JPH05127809A

JPH05127809A - 三次元空間座標入力装置

Info

Publication number: JPH05127809A
Application number: JP9645592A
Authority: JP
Inventors: 耕平 ▲吉▼川; Kohei Yoshikawa
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1991-04-19
Filing date: 1992-04-16
Publication date: 1993-05-25
Also published as: US5319387A

Abstract

(57)【要約】【目的】簡易な構造で、広い空間の任意の点の三次元
座標を入力できるようにする。【構成】物体３からの光８の一部を受光部分２で直接
受光する。一方鏡５によって反射した光も受光部分２で
受光する。各部分の間の距離、光の入射角度、鏡の位置
などにより空間座標を計算する。光８を発する発光部分
１を設け、物体３の球面反射部分４で反射した光を用い
てもよい。鏡５を回転可能にすることが望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コンピュータや計測機
器などの情報機器における、三次元空間内の物体の座標
を特定するためのシステムに関し、特に、光などの輻射
線を用いて物体の座標を特定するための技術の改良に関
する。

【０００２】

【従来の技術】コンピュータをはじめとする電子技術の
発展にともない、三次元空間を取扱うシステムが増えて
きた。そのようなシステムのうち、最も代表的なものが
バーチャルリアリティ（以下「ＶＲ」と称する）システ
ムである。

【０００３】ＶＲシステムにおいては、人間が、人工的
な現実の中で現実の体験と同様の体験を行なうことがで
きる。そのような仮想現実感については、以下のような
文献がある。

【０００４】（１）広瀬通孝：仮想環境，第６回ヒュ
ーマンインターフェース・シンポジウム論文集（１９９
０）（２）広瀬通孝：人工現実感の生成，システム／制御
／情報，ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．１１，ｐｐ．５９０−５
９７（１９８９）（３）広瀬通孝：人工現実感はどこまで実現するか，
日本機械学会誌，ｖｏｌ．９３，Ｎｏ．８６３，ｐｐ．
７２−７８（１９９０）このＶＲシステムにおいては、システムに対し、人間の
位置や姿勢などを正確に、かつ高速に入力することが重
要である。人間の座標を高速かつ正確に特定するための
試みが従来からいくつか行なわれてきた。

【０００５】図１２は、そのような座標入力のシステム
を用いたＶＲシステムの一例である。このシステムは、
上述の文献（１）に記載されている。

【０００６】図１２を参照して、このＶＲシステムは、
人間１００の頭部に取付けられたスペースセンサ１０２
と、人間１００が着用する液晶グラス１０４と、人間１
００がその手に着用するデータグローブ１０６と、スペ
ースセンサ１０２をコントロールするためのスペースセ
ンサ・コントローラ１０８と、データグローブ１０６を
コントロールするためのデータグローブコントローラ１
１０と、スペースセンサ・コントローラ１０８およびデ
ータグローブコントローラ１１０から入力される人間の
位置、姿勢、指の位置、姿勢に応答して、ワールドモデ
ル１２８に所定の処理を加えて仮想現実感を人間の動作
に適合させるためのグラフィックス・ワールドコントロ
ーラ１１２と、ワールドモデル１２８にしたがい、人間
１００に与えられる映像を作り出すためのステレオディ
スプレイコントローラ１１４と、ステレオディスプレイ
コントローラ１１４から与えられる信号にしたがい、仮
想物体１１８の立体表示を行なうためのステレオディス
プレイ１１６と、ステレオディスプレイコントローラ１
１４からの同期信号にしたがい、液晶グラス１１４の左
右の液晶シャッタを、仮想物体１１８の表示周期に同期
して交互に開閉させるための同期信号送信機１２６と、
人間１００の前に置かれたハーフミラー１２０と、デー
タグローブ１０６に対し、ワールドモデル１２８にした
がって人間１００の手に反力を与えるように反力フィー
ドバックヘッド１２２を制御するためのフォースフィー
ドバックコントローラ１２４とを含む。

【０００７】図１２に示されるＶＲシステムは以下のよ
うに動作する。スペースセンサ１０２およびスペースセ
ンサコントローラ１０８は、人間１００の頭部の位置・
姿勢を検出してその三次元座標をグラフィックス・ワー
ルドコントローラ１１２に与える。データグローブコン
トローラ１１０は、人間１００の手の動きを検出し、手
の姿勢および位置を表わす情報をデータグローブコント
ローラ１１０に与える。データグローブコントローラ１
１０はこの信号を処理し、人間１００の手の位置座標お
よび各関節の状態を表わす信号を発生し、グラフィック
ス・ワールドコントローラ１１２に与える。

【０００８】グラフィックス・ワールドコントローラ１
１２は、人間１００の頭部の位置・姿勢および手の位置
と姿勢を示す情報と、それ以前に持っていた仮想現実感
を表わすワールドモデル１２８の情報とから、ワールド
モデル１２８をどのように変化させるかを決定する。そ
の決定にしたがいワールドモデル１２８に所定の処理が
加えられる。

【０００９】ステレオディスプレイコントローラ１１４
は、新たに変化したワールドモデル１２８にしたがい、
人間１００に与えられる立体的な映像を生成する。この
立体的な映像は、人間の右目が見る映像と、左目が見る
映像とのペアを含む。ステレオディスプレイ１１６は、
右目用の映像と左目用の映像とを所定の間隔で交互に表
示する。表示された仮想物体１１８は、ハーフミラー１
２０によって反射されて仮想物体１３２として人間１０
０の目に入射する。このとき、同期信号送信機１２６
は、右目用映像が表示されているときには液晶グラス１
０４の右側シャッタを、左目用映像が表示されていると
きには左側シャッタをそれぞれ開き、他方は閉じる。こ
れにより人間１００の右目には右目用の映像が、左目に
は左目用の映像が与えられる。その結果人間１００は、
仮想物体１３２を立体的なものとして認識する。

【００１０】反力フィードバックコントローラ１２４
は、ワールドモデル１２８にしたがい、人間１００の手
に対してどのような反力を与えるかを決定する。反力フ
ィードバックコントローラ１２４は、決定された反力に
したがって反力フィードバックヘッド１２２を動作さ
せ、人間１００のデータグローブ１０６を着用した手を
押圧する。これにより、人間１００は、あたかも仮想物
体１３２を実際に触っているかのような感触を得る。

【００１１】上述のＶＲシステムにおいて、人間１００
の位置を正確に得ることが重要なのは明らかである。そ
のためのスペースセンサ１０２として、図１３に示され
るようなものが使用されている。図１３を参照して、こ
の位置検出システムは、ソースコイル１３４と、センサ
コイル１３６と、検出回路１３８と、コンピュータ１４
０と、ドライブ回路１４２とを含む。ソースコイル１３
４、センサコイル１３６はいずれも、互いに直交する３
個のヘルムホルツコイルを含む。

【００１２】ソースコイル１３４の３個のコイルは、時
分割で磁場を発生する。センサコイル１３６は、ソース
コイル１３４によって発生された磁場を検知する。セン
サコイル１３６の出力は検出回路１３８によって検出さ
れ、コンピュータ１４０に与えられる。コンピュータ１
４０は、センサコイル１３６の出力から得られる３×３
個＝９個の情報から、センサコイル１３６の空間位置と
姿勢とを算出する。算出された情報はコンピュータ１４
０から外部に出力される。

【００１３】同様に図１２に示されるシステムで使用さ
れるデータグローブ１０６によっても、たとえば指の先
端の座標などを測定することができる。

【００１４】図１４を参照して、データグローブ１０６
は、グローブ本体１４４と、グローブ本体１４４の甲の
部分に装着された、図１３に示されるようなスペースセ
ンサ１４６と、グローブ１４４の各指に沿って、ファイ
バー止め１４８によってグローブ１４４に取付けられた
光ファイバセンサ１５０とを含む。光ファイバセンサ１
５０により、指１本当り２の自由度、合計１０自由度の
入力を得ることができる。さらに、スペースセンサ１４
６を用いて手の位置、姿勢まで含め、１６自由度の情報
をデータグローブ１０６により得ることができる。そし
て、位置センサ１４６の出力と、光ファイバセンサ１５
０の出力の積算とを加算することにより、所定の指の先
端の位置の座標を特定することができる。同様の原理
で、体全体の動作を測定することができるデータスーツ
と呼ばれるスーツも発表されている。

【００１５】他の試みとして、図１５に示されるような
システムがある。図１５を参照して、このシステムは、
人間が手に持って空間内を自在に移動させることができ
る、発光部１５６を有するマウスペン１５２と、発光部
１５６からの光を受ける２組の受光部１５４とを含む。
各受光部１５４としては通常のカメラを用いることも考
えられるが、図１４に示されるシステムの各受光部１５
４は、レンズ１５８と受光素子１６０とを含む。受光素
子１６０の上にはフィルタ１６４が設けられている。各
受光素子１６０およびレンズ１５８は、互いの軸が、所
定の角度で交差するように配置されている。

【００１６】図１５に示されるシステムにおいては、マ
ウスペン１５２の発光部１５６からの光が、レンズ１５
８を通って１対の受光素子１６０にそれぞれ入射する。
受光素子１６０へのこの光の入射角度は、それぞれ発光
部１５６の位置によって変化する。この入射角は、各受
光素子１６０上に結ばれる発光部１５６の像の位置によ
って知ることができる。この角度と受光素子１６０間の
距離に基づき、三角測量の原理によってマウスペン１５
２の発光部１５６の位置を知ることができる。フィルタ
１６４は、入射する光線のうち、発光部１５６から発せ
られる光のみを受光素子１６０に与えるためのものであ
る。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかし上述の図１３に
示されるシステムは、以下のような問題点を有する。ま
ず第１にこのシステムは、全空間内で物体の位置を検出
することができない。第２にこのシステムは、動作が遅
い。そのために仮想現実感の動作を、利用者の動きに合
わせて適確に変化させることができないという結果が生
ずる。またこのシステムでは、計測空間内に金属物体が
存在すると、金属物体により引起こされる磁場変化によ
って、計測値に誤差が生ずる。

【００１８】データグローブのようなデバイスは、細か
い動作を対応の情報に変換する機能に優れている。しか
しその反面、このようなデバイスは、空間の位置を指定
するための部品それ自体に電源を供給し、さらにセンサ
を設けることが必要である。そのために、システム全体
が大型となってしまう。また、このようなデバイスを用
いた場合、限られた範囲の空間でしか座標の認識が行な
えず、しかも精度も良くない。

【００１９】図１５に示されるシステムでは、受光素子
またはカメラを２つ必要とする。したがって装置が複雑
となり、かつ大型となる。また、受光素子やカメラ間の
距離を変えたりする必要が起こった場合、システムを容
易に新たな条件に適合することが難しい。さらに、空間
の特定の点を指示するための装置１５２が発光部１５６
を有するために、ペン１５２に、発光部１５６を動作さ
せるための電源を設ける必要がある。また、図１５に示
されるようにレンズ１５８、受光素子１６０の軸を所定
角度をもって交差させるようにした場合、座標を指定で
きる空間の広さが狭い。

【００２０】それゆえに、請求項１に記載の発明の目的
は、三次元の空間座標を光学的に直接に指定し、かつ空
間を自由に移動する空間座標を指示する物体に電源機器
を必要としないこと、センサ部分を簡易なものにするこ
と、広範囲な空間内での座標指示入力を可能とすること
である。

【００２１】請求項２に記載の発明の目的は、三次元座
標系内の広い空間内の任意の点を指定して、その座標を
特定することができる、簡易で新規な装置を提供するこ
とである。

【００２２】請求項３に記載の発明の目的は、三次元座
標系内の広い空間内の任意の点を指定して、その座標を
高い精度で特定することができる、簡易で新規な装置を
提供することである。

【００２３】請求項４に記載の発明の目的は、三次元座
標系内の広い空間内の物体の座標を高い精度で特定する
ことができる、簡易で新規な装置を提供することであ
る。

【００２４】請求項５に記載の発明の目的は、三次元空
間座標系内を高い自由度で移動させることができる、電
源を必要としない対象点指定装置を用い、広い空間内の
任意の点を指定して、その座標を高い精度で特定でき
る、簡易で新規な装置を提供することである。

【００２５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
かかる三次元空間座標入力装置は、固定された輻射線の
発射装置と、これにある距離を隔てて固定された輻射線
の受信装置と、空間を移動する物体に設けられた曲面反
射部分と、空間のある位置に設けられた反射角度を変更
できる反射鏡と、反射鏡の駆動装置とを含む。

【００２６】請求項２に記載の発明にかかる三次元空間
座標入力装置は、三次元空間の所定領域内に配置された
特定の物体から入射する輻射線を所定平面上に収斂させ
て像を形成し、その像の、所定平面上における位置を検
出するためのイメージ位置センス手段と、特定の物体の
輻射する輻射線を反射して、イメージ位置センス手段に
入射させるための反射手段と、特定の物体によって輻射
され、イメージ位置センス手段に直接入射する直接入射
輻射線により形成される像の、所定平面上の位置と、特
定の物体から輻射され、反射手段を経由してイメージ位
置センス手段に入射する間接入射輻射線により形成され
る像の、所定平面上の位置とに基づき、特定の物体の、
三次元空間内に規定された三次元座標系の座標を計算す
るための座標計算手段とを含む。

【００２７】請求項３に記載の発明にかかる三次元空間
座標入力装置は、請求項２に記載の三次元空間座標入力
装置であってさらに、複数個の反射手段を含む。

【００２８】請求項４に記載の発明にかかる三次元空間
座標入力装置は、請求項２に記載の装置であって、さら
に、所定波長の輻射線を所定領域内に向けて輻射するた
めの輻射手段を含む。

【００２９】請求項５に記載の三次元空間座標入力装置
は、請求項４に記載の装置であって、さらに、所定領域
内の任意の位置におかれ得る位置指示部材を含み、位置
指示部材は、入射する輻射線を反射するための曲面部分
を含む。

【００３０】

【作用】請求項１に記載の三次元空間座標入力装置にお
いては、空間を移動する物体には曲面反射部分が設けら
れているから、この物体には電源との接続を考慮する必
要がない。固定された輻射線の発信装置からの輻射線は
曲面反射部分によって反射され、直接反射されて受信装
置に入射するものと、反射鏡の角度を変えることによ
り、さらに反射鏡で反射され間接的に受信装置に入力す
るものとがある。輻射線の発信装置と受信装置との距
離、反射鏡と受信装置との距離、反射鏡の回転角度等に
より空間を移動する物体の座標を指示することができ
る。

【００３１】請求項２に記載の装置においては、三次元
空間の所定領域内に配置された特定の物体から放射され
る輻射線の一部は、直接イメージ位置センス手段に入射
する。輻射線の他の一部は、反射手段によって反射され
てイメージ位置センス手段に入射する。イメージ位置セ
ンス手段は、この直接入射線と間接入射線をそれぞれ収
斂させて所定平面上に像を形成する。この各々の像の、
所定平面上における位置がイメージ位置センス手段に検
出されて座標計算手段に与えられる。座標計算手段は、
直接入射線による像の位置と、間接入射輻射線の像の位
置とに基づき、三次元座標系の座標を計算する。

【００３２】請求項３に記載の装置においては、イメー
ジ位置センス手段には、特定の物体から放射される輻射
線のうち直接入射するものと、複数の反射手段において
それぞれ反射されたものとが入射する。各間接入射輻射
線と、直接入射輻射線との間で三次元座標系の座標を計
算することができる。

【００３３】請求項４に記載の装置においては、輻射手
段から輻射された輻射線が三次元空間内の物体によって
反射され、直接、または間接にイメージ位置センス手段
に入射する。イメージ位置センス手段では、この所定の
波長の輻射線による像の位置を検出すればよいために、
像の位置の検出がより容易となる。

【００３４】請求項５に記載の装置においては、輻射手
段によって輻射された輻射線は、位置指示部材の曲面部
分によって反射され、直接イメージ位置センス手段に、
あるいは反射手段によって反射されて間接的にイメージ
位置センス手段に入射する。この２組の入射線によって
形成される２つの像の位置から、三角測量の原理により
この曲面部分の空間座標を計算することができ、曲面部
分の位置している場所の座標を特定することができる。

【００３５】

【実施例】図１を参照して、本発明の原理を説明する。
空間の任意の位置を指し示すために、球面反射部分４が
用いられる。本発明にかかる、この球面反射部分４の座
標を特定するための装置は、少なくとも鏡５と受光部分
２とを有する。そしてさらに、後述する第１の実施例の
装置のように、発光部分１を含んでいてもよい。また、
球面反射部分４は曲面であれば良く、放物面、だ円面な
どでも良い。

【００３６】発光部分１あるいは他の光源から放射され
た光８は、球面反射部分４で反射される。反射光の一部
は直接受光部分２に到達する。反射部分の他の一部は、
鏡５で反射して受光部分２に到達する。鏡５で反射され
る光を受光部分２で受光することは、鏡５の表面で規定
される平面を中心とし、受光部分２に対して対称な位置
に置かれた仮想的な受光部分７を設けたのと同様の効果
を奏する。鏡５と受光部分２との位置関係は既知であ
る。受光部分２と、仮想的な受光部分７との間の距離も
計算により求められる。したがって、受光部分２の出力
と、仮想的な受光部分７の出力（すなわち受光部分２の
出力の一部）とに基づき、三角測量の原理を用いて球面
反射部分４の空間座標を得ることができる。球面反射部
分４の直径はなるべく小さくし、光のビームの太さは球
面反射部分４の直径にほぼ等しく選ばれる。

【００３７】この計算においては、受光部分２および仮
想的な受光部分７に入射する光８の入射角度と、受光部
分２と仮想的な受光部分７との間の距離が必要である。
仮に鏡５が固定されていれば、受光部分２と仮想的な受
光部分７との間の距離は容易に知ることができる。ま
た、鏡５は必ずしも固定されている必要はなく、たとえ
ばその表面に想定される２つの直交する軸を中心として
回転してもよい。これにより、球面反射部分４がより広
い空間範囲内を移動したとしても、受光部分２に対して
反射光を適確に入射させることができ、したがってより
広い空間内の任意の点の空間座標を特定することができ
る。ただしこの場合には、受光部分２と仮想的な受光部
分７との間の距離は、鏡５と受光部分２との位置関係の
みならず、鏡５の回転角度を用いて計算することが必要
である。

【００３８】図１を参照して、周囲から自然光が入射し
ている場合、球面反射部分４はこれらの光を反射してい
る。したがって受光部分２として、カメラのようなもの
を用い、画像処理により球面反射部分４の像の位置を判
別すれば、発光部分１を用いなくとも上述の原理により
球面反射部分４の空間座標を得ることができる。

【００３９】また、図１に示される原理的システムは１
つの鏡のみを有している。しかし、システムは複数の鏡
を含んでもよい。また鏡５の形状は図１に示されるよう
な平面的なものに限らず、円筒状のものなど、他の形状
のものであってもよい。もしも鏡５が固定されているの
であれば、鏡５はある程度回転可能な場合よりもその面
積を大きくする必要がある。鏡５を大きくすることによ
り、鏡５が固定されていてもより広い空間内の任意の点
につき空間座標を得ることができる。

【００４０】鏡５が上述の様に二軸の回りに回転可能で
ある場合には、鏡５が固定されている場合よりもより広
範囲で座標入力が可能である。その理由は以下のようで
ある。球面反射部分４が比較的大きく移動すると、鏡５
上での光８の反射点は球面反射部分４の移動方向に応じ
て移動する。このとき、鏡５を手動または自動で回転さ
せ、反射点が鏡５の中央部分に近づくようにその姿勢を
変化させる。これにより、球面反射部分４が非常に広い
範囲を移動したとしても、受光部分２に直接入射光と反
射入射光の２つが正しく入射する。鏡５の回転角度も容
易に知ることができる。したがって、より広い空間内を
球面反射部分４が移動したとしても、三角測量の原理に
よって正確に座標計算を行なうことができる。

【００４１】図２は、本発明の第１の実施例にかかる、
空間座標を特定するための装置の斜視図である。図２を
参照して、この装置は、４つの足１２を有するフレーム
１０と、フレーム１０の上面中央に所定距離離して設け
られた発光部分１および受光部分２と、フレーム１０の
右前部分に設けられたキーボード１４および表示装置１
６と、フレーム１０の上面左側に設けられ、鏡５を、フ
レーム１０の上面に鉛直な軸およびこの軸と直交する軸
の回りに回転可能に保持するとともに、鏡５を上述の２
つの軸回りに回転させるための鏡回転装置６と、利用者
が手に持って任意の点を指し示すための三次元マウス３
とを含む。三次元マウス３の先端には、球面反射部分４
が設けられている。

【００４２】図３を参照して、鏡回転装置６は、フレー
ム１０の天板２０および底板２２にそれぞれベアリング
３６、３８によって回転可能に保持された軸４０と、軸
４０の、天板２０上に突出した先端に固定された鏡支持
フレーム２４と、軸４０に固定された歯車４２と、フレ
ーム１０の側板１８内面に、取付部材４６によって固定
されたモータ４８とを含む。モータ４８の回転軸にはウ
ォーム歯車４４が固定されており、ウォーム歯車４４は
歯車４２と係合している。鏡支持フレーム２４は、１対
のベアリング２６で、鏡５の両側辺の中央部分を支持し
ている。鏡５の裏面には、半円形の内歯車３２が、取付
部分３４によって固定されている。鏡支持フレーム２４
の背面板２５の内面には、モータ２８が固定されてい
る。モータ２８の回転軸先端にはピニオン３０が取付け
られている。ピニオン３０は、内歯車３２と係合してい
る。

【００４３】図２、３を参照して、この装置のメカニカ
ルな構造の動作について説明する。発光部分１は、たと
えば所定の波長の光８を放射する。光８は三次元マウス
３の球面反射部分４によって反射される。反射光の一部
は直接受光部分２に入射する。反射光の他の一部は、鏡
５によって反射して受光部分２に入射する。この装置
は、受光部分２に入射した光によって形成される、球面
反射部分４の２つの像に基づき、三角測量の原理によっ
て球面反射部分４の座標を特定する。

【００４４】鏡５は、常に球面反射部分４からの反射光
が受光部分２に到達するように、次のように動作する。
図３を特に参照して、モータ４８を駆動することによ
り、ウォーム歯車４４、歯車４２、軸４０が回転する。
軸４０の回転にともない、鏡支持フレーム２４も、軸４
０の中心軸を中心として回転する。軸４０の中心軸は、
フレーム１０の天板２０と鉛直である。鏡支持フレーム
２４の回転角度が所望の値になったところでモータ４８
を停止する。

【００４５】さらにモータ２８を駆動させることによ
り、ピニオン３０が回転する。ピニオン３０の回転にと
もない内歯車３２が回転し、鏡５も、１対のベアリング
２６によって規定される軸回りに回転する。鏡５の、ベ
アリング２６によって規定される軸回りの回転角度が所
望の値となったところでモータ２８は停止する。このよ
うに鏡５の回転角度を、天板２０に鉛直な軸と、天板２
０に平行な軸との回りにそれぞれ所望の角度だけ回転さ
せることにより、球面反射部分４からの光を受光部分２
に入射させることができる。鏡５の、上述の２軸回りの
回転角度の決定の詳細については後述する。

【００４６】図４は、この第１の実施例の制御システム
のブロック図である。図４を参照して、このシステム
は、受光部分２に配置された光学系５１および撮像素子
５０と、撮像素子５０の出力を増幅するためのアンプ５
２と、アンプ５２の出力に基づき、受光部分２への入射
光の角度を検出するための角度検出ユニット５４と、角
度検出作業の際に用いられる角度テーブルを格納するＲ
ＯＭ５６と、角度検出回路５４の出力に基づき、三次元
マウス３の球面反射部分４の空間座標を検出するための
三次元座標検出回路５８と、発光部分１に設けられた発
光ダイオード９と、三次元座標検出回路５８の出力に基
づき、それぞれモータ４８、２８を駆動して鏡５を回転
させるためのドライバ６０、６２とを含む。三次元座標
検出ユニット５８には、上述したキーボード１４、表示
装置１６が接続されている。

【００４７】図５を参照して、角度検出ユニット５４
は、アンプ５２の出力する映像信号をデジタル信号に変
換するためのＡ／Ｄ変換器８６と、デジタル信号に変換
された映像信号を１フィールド分格納するためのフィー
ルドメモリ８８と、フィールドメモリ８８に格納された
映像信号に基づき、球面反射部分４の像の、フィールド
メモリ８８上での重心位置を示す座標データを出力する
ための重心座標検出回路９０と、重心座標検出回路９０
の出力に基づき、角度テーブルＲＯＭ５６を参照して、
入射光の角度を検出するための角度ルックアップ回路９
２とを含む。

【００４８】図４、図５に示されるシステムによる三次
元座標検出の原理を、図６〜図８を参照して説明する。
図６を参照して、空間にｘ、ｙ、ｚの直交三次元座標系
を考える。原点位置に受光部分２（すなわち視点）を置
く。鏡５は、その中心が座標（０，１，１）となる位置
に配置される。また鏡５は、いずれもｙｚ平面上の、式
ｙ＝１で規定される直線６６と、式ｚ＝１で規定される
直線６４とを中心としてそれぞれ、図３に示されるよう
なメカニズムにより回転可能である。

【００４９】今、鏡５を軸６６、６４回りにそれぞれ角
度α_z、α_yだけ回転した結果、図７、８に示されるよ
うに球面反射部分４からの反射光の一部が、鏡５で反射
して受光部分２に到達したものとする。図７、図８にお
いて、折線７０、７４はそれぞれ球面反射部分４から鏡
５を経由して受光部分２に到達する光の、それぞれｘｙ
平面およびｘｚ平面への投影である。また直線６８、７
２はそれぞれ、球面反射部分４から受光部分２に直接到
達する光の、ｘｙ表面およびｘｚ表面への投影である。

【００５０】図７において、鏡５に入射する光の入射角
の補角をβ_zとする。前述のように鏡５とｙ軸とは角α
_zをなす。鏡５によって反射される光の入射角と反射角
とは等しいから、その補角β_zとα_zとは等しくなる。
したがって、図７において折線７０のうち、球面反射部
分４から鏡５までの部分がｙ軸となす角度γ_zは、２倍
のα_zとなる。図７に示されるように球面反射部分４の
ｘ座標およびｙ座標をそれぞれｘ、ｙとすれば、以下の
式が成立する。

【００５１】

【数１】

【００５２】一方、直線６８とｙ軸とがなす角度をθ_z
とすると、次の式（２）が成立する

【００５３】

【数２】

【００５４】式（１）と（２）より、次の式（３）と
（４）が成立する。

【００５５】

【数３】

【００５６】式（３）（４）により、このｘ座標とｙ座
標を得ることができる。同様に図８からは、次の式
（５）（６）が導かれる。

【００５７】

【数４】

【００５８】以上の式（３）〜（６）により、座標
（ｘ，ｙ，ｚ）を得ることができる。なお、式（３）
（５）のいずれからもｘ座標を得ることができる。いず
れの式から得られた値をｘ座標としてもよいし、これら
の式によって得られた値のたとえば平均値をｘ座標とし
てもよい。

【００５９】なお、式（３）〜（６）において、各
α_y、α_zは、鏡５の回転角度から得られる。また各θ
_y、θ_zは、いずれも、撮像素子により得られる画像上
で、球面反射部分４の像の重心の座標位置から、予め用
意されたテーブルを参照することにより特定することが
できる。

【００６０】図４、図５に示されるシステムは以下のよ
うに動作する。発光ダイオード９は、三次元座標検出ユ
ニット５８の制御により光を発射する。この光は球面反
射部分４によって反射される。反射光の一部は直接撮像
素子５０に入射する。反射光の他の一部は鏡５により反
射され、撮像素子５０に到達する。この場合鏡５は、反
射光が撮像素子５０に到達するようにその姿勢が調整さ
れているものとする。

【００６１】撮像素子５０上に設けられた光学系５１は
撮像素子５０の受光面上に、球面反射部分４の像を２つ
結ぶ。この２つの像のうち一方は直接入射光で、他方は
鏡５によって反射された入射光でそれぞれ形成される。

【００６２】撮像素子５０は撮像面上に配置された多数
の受光素子を含む。各受光素子は、入射光の強さに応じ
て電荷を蓄積し、所定のタイミングで順次出力する。出
力される信号はアンプ５２によって増幅され、角度検出
ユニット５４に与えられる。

【００６３】図５を参照して、映像信号はＡ／Ｄ変換器
８６でデジタル信号に変換される。フィールドメモリ８
８は、Ａ／Ｄ変換器８６の出力を順次連続するアドレス
に格納していくことにより、１フィールド分の画像をデ
ジタル信号として記憶する。

【００６４】重心座標検出回路９０は、フィールドメモ
リ８８に格納された画像信号に基づき、球面反射部分４
の２つの像の重心座標をそれぞれ検出し、そのフィール
ドメモリ８８上の位置を示す２組の平面座標の値を出力
する。

【００６５】角度ルックアップ回路９２は、与えられる
１組の座標をキーとして角度テーブルＲＯＭ５６を検索
し、対応する角度を見出して三次元座標検出ユニット８
２に与える。与えられる座標の組が２組あるから、角度
ルックアップ回路９２は、式（３）〜（６）において用
いられる２つの角θ_y、θ_zを出力する。なお、角度テ
ーブルＲＯＭ５６には、フィールドメモリ８８上の像の
座標位置と、被写体からの入射角度との対がテーブルの
形で予め多数格納されていなければならないことに注意
すべきである。ただし、この入射角の計算は、理論的に
は、像の座標から直接計算により求めることもできる。
しかし、このように予めテーブルを準備しておくほうが
簡便である。

【００６６】再び図４を参照して、三次元座標検出ユニ
ット５８は、角度検出回路５４から与えられる２つの角
度θ_y、θ_zと、予めドライバ６０、６２とモータ４
８、２８を介して設定している鏡５の角度α_y、α_zと
に基づき、上述した式（３）〜（６）を計算し、球面反
射部分４の空間座標（ｘ，ｙ，ｚ）を得、これをホスト
システムに与える。

【００６７】キーボード１４、表示装置１６はたとえ
ば、空間座標の原点位置の設定や、キャリブレーション
などの際に用いられるものである。

【００６８】モータ４８、２８は、次のようにして駆動
される。図９を参照して、仮に球面反射部分４が下方に
移動した場合、鏡５上の反射点も下方に移動する。この
場合には、鏡５は、鏡回転装置６により、反射点の移動
に追従するように回転される。このように鏡５を回転す
ることにより、反射点を常に鏡５の中心部に置くことが
できる。そしてこのような鏡５の回転角度の制御は、鏡
５の２つの回転軸のそれぞれにつき独立に行なわれる。

【００６９】以上のようにこの第１の実施例の装置によ
れば、三次元マウス３の球面反射部分４の三次元座標を
計算することができる。図１２に示される従来のシステ
ムの１つと比べ、三次元マウス３に発光部分を設ける必
要がないために、三次元マウス３自体をより軽量かつコ
ンパクトにすることができる。また、鏡５を用いること
により、１つの撮像素子５０を用いて、三角測量の原理
にしたがって三次元座標を得ることができる。そのため
に、従来のように２つの受光素子を用いるシステムと比
べシステムがより簡便となるとともに、システムの構
成、たとえば三角測量の基準となる受光素子間の距離を
変更したりする場合の作業が従来のものと比べて軽減さ
れる。さらに鏡５を本実施例の場合のように２軸回りに
回転可能とすることにより、より広い空間内において任
意の点の座標を知ることが可能となる。なお、鏡５はす
でに述べたように固定されていてもよいし、また１軸回
りのみに回転可能なものであってもよい。また、上述の
実施例では鏡５の中心部分は常に空間の１点にあった。
しかしこの発明はこれには限定されず、鏡５自体を移動
させるようにしてもよい。この場合、鏡５の移動量など
についても検出しておく必要がある。

【００７０】発光部１は、赤外線などを含む特定の周波
数の光や、場合によっては電磁波を発する。そして、反
射光は、球面反射部分４の材質に基づき同定される。三
次元マウス以外の部品を部屋の天井や壁、机等に固定す
ることにより、たとえば一部屋全体の空間内で、任意の
点の三次元座標を得ることができる。

【００７１】図１０は、本発明の第２の実施例にかかる
装置の斜視図である。図１０に示される装置が図２に示
される第１の実施例の装置と異なるのは、図２に示され
る発光部分１が設けられていないことと、１つの鏡５お
よび鏡回転装置６に代えて、フレーム７６上に設けられ
た２つの鏡５ａ、５ｂと、２つの鏡回転装置６ａ、６ｂ
とが設けられていることとである。図２、３と図１０と
において、同一の部品には同一の参照符号と名称が与え
られている。それらの機能も同一である。したがってこ
こではそれらについての詳しい説明は繰返さない。

【００７２】図１０に示される第２の実施例の装置は、
第１の実施例に比べて鏡が１つ増加している。そのため
に、第１の実施例で得られたのと同様の操作を各鏡につ
いて行なうことができ、２組の測定値を得ることができ
る。この２組の測定値に基づき、たとえばその平均値な
どを計算して座標位置とすることにより、第１の実施例
の装置と比べてより高い精度で座標の検出を行なうこと
が可能となる。

【００７３】図１１は、この第２の実施例の装置の制御
システムのブロック図である。図１１を参照して、この
制御システムが図４に示されるシステムと異なるのは、
モータ２８、４８、ドライバ６０、６２に代えて、４つ
のモータ２８ａ、２８ｂ、４８ａ、４８ｂと４つのドラ
イバ６０ａ、６０ｂ、６２ａ、６２ｂを有することと、
１つの鏡５に代えて２つの鏡５ａ、５ｂを有すること
と、式（３）〜（６）に示される角度θ_y、θ_zを１組
だけ検出するための角度検出ユニット５４に代えて、２
つの鏡から得られるデータに基づき、角度θ_y、θ_zを
２組検出するための角度検出ユニット７８を含むこと
と、三次元座標検出ユニット５８に代えて、２対の角度
θ_y、θ_zと、２つの鏡５ａ、５ｂの２組の回転角度α
_y、α_zとに基づき、物体８４の三次元座標を検出して
出力するための三次元座標検出ユニット８２を含むこと
とである。またこのシステムは、図４に示されるような
発光ダイオード９を含まない。

【００７４】図１０、１１に示される第２の実施例の装
置においては、物体８４から撮像素子５０に直接入射す
る光によって結ばれる像と、鏡５ａ、５ｂによって反射
された光によってそれぞれ結ばれる像とによって、第１
の実施例と同様の計算がそれぞれ行なわれる。三次元座
標検出ユニット８２は、このようにして得られた２組の
三次元座標値から、各座標の平均値を得ることなどによ
り、１組の三次元座標値を出力する。

【００７５】この第２の実施例の装置は、発光部分１を
含まない。しかし、たとえば周囲が十分明るい場所で
は、撮像素子５０によって撮影される画像から必要な情
報を得ることができる。発光部分を必要としないため
に、たとえば発光部分から放射された光が途中で他の物
体に邪魔されて測定対照に到達しない場合でも、物体８
４の三次元座標値を得ることが可能である。また、２つ
の鏡５ａ、５ｂのうちの一方からの反射光が他の物体に
よって邪魔されても、残る一方の鏡からの光によって物
体の座標を検出することができる。また、従来技術の１
つに示されたように磁場の変化を検出して三次元座標を
検出するものではないために、測定空間内に金属物など
があっても測定精度に悪影響が及ぼされない。

【００７６】なお、鏡の数としては２つに限定されず、
数個の鏡を用いてもよい。また、一部の鏡が固定され、
他の鏡のみが回転可能であってもよい。

【００７７】

【発明の効果】以上のように、請求項１に記載の発明に
よれば、空間を移動する物体には、電源やセンサを設け
る必要はなく、かつ受光部分は１台でよく、広範囲な三
次元空間内の座標を入力することができる。

【００７８】請求項２に記載の発明によれば、反射手段
を設けたために、イメージ位置センス手段を２つ設けな
くても、三角測量の原理にしたがって特定の物体の三次
元座標を計算により得ることができる。２つのイメージ
位置センス手段を所定の位置に配置する必要がないため
に、装置の構造が簡略となり、さらに装置の構成も容易
に変更することができる。その結果、三次元座標系内の
任意の点を指定して座標を特定することができる、簡易
な構造の新規な三次元空間座標入力装置を提供できる。

【００７９】請求項３に記載の発明によれば、三次元座
標系内の広い空間内の任意の点に対し、その座標を特定
するための計算を、複数個の反射手段によって得られた
データに基づき複数回行なうことができる。したがって
座標の計算結果の精度が高くなる。また、反射手段を複
数個設けたために、一部の反射手段を利用できないよう
な位置の点についても、他の反射手段を用いて座標計算
を行なうことができる。その結果、三次元座標系内の広
い空間内の物体の座標を高い精度で特定できる、簡易な
構造の新規な装置を提供することができる。

【００８０】請求項４に記載の発明によれば、輻射手段
から輻射された所定波長の輻射線のうち、物体で反射し
て直接イメージ位置センス手段に入射する輻射線と、反
射手段によって一旦反射されてイメージ位置センス手段
に入射する輻射線とを用い、三角測量の原理にしたがっ
てこの輻射線を反射した物体の空間座標を計算すること
ができる。イメージ位置センス手段は１つであればよ
い。所定波長の輻射線を用いるために、イメージ位置セ
ンス手段での像の位置の検出がより確実に、より容易に
行なわれ、このような輻射手段を設けない場合と比べ、
空間内のより広い範囲に物体が存在していてもその座標
を計算することが容易になる。その結果、三次元座標系
内の広い空間内の任意の点を指定して、その座標を高い
精度で特定することができる、簡易な構造の新規な装置
を提供できる。請求項５に記載の発明においては、位置
指示部材の曲面部分を所定領域内の任意の位置に置くこ
とにより、その曲面部分で反射される輻射線を用い、三
角測量の原理にしたがってその曲面部分の空間座標を計
算することができる。位置指示部材には、発光源を設け
る必要がないために何らの電源を設ける必要はなく、よ
り軽量で機動的に所定領域内で移動させることができ
る。また、位置指示部材に曲面部分を準備しているため
に、輻射手段から輻射された輻射線がこの曲面部分によ
って確実に反射され、その座標検出をより確実に、容易
にすることができる。その結果、三次元座標系内の広い
空間内の任意の点を指定して、その座標を高い精度で特
定することができる、従来装置よりも簡易な新規な装置
を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の原理を示す模式図である。

【図２】図２は、本発明の一実施例の装置の斜視図であ
る。

【図３】図３は、図２に示される装置の一部の、一部破
断した斜視図である。

【図４】図４は図２に示される装置のシステムブロック
図である。

【図５】図５は、角度検出ユニットのより詳細なブロッ
ク図である。

【図６】図６は、本発明における鏡の配置を示す模式図
である。

【図７】図７は、座標（ｘ，ｙ）を計算する原理を示す
模式図である。

【図８】図８は、座標（ｘ，ｚ）を計算する原理を示す
模式図である。

【図９】図９は、鏡の駆動の原理を示す模式図である。

【図１０】図１０は、本発明の第２の実施例にかかる装
置の斜視図である。

【図１１】図１１は、第２の実施例のシステムブロック
図である。

【図１２】図１２は、仮想現実感システムのブロック図
である。

【図１３】図１３は、位置検出のための、従来のシステ
ムの一例の模式図である。

【図１４】図１４は、データグローブの斜視図である。

【図１５】図１５は、三角測量の原理を用いる、従来の
空間位置検出システムの模式図である。

【符号の説明】

１発光部分２受光部分３三次元マウス４球面反射部分５鏡６鏡回転装置７仮想的な受光部分８光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固定された輻射線の発信装置と、これにある距離を隔てて固定された輻射線の受信装置
と、空間を移動する物体に設けられた曲面反射部分と、空間のある位置に設けられた反射角度を変更できる反射
鏡と、反射鏡の駆動装置とを有する三次元空間座標入力装置。
【請求項２】三次元空間の所定領域内に配置された特
定の物体から入射する輻射線を所定平面上に収斂させて
像を形成し、前記像の、前記所定平面上における位置を
検出するためのイメージ位置センス手段と、前記特定の物体の輻射する輻射線を反射して、前記イメ
ージ位置センス手段に入射させるための反射手段と、前記特定の物体によって輻射され、前記イメージ位置セ
ンス手段に直接入射する直接入射輻射線により形成され
る像の、前記所定平面上の位置と、前記特定の物体によ
り輻射され、前記反射手段によって反射されて前記イメ
ージ位置センス手段に入射する間接入射輻射線により形
成される像の、前記所定平面上の位置とに基づき、前記
特定の物体の、前記三次元空間内に規定された三次元座
標系の座標を計算するための座標計算手段とを含む、三
次元空間座標入力装置。
【請求項３】複数個の前記反射手段を含む、請求項２
に記載の三次元空間座標入力装置。
【請求項４】所定波長の輻射線を前記所定領域内に向
けて輻射するための輻射手段をさらに含む、請求項２に
記載の三次元空間座標入力装置。
【請求項５】前記所定領域内の任意の位置におかれる
位置指示部材をさらに含み、前記位置指示部材は、入射する輻射線を反射するための
曲面部分を含む、請求項４に記載の三次元空間座標入力
装置。