(57)【要約】【課題】動作安定化と省スペース化に優れ、かつ、任意計測時間間隔かつ広範囲に渡ってディスプレイ上の位置、ディスプレイからの距離および回転入力が可能な位置・姿勢計測装置および位置・姿勢計測方法を提供すること。【解決手段】ディスプレイ１１の輝点走査面上に表示された輝点からの光を集光して受光装置１２の受光面にスポット光として投影し、受光装置１２の受光面上の所定の２点に投影されたスポット光を、この受光装置の受光面上の所定の２点に配置され、光強度を電気信号に変換する２つの受光素子により受光し、このスポット光に対応するディスプレイの輝点走査面上の２つの輝点の位置を求め、受光面上の所定の２点の位置と輝点走査面上の２つの輝点の位置を基に、輝点走査面を基準とする受光装置の位置及び姿勢を求めることとした。【選択図】　　　　図１
2004069335.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
輝点走査面上に輝点を表示する表示装置と、
当該輝点からの光を受光する受光手段と、
前記輝点からの光を集光して当該受光手段の受光面にスポット光として投影する集光手段と、
前記受光手段の受光面上の所定の２点に投影されたスポット光に対応する前記表示装置の輝点走査面上の２つの輝点の位置を求めるための輝点位置決定手段と、
前記受光面上の所定の２点の位置と前記輝点走査面上の２つの輝点の位置を基に、前記輝点走査面を基準とする前記受光手段の位置及び姿勢を求めるための位置・姿勢決定手段とを備えることを特徴とする位置・姿勢計測装置。
【請求項２】
前記受光手段は、当該受光手段の受光面上の所定の２点に配置され、光強度を電気信号に変換する２つの受光素子を備え、
当該２つの受光素子の一方は、前記受光面上の所定の２点に投影された２つのスポット光の一方を受光し、当該２つの受光素子の他方は、前記受光面上の所定の２点に投影された２つのスポット光の他方を受光することを特徴とする請求項１に記載の位置・姿勢計測装置。
【請求項３】
前記輝点位置決定手段が、
前記スポット光が前記受光手段に投影された時刻を求める手段と、
当該時刻と前記輝点走査面上の２つの輝点の位置とを対応付ける手段とを備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の位置・姿勢計測装置。
【請求項４】
前記表示装置は、輝点をラスタ走査あるいはスパイラル走査して表示するものであることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の位置・姿勢計測装置。
【請求項５】
前記表示装置は、ＣＲＴディスプレイ上に輝点を表示させるものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の位置・姿勢計測装置。
【請求項６】
前記受光手段と前記集光手段とは１つの受光装置内に備えられており、
当該受光装置と前記輝点位置決定手段との間の信号伝達は有線通信あるいは無線通信で行われ、前記受光装置が移動自在となるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の位置・姿勢計測装置。
【請求項７】
表示装置の輝点走査面上の輝点からの光を集光して受光手段の受光面にスポット光として投影する第１のステップと、
前記受光手段の受光面上の所定の２点に投影されたスポット光に対応する前記表示装置の輝点走査面上の２つの輝点の位置を求める第２のステップと、
前記受光面上の所定の２点の位置と前記輝点走査面上の２つの輝点の位置を基に、前記輝点走査面を基準とする前記受光手段の位置及び姿勢を求める第３のステップとを備えることを特徴とする位置・姿勢計測方法。
【請求項８】
前記第２のステップが、
前記所定の２点に投影されたスポット光の強度を電気信号に変換する第４のステップと、
前記スポット光が前記受光面上に投影された時刻を求める第５のステップと、
前記時刻と前記輝点走査面上での輝点の位置とを対応付ける第６のステップとを備えることを特徴とする請求項７に記載の位置・姿勢計測方法。
【請求項９】
前記第６のステップは、
前記第５のステップで求めた時刻ｔにおける、前記所定の２点に投影された第１および第２のスポット光の前記輝点走査面上での対応位置（Ｘｓ１，Ｙｓ１），（Ｘｓ２，Ｙｓ２）を次式（１）〜（２）により対応付け、
前記第３のステップは、
前記第１および第２のスポット光に対応する前記受光面上の位置（Ｘｒ１，Ｙｒ１），（Ｘｒ２，Ｙｒ２）を基に、次式（３）〜（６）により位置（ｘｐ，ｙｐ，ｚｐ）と姿勢ｒｐとを求めることを特徴とする請求項８に記載の位置・姿勢計測方法。
【数１】
2004069335.tif 000015
【数２】
2004069335.tif 000016
【数３】
2004069335.tif 000017
【数４】
2004069335.tif 000018
【数５】
2004069335.tif 000019
【数６】
2004069335.tif 000020
（ここで、Ｔｈは水平同期幅、ｎは１または２、ｆはレンズ焦点距離）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、計算機等の情報処理装置あるいはアミューズメント機器に空間的位置および姿勢を入力する際に必要となる位置・姿勢計測装置および位置・姿勢計測方法に関し、より詳細には、動作安定化と省スペース化に優れ、かつ、任意計測時間間隔かつ広範囲に渡ってディスプレイ上の位置、ディスプレイからの距離および回転入力が可能な位置・姿勢計測装置および位置・姿勢計測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のコンピュータの処理速度向上、ＣＧ（コンピュータグラフィックス）技術の発展にともない、３次元的な入力を伴うアプリケーションが急増している。特に、家庭用エンタテーメント機器、ＶＲＭＬ（Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｒｅａｌｉｔｙ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　Ｌａｎｇｕａｇｅ）を代表としたインターネット上でのアプリケーションにおける３次元的入力デバイスの需要増加は顕著である。また、ＣＧ作成、ＣＡＤシステムの現場では、その入力デバイスとしてマウス、タブレット等を用いることが多い。
【０００３】
計算機等の情報処理装置あるいはアミューズメント機器に位置情報や姿勢情報の入力を可能とするデバイスには、磁場計測方式、光学式ステレオ、音響方式、ジョイスティック方式等のものが発売されている。これらのうち、磁場計測方式及び音響方式はともに、送信・受信を伴う機器を用いて所望の座標計測を行う。また、ジョイスティック方式は、精密かつメカニカルな可動部を有し、その動作情報を３次元位置情報に変換する。さらに、光学的ステレオは、複数のテレビカメラを用いて、視差情報より３次元位置情報を得る。
【０００４】
また、特開平９−３２５００７号公報や特開２００１−１７５４０５号公報には、３個以上の受光素子とディスプレイユニットを用いて各受光素子の位置と姿勢を求める装置の発明も開示されており、この装置では、安価なレンズ、小数の受光素子による３次元計測が可能であることに加え、光学的に３次元計測を行うために磁界や温度等の影響を受けず安定した３次元入力も可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来から市販されている３次元入力装置には、以下のような問題があった。
【０００６】
すなわち、磁場計測方式の装置では空間中の磁場変動を計測するため、周囲にある金属部品や電子機器さらには地磁気の影響を受ける。また、音響方式の装置では音波の位相あるいは到達時間を計測するため、気圧や温度の影響を受ける。さらに、これら両装置は共に発信装置と受信装置とを必要とするために装置規模が大がかりとなる。ジョイスティック方式の装置では並行移動と回転運動とを独立して行う必要があるために直観的な３次元入力には適さない。
【０００７】
一方、３個以上の受光素子とディスプレイユニットを用いて受光素子の位置と姿勢を求める装置は、ディスプレイに対する６自由度の位置姿勢を入力可能であるものの、ディスプレイからの距離およびディスプレイと受光素子とを結んだ軸の周りの回転のみを計測したい場合に必要以上の回路構成を必要とするという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、磁界や温度等の影響を受けることなく安定動作し、設置スペースをあまり必要とせず、さらに、任意計測時間間隔かつ広範囲に渡るディスプレイ上の位置、ディスプレイからの距離および回転入力を行うことが可能な入力装置（位置・姿勢計測装置）およびそのような入力方法（位置・姿勢計測方法）を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、位置・姿勢計測装置であって、輝点走査面上に輝点を表示する表示装置と、当該輝点からの光を受光する受光手段と、前記輝点からの光を集光して当該受光手段の受光面にスポット光として投影する集光手段と、前記受光手段の受光面上の所定の２点に投影されたスポット光に対応する前記表示装置の輝点走査面上の２つの輝点の位置を求めるための輝点位置決定手段と、前記受光面上の所定の２点の位置と前記輝点走査面上の２つの輝点の位置を基に、前記輝点走査面を基準とする前記受光手段の位置及び姿勢を求めるための位置・姿勢決定手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の位置・姿勢計測装置において、前記受光手段は、当該受光手段の受光面上の所定の２点に配置され、光強度を電気信号に変換する２つの受光素子を備え、当該２つの受光素子の一方は、前記受光面上の所定の２点に投影された２つのスポット光の一方を受光し、当該２つの受光素子の他方は、前記受光面上の所定の２点に投影された２つのスポット光の他方を受光することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の位置・姿勢計測装置において、前記輝点位置決定手段が、前記スポット光が前記受光手段に投影された時刻を求める手段と、当該時刻と前記輝点走査面上の２つの輝点の位置とを対応付ける手段とを備えていることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３の何れかに記載の位置・姿勢計測装置において、前記表示装置は、輝点をラスタ走査あるいはスパイラル走査して表示するものであることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の位置・姿勢計測装置において、前記表示装置は、ＣＲＴディスプレイ上に輝点を表示させるものであることを特徴とする。
【００１４】
さらに、請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の位置・姿勢計測装置において、前記受光手段と前記集光手段とは１つの受光装置内に備えられており、当該受光装置と前記輝点位置決定手段との間の信号伝達は有線通信あるいは無線通信で行われ、前記受光装置が移動自在となるように構成されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、位置・姿勢計測方法であって、表示装置の輝点走査面上の輝点からの光を集光して受光手段の受光面にスポット光として投影する第１のステップと、前記受光手段の受光面上の所定の２点に投影されたスポット光に対応する前記表示装置の輝点走査面上の２つの輝点の位置を求める第２のステップと、前記受光面上の所定の２点の位置と前記輝点走査面上の２つの輝点の位置を基に、前記輝点走査面を基準とする前記受光手段の位置及び姿勢を求める第３のステップとを備えることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の位置・姿勢計測方法において、前記第２のステップが、前記所定の２点に投影されたスポット光の強度を電気信号に変換する第４のステップと、前記スポット光が前記受光面上に投影された時刻を求める第５のステップと、前記時刻と前記輝点走査面上での輝点の位置とを対応付ける第６のステップとを備えることを特徴とする。
【００１７】
さらに、請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の位置・姿勢計測方法において、前記第６のステップは、前記第５のステップで求めた時刻ｔにおける、前記所定の２点に投影された第１および第２のスポット光の前記輝点走査面上での対応位置（Ｘｓ１，Ｙｓ１），（Ｘｓ２，Ｙｓ２）を次式（１）〜（２）により対応付け、前記第３のステップは、前記第１および第２のスポット光に対応する前記受光面上の位置（Ｘｒ１，Ｙｒ１），（Ｘｒ２，Ｙｒ２）を基に、次式（３）〜（６）により位置（ｘｐ，ｙｐ，ｚｐ）と姿勢ｒｐとを求めることを特徴とする。
【００１８】
【数７】
2004069335.tif 000003
【００１９】
【数８】
2004069335.tif 000004
【００２０】
【数９】
2004069335.tif 000005
【００２１】
【数１０】
2004069335.tif 000006
【００２２】
【数１１】
2004069335.tif 000007
【００２３】
【数１２】
2004069335.tif 000008
【００２４】
（ここで、Ｔｈは水平同期幅、ｎは１または２、ｆはレンズ焦点距離）
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の位置・姿勢計測装置および位置・姿勢計測方法について説明する。
【００２６】
図１は、本発明の位置・姿勢計測装置の一実施例を説明するためのシステム構成図であって、１１はその輝点走査面上に輝点を移動して表示する表示装置であって、ここではラスタスキャン方式のＣＲＴディスプレイ（以下、「ディスプレイ」と略記する）としている。また、１２は受光装置、１３はパーソナルコンピュータ（ＰＣ）である。この装置では、受光装置１２をディスプレイ１１に対面させることでディスプレイ１１からの距離や回転等の情報がＰＣ１３に入力される。
【００２７】
なお、受光装置１２とＰＣ１３との間の信号伝達は所望の方法で行うことが可能であるが、有線通信あるいは無線通信で行い受光装置１２を移動自在とすれば利便性の高いシステムが得られる。
【００２８】
また、本実施例では、表示装置をラスタスキャン方式のＣＲＴのディスプレイ１１としたが、スパイラル走査して輝点表示を行う表示装置としてもよい。
【００２９】
図２は、図１中の受光装置１２の構成例を説明するための図で、この受光装置１２は、受光部２１の受光面上に備えられた受光素子２２ａ、２２ｂおよびレンズ２３と、２次元位置検出部２４と位置姿勢検出部２５とから構成される。
【００３０】
ここで、受光素子２２ａ、２２ｂは、所定の２点に配置されて光の強度を電気信号に変換するためのものであり、レンズ２３は、ディスプレイ１１上の輝点を集光し、受光部２１の受光面にスポット光として投影する集光手段である。また、２次元位置検出部２４は、受光部２１の受光面上に投影されたスポット光に対応するディスプレイ１１上の２つの輝点の位置を求めるためのものであり、位置姿勢検出部２５は、受光面上での２つのスポット光の位置とディスプレイ１１上での２つの輝点の位置から、ディスプレイ１１に対する受光素子２２ａ、２２ｂの位置及び姿勢を求めるための手段である。
【００３１】
本発明の位置・姿勢計測の基本的な原理は以下のとおりである。先ず、ディスプレイ１１の輝点走査面上にて走査される輝点を受光装置１２の受光部２１で観測し、その光強度を受光素子２２ａ及び２２ｂにて電気信号に変換する。次に、２次元位置検出部２４にてビデオ信号の同期信号発生時刻と、各受光素子２２ａ、２２ｂから出力される電気信号のピーク時刻からディスプレイ上における各受光素子２２ａ、２２ｂの対応点座標（Ｘｓ１，Ｙｓ１），（Ｘｓ２，Ｙｓ２）を検出し、得られた対応点座標および予め計測しておいた受光面上における受光素子２２ａ、２２ｂの位置座標（Ｘｒ１，Ｙｒ１），（Ｘｒ２，Ｙｒ２）を用いて位置姿勢検出部２５によってディスプレイ１１を基準とした受光部２１の位置・回転情報に変換し、ＰＣ１３へデータを送信する。
【００３２】
なお、本実施例では、２次元位置検出部２４と位置姿勢検出部２５を受光装置１２の内部に設ける構成としているが、これらの検出部２４、２５が実行する処理をＰＣ１３の内部で処理するように構成してもよい。
【００３３】
図３は、図２に示した受光装置１２が備える２次元位置検出部２４の構成例を説明するためのブロック図で、この２次元位置検出部２４の内部には、ピーク検出部３１、ＡＮＤゲート３２、カウンタ３３および対応位置座標決定部３４が備えられている。
【００３４】
ピーク検出部３１は、受光素子２２ａ、２２ｂからの出力信号（受光素子出力）の最大ピークを検出する。この検出は、入力信号の時間変化の差分を計測し、極大となる部分の信号値を常に観測し、信号値が立ち下がる直前の受光素子２２ａ、２２ｂの出力を、最大値をとった瞬間としてホールドする（ピーク検出部出力）ことで行う。
【００３５】
カウンタ３３は、スポット光が受光素子に投影された時刻を求める手段であって、単位時間毎に値をカウンタアップし、ビデオ同期信号検出時に値を０にリセットするものとする。また、ＡＮＤゲート３２は、ピーク検出部出力ＯＮで能動化され、カウンタ３３の値を対応位置座標決定部３４に送信するものとする。さらに、対応位置座標決定部３４は、スポット光が受光素子に投影された時刻と輝点走査面上での輝点の位置を対応付けるためのもので、カウンタ値をディスプレイ上でのスポット検出位置座標に変換するとともに、ピーク値を出力した受光素子２２ａ、２２ｂの位置と上述のスポット検出位置とを関連付けて記録し、位置姿勢検出部２５へ送信する。そして、位置姿勢検出部２５では、対応位置座標決定部３４より受信したスポット検出位置および受光素子位置より、受光装置のディスプレイに対する位置姿勢に変換し、ＰＣへ送信する。
【００３６】
図４は、本発明の位置・姿勢計測方法を説明するためのフローチャートである。以下に、各部の動作をこのフローチャートに基づいて説明する。
（ピーク検出部、ＡＮＤゲートおよびカウンタ部の動作）
ピーク検出部は、受光素子からの出力の極大値を観測して最大出力検出（ピーク検出）がなされたか否かを判断し（Ｓ１）、ピーク検出された場合（Ｓ１：Ｙｅｓ）にその値をＯＮとしてＡＮＤゲートに送る。
【００３７】
カウンタ部は、ビデオ同期信号（垂直描画開始信号）を監視し（Ｓ２）、ビデオ同期信号を検出する（Ｓ２：Ｙｅｓ）とこれをリセット信号としてカウントし、カウンタ値をリセットする（Ｓ３）。一方、同期信号を検出しない場合（Ｓ２：Ｎｏ）には、‘カウンタ値＋１’としてその出力をＡＮＤゲートに送る（Ｓ４）。
【００３８】
ＡＮＤゲートでは、最大ピーク値検出時に能動化し、その瞬間のカウンタ値を対応位置座標決定部へ送信する（Ｓ５）。
【００３９】
（対応位置座標決定部の動作）
対応位置座標決定部では、カウンタ値をディスプレイのスポット表示位置（Ｘｓｎ，Ｙｓｎ）に変換する（Ｓ６）。ここで、カウンタ値をｔ、水平同期幅をＴｈとすると以下の関係となる。
【００４０】
【数１３】
2004069335.tif 000009
【００４１】
【数１４】
2004069335.tif 000010
【００４２】
ここで、値はすべて整数型であるものとする。上式（１）、（２）の関係により、カウンタ値をｔから２次元座標値（Ｘｓｎ，Ｙｓｎ）に変換可能とする。ピーク値を出力した受光素子毎の位置（Ｘｒｎ，Ｙｒｎ）と、その時のスポット表示位置（Ｘｓｎ，Ｙｓｎ）とを記録して位置姿勢決定部へ送信する（Ｓ７）。
【００４３】
なお、ここで、ｎは受光素子のチャンネル番号、すなわち一方の受光素子（２２ａ）の場合にはｎ＝１、他方の受光素子（２２ｂ）の場合にはｎ＝２であるものとする。
【００４４】
（位置姿勢決定部の動作）
位置姿勢決定部では、受光素子毎の位置（Ｘｒ１，Ｙｒ１），（Ｘｒ２，Ｙｒ２）とスポット表示位置（Ｘｓ１，Ｙｓ１），（Ｘｓ２，Ｙｓ２）およびレンズ焦点距離ｆより、受光装置のディスプレイに対する位置姿勢に変換することで、２個の受光素子の中点の表示面を基準とした位置（すなわちポインティング位置：（ｘｐ，ｙｐ，ｚｐ））と姿勢（すなわち回転：ｒｐ）を求める（Ｓ８）。ここで、輝点走査面と受光面がほぼ平行であると仮定し、ポインティング位置（ｘｐ，ｙｐ，ｚｐ）を以下のように定義する。
【００４５】
【数１５】
2004069335.tif 000011
【００４６】
【数１６】
2004069335.tif 000012
【００４７】
【数１７】
2004069335.tif 000013
【００４８】
また、受光素子の回転量ｒｐを以下のように定義する。
【００４９】
【数１８】
2004069335.tif 000014
【００５０】
以上の計算式により得られた受光素子の位置（Ｘｒ１，Ｙｒ１），（Ｘｒ２，Ｙｒ２）よりポインティング位置（ｘｐ，ｙｐ，ｚｐ）と姿勢ｒｐを算出し、ＰＣに送信する（Ｓ９）。
【００５１】
このような処理により、ディスプレイに対する受光装置の位置姿勢を逐次入力することが可能となる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、入力装置として投影像の位置座標を検出可能な２個の受光素子と輝点を２次元面上に走査する表示装置のみで実現するため設置スペースをあまり必要とせず、さらに磁界や温度等の影響を受けず安定して直感的な位置姿勢入力が可能となる。
【００５３】
また、２個の受光素子を用いて受光素子の位置と姿勢を求めるため必要最小限の構成でディスプレイ上の位置、ディスプレイからの距離およびディスプレイと受光素子を結んだ軸の周りの回転の入力を行うことができる。
【００５４】
すなわち、本発明によれば、磁界や温度等の影響を受けることなく安定動作し、設置スペースをあまり必要とせず、さらに、任意計測時間間隔かつ広範囲に渡るディスプレイ上の位置、ディスプレイからの距離および回転入力を行うことが可能な入力装置（位置・姿勢計測装置）およびそのような入力方法（位置・姿勢計測方法）を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の位置・姿勢計測装置の一実施例を説明するためのシステム構成図である。
【図２】図１中の受光装置の構成例を説明するための図である。
【図３】図２に示した受光装置が備える２次元位置検出部の構成例を説明するためのブロック図である。
【図４】本発明の位置・姿勢計測方法を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１１　ディスプレイ
１２　受光装置
２１　受光部
１３　パーソナルコンピュータ
２２ａ、２２ｂ　受光素子
２３　レンズ
２４　２次元位置検出部
２５　位置姿勢検出部
３１　ピーク検出部
３２　ＡＮＤゲート
３３　カウンタ
３４　対応位置座標決定部
【図１】
2004069335.tif 000021
【図２】
2004069335.tif 000022
【図３】
2004069335.tif 000023
【図４】
2004069335.tif 000024