透視投影変換で表示する際の視点及び視線の操作、モデル空間内でのオブジェクトの位置姿勢の操作、ロボットアームなど実空間中で対象を制御する操作、或いはエンターテインメント機器における直感的な空間位置姿勢情報の入力操作を行うに際して、空間的な６つの自由度、すなわち、入力装置の３次元空間内における位置を示す３つの情報、姿勢を示す２つの情報、及び入力装置の回転角度を示す１つの情報とからなる計６つの情報を入力したいという要望がある。
【０００３】
しかしながら、現状では、マウスやトラックボール、ジョイスティックといった入力装置が用いられ、このような従来の入力装置は、たかだか２つの情報を同時に入力する、すなわち２つの自由度を同時入力できるに留まっており、３つ以上の情報を同時に入力する場合、ユーザは、特定のボタンを押しながらマウスを操作したり、マウスに付属するホイールのような直感に反する装置を操作したり、或いはソフトウェア的に入力のモードを切り換えて縦・横・高さ・回転方向等の情報入力の制御軸を設定する操作を行う必要があった。
【０００４】
そのため、これらの操作の習得にはある程度の期間と努力とを要することから、これら従来の入力装置の取り扱いに慣れていないユーザは、３つ以上の情報を直感的に入力することができないという問題があった。
【０００５】
そこで、非特許文献１には、半透過型の板とレーザポインタとを両手に持たせ、板の位置と板に照射されたレーザビームの照射点との認識を同時に行うことによりレーザポインタの３次元的な位置を推定し、推定した３次元的な位置を入力情報とする入力装置が開示されている。
【非特許文献１】Shoroering,M.A., Grimm,C,M., and Pless, R.: A New Input Device for 3D Sketiching; Vision Interface,pp311-318(2003)（ショーリング・エム・エー、グリム・シー・エム、プレス・アール、ニューインプットデバイス・フォー・スリーディースケッチング、ビジョンインターフェイス）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、非特許文献１に示す入力装置は、半透過型の板とレーザポインタとをそれぞれの手で持たなければならないため、片手で操作することが困難であり、操作性に欠けるといった課題がある。また、同時に６つの情報を入力することができないという課題がある。
【０００７】
本発明の目的は、簡便な操作でありながら、同時に６つの情報を入力することができる６自由度の情報入力システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による情報入力システムは、所定の照射面へのレーザビームの照射点がｎ角形（ｎは４以上の整数）の頂点に位置するようにｎ本のレーザビームを照射口から放射状に照射するレーザ照射装置と、３次元実空間である世界座標空間内の所定の位置に配設され、前記レーザ照射装置により照射された各レーザビームの前記照射面への照射点を含む照射点画像を撮影する撮像装置と、演算装置とを備え、前記演算装置は、前記撮像装置により撮影された照射点画像に含まれる各照射点の照射点画像空間上の位置を算出する位置算出手段と、前記位置算出手段により照射点画像空間上の位置が算出された各照射点を、前記世界座標空間と前記照射点画像空間との位置関係から予め定められた平面射影行列を用いて前記世界座標空間に変換する変換手段と、前記変換手段により算出された各照射点の前記世界座標空間内の位置に基づいて、前記世界座標空間内における前記レーザ照射装置の位置を示す第１〜第３の情報と、前記レーザ照射装置の姿勢を示す第４及び第５の情報と、前記照射口及び前記照射面を結ぶ直線を基準としたときの前記レーザ照射装置の回転量を示す第６の情報とからなる入力情報を算出する入力情報算出手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、所定の照射面へのレーザビームの照射点がｎ角形（ｎは４以上の整数）の頂点に位置するようにｎ本のレーザビームが照射され、３次元空間である世界座標空間内の所定の位置に配設された撮像装置により各レーザビームの照射面への照射点を含む照射点画像が撮影され、照射点画像に含まれる各照射点の照射点画像空間内における位置が算出され、各照射点の世界座標空間における位置が、世界座標空間と照射点画像空間との位置関係から予め定められた平面投射行列を用いて算出され、各照射点の世界座標空間内の位置に基づいて、世界座標空間内におけるレーザ照射装置の位置を示す第１〜第３の情報と、レーザ照射装置の姿勢を示す第４及び第５の情報と、照射口及び前記照射面を結ぶ直線を中心としたときのレーザ照射装置の回転量を示す第６の情報とからなる入力情報が算出される。
【００１０】
これにより、ユーザは、レーザ照射装置を動かしたり回転させたりして、レーザ照射装置から出力されるレーザビームの照射点の照射面における位置を移動させるといった簡便な操作を行うだけで、第１〜第６の情報からなる入力情報を同時に入力することが可能となり、簡便な操作でありながら、同時に６つの情報を入力することができる。
【００１１】
また、前記レーザ照射装置は、放射状に出力されたレーザビームの前記照射面への照射点によって形成されるｎ角形の中心に照射点が位置するように更に１本のレーザビームを前記照射面に向けて照射することが好ましい。
【００１２】
この場合、放射状に出力されたレーザビームの照射点によって形成されるｎ角形の中心に照射点が位置するように更に１本のレーザビームが照射されるため、ユーザはレーザ照射装置の照射口がどの方向に向いているのかを容易に認識することができる。
【００１３】
また、前記ｎ角形は四角形であり、前記レーザ照射手段は、第１のレーザビームの照射点と第２のレーザビームの照射点とが前記四角形の一方の対角線上に位置し、第３のレーザビームの照射点と第４のレーザビームの照射点とが前記四角形の他方の対角線上に位置し、前記第５のレーザビームの照射点が前記四角形の中心に位置し、第５のレーザビームと第１〜第４のレーザビームのそれぞれとのなす角度が一定の値ψとなるように第１〜第５のレーザビームを照射し、前記第４の情報（＝θ）は、前記世界座標空間の座標軸を互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸とし、前記照射面はＺ＝０平面に位置するものとし、前記照射口の前記世界座標空間内での位置を点Ｐとし、前記第１〜第５のレーザビームの前記世界座標空間内での照射点を各々点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｏとし、点Ａ及び点Ｏ間の長さをＬ０、点Ｂ及び点Ｏ間の長さをＬ１とした場合における、平面ＰＡＢへのＺ軸の射影と直線ＯＰとの角度であり、式（Ａ）で表され、前記第５の情報（＝φ）は、点Ｃ及び点Ｏ間の長さをＬ０´、点Ｄ及び点Ｏ間の長さをＬ１´とした場合における、平面ＰＣＤへのＺ軸の射影と、直線ＯＰとのなす角度であり、式（Ｂ）で表されることが好ましい。
【００１４】
θ＝ａｒｃｔａｎ（（Ｌ０−Ｌ１）／（（ｔａｎψ）・（Ｌ０＋Ｌ１）））・（Ｌ０／Ｌ１））・・・（Ａ）
φ＝ａｒｃｔａｎ（（Ｌ０´−Ｌ１´）／（（ｔａｎψ）・（Ｌ０´＋Ｌ１´）））・（Ｌ０´／Ｌ１´））・・・（Ｂ）
この場合、式（Ａ）及び（Ｂ）に示す演算を行って第４及び第５の情報が算出されているため、レーザ照射装置の姿勢を精度良く算出することができる。
【００１５】
また、前記第１及び第２の情報（＝Ｘ，Ｙ）は、点Ｏ及び点Ｐ間の長さをｌとし、点ＰのＺ＝０平面への垂線の足を点Ｒとし、点Ａ及び点Ｂを通る直線ＡＢと、点Ｒを通り直線ＡＢに直交する直線との交点を点Ｓとし、点Ｃ及び点Ｄを通る直線ＣＤと、点Ｒを通り直線ＣＤに直交する直線との交点を点Ｔとすると、式（Ｃ）〜（Ｆ）で表され、前記第３の情報（＝Ｚ）は、式（Ｇ）で表されることが好ましい。
【００１６】
【数１】
2008204196.tif 000003
【００１７】
但し、ｒｘは点ＲのＸ成分を示し、ｒｙは点ＲのＹ成分を示し、ｅ１は直線ＡＢの単位ベクトルを示し、ｅ１ｘはｅ１のＸ成分を示し、ｅ１ｙはｅ１のＹ成分を示し、ｅ２は直線ＣＤの単位ベクトルを示し、ｅ２ｘはｅ２のＸ成分を示し、ｅ２ｙはｅ２のＹ成分を示し、ベクトルｓは、点Ｓの位置ベクトルを示し、ベクトルｔは点Ｔの位置ベクトルを示し、ベクトルＯは点Ｏの位置ベクトルを示し、Ｏｘ，Ｏｙ，Ｏｚは点ＯのＸ，Ｙ，Ｚ成分を示す。
【００１８】
この場合、第１〜第３の情報が式（Ｃ）〜（Ｇ）を用いて算出されているため、レーザ照射装置の世界座標空間における位置を精度良く算出することができる。
【００１９】
また、前記入力情報算出手段は、点Ｐ及び点Ｏを結ぶ直線ＰＯに直交する平面において、Ｘ軸の射影と、点Ａ及び点Ｂを結ぶ第１の対角線の射影、又は点Ｃ及び点Ｄを結ぶ第２の対角線の射影との角度を求める処理を、前記撮影手段により連続して撮影された各照射点画像において実行し、求めた角度の照射点画像間における差分をとることで前記第６の情報を算出することが好ましい。
【００２０】
この場合、照射口と照射面とを結ぶ直線に対するレーザ照射装置の回転角度を示す第６の情報を精度良く算出することができる。
【００２１】
また、前記レーザ照射装置は、光源と、頂部が前記光源側を向き、各側面がミラーとされ、底面が前記光源から出力されたレーザビームの光軸と直交するように配設され、かつ前記レーザビームの一部を前記照射口に導くための孔が頂部に形成された正ｎ角錐形状を有するｎ角錐ミラーと、前記光源と前記ｎ角錐ミラーとの間に配設され、中心部に前記光源から出力されたレーザビームを通過させるための孔が形成され、前記ｎ角錐ミラーの各側面で反射されたｎ本のレーザビームを反射して前記照射口に導く平板ミラーとを備えることが好ましい。
【００２２】
この場合、光源から出力されたレーザビームは、平板ミラーの中心部に設けられた孔を通過した後、ｎ角錐ミラーの頂部に到達し、到達したレーザビームの一部は頂部に設けられた孔を通過して照射口に導かれる一方、到達したレーザビームの残りは正ｎ角錐形状を有するｎ角錐ミラーの各側面で反射されてｎ本のレーザビームに分割されて平板ミラーへと導かれ、これらｎ本のレーザビームは平板ミラーにより更に反射されて照射口へと導かれるため、分割されたｎ本のレーザビームとｎ角錐ミラーの中心部を通過したレーザビームとのなす角度が一定の角度となるように、ｎ本のレーザビームを照射面に向けて放射状に照射することができる。
【００２３】
また、前記レーザ照射装置は、レーザポインタと、前記レーザポインタの先端部において着脱自在に配設されたアタッチメント部とを備え、前記レーザポインタは、前記光源を含み、前記アタッチメント部は、前記ｎ角錐ミラー及び前記平板ミラーを含むことが好ましい。
【００２４】
この場合、市販のレーザポインタにアタッチメント部を取り付けるという簡便な作業によりレーザ照射装置を得ることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、簡便な操作でありながら、同時に６つの情報を入力することができる６自由度の情報入力システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態による情報入力システムについて説明する。図１は、本情報入力システムの全体構成図を示している。本情報入力システムは、レーザ照射装置１００、演算装置２００、及びカメラ３００（撮像装置）を備えている。レーザ照射装置１００は、所定の照射面ＳＡへのレーザビームの照射点がｎ角形（ｎは４以上の整数）の頂点に位置するようにｎ本のレーザビームを照射口から放射状に出力する。本実施の形態では、レーザ照射装置１００は、照射面ＳＡへのレーザビームの照射点が四角形の頂点に位置するように放射状に４本のレーザビームを照射すると共に、前記四角形の４つの頂点を結ぶ２本の対角線の交点に照射点が位置するように１本のレーザビームを照射する。そして、ユーザは、レーザ照射装置１００を移動させたり回転させたりすることで、照射面ＳＡ上で５本のレーザビームの照射点の位置を移動させ、後述する第１〜第６の情報を含む入力情報を入力する。
【００２７】
図２は、レーザ照射装置１００の構成図であり、（ａ）は照射口近傍の断面図を示し、（ｂ）は照射口近傍の透視斜視図を示している。図２に示すようにレーザ照射装置１００は、レーザポインタ１１０と、レーザポインタ１１０の先端側に着脱可能に配設されたアタッチメント部１２０とを備えている。レーザポインタ１１０は、円筒状の筐体１１１の内部にレーザビームを照射する光源が配設された市販のレーザポインタから構成される。アタッチメント部１２０は、筐体１２１、四角錐ミラー１２２、及び平板ミラー１２３を備えている。筐体１２１は、上面と下面とが開放され、側面が筐体１１１の側面と連なるような円筒形状を有している。また、筐体１２１の上方には筐体１１１の側面の内壁に設けられた凹部１１２に嵌め込まれる凸部１３０が形成されている。
【００２８】
四角錐ミラー１２２は、４本の留具１２８によって筐体１２１に取り付けられ、正四角錐形状を有し、頂部１２５が光源側を向き、底面１２４が光源から出力されたレーザビームＬＢ１の光軸と直交するように配設されている。
【００２９】
四角錐ミラー１２２の頂部１２５には、レーザビームＬＢ１の一部をレーザビームＬＢ１５として照射口１２７に導くための孔１２６が形成されている。また、四角錐ミラー１２２の４つの側面はミラーから構成され、レーザビームＬＢ１を各側面で反射することでレーザビームＬＢ１を４本のレーザビームＬＢ１１〜ＬＢ１４に分割する。ここで、孔１２６の断面は円形であり、その半径はレーザビームＬＢ１の断面の半径よりも小さい。
【００３０】
平板ミラー１２３は、中心部にレーザビームＬＢ１を通過させるための孔１２９が形成された平板ドーナツ形状を有し、アタッチメント部１２０の上側において、レーザビームＬＢ１の光軸と直交するように配設され、４本のレーザビームＬＢ１１〜ＬＢ１４を反射して照射口１２７に導く。
【００３１】
図３は、本情報入力システムの演算装置２００及びカメラ３００の関係を示したブロック図である。演算装置２００は、１．５ＧＨｚのペンティアム（登録商標）ＣＰＵを備え、Ｌｉｎｕｘ（Ｆｅｄｏｒａ  Ｃｏｒｅ）がＯＳとして実装され、ＩＥＥＥ１３９４インターフェイスを備える市販のパーソナルコンピュータから構成されている。
【００３２】
カメラ３００は、ＩＥＥＥ１３９４インターフェイスを備えるカメラから構成され、演算装置２００とＩＥＥＥ１３９４に準拠したケーブルを介して接続されている。また、カメラ３００は、３次元実空間である世界座標空間内の所定の位置に配設され、レーザ照射装置１００により照射されたレーザビームＬＢ１１〜ＬＢ１５の照射面ＳＡへの５個の照射点を含む照射点画像を撮影する。ここで、レーザ照射装置１００は、所定のフレームレートで矩形状の照射点画像を撮影し、撮影した照射点画像をケーブルを介して演算装置２００へ出力する。世界座標空間は、３次元実空間上の所定の位置を原点とし、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚの３本の座標軸によって表される３次元空間である。また、照射点画像において、５個の照射点は輝度の高い領域となって表れる。
【００３３】
演算装置２００は、入力処理部２１０、レンダリング部２２１、３次元モデル記憶部２２２、及び表示装置２２３を備えている。入力処理部２１０は、カメラ３００により撮影された照射点画像から後述する入力情報を算出するものであり、位置算出部２１１（位置算出手段）、変換部２１２（変換手段）、及び入力情報算出部２１３（入力情報算出手段）を備えている。
【００３４】
位置算出部２１１は、カメラ３００により撮影された各照射点画像に含まれる各照射点の照射点画像空間内における位置を算出する。具体的には、位置算出部２１１は、照射点画像から輝度の高い領域を抽出し、膨張・収縮処理を実行してノイズを削減し、ラベリング処理を実行して大きな領域から順番に５つの領域を抽出し、抽出した５つの領域の例えば重心の座標を各照射点の位置として算出する。ここで、照射点画像空間は、矩形状の照射点画像の所定の位置、例えば左上の頂点を原点として、直交するｘ、ｙの２本の座標軸によって表される２次元空間である。
【００３５】
変換部２１２は、位置算出部２１１により照射点画像空間内における位置が算出された各照射点を、世界座標空間と照射点画像空間との位置関係から予め定められた平面投射行列を用いて世界座標空間に変換する。
【００３６】
変換部２１２は、以下のようにして平面投射行列を求める。世界座標空間における平面（便宜上、Ｚ＝０とする）の点をｐ＝（ｐｘ，ｐｙ）、ｐをカメラ３００で撮影した画像上の点をｑ＝（ｑｘ，ｑｙ）とすると、それぞれの関係は、３×３の平面射影行列Ｈ＝｛ｈｉｊ｝（ｉ，ｊ＝０，１，２）を用いて式（１）によって表される。なお、式（１）においてωはカメラ３００の焦点距離に関するパラメータである。
【００３７】
【数２】
2008204196.tif 000004
【００３８】
一方、ｐは透視投影変換後の点であるから、式（１）を用いて式（２）、（３）によって表される。
【００３９】
【数３】
2008204196.tif 000005
【００４０】
ここで、ｈ２２は倍率に影響を与えるだけでありｈ２２＝１と置いて良い。この条件のもとで、直線状に並ばないようなｐｉ及びｑｉ（ｉ＝０，１，２，３）の４点の組を用意すれば、式（４）に示すｈ００からｈ２１までの８変数に関する一次方程式を解くことができ、平面投射行列Ｈを定めることができる。
【００４１】
【数４】
2008204196.tif 000006
【００４２】
実際には、カメラ３００の撮影する矩形状の範囲を計測し、４つの頂点の世界座標空間内における位置と、カメラ３００が撮影した画像中の４隅の点の照射点画像空間内における位置とから平面投射行列Ｈを定めることが好ましい。
【００４３】
そして、変換部２１２はこのようにして求めておいた平面投射行列Ｈを記憶装置に記憶させておき、実際の処理時には、記憶していた平面投射行列Ｈと式（２）と式（３）とを用いて世界座標空間内における各照射点の位置を算出する。
【００４４】
入力情報算出部２１３は、変換部２１２により算出された各照射点の位置に基づいて、世界座標空間内におけるレーザ照射装置１００の位置を示す第１〜第３の情報と、レーザ照射装置１００の姿勢を示す第４及び第５の情報と、照射口１２７及び照射面ＳＡを結ぶ直線を基準としたときのレーザ照射装置１００の回転量を示す第６の情報とからなる入力情報を算出する。なお、本実施の形態では、照射口１２７の世界座標空間内の位置をレーザ照射装置１００の位置をとする。
【００４５】
ここで、入力情報算出部２１３は、以下のようにして第１〜第３の情報（＝Ｘ，Ｙ，Ｚ）及び第４，第５の情報（＝θ、φ）を算出する。図４及び図５は、入力情報算出部２１３の処理の説明図である。
【００４６】
図４及び図５において点Ａ〜ＤはレーザビームＬＢ１１〜ＬＢ１４の照射点の世界座標空間内での位置を示し、点ＯはレーザビームＬＢ１５の照射点の世界座標空間内での位置を示し、点Ｐは照射口１２７の世界座標空間内での位置を示している。また、ｌは点Ｏ及び点Ｐ間の長さを示し、点Ｒは、点ＰのＺ＝０平面への垂線の足を示し、点Ｓは点Ａ及び点Ｂを通る直線ＡＢと、点Ｒを通り直線ＡＢに直交する直線との交点を示し、点Ｔは、点Ｃ及び点Ｄを通る直線ＣＤと、点Ｒを通り直線ＣＤに直交する直線との交点を示す。また、図５に示すＬ１は点Ｂ及び点Ｏ間の長さを示し、Ｌ０は点Ａ及び点Ｏ間の長さを示している。また、θは、平面ＰＡＢへのＺ軸の射影と、直線ＯＰとの角度を示し、φ（図略）は、平面ＰＣＤへのＺ軸の射影と、直線ＯＰとのなす角度を示す。また、図４に示すＬ１´は点Ｄ及び点Ｏ間の長さを示し、Ｌ０´は点Ｃ及び点Ｏ間の長さを示している。なお、本実施の形態では、照射面ＳＡはＺ＝０平面上に設定しているため、点Ａ〜Ｄ、点Ｏの各点は、Ｚ＝０平面上に位置している。
【００４７】
また、レーザビームＬＢ１の照射点とレーザビームＬＢ２の照射点とは照射点を頂点とする四角形の一方の対角線上に位置し、レーザビームＬＢ３の照射点とレーザビームＬＢ４の照射点とは前記四角形の他方の対角線上に位置し、レーザビームＬＢ５の照射点が前記四角形の中心に位置し、レーザビームＬＢ５とレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４のそれぞれとのなす角度は一定でありψとする。
【００４８】
まず、入力情報算出部２１３は、図４に示すように点Ｏを中心として対角に挟むように点Ａ〜Ｄを点Ａ，Ｂの組と点Ｃ，Ｄの組とに分類する。この分類は、照射面ＳＡ上のＸ軸に平行でかつ点Ｏを通るベクトルと、点Ｏから点Ａ〜Ｄの各点に向かうベクトルとのなす４つの角度を計算し、得られた４つの角度の大きさに基づいて点Ａ〜Ｄの各点を点Ａ，Ｂの組と点Ｃ，Ｄの組とに分類する。
【００４９】
そして、入力情報算出部２１３は、式（Ａ）を用いて第４の情報（＝θ）を算出すると共に、式（Ｂ）を用いて第５の情報（＝φ）を算出する。
【００５０】
θ＝ａｒｃｔａｎ（（（Ｌ０−Ｌ１）／（（ｔａｎψ）・（Ｌ０＋Ｌ１）））・（Ｌ０／Ｌ１））・・・（Ａ）
φ＝ａｒｃｔａｎ（（（Ｌ０´−Ｌ１´）／（（ｔａｎψ）・（Ｌ０´＋Ｌ１´）））・（Ｌ０´／Ｌ１´））・・・（Ｂ）
また、入力情報算出部２１３は、式（Ｃ）〜（Ｆ）を用いて第１及び第２の情報（＝Ｘ，Ｙ）を算出し、式（Ｇ）を用いて第３の情報（＝Ｚ）を算出する。
【００５１】
【数５】
2008204196.tif 000007
【００５２】
但し、ｒｘは点ＲのＸ成分を示し、ｒｙは点ＲのＹ成分を示し、ｅ１は直線ＡＢの単位ベクトルを示し、ｅ１ｘはｅ１のＸ成分を示し、ｅ１ｙはｅ１のＹ成分を示し、ｅ２は直線ＣＤの単位ベクトルを示し、ｅ２ｘはｅ２のＸ成分を示し、ｅ２ｙはｅ２のＹ成分を示し、ベクトルｓは、点Ｓの位置ベクトルを示し、ベクトルｔは点Ｔの位置ベクトルを示し、ベクトルＯは点Ｏの位置ベクトルを示し、Ｏｘ，Ｏｙ，ＯｚはＯのＸ，Ｙ，Ｚ成分を示す。
【００５３】
次に、式（Ａ）〜（Ｇ）について図４及び図５を用いて説明する。図５に示すように直角三角形ＰＡＡ´及び直角三角形ＰＢＢ´から、次の２式を得る。
【００５４】
ｔａｎψ＝Ｌ０ｃｏｓθ／（ｌ＋Ｌ０ｓｉｎθ）・・・（５）
ｔａｎψ＝Ｌ１ｃｏｓθ／（ｌ−Ｌ１ｓｉｎθ）・・・（６）
両式からｔａｎψ／ｃｏｓθを消去すると、式（７）が得られる。
【００５５】
（ｌ＋Ｌ０ｓｉｎθ）／Ｌ０＝（ｌ−Ｌ１ｓｉｎθ）／Ｌ１・・・（７）
さらに、式（７）をｓｉｎθについて解くと式（８）が得られる。
【００５６】
ｓｉｎθ＝ｌ（Ｌ０−Ｌ１）／２Ｌ０・Ｌ１・・・（８）
一方、式（５）から式（９）（＝式（Ｆ））が得られるため、式（８）及び式（９）からｌを消去してまとめると式（１０）が得られる。
【００５７】
ｌ＝Ｌ０ｃｏｓθ／ｔａｎψ−Ｌ０ｓｉｎθ・・・（９）
（１／ｔａｎψ）（Ｌ０−Ｌ１）Ｌ０ｃｏｓθ＝（Ｌ０＋Ｌ１）Ｌ１ｓｉｎθ・・・（１０）
式（１０）をθに関して整理すると式（１１）が得られる。
【００５８】
ｔａｎθ＝（（Ｌ０−Ｌ１）／（ｔａｎψ・（Ｌ０＋Ｌ１）））・（Ｌ０／Ｌ１）・・・（１１）
そして、式（１１）をθについて解くと式（Ａ）が得られる。ここで、Ｌ０，Ｌ１，ψは既知であるため、θを算出することができる。また、式（９）からｌを求めることができる。ｌが求まれば線分ＯＳの長さはｌｓｉｎθとして定まるので、点Ｓの位置ベクトルは式（Ｄ）で表される。同様の計算で点Ｔの位置ベクトルも決めることができ、点Ｔの位置ベクトルは、式（Ｅ）で表される。
【００５９】
また、直線ＲＳと直線ＡＢとは直交し、直線ＲＴと直線ＣＤとは直交するため、式（１２）、式（１３）が成り立つ。
【００６０】
【数６】
2008204196.tif 000008
【００６１】
但し、ベクトルｒは点Ｒの位置ベクトルを示し、ベクトルｓは点Ｓの位置ベクトルを示す。
【００６２】
従って、点ＰのＸ座標、Ｙ座標の値ｒｘ，ｒｙは式（Ｃ）で表される。
【００６３】
また、点Ｒは点Ｐの照射面ＳＡへの垂線の足であるため、ＰＲ、すなわち、点ＰのＺ座標の値は、ＰＲ＝√（ＯＰ２−ＯＲ２）と表され、式（Ｇ）が得られる。
【００６４】
図３に示す入力情報算出部２１３は、点Ｐ及び点Ｏを結ぶ直線ＰＯに直交する平面において、Ｘ軸の射影と、点Ａ及び点Ｂを結ぶ第１の対角線の射影、又は点Ｃ及び点Ｄを結ぶ第２の対角線の射影との角度を求める処理を、カメラ３００により連続して撮影された各照射点画像において実行し、求めた角度の照射点画像間における差分をとることで第６の情報を算出する。
【００６５】
レンダリング部２２１は、入力情報算出部２１３により算出された入力情報から仮想３次元空間における視点及び視線を設定し、設定した視点及び視線に従って、３次元モデル記憶部２２２に記憶された仮想３次元モデルをレンダリングし、表示装置２２３に表示する。
【００６６】
ここで、レンダリング部２２１は、入力情報算出部２１３により算出された第１〜第３の情報に従って、予め定められた仮想３次元空間内の位置に視点を設定し、第４及び第５の情報に従って、仮想３次元空間の視線を設定し、第６の情報に示す回転角度に従って、レンダリングした仮想３次元モデルを、視線を中心に回転させる。
【００６７】
３次元モデル記憶部２２２は、ハードディスク等から構成され、仮想３次元モデルを作成するためのモデリングソフトウエアを用いて予め作成された仮想３次元モデルを記憶する。表示装置２２３は、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、又はＣＲＴ等の表示装置から構成される。
【００６８】
次に、本情報入力システムの動作について説明する。図６は、本情報入力システムの動作を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１において、カメラ３００は、レーザ照射装置１００により照射されたレーザビームＬ１１〜Ｌ１５の照射面ＳＡへの５個の照射点を含む照射点画像を撮影する。
【００６９】
次に、ステップＳ２において、入力処理部２１０は、ステップＳ１で撮影された照射点画像から第１〜第５の情報を算出する処理を実行する。図７は、第１〜第５の情報を算出する処理の詳細を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１１において、位置算出部２１１は、ステップＳ１で得られた照射点画像に含まれる５個の照射点（点Ａ〜Ｄ，点Ｏ）の照射点画像空間内における位置を算出する。
【００７０】
次に、ステップＳ１２において、変換部２１２は、ステップＳ１１で照射点画像空間内における位置が算出された各照射点（点Ａ〜Ｄ，点Ｏ）を、平面投射行列Ｈを用いて世界座標空間に変換し、点Ａ〜Ｄ，点Ｏの世界座標空間内における位置を算出する。
【００７１】
次に、ステップＳ１３において、入力情報算出部２１３は、ステップＳ１２で算出された点Ａ〜Ｄ，点Ｏの世界座標空間内における位置から、式（Ａ）を用いて第４の情報（＝θ）を算出すると共に、式（Ｂ）を用いて第５の情報（＝φ）を算出する。
【００７２】
次に、ステップＳ１４において、入力情報算出部２１３は、ステップＳ１３で算出された第４及び第５の情報から、式（Ｃ）〜（Ｆ）を用いて第１及び第２の情報（＝Ｘ，Ｙ）を算出すると共に、式（Ｇ）を用いて第３の情報（＝Ｚ）を算出する。
【００７３】
図６に戻り、ステップＳ３において、レンダリング部２２１は、ステップＳ２で算出された第１〜第３の情報に応じて予め定められた仮想３次元空間内の位置に視点を設定すると共に、第４及び第５の情報に従って仮想３次元空間内に視線を設定し、３次元モデルをレンダリングし、表示装置２２３に表示する。図１０は、表示装置２２３に表示された３次元モデルのレンダリング結果を示した画面図である。図１０に示すように、本実施の形態では、３次元モデルとして牛が採用されている。また、図１０において左側のフレーム内に示された画像は、カメラ３００により撮影された照射点画像を示している。図１０に示すように、照射点画像には、中央部に位置する１つの点と、その１つの点を取り囲むように４個の点が含まれていることが分かる。
【００７４】
ステップＳ４において、カメラ３００は次の照射点画像を撮影する。ステップＳ５において、入力処理部２１０は、ステップＳ４で撮影された照射点画像に対して、第１〜第６の情報を算出する処理を実行する。図８は、第１〜第６の情報を算出する処理の詳細を示すフローチャートである。ステップＳ２１〜Ｓ２４の処理は、図７に示すステップＳ１１〜Ｓ１４の処理と同一であるため、説明を省略する。
【００７５】
ステップＳ２５において、入力情報算出部２１３は、前回撮影された照射点画像において求めた、点Ｐ及び点Ｏを結ぶ直線ＰＯに直交する平面における、Ｘ軸の射影と、点Ａ及び点Ｂを結ぶ第１の対角線の射影、又は点Ｃ及び点Ｄを結ぶ第２の対角線の射影との角度と、今回撮影された照射点画像において求めた同角度との差分を求め、第６の情報を算出する。
【００７６】
図９は、第６の情報の算出処理の説明図である。図９に示す、点Ａ´〜Ｄ´、点Ｏ´は、前回撮影された照射点画像から得られる直線ＰＯに直交する平面ＳＢにおける点Ａ〜Ｄ、点Ｏの射影を示し、Ｘ´は平面ＳＢにおけるＸ軸の射影を示している。入力情報算出部２１３は、Ｘ´と、点Ａ´Ｂ´を結ぶ直線ＬＡ´Ｂ´（第１の対角線の平面ＳＢへの射影）とのなす角度θ１を算出する。次に、入力情報算出部２１３は、同様にして、今回撮影された照射点画像に対するＸ´と、点Ａ´Ｂ´を結ぶ直線ＬＡ´Ｂ´（第１の対角線の平面ＳＢへの射影）とのなす角度θ２を算出する。そして、入力情報算出部２１３はθ２とθ１との差分を求め、第６の情報を算出する。
【００７７】
ここで、入力情報算出部２１３は、角度θ１及びθ２を算出するにあたり、点Ｃ´Ｄ´を結ぶ直線ＬＣ´Ｄ´（第２の対角線の平面ＳＢへの射影）とＸ´との角度を求めてもよい。また、平面ＳＢにおけるＹ軸の射影であるＹ´と直線ＬＡ´Ｂ´との角度又はＹ´と直線ＬＣ´Ｄ´との角度をθ１及びθ２として採用してもよい。
【００７８】
更に、入力情報算出部２１３は、前回撮影された照射点画像から得られる直線ＬＡ´Ｂ´とＸ´とのなす角度θ１１と今回撮影された照射点画像から得られる直線ＬＡ´Ｂ´とＸ´とのなす角度θ１２との第１の差分と、今回撮影された照射点画像から得られる直線ＬＣ´Ｄ´とＸ´とのなす角度θ２１と今回撮影された照射点画像から得られる直線ＬＣ´Ｄ´とＸ´とのなす角度θ２２との第２の差分とを求め、第１の差分と第２の差分の平均を第６の情報として採用してもよい。第１の差分と第２の差分とは基本的には同じ角度となるが、多少ばらつくこともあるため、このような処理を行うことで、第６の情報を精度良く算出することができる。
【００７９】
図６に戻り、ステップＳ６において、レンダリング部２２１は、第１〜第５の情報に従って仮想３次元空間内に視点及び視線を設定し、立体モデルをレンダリングするとともに、第６の情報に示される回転角度に従って視線を中心としてレンダリングされた立体モデルを回転させる。
【００８０】
次に、ステップＳ７において、演算装置２００の電源が切られたり、カメラ３００の撮影が終了されたり、レンダリングソフトウエアが終了されたりされ、照射点画像の撮影が終了された場合（ステップＳ７でＹＥＳ）、処理が終了され、照射点画像の撮影が終了されない場合（ステップＳ７でＮＯ）処理がステップＳ２に戻され、ステップＳ２以降の処理が実行される。
【００８１】
以上説明したように、本情報入力システムによれば、ユーザは、レーザ照射装置１００を動かしたり回転させたりして、レーザ照射装置１００から出力されるレーザビームの照射点の照射面における位置を移動させるといった簡便な操作を行うだけで、第１〜第６の情報からなる入力情報を同時に入力することが可能となり、簡便な操作でありながら、同時に６つの情報を入力する６自由度の情報入力システムを提供することができる。
【００８２】
なお、上記実施の形態では、本情報入力システムをレンダリング処理における視点の設定に適用したが、これに限定されず、ゲームなどにおいて仮想３次元空間内に表示されるキャラクタを同空間内で動かすための操作装置として採用してもよいし、実空間内に存在するロボット等の種々の機械の操作装置として採用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本実施の形態による情報入力システムの全体構成図を示している。
【図２】レーザ照射装置の構成図であり、（ａ）は照射口近傍の断面図を示し、（ｂ）は照射口近傍の透視斜視図を示している。
【図３】本実施の形態による情報入力システムの演算装置及びカメラの関係を示したブロック図である。
【図４】入力情報算出部の処理の説明図である。
【図５】入力情報算出部の処理の説明図である。
【図６】本実施の形態による情報入力システムの動作を示すフローチャートである。
【図７】第１〜第５の情報を算出する処理の詳細を示すフローチャートである。
【図８】第１〜第６の情報を算出する処理の詳細を示すフローチャートである。
【図９】第６の情報の算出処理の説明図である。
【図１０】表示装置に表示された３次元モデルのレンダリング結果を示した画面図である。
【符号の説明】
【００８４】
１００  レーザ照射装置
１１０  レーザポインタ
１２０  アタッチメント部
１２２  四角錐ミラー
１２３  ミラー
１２４  底面
１２５  頂部
１２６  孔
１２７  照射口
１２９  孔
２００  演算装置
２１０  入力処理部
２１１  位置算出部
２１２  位置算出部
２１３  入力情報算出部
２２１  レンダリング部
２２２  ３次元モデル記憶部
２２３  表示装置
３００  カメラ
【図１】
2008204196.tif 000010
【図２】
2008204196.tif 000011
【図３】
2008204196.tif 000012
【図４】
2008204196.tif 000013
【図５】
2008204196.tif 000014
【図６】
2008204196.tif 000015
【図７】
2008204196.tif 000016
【図８】
2008204196.tif 000017
【図９】
2008204196.tif 000018
【図１０】
2008204196.tif 000019