JPH11513483A - 位置及び方位を決定する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、物体の自由度を決定する方法に関し、特に、ヘッドマウント型ディスプレイ及びハンドルの最大６つの自由度を決定する装置に関する。第１のカメラが、ヘッドマウント型ディスプレイに取り付けられていて、光学変調ターゲットを感知する。第１のカメラのビデオ出力信号をディジタルコンピュータで処理して、ヘッドマウント型ディスプレイの位置及び方位を決定する。第２のカメラが、ヘッドマウント型ディスプレイに取り付けられていて、ハンドルに取り付けられている光学変調ターゲットを感知する。第２のカメラのビデオ出力信号をディジタルコンピュータで処理して、ハンドルの位置及び方位を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】 位置及び方位を決定する方法及び装置 発明の分野 本発明は、物体の自由度を決定する技術に関し、より詳細には、ヘッドマウン ト型ディスプレイ及びハンドルの最大６つの自由度を決定する装置に関する。 多くの仮想現実すなわちバーチャルリアリティのアプリケーション及びコンピ ュータゲームは、コンピュータに位置情報を入力する手段を備えている。バーチ ャルリアリティ及びコンピュータゲームは、ますます精巧になるにつれて、三次 元で動作するコンピュータ用入力周辺機器に対する需要が高まっている。アプリ ケーションは、コンピュータ支援設計、コンピュータシミュレーション、バーチ ャルリアリティ、ゲーム等を含む。物体の位置及び方位は、三次元において、６ つのパラメータ（自由度又は運動度として知られている）によって完全に特定さ れる。上記パラメータの中の３つのパラメータは、原点に対する物体の並進方向 の位置（通常は、Ｘ、Ｙ及びＺと呼ばれる）に関係し、一方、他の３つのパラメ ータは、基準方向のベクトル及び／又は物体自身に対する物体の方位（ヨー（片 揺れ）、ピッチ（縦揺れ）、及び、ロール（横揺れ）と呼ばれることが多い）に 関係する。そのような情報をコンピュータに伝送する装置は、トラッカー（又は 、位置トラッカー）として知られている。バーチャルリアリティのアプリケーシ ョンにおいては、トラッカーは、一般的に、ヘッドマウント型ディスプレイ（Ｈ ＭＤ）に取り付けられていて、コンピュータが空間中のユーザの頭部の位置を追 跡することができるようにしている。上記位置情報を用いて、ユーザのＨＭＤに 与えられるコンピュータ生成シーン（コンピュータが生成するシーン（光景）） を更新する。別のトラッキング装置（追跡装置）が、ハンドル又はピストルグリ ップの中に組み込まれているか、あるいは、そのようなハンドル又はピストルグ リ ップに取り付けられている。コンピュータは、上記ハンドルのトラッキング装置 からの位置情報を用いて、ビデオゲーム用の仮想の「銃」の位置の追跡を含む作 業を行うと共に、仮想の物体の操作を行う。 三次元的な自由度をコンピュータに伝送する種々の機器が知られているが、そ のような機器は各々、本発明が指摘する重大な欠点を有している。 ６つの自由度を決定する機械的な装置が、米国特許第５，２３０，６２３号に 記載されている。この装置、及び、類似の装置は、一連の複雑な関節アームを備 えており、物体（この場合には、ポインタ）の位置は、上記アームを接続してい る各々のジョイントの位置を分析することによって、計算される。このタイプの 装置の作動は煩雑であり、その理由は、動きが厳しく制約され（いわゆるジンバ ルロック現象に起因する）、また、各アームの長さによって制限される範囲が厳 しく制約されるからである。あらゆる誤差が各アームの長さによって大きく増幅 されるので、各ジョイントの角度の測定には極めて高い精度が要求される。また 、アーム又はジョイントの撓み又は遊びは、測定誤差の原因になる。他の欠点は 、上記ポインタはアームに機械的に接続されていて、空間を自由に移動すること ができないということである。 三次元的な自由度を計算する他の周知の方法は、ハンドヘルド型の装置の中で 直交方向に配置された加速度計及び速度センサを用いており、そのような方法は 、例えば、米国特許第５，１８１，１８１号及び米国特許第５，１２８，６７１ 号に記載されている。そのような装置は、絶対的な位置情報ではなく相対的な位 置情報しか与えず、従って、使用の度毎に既知の位置に対して校正し直さなけれ ばならない。また、上記装置は、位置（加速度計からの出力相殺誤差に対する感 度が極めて高い）を決定するために、加速度計の出力の二重積分関数を使用する 。センサの定常偏差に起因する位置誤差は、演算時間の二乗に比例する。 電磁装置は、一般的に、一連の３つのソースコイル（各軸線に関して１つ）を 用いており、これらソースコイルは、時分割多重化又は周波数分割多重化を用い て、磁界を発生する。３つの検知コイルから成る対応する一組の検知コイルが、 上記ソースコイルに対して相対的に移動する。これら検知コイルからの出力がコ ンピュータによって分析され、位置情報及び方位情報が与えられる。上記装置は 、電気的及び磁気的な干渉、並びに、付近の鉄金属物体からの干渉を受ける。ま た、上記装置は、範囲、位置及び方位の精度に関する大きな制約を有している。 図１は、電子ビデオカメラ及び基準フレームを示している。 図２は、光学変調ターゲットの好適実施例を示している。 図３は、ビデオ画像の記憶及び処理を行うための電子的なハードウェアを示し ている。 図４は、本発明の方法の好適実施例のフローチャートである。 図５は、本発明の好適実施例を示している。 図６は、大型のパターン及び小型のパターンから成る光学変調ターゲットを示 している。 図７は、複数の光学変調ターゲットを示している。 図８は、カメラレンズの幾何学的歪みの影響を取り除く方法のフローチャート である。 図９は、本発明の好適実施例を採用しているヘッドマウント型ディスプレイを 示している。 図１０は、光学変調ターゲットを備えるハンドルを示している。 図１１は、複数の光学変調ターゲットを備えるハンドルを示している。 本発明の好適実施例においては、電子ビデオカメラの自由度は、基準フレーム に関して決定される。図１は、カメラ１００と、基準フレーム１１０とを示して いる。基準フレーム１１０は、通常、３つの並進方向の自由度（通常、ｘ、ｙ及 びｚと呼ばれる）が各々ゼロに等しくなる点（原点として知られる）１１１と、 互いに直交してｘ、ｙ及びｚをそれぞれ増大させる方向を規定する３つの三次元 ベクトル１１２、１１３、１１４から成るベクトルの組によって決定される。カ メラ１００は、一般的な電子ビデオカメラであって、画像センサ１０１と、光学 的撮像手段１０２と、上記センサに入射する画像を電子ビデオ信号に変換するた めの電子回路１０３とから構成されている。好適実施例においては、画像センサ １０１は、シャープ（株）（Sharp Electronic Corporation）の LZ2346 の如き 二次元的なピクセルアレイとして配列された電荷結合素子（ＣＣＤ）であり、光 学的撮像手段１０２は、ユニバーサル光学社（Universe Kogaku）の V-2020 の 如きテレビジョン・カメラレンズであり、電子回路１０３は、同シャープ（株） （Sharp Electronics）の LZ95G69 及び IR3P69 集積回路を用いてセンサ１０１ と組み合わせて構成することができる。ＣＣＤ画像センサは、横型効果フォトダ イオード（又は、位置感知検知器（ＰＳＤ）を用いる従来技術の方法よりも好ま しく、その理由は、一般的に低コストであり、必要とする精密なアナログサポー ト要素の数が少なく、また、本発明においては、迷光の影響に起因する誤差に対 する感度が低いからである。更に、ＣＣＤセンサは、極めて多くの光源の位置を 同時に記録することができる。一般的に、横型効果フォトダイオードは、一時に 一つの光源の位置しか記録することができない。 カメラ１００は、図２に示す光学変調ターゲット（光学的に変調されるターゲ ット）２００を観察すなわち感知するために使用される。一般的に、光学変調タ ーゲットは、該ターゲットの範囲にわたって変化する光学特性を有しているター ゲットである。ターゲットの有する光学特性は、多くの態様で変化する。単純な ターゲットは、１又はそれ以上の黒い形状が印刷されている白い用紙とすること ができる。他の形態のターゲットは、所定のパターンで配列された発光ダイオー ド（ＬＥＤ）である。本発明の光学変調ターゲットの他の種々の性質及び実施例 は、本明細書に記載される発明の開示から明らかとなろう。カメラ１００を用い て光学変調ターゲット２００を感知する作業は、図４に示すフローチャートのボ ックス４１０の中に示されている。 光学変調ターゲット２００は、基準フレーム１１０に関して既知の空間的な関 係を有している。すなわち、ターゲット２００の位置及び方位は、基準フレーム １１０に関して既知である。好適実施例においては、ターゲット２００の位置及 び方位は、基準フレームを効果的に規定する。そのような実施例においては、タ ーゲットの中心点として知られるターゲット２００上の点が、基準フレームの原 点１１１に一致する。また、ターゲット２００は、平面的なターゲットであって 、該ターゲットの平面は、互いに直交する３つの方向ベクトル１１２、１１３、 １１４の中の２つの方向ベクトルによって規定される平面と一致する。更に、タ ーゲット２００は、上記平面を規定する２つの方向ベクトルの一方に一致する方 位を有している。 カメラ１００が光学変調ターゲット２００を感知すると、該ターゲットの画像 を表すビデオ信号が発生する。このビデオ信号は、その後ディジタルコンピュー タによって処理されて、上記ターゲットに関するカメラの最大６つの自由度が発 生する。ターゲットは、基準フレームに関して既知の空間的な関係を有している （この好適実施例においては、ターゲットは実際に基準フレームを規定している ）ので、基準フレームに関するカメラの上記６つの自由度を決定することができ る。 好適実施例においては、上記光学変調ターゲットは、正方形、又は、正方形の 輪郭を有している。そのようなターゲットの画像が、カメラの画像センサ上に形 成され、ビデオ信号が発生される。一般的なケースにおいては、上記正方形の画 像は正方形にはならないことに注意することが重要である。上記正方形の画像は 、正方形ではなく、カメラから見た場合に正方形の図になる。上記正方形の斜視 図を分析することによって、カメラの自由度を推定することができる。斜視図は 共線性を維持するので、上記正方形の画像は、依然として４辺を有しており、四 辺形と呼ばれる。 カメラのビデオ信号は、図３に示すように、アナログ／デジタルコンバータ３ ２０によってディジタル化されて、デジタル画像記憶装置３００に記憶され、そ の後、ディジタルコンピュータ３１０によって処理される。上記素子３００、 ３１０、３２０は、図５に示す単一のハンドヘルド型パッケージ５００の中にカ メラ１００と共に配置されるのが好ましい。上記ハンドヘルド型パッケージは、 該パッケージに設けられた押しボタンスイッチ５１０を有するのが好ましく、こ の押しボタンスイッチは、例えば、「フリーズ（freeze）」命令の如きユーザか らの追加の情報を送信するためのものである。上記パッケージは、複数の脚部５ ２０の上に支持することができ、これにより、光学変調ターゲット５３０の上方 に静止状態で着座することができる。上記光学変調ターゲットは、回転式食卓（ lazy Susan）の如き回転可能な面の上に取り付けることができる。また、ハンド ヘルド型パッケージ５００は、関節アーム又は可撓性のグーズネックに接続され てこれにより支持され、これにより、オペレータの疲労を減少させると共に、安 定性を高めることができる。ハンドヘルド型パッケージ５００用の支持のグリッ プ構造を設けることができ、これにより、カメラは、あるタイプのグリップによ って下方を向き、別のタイプのグリップによって前方を向き、更に別のタイプの グリップによって上方を向くようにすることができる。調節可能なグリップ構造 を設けることもできる。 アナログ／デジタルコンバータ３２０は、４ビットの精度を有するのが好まし いが、任意の数のビットの精度を用いることができる。１ビットを用いて、コン バータ及び画像記憶装置のコストを低減することができる。反対に、後に説明す るように、５ビット以上を用いて、６つの自由度をより正確に評価することがで きる。アナログ／デジタル変換、及び、記憶装置への記憶のプロセスは、図４の フローチャートのボックス４２０の中に示されている。 コンピュータ３１０は、記憶装置３００に記憶されたデジタル画像を検査して 、黒から白への遷移部すなわち画像のエッジを探索する。このプロセスは、図４ のフローチャートのボックス４３０の中に示されている。そのようなエッジを発 見した後に、四辺形の周囲のエッジに従う経路を該経路がそれ自身に戻るまで追 跡することによって、上記四辺形（すなわち、正方形の画像）の輪郭を決定する こ とができる。このプロセスは、図４のフローチャートのボックス４４０の中に示 されている。上述の経路を追跡するためのアルゴリズムは、輪郭追跡アルゴリズ ムという名前で、画像処理の分野において広く知られている。簡単で好適なアル ゴリズムが、リチャード オー．デューダ及びピーター イー．ハート（Richar d O．Duda and Peter E．Hart）の「パターンの分類化及び光景の分析」（ジョ ン ウィリー及びサンズ，ニューヨーク、米国コピーライト１９７３、ｐ．２９ １）(Pattern Classification and Scene Analysis(John Wiley and Sons，New York,NY,USA，copyright 1973，p.291))に記載されている。上記輪郭追跡アルゴ リズムの結果は、上記四辺形の境界線の付近の点の（ｘ，ｙ）座標のリストであ り、ここでは、エッジ点リストとして知られている。 上記エッジ点リストをコンピュータ３１０で更に分析して、四辺形の頂点が位 置する箇所を決定することができる。好適な処理手段は、上記エッジ点リストの 中で比較的短く等しい間隔にある３つの点によって形成される角度を検査するこ とである。上記３点がある頂点の近くになければ、小さな角度（約０°）が示さ れる。上記３点がある頂点の近くにあると、大きな角度が示される。上記正方形 は上述のように斜視図であるので、各頂点における角度は、通常、正確に９０° ではないことに注意する必要がある。 ４つの頂点を概ね特定した後に、上記画像をコンピュータ３１０で更に詳細に 分析して、四辺形の頂点の位置を更に正確に決定する。好適な方法は、四辺形の エッジを横切る短いスキャンを取ることによって開始され、次に、上記スキャン の波形の近似導関数を計算し、該近似導関数のピークの位置を部分的なピクセル 精度に補間する。上記ピーク位置は、エッジ位置評価として知られている。この エッジ位置評価の精度は、記憶されたデジタル画像のピクセル当たりのビット数 に依存する。ピクセル当たりのビット数が４よりも少なければ、精度は低くなる 。ピクセル当たりのビット数が４よりも多ければ、アナログ／デジタルコンバー タ、及び、デジタル画像記憶装置のコストが増大し、結果の精度が大幅に向上す るこ とはない。四辺形の一辺の各端部付近で複数のスキャンを取り、各スキャンから エッジ位置評価を生じさせる。複数のエッジ位置評価を組み合わせ（平均化する ことにより）、これにより、四辺形の一辺の各々の２つの端部付近の点を極めて 高い精度で決定する。四辺形の一辺の上の２つの点から、該辺に一致する線の方 程式が決定される。このプロセスは、残りの３つの辺に関して繰り返され、四辺 形の四辺に関する４つの線形方程式が得られる。隣接する対の辺の交点が、これ ら辺の対応する対の線形方程式を同時に解くことによって、計算される。従って 、４つの交点の点が得られ、これらの点は、極めて高い精度で決定された四辺形 の４つの頂点の位置である。正方形の頂点を見い出すプロセスは、図４のフロー チャートのボックス４５０の中に示されている。 上述の四辺形の頂点の位置を用いて、カメラの６つの自由度をコンピュータ３ １０によって数学的に計算することができる。このプロセスは、図４のフローチ ャートのボックス４６０の中に示されている。付録Ａの「Ｃ」言語コンピュータ プログラム表は、四辺形の頂点の座標からカメラの６つの自由度を計算すなわち 「解読」する好適な方法を示している。四辺形の頂点の位置をより正確に決定す れば、上記６つの自由度をより正確に決定することができる。この理由から、線 分の交点として頂点を決定する上述の方法は、非常に効果的である。この方法は 、デジタル画像の多くの点を利用して、頂点の位置を決定する。従って、この方 法は、画像のノイズ、空間的な量子化効果（すなわち、二次元的なＣＣＤアレイ により与えられる制限された画像サンプリング密度）、及び、デジタル量子化効 果（すなわち、ビット数が制限されたＡ／Ｄ変換によって導入される誤差）に対 する感度が極めて低い。画像の中の明るい点を使用する従来技術の方法は、上記 各効果の影響をより多く受ける傾向がある。 正しい動作を行わせるために、６つの自由度を回収するコンピュータプログラ ムに四辺形の頂点を時計方向に入力する必要がある。各点は元々、輪郭を追跡す ることによって導出されているので、そのような点は、時計方向又は反時計方向 の順序であることに注意する必要がある。反時計方向の順序で検知することは、 それ以前に決定された近似的な頂点の位置の付近に形成される角度の符号を単純 に検証することである。各点が反時計方向であれば、その順序は、図４のフロー チャートのボックス４５５に示すように逆転される。点を入力する順序は重要で あるが、追加の手段を用いなければ、６つの自由度の解は、回転方向において曖 昧であって、実際に、一つの正方形は９０°、１８０°又は２７０°にわたって 回転された場合にそれ自身に一致するので、４つの解が可能であることに注意す る必要がある。すなわち、正方形は、９０°の倍数である回転を受けると、不変 量に見える。これは、画像の四辺形の４つの頂点の中のどの頂点を解答プログラ ムに最初に入力すべきかが分からないということと等価である。従って、好適実 施例においては、図２の光学変調パターン（光学的に変調されるパターン）のマ ーク２２０の如き方位マークをターゲットの正方形と共に与え、これにより、そ の方位マークと組み合わされた正方形が、回転を受けた場合に不変量として見え ないようにする。一般的に、６つの自由度の解における総ての曖昧さを解決する に十分な非対称性を有する任意のパターンを使用することができる。図４のフロ ーチャートのボックス４６０の中で抽出された６つの自由度を用い、また、周知 の斜視図変換技術を用いて、光学変調ターゲット２００上の任意の点の画像の画 像センサ１０１上の点を予測することができる。上述の斜視図変換技術は、例え ば、ウィリアム エム．ニューマン及びロバート エフ．スプロウル（Willlam M.Newman and Robert F.Sproull）のインタラクティブ コンピュータ グラフ ィックスの原理（マグロウヒルブック社、第２版、１９７３、１９７９、pp．３ ３３−３６６）（Principles of Interactive Computer Graphics(Second Editi on, McGraw-Hill Book Company，1973，1979，pp.333-366)）に記載されている 。従って、上述の回転方向の曖昧さから生ずる上記方位マークに関して可能性の ある４つの位置を予測することができる。これら各々の位置を検討することがで き、上記４つの可能性のある位置の中の１つの位置だけの方位を検知することに より、 回転方向の曖昧さを排除することができる。方位マークを検知して曖昧さを排除 する上記ステップすなわち工程は、図４のフローチャートのボックス４７０の中 に示されている。 自由度を計算した後に、通常は、他のコンピュータの如き別の装置に対する出 力が行われる。上記自由度は、出力される前に、更に変換することができ、この 変換は、例えば、上記自由度のいずれかに一定の定常偏差を加えるか、あるいは 、上記自由度のいずれかにある倍率を掛けることによって行われる。 カメラがターゲットに接近しすぎている場合には、該ターゲット上のパターン （例えば、正方形）を完全に観察することができない。すなわち、正方形の画像 は、カメラの視野の外側まで伸長することになる。そのような場合には、上述の 処理、特に、輪郭追跡工程を不作動とする。反対に、カメラがターゲットから離 れすぎている場合には、パターンの正方形が小さくて、観察することができない か、あるいは、パターンの正方形が小さくて、その辺（エッジ）及び頂点の位置 を正確に決定することが困難である。従って、好適実施例においては、上記ター ゲットに、種々のサイズのパターンを設け、カメラが接近している時には、小さ い方のパターンを用い、カメラが離れている時には、大きい方のパターンを用い る。通常は、上記２つのパターンを識別することが重要である。図６に示すター ゲットにおいては、内側の（小さい方の）正方形６００が白で包囲された黒であ り、一方、外側の（大きい方の）正方形６１０が黒で包囲された白であるので、 パターンを容易に識別することができる。例えば、特別に位置決めされたマーク 、あるいは、別の色を使用して正方形を識別する他の手段を採用することができ る。 いままでの例においては、カメラの使用可能な運動範囲、すなわち、６つの自 由度を決定することのできる位置及び方位は、カメラの視野によって制限されて いた。上記視野は、完全に正方形のパターンを収容しなければならず、あるいは 、大小の正方形のパターンを用いる場合には、これら２つのパターンの中の少な くとも一方を収容しなければならず、そうでなければ、６つの自由度を決定する こ とができない。しかしながら、カメラの使用可能な運動範囲、特に、カメラがタ ーゲットに接近している時の並進方向の運動範囲を拡張することが望ましい場合 が多い。そのような拡張は、ターゲットに多くのパターンを設けることによって 行うことができる。このようにすると、カメラは、移動する際に、最初に１つの パターンを見い出し、次に、別のパターンを見い出す。通常は、カメラがどのパ ターンを見い出しているかを識別することが重要である。これは、各々のパター ンに識別マークを追加することによって行うのが好ましい。そのような識別マー クは、ターゲット上の各々の正方形のパターンの独特の識別を可能にする。 図２に示すように、複数のパターンの使用を大小のパターンの使用と組み合わ せることができる。このターゲットは上述の概念を示す。正方形２１０は、大き な正方形の輪郭である。この正方形は、黒で包囲された白である。この正方形は 、また、上述の曖昧さを解消するための大きな方位マーク２２０を正方形の１つ の頂点の付近に有している。上記大きな正方形の中には、９つの小さな正方形２ ３０が設けられている。これら小さな正方形は各々、白で包囲された黒であって 、上記大きな正方形から識別できるようになっている。上記９つの小さな正方形 は各々、該正方形の１つの頂点の付近に方位マーク２４０を有している。また、 上記９つの小さな正方形は各々、各々の小さな正方形の独自の位置に追加のマー ク２５０を有している。このマークの正方形に対する位置が、各々の小さな正方 形を独自に識別可能にする。正方形の画像を方位マークに関して検証するのと同 様に、正方形を検証して識別マークの位置を決定し、従って、ターゲット上の特 定の正方形を識別する。正方形を識別した後に、上述のように抽出された６つの 自由度を、図４のフローチャートのボックス４８０の中に示すように識別された 正方形の既知の関係に基づき、図４のフローチャートのボックス４８０の中に示 すように原点に対して変換する。平坦なターゲットの上で同じ方位に配列された 正方形に関しては、上記変換は、識別された正方形の原点からの並進運動に正に 等しい並進運動である。 作動の際に、２又はそれ以上の小さな正方形が視野の中に同時に存在すること が多い。そのような場合には、正方形から抽出されることになる６つの自由度に 小さな矛盾が存在することがある。好適実施例においては、解読された６つの自 由度は、各々の見えている正方形から解読された値を加重した組み合わせに基づ いており、上記加重は、各々の見えている正方形の各四辺形の画像の面積に比例 する。 カメラの使用可能な運動範囲を更に増大させるために、レンズ及び画像センサ を組み合わせて用いて、少なくとも約１００°の視野を形成するのが好ましい。 上述の LZ2346 センサ及び VL-2020 レンズは、上記視野にほぼ近い視野を提供 する。しかしながら、そのような広角レンズは、「フィッシュアイ（fish-eys） 」歪みと呼ばれることがある幾何学的歪みを生じやすい。幾何学的歪みは、正方 形（斜視図ではない）の画像を筒又は糸巻きのように見せることがある。この現 象は、オプティクスガイド５(メレス−グリオット社、１−１９頁)（Optics Gui de 5 (Melles-Griot Inc.，Irvine，CA，copyright1990，page１−19)）に詳細に 記載されている。６つの自由度を正確に解読するために、上記歪みの影響を排除 しなければならない。これは、画像の中の点の歪んでいない位置を、その歪んだ 位置及び所定の既知の幾何学的歪みに基づいて、計算するプロセスによって行う ことができる。上記幾何学的歪みは、互いに既知の幾何学的関係を有する点から 成る画像の位置を測定することにより、予め決定することができる。例えば、直 線的な線分から成る画像は、レンズの幾何学的歪みの特性によって、概ね湾曲し たり歪んだりする。そのような湾曲した線分の画像を直線化する又は歪みを除去 する関数を発見することにより、画像の中の任意の点の歪みを良好な精度で除去 することができる。そのような関数は、歪み除去関数として知られている。 VL-2020 及び他のレンズに関して、優れた歪み除去関数は、幾何学的歪みをゼ ロ歪み点として知られる画像の中の特定の点の周囲で半径方向において対称にす る。これは、任意の点の歪み量が、上記ゼロ歪み点からの距離だけに依存するこ とを意味している。次に、上記ゼロ歪み点を通る直線的な線分が、直線的な線分 のままであり、その端点だけが変化することになる。従って、あるレンズに関す るゼロ歪み点は、直線的な線分の画像を有する２つの線分の交点を見い出すこと により、見い出すことができる。次に、上記ゼロ歪み点からの各々の距離ｒに関 して、基準化関数を決定することができる。この基準化関数は、ｓ＝ｋ₀＋ｋ₁・ ｒ＋ｋ₂・ｒ²＋ｋ₃・ｒ³＋ｋ₄・ｒ⁴（ｋ₀＝１、ｋ₁、ｋ₂、ｋ₃及びｋ₄は、経験 的に極めて良好に決定される）の形態の四次多項方程式である。歪みを除去すべ き各点の（ｘ，ｙ）座標は、ｓの値によって基準化され、この値ｓは、ｒの四次 多項関数であり、一方、ｒは、ゼロ歪み点からの点の距離である。従って、点の 歪みの除去は、方程式の形態で以下のように行われる。 上式において、（ｘ，ｙ）は、歪みを除去すべき点の座標であり、（ｘ_z，ｙ_z ）は、ゼロ歪み点の座標である。 （２） ｓ＝ k₀＋k₁・r＋k₂・r²＋k₃・r³＋k₄・r⁴ 上式において、ｋ₀＝１であり、ｋ₁，ｋ₁、ｋ₃、ｋ₄は経験的に決定される。 （３） ｘ’＝ｓ・（ｘーｘ_z）＋ｘ_z，ｙ’＝ｓ・（ｙーｙ_z）＋ｙ_z 上式において、（ｘ’，ｙ’）は、（ｘ，ｙ）に対応する歪みが除去された点 の座標である。 上記式１、２及び３の歪み除去プロセスは、図８のフローチャートのボックス ８２０、８３０、８４０の中にそれぞれ示されている。歪みが除去された座標は 、ボックス８１０に示すように、プロセスに入力される。 好適実施例においては、歪み除去関数は、上述の各エッジ位置評価に適用され て、歪みが除去されたエッジ位置評価を発生させる。その後上述のように処理を 継続し、各々エッジ位置評価をその対応する歪みが除去されたエッジ位置評価で 置き換える。 例えば、上述のように方位マーク及び識別マークに関して画像の検証を行う際 に、画像の各点の位置を予測する時には常に、幾何学的歪みを考慮するのが好ま しい。予測された座標を、上述の歪み除去関数の数学的に正確な逆関数である歪 み付与関数に提出するのが好ましい。 カメラの光学系が幾何学的歪みを生ずる状況においては、スポット（例えば、 ＬＥＤの画像）の重心（図心）を見い出す作業を含む従来技術の方法は、上手く 作動しないことがある。その理由は、スポット画像は、その形状が歪むのに十分 なサイズを有しており、従って、歪みが除去されたそれぞれの重心の位置を正確 に特定することが困難であるからである。追跡されるべきエッジを有するターゲ ットを使用する本発明は、重心の計算を全く行わないという利点を有している。 その代わりに、エッジを追跡し、その後、これらエッジに沿う個々の点の歪みを 除去する。各点は、事実上無限小であるので、形状を有しておらず、従って、歪 むことはない。換言すれば、歪んだスポットの重心は、一般的に、スポットの歪 んだ重心と一致せず、一方、歪んだ点は、常に、それ自身と一致する。 幾つかの用途においては、カメラの使用可能な運動範囲は、複数のターゲット を設けることによって、更に増大させることができる。そのようなターゲットが 、基準フレームに関して既知の空間的な関係を有しており、また、そのようなタ ーゲットが、独自に識別可能なパターンを有している場合には、基準フレームに 関するカメラの６つの自由度は、いずれかのターゲットの独自に識別可能なパタ ーンのいずれかを見い出すことによって、決定することができる。図７に示すよ うに、例えば、部屋のサイズ又は建物のサイズの構築物の中で複数のターゲット ７００を用いることができ、そのような場合には、カメラ７１０は、人間の頭又 は手、あるいは、ロボット等の移動物体に取り付けられ、また、複数のターゲッ トは、部屋又は建物の天井、壁及び／又は床に分布される。複数のターゲットは 、既知の所定の配列で設けることができ、あるいは、そのようなターゲットの位 置を最初は決定しないこともできる。この場合には、各々のターゲットに最初に 遭 遇すると、既知の位置を有する別のターゲットもカメラの視界の中にある場合に は、その位置を決定することができる。この位置は、時間経過と共に適時更新す ることができ、これにより、ターゲットに繰り返し遭遇する際に、その位置の精 度を高めることができる。少なくとも１つのターゲットは、基準フレームに関し て既知の関係を有している必要がある。 複数のターゲットを有する他の構成及び用途を本発明の範囲内で考えることが できる。別の例においては、空間中に懸架することのできる立方体又は球体の各 側部にパターンを設けることによって、カメラの使用可能な運動範囲を拡張する 。 使用可能な運動範囲を増大させるための他の手段は、各々異なる方向を向いて いる複数のカメラを使用することである。この場合には、少なくとも１つのカメ ラが、一つのターゲットパターン（ターゲットのパターン）の視野を有する可能 性が高くなる。２以上のカメラが一つのターゲットパターンを見ることができる 場合には、結果を組み合わせることができる。 本発明の光学変調ターゲットは、多くの様式で具体化することができる。ここ で、幾つかの好適実施例を説明する。第１の実施例においては、ターゲットは、 プラスチック透明紙５３０の如き透光性材料から構成されている。この透明紙の 所定の領域を黒インクで印刷して、その透光性を十分に低下させる。印刷を行う 代わりに、マスクを用いて露光されて現像された写真フィルムから上記透明紙を 形成することができる。白熱光源、蛍光灯源、ＬＥＤ、又は、エレクトロルミネ セント光源等とすることのできる比較的均一な光線を用いて、上記透光性材料に バックライトを当てる。このバックライトは、透光性材料の透過性部分を通って 輝き、ターゲット上のパターンを形成する非透光性部分に吸収されるかあるいは 該非透光性部分によって反射される。 好適実施例においては、上記バックライト源は、二列のＬＥＤ５４０から構成 され、これらＬＥＤは、低い矩形状のハウジングの両側部に設けられていて、該 ハウジングの中央に向かって内側を向いている。ＬＥＤによって放出される光線 は、拡散反射板５５０によって上方へ屈折される。上記拡散反射板は、白い紙又 は厚紙を用いて形成することができる。上記拡散反射板は、ハウジングの中のＬ ＥＤの付近では下方に位置しており、ハウジングの中央部に接近するに従って上 記透明紙に接近するように、ハウジングの中を上昇するのが好ましい。上方に屈 折した上記ＬＥＤ光線は、次に、半透明の拡散器５６０を通過する。この半透明 の拡散器は、サイロ工業社(Cyro Industries)のアクリライト′ＦＦ(Acrylite'F F)の如き材料を用いて構成することができる。上記光線は、拡散器５６０を通過 した後に、透光性材料５３０を形成するパターンを通過する。上記透光性材料は 、上記拡散器の直ぐ上方に位置している。 別の実施例においては、白い紙の如き光反射性材料を使用する。この材料の特 定の領域を黒いインクで印刷し、その反射性を十分に低下させる。周囲光線、カ メラに取り付けられた光源、上記材料に対して一定の関係にあって該材料を照射 する光源、あるいは、これらの光源の任意の組み合わせから成る光源によって、 上記材料を前方から照射する。そのような光線は、材料の光反射性部分から反射 し、ターゲット上のパターンを形成する光反射性部分によって吸収される。 上記実施例の変形例においては、リフレックサイト ノース アメリカ社（Re flexite North America）のタイプＤ６５材料の如き再帰反射性材料を用いて、 ターゲットの特定の部分を形成する。再帰反射性材料は、光源からの光線を該光 源の方向に戻す性質を有している。従って、光源７７０がカメラレンズ７２０に 非常に接近して設けられている場合には、上記再帰反射性材料からの光線は、上 記光源に、従って、上記カメラレンズに戻される。この実施例は、長距離の用途 、及び、周囲光線が多い用途に使用可能であり、その理由は、再帰反射性材料は 、カメラレンズの近くの光源によって照射された場合に、極めて明るく輝くから である。この実施例は、また、光エネルギを極めて効果的に使用し、独自の照射 を必要としないターゲットを意味する受動的なターゲットを可能にする。 別の実施例においては、ターゲット上のパターンは、光源自体によって形成さ れる。この実施例の一例においては、各々の正方形の頂点に配列されるＬＥＤと 、方位マーク及び識別マーク用の別のＬＥＤが使用される。このタイプの明るい 点照射を用いる場合には、デジタル画像記憶装置３００を省略し、その代わりに 、いわゆる「オンザフライ（on-the-fly）」のセンサ上の明るい点の（ｘ，ｙ） 座標を単純に記憶することができる。この実施例は、本発明を構成するコストを 低減するが、その結果の精度は劣る。その理由は、正方形の総ての辺を用いて検 証及び処理する場合に比較して、正方形の頂点の精確な位置に関する情報が少な いからである。 上述の照明実施例においては、光源は連続的に作動することができる。これは 、光源が順次作動される従来技術の方法とは対照的である。従来技術の装置にお いては、プロセッサは、光源と同期され、光源の出現時間を用いて、どの光源が 見られているかを識別する。従来技術の方法は、幾つかの欠点を有している。第 一に、光源を順次パルス作動させる制御手段が必要である。第二に、プロセッサ を光源に同期させるために追加の配線が必要である。第三に、個々にパルス作動 される光源を用いると、上述の正方形のパターンの如き比較的長い範囲の辺を有 するパターンを形成することが困難である。第四に、カメラの位置は、同時に収 集された情報ではなく異なる時間において収集された情報から決定され、その結 果、カメラの自由度を抽出する際に誤差が生ずることがある。 別の実施例においては、光源をパルス作動させることができ、このパルス作動 は、カメラのコマ収集速度と同じ速度で行われるのが好ましい。本発明において は、パルス作動を行うことは、２つの潜在的な利点を有している。第一に、短い パルスを用いることにより、カメラの移動により生ずるターゲットパターンのブ レを減少させることができる。これは、例えば、動きの速いスポーツ競技の通常 の写真撮影において高速シャッタを用いることに類似している。第二に、照射強 度（特に、ＬＥＤからの）を、ＬＥＤを損傷させることなく、短いパルスの間に 安定した連続的な値にわたって大幅に増大させることができる。上述の短いパル スの間にだけ、ビデオカメラのシャッタ（電子シャッタが好ましい）が開くよう に同期させると、ＬＥＤの全照射強度を感知することができ、相対的に連続的な 周囲の望ましくない照射光源からの干渉が減少する。パルス作動型の照明方法を 本発明と共に用いることができるが、これは、総ての光源が順序作動されるので はなく、同時にパルス作動されるという点において、パルス作動型の従来技術の 発明とは異なるものである。 上述の実施例の中の幾つかの実施例、並びに、他の実施例は、可視光線又は非 可視光線（光線とは、本発明を開示する目的において、種々の形態の電磁放射線 を意味する）を使用することができる。例えば、人間のユーザに対する散乱を低 減するために、上述のバックライト光源は、シーメンス社（Siemens）SFH487 の 如き非可視赤外線を放出する多数のＬＥＤ（赤外線を放出するダイオードとして ＩＲＥＤ又はＩＲＬＥＤとも呼ばれる）であるのが好ましい。ＬＥＤ又はＩＲＥ Ｄの別の性質は、ほぼ単色光であることである。すなわち、そのようなＬＥＤ又 はＩＲＥＤの放出物は、比較的狭い波長帯域に制限される。この性質は、カメラ が上記波長帯域以外の光線を減衰させる光学フィルタを装備している場合に、有 用である。そのようなフィルタは、通常、帯域が広い傾向がある周囲光線を減衰 させるが、所望のターゲット照射光線は通過させる。露光され現像されたカメラ 用カラーフィルムは、ＩＲＥＤの照射光線を通過させるが広い帯域の周囲照射光 線を減衰させる、廉価で効果的なフィルタを提供する。赤外線照射光線の他の利 点は、ＣＣＤの如きシリコン画像センサのスペクトル感度特性に良く合致すると いうことである。 更に別の実施例においては、パターンは、コンピュータの表示画面の上に、あ るいは、コンピュータの表示画面の一部の上に現れ、種々の色及び／又は輝度か ら成るピクセルから構成される。コンピュータの表示画面は、ＬＣＤ（液晶ディ スプレイ）、ＣＲＴ（陰極線管）、又は、コンピュータの表示画面を形成する他 の任意の技術とすることができる。 好適実施例においては、カメラ９００は、本発明に従って、ヘッドマウント型 ディスプレイ９１０に取り付けることができる。このカメラ９００は、図９に示 すように、天井に設けられた光学変調ターゲット７００を観察するために、概ね 上方を向くようにすることができ、このカメラを用いて、ユーザの頭部の最大６ つの自由度を与えることができる。一般的に、この情報を用いて、コンピュータ がユーザのためにヘッドマウント型ディスプレイに与えるシーン（光景）を更新 する。ヘッドマウント型ディスプレイは、一般的に、各々の目にそれぞれ１つ設 けられる２つの小さなビデオモニタ９２０から構成される。現時点における本発 明によれば、他のカメラ９４０がヘッドマウント型ディスプレイ９２０に取り付 けられていて、ハンドル９５０を観察するために概ね下方を向いている。ハンド ル９５０には、光学変調パターン９６０が取り付けられている。ヘッドマウント 型ディスプレイ９１０に対するハンドル９５０の位置及び角度（自由度）は、光 学変調パターン９６０を感知してビデオ信号を処理するカメラ９４０によって決 定される。 ハンドル９５０の位置及び角度を用いて、ビデオゲーム用の仮想的な「銃」の 位置を追跡したり制御したり、仮想的な物体を操作したりすることができる。好 適実施例においては、ヘッドマウント型ディスプレイ９１０に対するハンドル９ ５０の自由度は、天井の光学変調ターゲット７００によって規定される基準フレ ームに対するヘッドマウント型ディスプレイ９１０の自由度と組み合わせること ができる。このようにすると、基準フレームに対するハンドル９５０の自由度が 得られる。 好適実施例においては、カメラ９００及びカメラ９４０は共に、赤外線ＬＥＤ ９７０を用いて、光学変調パターン７００、９６０を照射することができる。ま た、好適実施例においては、光学変調パターン７００、９６０は、上述の再帰反 射性材料を用いることができる。好適実施例においては、複数のハンドル（すな わち、左手に対して１つ、また、右手に対して１つ）を用いることができる。好 適実施例においては、各々のハンドル９５０の光学変調パターン９６０は、独自 の識別マーク７０を有することができる。 図１０は、本発明のハンドルを詳細に示す図である。ハンドル９５０は、ヘッ ドマウント型ディスプレイ９１０に設けられたカメラ９４０が視覚可能な光学変 調パターン９６０を有している。ハンドルを使用する多くの用途は、１又はそれ 以上のトリガ等を介してコンピュータに信号を送る機能を必要とするので、好適 実施例のハンドル９５０は、追加のマーク３０、４０を備えている。ハンドル９ ５０に設けられる独立したボタン又はトリガ５０Ａ、５０Ｂは、マーク３０、４ ０をそれぞれカメラ９４０に対して遮蔽したり露出させるために使用することの できるシャッタ６０Ａ、６０Ｂをそれぞれ機械的に作動させる。カメラ９４０に 対するハンドル９５０の自由度を決定するために使用されるデジタルプロセッサ を用いて、いずれのマーク３０、４０が見えるかを決定する。このようにすると 、ハンドル９５０に設けられる機械的なボタン５０Ａ、５０Ｂを用いて、電気的 な接続を必要とすることなく、ボタンの状態をコンピュータに与えることができ る。また、マーク３０、４０は、独立したシャッタ６０Ａ、６０Ｂによって部分 的に又は完全に覆うことができ、これにより、「スロットル」型の機能を可能に する。この場合には、デジタルプロセッサは、マークの中の幾つが見えているか に基づく値を発生する。好適実施例においては、上記マークは、上述の再帰反射 性材料を用いることができる。 マーク３０又は４０をカメラに対して選択的に遮蔽又は露出する他の種々の方 法が存在する。上記マークは、ボタン又はトリガに取り付けることができる。ト リガが引かれると、上記マークは、カバーの下を動く。そうではなく、上記マー クは、回転機構とすることができ、この回転機構は、上方又は下方に回転するこ とによって、上記マークを露出又は遮蔽する。また、上記マークは、ボタンを押 すことにより点灯される個々の光線又はＬＥＤとすることができる。本発明の範 囲内で、光学マークをカメラに対して選択的に露出又は遮蔽する任意の方法を考 えることができる。 本発明によれば、ハンドルは、複数のパターンを有することができる。ハンド ル９０は、図１１に示すように、各々異なる角度にある複数のパターン８０Ａ、 ８０Ｂ、８０Ｃを有している。複数のパターンを付すの角度に設けることにより 、自由度の範囲が増大する。ユーザの手がハンドル９０を傾斜させると、カメラ ９４０は、１又はそれ以上のパターン８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃを観察することが できる。好適実施例においては、各々のパターン８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃは、独 自の識別マークを有することができる。 図９に示すヘッドマウント型ディスプレイは、２つのカメラ９００、９４０を 有している。カメラ９００を用いて、ユーザの頭部の自由度を決定し、また、カ メラ９４０を用いて、ハンドル９５０の自由度を決定する。各々のカメラは、ビ デオ信号を発生し、図３に示す要素で処理される。しかしながら、両方のカメラ は、デジタル記憶装置３６０、ディジタルコンピュータ３１０、及び、他の回路 を共有することができる。例えば、両方のカメラは、同じ駆動回路によって同時 に駆動することができる。カメラ９００からのディジタル化されたビデオは、記 憶場所の上位４ビットに記憶し、また、カメラ９４０からのディジタル化された ビデオは、同じ記憶場所の下位４ビットに記憶される。次に、２つのカメラから のビデオを同じディジタルコンピュータ３１０によって別々に処理することがで きる。各々のカメラからのビデオは、ヘッドマウント型ディスプレイ及びハンド ルの位置及び方位に必要とされる更新速度に応じて、選択的に処理されあるいは 無視される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ダンフィー，ロバート，エッチ. アメリカ合衆国．18966 ペンシルヴァニ ア，ホランド，ブラックロック ドライヴ 72

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．光学変調ターゲットに対して既知の空間的な関係を有する基準フレームに関 するカメラの少なくとも３つの自由度を決定する方法であって、 （ａ）前記カメラを用いて前記光学変調ターゲットの少なくとも一部を感知 してビデオ信号を発生する工程と、 （ｂ）デジタル計算手段を用いて前記ビデオ信号を処理する工程とを備える ことを特徴とする方法。 ２．基準フレームに関するカメラの少なくとも３つの自由度を決定する装置に使 用される光学変調ターゲットであって、当該光学変調ターゲットは、前記基準フ レームに対して既知の空間的な関係を有していることを特徴とする光学変調ター ゲット。 ３．請求項２に記載の光学変調ターゲットにおいて、当該光学変調ターゲットは 、少なくとも１つの大型のパターンと、少なくとも１つの小型のパターンとを備 えることを特徴とする光学変調ターゲット。 ４．請求項３に記載の光学変調ターゲットにおいて、前記カメラが当該光学変調 ターゲットから比較的離れている時には、前記少なくとも１つの大型のパターン を用いて、前記カメラの少なくとも３つの自由度を決定し、また、前記カメラが 当該光学変調ターゲットに比較的接近している時には、前記少なくとも１つの小 型のパターンを用いて、前記カメラの少なくとも３つの自由度を決定することを 特徴とする光学変調ターゲット。 ５．請求項２に記載の光学変調ターゲットにおいて、当該光学変調ターゲットは 、複数のパターンを備えており、これら複数のパターンの中の任意の１つのパタ ーンを感知するだけで、前記カメラの少なくとも３つの自由度を決定することが できることを特徴とする光学変調ターゲット。 ６．請求項２に記載の光学変調ターゲットにおいて、当該光学変調ターゲットは 非対称形であり、前記カメラの少なくとも３つの自由度を決定する際の曖昧さが 総て除去されることを特徴とする光学変調ターゲット。 ７．請求項５に記載の光学変調ターゲットにおいて、前記複数のパターンの各々 が独自に識別可能であることを特徴とする光学変調ターゲット。 ８．請求項１に記載の方法において、前記カメラは、少なくとも約１００°の視 界を有することを特徴とする方法。 ９．請求項１に記載の方法において、前記カメラは、光学的な撮像手段を備えて おり、該光学的な撮像手段は、所定の幾何学的歪みを発生し、 前記ビデオ信号を処理する工程は、 第１の点の第１の座標を決定する工程と、 第２の点の第２の座標を決定する工程とを含んでおり、前記第２の座標は、 前記第１の座標と、前記所定の幾何学的歪みに依存することを特徴とする方法。 １０．請求項１に記載の方法において、前記光学変調ターゲットは、複数のパタ ーンを備えており、当該方法は更に、前記複数のパターンの中の少なくとも２つ のパターンから決定される数値を組み合わせて、前記少なくとも３つの自由度を 決定することを特徴とする方法。 １１．基準フレームに関するカメラの少なくとも３つの自由度を決定するシステ ムにおいて、 複数の光学変調ターゲットを備えており、これら複数の光学変調ターゲット の各々が、前記基準フレームに対してある空間的な関係を有していることを特徴 とするシステム。 １２．請求項２に記載の光学変調ターゲットにおいて、当該光学変調ターゲット は、空間的に変化する透光率を有しており、光源によって放出される光線の少な くとも一部が、前記光学変調ターゲットを通って前記カメラに伝達されることを 特徴とする光学変調ターゲット。 １３．請求項２に記載の光学変調ターゲットにおいて、当該光学変調ターゲット は、空間的に変化する光学的な反射率を有しており、光源によって放出される光 線の少なくとも一部が、当該光学変調ターゲットによって前記カメラに反射され ることを特徴とする光学変調ターゲット。 １４．請求項１３に記載の光学変調ターゲットにおいて、前記光源は、前記カメ ラに取り付けられていることを特徴とする光学変調ターゲット。 １５．請求項１３に記載の光学変調ターゲットにおいて、当該光学変調ターゲッ トは、再帰反射性反射板を備えることを特徴とする光学変調ターゲット。 １６．請求項２に記載の光学変調ターゲットにおいて、当該光学変調ターゲット は、所定の空間的な配置で設けられている複数の光源を備えることを特徴とする 光学変調ターゲット。 １７．請求項１に記載のカメラにおいて、前記カメラは、ヘッドマウント型ディ スプレイに取り付けられていることを特徴とするカメラ。 １８．請求項１１に記載のシステムにおいて、前記基準フレームに対する前記各 々の光学変調ターゲットの空間的な関係が予め決定されていることを特徴とする システム。 １９．請求項１１に記載のシステムにおいて、前記基準フレームに対する前記総 ての複数の光学変調ターゲットの未知の空間的な関係は、前記基準フレームに対 して既知の空間的な関係を有する少なくとも１つの光学変調ターゲットを用いて 決定され、前記既知の及び前記未知の光学変調ターゲットは、前記カメラの視野 の中に同時に存在することを特徴とするシステム。 ２０．請求項１９に記載のシステムにおいて、前記基準フレームに対する前記光 学変調ターゲットの空間的な関係は、時間経過と共に適時更新されることを特徴 とするシステム。 ２１．光学変調ターゲットが取り付けられているハンドルのカメラに対する少な くとも３つの自由度を決定する方法であって、 （ａ）前記カメラを用いて前記光学変調ターゲットの少なくとも一部を感知 してビデオ信号を発生する工程と、 （ｂ）デジタル計算手段を用いて前記ビデオ信号を処理する工程とを備える ことを特徴とする方法。 ２２．請求項２１に記載の方法において、前記カメラは、ヘッドマウント型ディ スプレイに取り付けられていることを特徴とする方法。 ２３．請求項２１に記載の方法において、前記光学変調ターゲットは、少なくと も１つの大型のパターンと、少なくとも１つの小型のパターンとを備えているこ とを特徴とする方法。 ２４．請求項２１に記載の方法において、前記ハンドルが前記カメラから比較的 離れている時には、前記少なくとも１つの大型のパターンを用いて、前記ハンド ルの少なくとも３つの自由度を決定し、前記ハンドルが前記カメラに比較的接近 している時には、前記少なくとも１つの小型のパターンを用いて、前記ハンドル の少なくとも３つの自由度を決定することを特徴とする方法。 ２５．請求項２１に記載の方法において、前記光学変調ターゲットは、複数のパ ターンを備えており、これら複数のパターンの中の任意の１つのパターンを感知 することにより、前記ハンドルの少なくとも３つの自由度を十分に決定すること ができることを特徴とする方法。 ２６．請求項２１に記載の方法において、前記光学変調ターゲットは非対称形で あり、前記ハンドルの前記少なくとも３つの自由度を決定する際の曖昧さが総て 除去されることを特徴とする方法。 ２７．請求項２５に記載の方法において、前記複数のパターンの各々が独自に識 別可能であることを特徴とする方法。 ２８．請求項２１に記載の方法において、前記カメラは、少なくとも約１００° の視野を有していることを特徴とする方法。 ２９．請求項２１に記載の方法において、前記カメラは、光学的な撮像手段を備 えており、該光学的な撮像手段は、所定の幾何学的歪みを発生し、 前記ビデオ信号を処理する工程は、 第１の点の第１の座標を決定する工程と、 第２の点の第２の座標を決定する工程とを備えており、前記第２の座標は、 前記第１の座標と、前記所定の幾何学的歪みとに依存することを特徴とする方法 。 ３０．請求項２１に記載の方法において、前記光学変調ターゲットは、複数のパ ターンを備えており、当該方法は更に、前記複数のパターンの中の少なくとも２ つのパターンから決定される数値を組み合わせて、前記少なくとも３つの自由度 を決定する工程を備えることを特徴とする方法。 ３１．請求項２１に記載の方法において、複数の光学変調ターゲットが前記ハン ドルに取り付けられており、前記複数の光学変調ターゲットの中の任意の１つを 感知することにより、前記カメラに対する前記ハンドルの前記少なくとも３つの 自由度を十分に決定することができることを特徴とする方法。 ３２．請求項２１に記載の方法において、前記光学変調ターゲットは、空間的に 変化する透光率を有しており、光源によって放出される光線の少なくとも一部が 、前記光学変調ターゲットを通って前記カメラに伝達されることを特徴とする方 法。 ３３．請求項２１に記載の方法において、前記光学変調ターゲットは、空間的に 変化する光学的な反射率を有しており、光源によって放出される光線の少なくと も一部が、前記光学変調ターゲットによって前記カメラへ反射されることを特徴 とする方法。 ３４．請求項３３に記載の方法において、前記光源は、前記カメラに取り付けら れていることを特徴とする方法。 ３５．請求項３３に記載の方法において、前記光学変調ターゲットは、再帰反射 性反射板を備えていることを特徴とする方法。 ３６．請求項２１に記載の方法において、前記ハンドルは、選択的に可変な光学 的な性質を有する領域を備えており、前記可変の光学的な性質は、前記カメラに よって検知されることを特徴とする方法。 ３７．請求項３６に記載の方法において、前記検知された可変の光学的な性質は 、コンピュータに送信されることを特徴とする方法。 ３８．請求項３６に記載の方法において、前記領域は、再帰反射性のマークを選 択的に遮蔽又は露出させることによって変化されることを特徴とする方法。 ３９．請求項３６に記載の方法において、前記領域は、機械的なトリガによって 選択的に遮蔽又は露出されることを特徴とする方法。 ４０．請求項３６に記載の方法において、可変の光学的な性質を有する前記領域 は、機械的なボタンを用いて選択的に遮蔽又は露出されることを特徴とする方法 。 ４１．請求項３６に記載の方法において、可変の光学的な性質を有する前記領域 は、選択的に且つ部分的に遮蔽又は露出されることを特徴とする方法。 ４２．請求項４１に記載の方法において、前記検知された可変の光学的な性質は 、比例的にコンピュータに送信されることを特徴とする方法。 ４３．請求項３６に記載の方法において、前記可変の光学的な性質を有する領域 は、前記ハンドルのオペレータによって制御される光線から構成されることを特 徴とする方法。 ４４．第２の光学変調ターゲットに対して既知の空間的な関係を有する基準フレ ームに関する第１の光学変調ターゲットが取り付けられているハンドルの少なく とも３つの自由度を決定する方法であって、 （ａ）カメラを用いて前記第１の光学変調ターゲットの少なくとも一部を感 知して、前記カメラに対する前記ハンドルの少なくとも３つの自由度を決定する 工程と、 （ｂ）前記カメラを用いて前記第２の光学変調ターゲットの少なくとも一部 を感知して、前記基準フレームに対する前記カメラの少なくとも３つの自由度 を決定する工程と、 （ｃ）前記工程（ａ）及び（ｂ）からの自由度を組み合わせて、前記基準フ レームに対する前記ハンドルの少なくとも３つの自由度を発生する工程とを備え ることを特徴とする方法。 ４５．請求項４１に記載の方法において、第１のカメラが、既知の物理的な関係 で第２のカメラに取り付けられており、前記第１の光学変調ターゲットの少なく とも一部が、前記第１のカメラで感知されて、前記第１のカメラに対する前記ハ ンドルの少なくとも３つの自由度が決定され、前記第２の光学変調ターゲットの 少なくとも一部が、前記第２のカメラで感知されて、前記基準フレームに対する 前記第２のカメラの少なくとも３つの自由度が決定されることを特徴とする方法 。 ４６．請求項４５に記載の方法において、単一のプロセッサが、前記第１及び第 ２のカメラによって発生されたビデオ信号を処理することを特徴とする方法。 ４７．請求項１に記載の方法において、前記デジタル計算手段は、前記ビデオ信 号の処理と他の処理とを受け持ち、前記他の処理は、別の用途の要件に関係する ことを特徴とする方法。