NO20130840A1 - Camera based, multitouch interaction and lighting system as well as method - Google Patents
Camera based, multitouch interaction and lighting system as well as method Download PDFInfo
- Publication number
- NO20130840A1 NO20130840A1 NO20130840A NO20130840A NO20130840A1 NO 20130840 A1 NO20130840 A1 NO 20130840A1 NO 20130840 A NO20130840 A NO 20130840A NO 20130840 A NO20130840 A NO 20130840A NO 20130840 A1 NO20130840 A1 NO 20130840A1
- Authority
- NO
- Norway
- Prior art keywords
- mirror
- camera
- interaction
- volume
- arrangement
- Prior art date
Links
- 230000003993 interaction Effects 0.000 title claims abstract description 111
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 38
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 claims abstract description 36
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims description 40
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 30
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 17
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 17
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims description 16
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 claims description 16
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 13
- 210000001747 pupil Anatomy 0.000 claims description 13
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 11
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 10
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 9
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 8
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 6
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 5
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 4
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 4
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 4
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000003708 edge detection Methods 0.000 claims description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 45
- 210000003811 finger Anatomy 0.000 description 43
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 15
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 12
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 9
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 8
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 8
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 7
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 6
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 5
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 5
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 4
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 4
- 239000012482 calibration solution Substances 0.000 description 3
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 239000002985 plastic film Substances 0.000 description 2
- 238000010845 search algorithm Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 241000251468 Actinopterygii Species 0.000 description 1
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 1
- 229920000122 acrylonitrile butadiene styrene Polymers 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000003190 augmentative effect Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000009760 electrical discharge machining Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 210000004247 hand Anatomy 0.000 description 1
- 210000003128 head Anatomy 0.000 description 1
- 238000010191 image analysis Methods 0.000 description 1
- 238000001746 injection moulding Methods 0.000 description 1
- 238000010147 laser engraving Methods 0.000 description 1
- 238000012886 linear function Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003909 pattern recognition Methods 0.000 description 1
- 229920006255 plastic film Polymers 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 238000004080 punching Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000009420 retrofitting Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 230000011664 signaling Effects 0.000 description 1
- 238000003856 thermoforming Methods 0.000 description 1
- 210000003813 thumb Anatomy 0.000 description 1
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 description 1
- 238000007666 vacuum forming Methods 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Drawing Aids And Blackboards (AREA)
Abstract
Anordning, system og fremgangsmåte for styring og interaksjon innen et interaksjonsvolum (1) innenfor en høyde over koordinatplanet (12) til en datamaskin, slik som en dataskjerm, en interaktiv whiteboard-tavle, en horisontal interakjsonsflate, et video/web-konferansesystem, et dokumentkamera, en bakprojeksjonsskjerm, en digital skiltoverflate, en fjernsynsskjerm eller en spilleanordning, for å tilveiebringe peking, sveving, utvelgelse, banking, gestikulering, skalering, tegning, skriving og utvisking ved å bruke ett eller flere interaksjonsobjekter (2), for eksempel fingre, hendene, føttene og andre objekter, for eksempel penner, børster, koster og også mer spesialiserte verktøy. Anordningen og fremgangsmåten kan i et system brukes sammen med, eller også være integrert i, dataprojektorer (3) av alle typer og deres fester/holdere (4), og brukt sammen med flatskjermer (12) (slik som LCD, plasma, OLED, bakprojeksjonsskjermer, osv.) for å gjøre slike visningssystemer interaktive. Anordningen består av et enkelt kamera (5) som dekker interaksjonsvolumet (1) fra enten en meget kort avstand eller fra en større avstand, for å bestemme de laterale posisjonene (X,Y) og også innfange stillingen til det ene eller de flere interaksjonsobjektene (2).Device, system and method of control and interaction within an interaction volume (1) within a height above the coordinate plane (12) of a computer, such as a computer monitor, interactive whiteboard, horizontal interaction surface, video / web conference system, a document camera, a rear projection screen, a digital sign surface, a television screen or a gaming device, to provide pointing, gliding, selection, banking, gesturing, scaling, drawing, writing and erasing using one or more interaction objects (2), such as fingers, hands, feet and other objects such as pens, brushes, brushes and even more specialized tools. The device and method can be used in a system together with, or also integrated in, data projectors (3) of all types and their attachments / holders (4), and used with flat screens (12) (such as LCD, plasma, OLED, rear projection screens, etc.) to make such viewing systems interactive. The device consists of a single camera (5) covering the interaction volume (1) from either a very short distance or from a greater distance, to determine the lateral positions (X, Y) and also capture the position of the one or more interaction objects ( 2).
Description
Teknisk område Technical area
Foreliggende oppfinnelse vedrører kamerabaserte interaktive flerberørings-systemer som for eksempel benytter kamerabaserte innmatingsanordninger og visuell og/eller infrarød belysning til sporing av objekter innenfor et areal/rom, for eksempel for å spore én eller flere fingre eller en penn for menneskelig interaksjon med en datamaskin; idet systemet muliggjør bestemmelse av en todimensjonal posisjon innenfor et areal og en høyde over en overflate av arealet for å tilveiebringe aktuelle todimensjonale innmatingskoordinater og for å skjelne nøyaktig mellom aktuell interaksjonstilstand slik som «inaktiv» (ingen sporing), «sveving» (sporing selv om det ikke er noen berøring, noen ganger også merket «i området») og «berøring». Foreliggende oppfinnelse angår også flerberøringsanordninger for innmating og grensesnitt for å muliggjøre både penn- og finger-berøringsinnmating, og er også i stand til å ordne opp med flere objekter samtidig, for eksempel en fler-berøringsanordning for innmating til en datamaskin. Oppfinnelsen angår videre fremgangsmåter for gestinnmating ved bruk av tredimensjonalt baserte innmatingsanordninger og derved innfangning av stillingen til for eksempel en hånd eller en finger, og sekvenser av disse kan gjenkjennes som gestkommandoer og/eller posisjons- og orienteringsinnmatinger for tredimensjonal styring. The present invention relates to camera-based interactive multi-touch systems which, for example, use camera-based input devices and visual and/or infrared lighting to track objects within an area/room, for example to track one or more fingers or a pen for human interaction with a computer; in that the system enables the determination of a two-dimensional position within an area and a height above a surface of the area to provide current two-dimensional input coordinates and to accurately distinguish between current interaction states such as "inactive" (no tracking), "hovering" (tracking although there is no touch, sometimes also labeled "in the area") and "touch". The present invention also relates to multi-touch input devices and interfaces to enable both pen and finger touch input, and is also capable of dealing with multiple objects at the same time, for example a multi-touch input device to a computer. The invention further relates to methods for gesture input using three-dimensionally based input devices and thereby capturing the position of, for example, a hand or a finger, and sequences of these can be recognized as gesture commands and/or position and orientation inputs for three-dimensional control.
Bakgrunn for oppfinnelsen Background for the invention
Kamerabasert sporing av objekter for menneskelig interaksjon med datamaskiner, spesielt sporing av hendene og fingrene, har vært gjenstand for vitenskapelig, industriell og kommersiell interesse i flere tiår. Oversikter over hva som er oppnådd på dette beregningsintensive området er gitt av Pavlovic m.fl., IEEE Trans. Pattern Analysis and Machine Intelligence, vol 19, Nr.7, pp. 677-695, 1997 og av Zhou m.fl., IEEE Int. Symposium on Mixed and Augmented Reality, sidene 193-202, 2008.1 mange av de rapporterte teknikkene, blir objektet observer fra flere forskjellige betraktningspunkter av ett eller flere kameraer for å redusere følsomheten for okklusjoner og for robust sporing og gestustolkning. Camera-based tracking of objects for human computer interaction, especially tracking of the hands and fingers, has been the subject of scientific, industrial and commercial interest for decades. Overviews of what has been achieved in this computationally intensive area are provided by Pavlovic et al., IEEE Trans. Pattern Analysis and Machine Intelligence, vol 19, No.7, pp. 677-695, 1997 and by Zhou et al., IEEE Int. Symposium on Mixed and Augmented Reality, pages 193-202, 2008.1 many of the reported techniques, the object is observed from several different viewpoints by one or more cameras to reduce sensitivity to occlusions and for robust tracking and gesture interpretation.
For enkeltkamerabasert sporing av fingerberøring og finger- eller håndgester, blir trekk slik som skygger, konturer, tekstur, silhuett og avbildningsgradienter av disse objektene og til og med deres speilbilde reflektert fra en blank skjermflate, ekstrahert og benyttet til å oppdatere de forskjellige modellbaserte sporings-systemene for å beregne finger- eller håndstillingen og for å detektere for eksempel fingerberøring i sann tid. For single-camera-based tracking of finger touch and finger or hand gestures, features such as shadows, contours, texture, silhouette, and image gradients of these objects and even their mirror image reflected from a blank screen surface are extracted and used to update the various model-based tracking the systems to calculate the finger or hand position and to detect, for example, finger touch in real time.
Som et eksempel på snedig egenskapsekstrahering, beskriver US2010/0066675A1 berøringsskjermsystem med enkeltkamera-avbildning og egenskapsekstrahering basert på den observasjon at skyggen fra en finger belyst av en sideveis belysningskilde, til slutt blir formørket av fingeren ved berøring av skjermen, slik at skyggen ligner en finger når den ikke berører, mens skyggen er tilstrekkelig forminsket når fingeren berører overflaten slik at berøring kan bestemmes. Det selvstendige patentkravet er imidlertid foregrepet av offentlig vitenskapelig artikkel fra 2005 av oppfinneren Andrew D. Wilson (ACM Proe. UIST 2005, sidene 83-92). As an example of cunning feature extraction, US2010/0066675A1 describes touch screen system with single camera imaging and feature extraction based on the observation that the shadow of a finger illuminated by a lateral illumination source is eventually eclipsed by the finger upon touching the screen, so that the shadow resembles a finger when not touching, while the shadow is sufficiently reduced when the finger touches the surface so that touch can be determined. However, the independent patent claim is pre-empted by the public scientific article from 2005 by the inventor Andrew D. Wilson (ACM Proe. UIST 2005, pages 83-92).
WO9940562 (A1), US 006100538A og US2010188370 (A1) beskriver i prinsippet objektsporingssystemer for fingerberøring eller penn hvor minst to kamera-betraktningspunkter er anordnet ved utkanten av koordinatplanet for å bestemme koordinatene til objektet ved triangulering. WO9940562 (A1), US 006100538A and US2010188370 (A1) describe in principle object tracking systems for finger touch or pen where at least two camera viewing points are arranged at the edge of the coordinate plane to determine the coordinates of the object by triangulation.
WO9940562 (A1) beskriver et system for å detektere penn- og fingerberøring foran en dataskjerm ved å bruke et enkelt kamera og ved hjelp av et periskop-lignende optisk system bestående av ett eller flere flate speil, registrering av to bilder av skjermen som vender sideveis inn i det volumet som befinner seg umiddelbart foran skjermen, for å bestemme pennens eller fingerens koordinater og avstanden til skjermen. WO9940562 (A1) describes a system for detecting pen and finger touch in front of a computer screen using a single camera and by means of a periscope-like optical system consisting of one or more flat mirrors, recording two images of the screen facing sideways into the volume immediately in front of the screen to determine the coordinates of the pen or finger and the distance to the screen.
US006100538A beskriver en digitaliseringsanordning for å bestemme en posisjon av et pekende objekt som projiserer et lys og blir anbragt på et koordinatplan, og en detektor anordnet på periferien av koordinatplanet, fortrinnsvis et par lineære bildesensorer, har et synsfelt som dekker koordinatplanet, og en kollimator er anordnet for å begrense høyden av synsfeltet til detektoren, og detektoren kan motta bare en parallell komponent av lys som blir projisert fra pekeobjektet, hovedsakelig parallelt med koordinatplanet, og en skjerm er anordnet for å blokkere støylys, bortsett fra det projiserte lyset, fra å komme inn i det begrensede synsfeltet til detektoren, og en prosessor er tilveiebragt for å beregne koordinatene som representerer posisjonen til det pekende objektet. US006100538A describes a digitizing device for determining a position of a pointing object which projects a light and is placed on a coordinate plane, and a detector arranged on the periphery of the coordinate plane, preferably a pair of linear image sensors, has a field of view covering the coordinate plane, and a collimator is arranged to limit the height of the field of view of the detector, and the detector can receive only a parallel component of light projected from the pointing object, substantially parallel to the coordinate plane, and a screen is arranged to block noise light, other than the projected light, from entering into the limited field of view of the detector, and a processor is provided to calculate the coordinates representing the position of the pointing object.
US2010188370 (A1) beskriver et kamerabasert berøringssystem som innbefatter minst to kameraer som har overlappende felter, plassert langs periferien og typisk i hjørner av berøringsoverflaten for å detektere posisjonen av pekeren ved hjelp av triangulering, og for å detektere pekerberøringen og pekersvevingen over berøringsflaten. US2010188370 (A1) describes a camera-based touch system that includes at least two cameras having overlapping fields, located along the periphery and typically in corners of the touch surface to detect the position of the pointer by means of triangulation, and to detect the pointer touch and pointer hover over the touch surface.
JP63292222 og US2008152192 (A1) bruker i hovedsak et kamera plassert langt borte fra objektet og benytter ett eller flere speil innenfor kameraets synsfelt til å observere objektet fra forskjellige synsvinkler og retninger som hovedsakelig er perpendikulære til kameraaksen, for å forenkle deteksjonen av objektets posisjon. JP63292222 and US2008152192 (A1) mainly use a camera placed far away from the object and use one or more mirrors within the camera's field of view to observe the object from different viewing angles and directions which are mainly perpendicular to the camera axis, to facilitate the detection of the object's position.
JP63292222 benytter et enkelt kamera i avstand fra en skriveflate og to flate, smale speil langs periferien av skriveflaten i hver av de to retningene X og Y skråstilt mot overflaten for å fremskaffe alternative betraktningspunkter av pekeranordningen, noe som gjør det mulig å fremskaffe X- og Y-koordinaten separat ved å innfange og analysere de to speilområdene langs skriveflateområdet. JP63292222 utilizes a single camera at a distance from a writing surface and two flat, narrow mirrors along the periphery of the writing surface in each of the two directions X and Y inclined to the surface to provide alternative viewpoints of the pointing device, making it possible to provide X and The Y coordinate separately by capturing and analyzing the two mirror areas along the writing surface area.
US2008152192 (A1) beskriver et system for tredimensjonal overvåkning og analyse av bevegelsesrelatert oppførsel av testobjekter, nemlig fisk og dyr. Det omfatter et virkelig kamera og minst ett virtuelt kamera realisert ved å bruke minst ett plant speil innenfor synsfeltet til det virkelige kameraet, som representerer minst ett alternativt betraktningspunkt som kan analyseres i ett eller flere områder av det inn-fangede kamerabildet for å kunne analysere bevegelsesoppførselen til test-objektene. US2008152192 (A1) describes a system for three-dimensional monitoring and analysis of movement-related behavior of test objects, namely fish and animals. It comprises a real camera and at least one virtual camera realized by using at least one plane mirror within the field of view of the real camera, which represents at least one alternative point of view that can be analyzed in one or more areas of the captured camera image in order to analyze the movement behavior to the test objects.
I en publisert internasjonal PCT-patentsøknad nummer WO2005/034027(A1) In a published international PCT patent application number WO2005/034027(A1)
(Smart Technologies Inc.), er det beskrevet en anordning for å detektere en peker innenfor et område av interesse. Anordningen innbefatter et første reflekterende element som strekker seg langs en første side av området av interesse, og innrettet for å reflektere lys mot området av interesse. Anordningen innbefatter dessuten et andre reflekterende element som strekker seg langs en andre side av området av interesse, som også er innrettet for å reflektere lys mot området av interesse. Den andre siden er forbundet med den første siden for å definere et første hjørne av anordningen. Et ikke-reflekterende område hovedsakelig i et plan for minst ett av de første og andre reflekterende elementene er tilstøtende til det første hjørne. Minst én avbildningsanordning er innrettet for å innfange bilder av det første området av interesse, innbefattende refleksjoner fra de første og andre reflekterende elementene, for å bestemme en posisjon for pekeren innenfor området av interesse. (Smart Technologies Inc.), a device for detecting a pointer within an area of interest is described. The device includes a first reflective element extending along a first side of the area of interest, and arranged to reflect light towards the area of interest. The device also includes a second reflective element extending along a second side of the area of interest, which is also arranged to reflect light towards the area of interest. The second side is connected to the first side to define a first corner of the device. A non-reflective region substantially in a plane of at least one of the first and second reflective elements is adjacent to the first corner. At least one imaging device is arranged to capture images of the first region of interest, including reflections from the first and second reflective elements, to determine a position of the pointer within the region of interest.
I en publisert japansk patentsøknad nummer JP63292222(A) (Mitsubishi Electric Corp.), er det beskrevet et optisk system som er innrettet for å detektere en koordinatposisjon for en punktindikator. Det optiske systemet virker ved å danne et bilde i nærheten av et øvre plan i forhold til et tilsvarende originalt objekt. Der er også innbefattet et behandlingsarrangement for behandling av et bildesignal fremskaffet fra en bildeavfølingsanordning anordnet i nærheten av det øvre planet. Bilde-avfølingsanordningen avføler mer spesielt et bildetakningsområde som innbefatter et leseopphav. Det er også innbefattet et reflekterende X-retningsspeil og et reflekterende Y-retningsspeil. Punktindikatoren, for eksempel en hvit penn, blir avfølt direkte ved hjelp av bildeavfølingsanordningen og også via refleksjon fra speilene, slik at bildesignalet for å bestemme en rommessig posisjon av pekerindikatoren innenfor det optiske systemet. In a published Japanese patent application number JP63292222(A) (Mitsubishi Electric Corp.), an optical system adapted to detect a coordinate position of a point indicator is described. The optical system works by forming an image near an upper plane relative to a corresponding original object. Also included is a processing arrangement for processing an image signal obtained from an image sensing device arranged near the upper plane. The image sensing device more particularly senses an image coverage area that includes a read origin. Also included is a reflective X-direction mirror and a reflective Y-direction mirror. The point indicator, for example a white pen, is sensed directly by the image sensing device and also via reflection from the mirrors, allowing the image signal to determine a spatial position of the pointer indicator within the optical system.
I et publisert japansk patent nummer JP4484796(B2) (Canon KK), er det dessuten beskrevet en koordinatinnmatingsanordning for nøyaktig å detektere en koordinat matet inn til dette. Anordningen innbefatter et antall sensorenheter anordnet omkring koordinatinnmatingsflaten, hvor hver av sensorenhetene innbefatter en projeksjonsdel for å projesere lysstråling på koordinatinnmatingsflaten og en lys-mottakende del for å motta innkommende lys ved sensorenheten. Anordningen innbefatter også et antall rekursive refleksjonsdeler som tilveiebringer rekursivt reflektert innfallende lys tilveiebragt på en omkrets av koordinatinnmatingsflaten. Anordningen er innrettet for å beregne en koordinat for pekeposisjonen til en peker basert på lysmengdefordelingen som innbefatter lysskjermingsområder som er fremskaffet fra antallet sensorenheter. Et tredimensjonalt lysskjermende deteksjons-område vedrørende antallet sensorenheter, har en vanlig tredimensjonal form som svarer til koordinatinnmatingsflaten. Det tredimensjonale lysskjermende deteksjons-område er dessuten definert som et tredimensjonalt område i hvilket en endring i høyderetningsposisjonen til pekeren blir detektert av en endringshastighet for lys-intensitet som detektert av antallet sensorenheter. Furthermore, in a published Japanese patent number JP4484796(B2) (Canon KK), there is described a coordinate input device for accurately detecting a coordinate input thereto. The device includes a number of sensor units arranged around the coordinate input surface, where each of the sensor units includes a projection part for projecting light radiation on the coordinate input surface and a light-receiving part for receiving incoming light at the sensor unit. The device also includes a number of recursive reflection parts which provide recursively reflected incident light provided on a circumference of the coordinate input surface. The device is arranged to calculate a coordinate for the pointing position of a pointer based on the light quantity distribution which includes light shielding areas obtained from the number of sensor units. A three-dimensional light-shielding detection area regarding the number of sensor units has a regular three-dimensional shape corresponding to the coordinate input surface. The three-dimensional light-shielding detection area is further defined as a three-dimensional area in which a change in the height direction position of the pointer is detected by a change rate of light intensity as detected by the number of sensor units.
I et japansk patent nummer JP4033802(B2) (Advanced Telecomm Research Institute), er det beskrevet et stort berøringspanelsystem som muliggjør berørings-innmating av informasjon. Systemet innbefatter en skjerm av et plastmateriale som blir bestrålt av en infrarød kilde under drift fra en frontside av skjermen. Under drift, berører en person skjermen manuelt med hånden. Et kamera i systemet fotograferer dessuten en bakside av skjermen via et speil for å generere fotografiske data som leveres til en datamaskin. På grunnlag av de fotografiske dataene, kan et skyggelagt område som er et resultat av personens hånd som avbryter den infrarøde strålingen, detekteres av datamaskinen ved behandling av de fotografiske dataene. Når det skyggelagte området har en rommessig utstrekning som svarer til størrelsen av for eksempel en hånd, blir koordinatene til det skyggelagte området bestemt for å utlede et mål på en rommessig posisjon for personens hånd i forhold til skjermen. In a Japanese patent number JP4033802(B2) (Advanced Telecomm Research Institute), a large touch panel system is described which enables touch input of information. The system includes a screen of a plastic material which is irradiated by an infrared source during operation from a front side of the screen. During operation, a person manually touches the screen with their hand. A camera in the system also photographs a backside of the screen via a mirror to generate photographic data that is delivered to a computer. Based on the photographic data, a shaded area resulting from the person's hand interrupting the infrared radiation can be detected by the computer by processing the photographic data. When the shaded area has a spatial extent corresponding to the size of, for example, a hand, the coordinates of the shaded area are determined to derive a measure of a spatial position of the person's hand relative to the screen.
Det er generelt viktig at brukerens intensjoner og kommandoer blir korrekt gjenkjent i menneske/maskin-interaksjonssystemer. Nøyaktigheten av X og Y i koordinatplanet behøver, eller behøver ikke, å være viktig. Dette er avhengig av anvendelsen. Fingerberøringssystemer er følgelig attraktive der hvor beskjeden nøy-aktighet er nødvendig for, for eksempel, å flytte eller velge grafiske objekter eller gå inn i menyer, mens en peker eller penn blir foretrukket når den høyeste nøyaktig-heten er nødvendig, for eksempel fin skriving eller tegning eller håndtering av alle detaljer og objekter i CAD-programmer. I et fingerbasert system, kan følgelig egen skapsekstrahering og robust heuristikk for bestemmelse av fingerens koordinater være tilstrekkelig, basert på et todimensjonalt bilde fra et enkelt kamera. It is generally important that the user's intentions and commands are correctly recognized in human/machine interaction systems. The accuracy of X and Y in the coordinate plane may or may not be important. This depends on the application. Finger touch systems are therefore attractive where modest accuracy is required for, for example, moving or selecting graphical objects or entering menus, while a pointer or pen is preferred when the highest accuracy is required, for example fine writing or drawing or handling all details and objects in CAD programs. In a finger-based system, therefore, feature extraction and robust heuristics for determining the finger's coordinates may be sufficient, based on a two-dimensional image from a single camera.
For alle anvendelsestyper, er imidlertid stor nøyaktighet vedrørende deteksjon av finger- eller pennberøring av ytterste viktighet og må aldri svikte fordi brukeren da kan miste kontrollen over anvendelsen. En høy og konstant deteksjonskvalitet av berøringstilstanden er derfor nødvendig i enhver posisjon i koordinatplanet. Detek-sjonsmetoden bør videre ikke være følsom for variasjoner i fingerstørrelse, hudfarge, omgivende lystilstander, skjermlys osv., og deteksjonen bør være hurtig. En god brukerinteraksjon er derfor utformet for å sikre høy kvalitet, høy robusthet og høy hastighet for finger/penn-berøringsdeteksjonen selv om koordinatoppløsnings-nøyaktigheten er beskjeden, og det beste systemet vil være i stand til å gi objektets fysiske høyde med konstant skalering over hele koordinatplanet, for derved å bestemme både svevings- og berøringstilstanden jevnt over koordinatplanet og uten noen brukeravhengig oppførsel eller forsinkelsesstraff. However, for all application types, high accuracy regarding the detection of finger or pen touch is of the utmost importance and must never fail because the user may then lose control over the application. A high and constant detection quality of the touch state is therefore necessary in any position in the coordinate plane. Furthermore, the detection method should not be sensitive to variations in finger size, skin colour, ambient light conditions, screen light etc., and the detection should be fast. A good user interaction is therefore designed to ensure high quality, high robustness and high speed for the finger/pen touch detection even if the coordinate resolution accuracy is modest, and the best system will be able to provide the physical height of the object with constant scaling over the entire the coordinate plane, thereby determining both hover and touch state uniformly across the coordinate plane and without any user-dependent behavior or delay penalty.
For å bestemme stilling, er skalering ikke så viktig. Forholdet til avstanden mellom forskjellige egenskaper observert innenfor et enkelt bilde, kan for eksempel være tilstrekkelig til å bestemme at det aktuelle objektet er en hånd med for eksempel en rett tommel og en rett pekefinger, mens de andre fingrene er gjemt. Det er ikke viktig om det er en stor hånd hos en mann eller en liten hånd hos et barn, eller om den er stor fordi den er nær kameralinsen eller liten fordi den er lenger fra. Ved å spore de relative bevegelsene og de medfølgende stillingstypene som kan bestemmes fra bilde til bilde, kan slike sekvenser tolkes som håndgestkommandoer som i en viss grad er inkorporert i brukergrensesnitt for datamaskiner, mobile anordninger og integrerte systemer. For determining position, scaling is not that important. The relationship to the distance between different features observed within a single image can, for example, be sufficient to determine that the object in question is a hand with, for example, a straight thumb and a straight index finger, while the other fingers are hidden. It is not important whether it is a large hand of a man or a small hand of a child, or whether it is large because it is close to the camera lens or small because it is further away. By tracking the relative movements and accompanying posture types that can be determined from frame to frame, such sequences can be interpreted as hand gesture commands that are to some extent incorporated into user interfaces for computers, mobile devices and integrated systems.
Det er stor interesse for interaksjonssystemer som bruker penn, berøring eller begge (dobbeltmodussystemer) til utdannelse, samarbeid og møter. Drift av systemer og grafiske brukergrensesnitt forberedt for dobbeltmodus flerberørings- og flerpennsinnmating, skjelner mellom berørings-, penn- og musinnmating, og derfor må dobbeltmodusinnmatingsanordninger rapportere informasjon om flerberørings-, flerpenns- og musinformasjon samtidig til datamaskinen. Flere nye interaksjonsplattformer tillater også enkeltpenn- eller fingergeststyring og/eller til og med håndgestbasert informasjon. There is great interest in interaction systems that use pen, touch or both (dual mode systems) for education, collaboration and meetings. Operating systems and graphical user interfaces prepared for dual-mode multi-touch and multi-pen input distinguish between touch, pen and mouse input, and therefore dual-mode input devices must report multi-touch, multi-pen and mouse information simultaneously to the computer. Several new interaction platforms also allow single pen or finger gesture control and/or even hand gesture based information.
Det er spesielt stor global interesse for interaktive tavler og whiteboard-tavler for bruk innenfor undervisning både i vanlige klasserom og i større undervisnings-haller. Slike whiteboard-tavler finnes etter hvert også i møterom, rom for video-konferanse og arbeidsrom. Bildene på det interaktive whiteboard-koordinatplanet kan genereres som et projisert bilde fra en langdistanse- eller kortdistanseprosjektor eller en flatskjerm slik som en LCD-skjerm, en plasmaskjerm, en OLED-skjerm eller et baklysprojeksjonssystem. Det er viktig at innmatingsanordningen for berøring og/eller penn kan brukes sammen med alle typer visningsteknologier uten å redusere bildekvaliteten eller slite ut utstyret. Det er videre viktig at innmatings-teknologien lett kan tilpasses forskjellige skjermer, projektorer og visningsenheter med lave priser og anstrengelser. There is particularly great global interest in interactive whiteboards and whiteboards for use in teaching both in ordinary classrooms and in larger teaching halls. Such whiteboards are eventually also found in meeting rooms, rooms for video conferences and work rooms. The images on the interactive whiteboard coordinate plane can be generated as a projected image from a long-throw or short-throw projector or a flat screen such as an LCD screen, a plasma screen, an OLED screen or a backlight projection system. It is important that the touch and/or pen input device can be used with all types of display technologies without reducing image quality or wearing out the equipment. It is also important that the input technology can be easily adapted to different screens, projectors and display devices with low prices and effort.
Nye interaktive whiteboard-tavler er vanligvis utstyrt med kortdistanse-projektorer, nemlig projektorer med ultrabredvinkellinse plassert i kort avstand over skjermen. Ved hjelp av denne løsningen vil brukeren bli mindre forstyrret av lys i øyne sine og vil ha en tendens til å kaste mindre skygge på skjermen, og projektoren kan monteres direkte på veggen sammen med tavlen. En ideell innmatingsanordning for penn og berøring i forbindelse med slike kortdistansesystemer, bør derfor integreres i eller festes langs veggprojektoren, eller festes til projektorens veggmontering for å gjøre monteringen enkel og robust. New interactive whiteboards are usually equipped with short-throw projectors, namely projectors with an ultra-wide-angle lens placed a short distance above the screen. With the help of this solution, the user will be less disturbed by light in their eyes and will tend to cast less shadow on the screen, and the projector can be mounted directly on the wall together with the board. An ideal input device for pen and touch in connection with such short-range systems should therefore be integrated into or fixed along the wall projector, or fixed to the projector's wall mounting to make the installation simple and robust.
I foredragssaler er det nødvendig med meget lange, interaktive whiteboard-tavler og interaksjonsrom, og disse interaksjonsflatene bør tilveiebringe berørings-, penn- og geststyring. På skjermer med store formater, er pekestokker og laser-pekere ofte nødvendig for å tiltrekke publikums oppmerksomhet. Den foretrukne inn-matingsteknologien bør passe til alle slike forskjellige behov, det vil si også aksep-tere pekestokker og lasere som et brukerinnmatingsverktøy, og være tolerante overfor og tilpasset forskjellige visningsformater. In lecture halls, very long, interactive whiteboards and interaction spaces are needed, and these interaction surfaces should provide touch, pen and gesture control. On large format screens, joysticks and laser pointers are often necessary to attract the audience's attention. The preferred input technology should suit all such different needs, i.e. also accept styluses and lasers as a user input tool, and be tolerant of and adaptable to different display formats.
Også flatskjermteknologier kan behøve berørings- og/eller penndrift, enkeltpenn- og/eller berøringsgestinteraksjon, og endelig håndgeststyring. Berørings-følsomme filmer lagt på toppen av en flatskjerm kan ikke detektere sveving eller gester i luften. Rent elektromagnetiske avfølingssystemer bak en flatskjerm kan ikke detektere fingerberøring eller fingergester, bare elektromagnetisk pennoperasjon er mulig. Noen typer flatskjermteknologier, spesielt OLED-skjermer, kan være transparente, og dermed kan kamerabaserte teknologier brukes til geststyring gjennom skjermen. Hvis dobbeltmodus-innmatingssystemer som innbefatter sveving og gester, fortsetter å bli viktigere og viktigere og standardisert for å tilveiebringe et effektivt og naturlig brukergrensesnitt, vil optisk baserte innmatingssystemer sannsynligvis bli foretrukket også for interaktive flatskjermer i stedet for kapasitive eller resistive filmer eller elektromagnetisk baserte løsninger. Den foretrukne teknologien for innmatingsanordninger bør derfor være optisk basert og bør være egnet for tilpasning til både konvensjonelle flatskjermer (LCD, plasma, LED) og transparente flatskjermer slik som OLED- og bakprojeksjonsskjermer. Also, flat screen technologies may need touch and/or pen operation, single pen and/or touch gesture interaction, and finally hand gesture control. Touch-sensitive films placed on top of a flat screen cannot detect hovering or gestures in the air. Purely electromagnetic sensing systems behind a flat screen cannot detect finger touch or finger gestures, only electromagnetic pen operation is possible. Some types of flat screen technologies, especially OLED screens, can be transparent, and thus camera-based technologies can be used for gesture control through the screen. If dual-mode input systems incorporating hover and gestures continue to become more important and standardized to provide an efficient and natural user interface, optical-based input systems are likely to be preferred also for interactive flat screens instead of capacitive or resistive films or electromagnetic-based solutions. The preferred technology for input devices should therefore be optically based and should be suitable for adaptation to both conventional flat screens (LCD, plasma, LED) and transparent flat screens such as OLED and rear projection screens.
Innmatingsanordninger bør ikke være ømfintlige for lyskilder slik som dagslys, rombelysning, lys fra projektoren eller visningsskjermen osv. Innmatingsanordningene bør videre ikke være ømfintlige for nær infrarød stråling fra sollys, kunstig lys eller fra fjernkontrollenheter og lignende som benytter dioder som utsender nær infrarødt lys for kommunikasjon. Input devices should not be sensitive to light sources such as daylight, room lighting, light from the projector or display screen, etc. The input devices should also not be sensitive to near-infrared radiation from sunlight, artificial light or from remote control devices and the like that use diodes that emit near-infrared light for communication .
Innmatingsanordningene bør videre oppvise en høy oppdateringshastighet for koordinater og tilveiebringe lav latens for best mulig brukeropplevelse. The input devices should also exhibit a high update rate for coordinates and provide low latency for the best possible user experience.
Innmatingsanordningene bør fortrinnsvis være egnet for eksisterende infrastruktur for, foreksempel, å oppgradere en allerede installert pennbasert interaktiv The input devices should preferably be suitable for existing infrastructure to, for example, upgrade an already installed pen-based interactive
whiteboard-modell til også å muliggjøre fingerberørings- og håndgest-styring, eller å oppgradere et møte- eller undervisningsrom som allerede er utstyrt med en installert projektor eller flatskjerm, til å bli interaktiv ved hjelp av selve innmatingsanordningen. whiteboard model to also enable finger touch and hand gesture control, or to upgrade a meeting or teaching room already equipped with an installed projector or flat screen to become interactive using the input device itself.
I noen scenarier, kan innmatingsteknologi også brukes uten interaktiv tilbake-kobling på selve skriveflaten, for eksempel ved innfange nøyaktig strøkene fra krittet og svampen på en tradisjonell tavle og gjenkjenne håndgester for styring av datamaskinen, eller ved å innfange normal bruk av penn og papir (innbefattende over-strykninger) og enkle gester for styring av datamaskinen; eller ved å innfange brukerens informasjon ved utfylling av et arkformular eller et spørreskjema som innbefatter hans/hennes signatur, mens resultatet blir lagret i en datamaskin og innmatingen eller annen tolkning av innmatingen blir vist ved hjelp av den normale dataskjermen eller ved hjelp av en tilkoblet visningsanordning eller en projektor for referanse for brukeren og tilhørerne. Dette betyr at innmatingsanordningen bør være mulig å bruke alene eller separert fra kostbar visningsteknologi i tilfeller hvor denne type infrastruktur ikke er tilgjengelig eller nødvendig. In some scenarios, input technology can also be used without interactive feedback on the writing surface itself, for example by accurately capturing the strokes of the chalk and sponge on a traditional whiteboard and recognizing hand gestures to control the computer, or by capturing the normal use of pen and paper ( including swipes) and simple gestures for controlling the computer; or by capturing the user's information by completing a paper form or questionnaire that includes his/her signature, while the result is stored in a computer and the input or other interpretation of the input is displayed by means of the normal computer screen or by means of an attached display device or a projector for reference for the user and audience. This means that the input device should be possible to use alone or separated from expensive display technology in cases where this type of infrastructure is not available or necessary.
På samme måte som interaktive whiteboard-tavler erstatter tradisjonelle kritt og tavler i undervisningen, dukker det opp nye interaksjonsrom på andre områder. Interaktive vertikale og horisontale overflater for flere brukere blir introdusert i kollokvierom og kontrollrom, museer og utstillinger. In the same way that interactive whiteboards are replacing traditional chalk and blackboards in teaching, new interaction spaces are emerging in other areas. Multi-user interactive vertical and horizontal surfaces are being introduced in conference rooms and control rooms, museums and exhibitions.
Interaktive steder som innbefatter interaktive gestbord er opprettet i barer, kasinoer, kafeer og butikker for å gjøre det mulig for gjestene å velge fra en meny, bestille og betale så vel som å bli underholdt av for eksempel dataspill, søking på internett eller lesing av nyheter. Interaktive rom vil bli utnyttet innenfor digital skilting ved bruk av flatskjermer eller projektorskjermer med digitalt innhold som kan endres dynamisk, ikke bare i en forutbestemt sekvens fra innholdsleverandøren, men endret på grunn av brukerinnmating fra berørings- og geststyring for derved å gjøre vis-ningen av skiltet eller innholdet enda mer fleksibelt, informativt og brukervennlig. Innmatingsanordninger for berørings- og geststyring for bruk ved interaktiv innholds- visning bør virke bra gjennom tykke hærverkssikre vinduer og virke bra på alle typer overflater og flatskjermer med enkel installasjon, for å være egnet for å installere og bruke i offentlige og kommersielle områder innendørs og utendørs. Interactive places including interactive gesture tables are created in bars, casinos, cafes and shops to enable guests to choose from a menu, order and pay as well as be entertained by, for example, playing computer games, searching the internet or reading news . Interactive rooms will be utilized within digital signage using flat screens or projector screens with digital content that can be changed dynamically, not only in a predetermined sequence from the content provider, but changed due to user input from touch and gesture control to thereby make the display of the sign or the content even more flexible, informative and user-friendly. Touch and gesture control input devices for use in interactive content display should work well through thick vandal-proof windows and work well on all types of surfaces and flat screens with easy installation, to be suitable for installation and use in public and commercial areas indoors and outdoors .
Oppsummering av oppfinnelsen Summary of the invention
Foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning, et system og en fremgangsmåte for en innmatingsanordning i mann-maskin-kommunikasjon for sporing av et objekts posisjon innenfor et koordinatplan; for deteksjon av svevings- og/eller berøringstilstander innenfor et volum som befinner seg ved koordinatplanet innenfor et gitt høydeområde; og/eller for gjenkjennelse av objektets stilling, The present invention relates to a device, a system and a method for an input device in man-machine communication for tracking the position of an object within a coordinate plane; for the detection of hover and/or contact states within a volume located at the coordinate plane within a given height range; and/or for recognition of the object's position,
som har which has
et kamera for å ta et bilde ved å bruke synlig lys og/eller nær infrarødt lys, a camera to take a picture using visible light and/or near infrared light,
et speilarrangement anordnet ved koordinatplanet, og a mirror arrangement arranged at the coordinate plane, and
en beregningsenhet a unit of calculation
hvor kameraets synsfelt innbefatter både koordinatplanet og volumet over dette og speilarrangementet, hvor speilarrangementet omfatter minst ett akseforskjøvet, konkavt, hovedsakelig parabolsk element med sin akse parallell med koordinatplanet og dets brennpunkt ved kameraets inngangspupill for å tilveiebringe en konstant for-størrelse av volumets høydedimensjon langs sin akse, slik at objektets koordinater og/eller dets sveve- og/eller berøringstilstand og/eller stillingskarakteristikker kan beregnes basert på et enkelt bilde ved hjelp av beregningsenheten, og/eller objektets bevegelse og/eller objektets gester kan beregnes basert på en sekvens av bilder ved hjelp av beregningsenheten. wherein the camera's field of view includes both the coordinate plane and the volume above it and the mirror arrangement, wherein the mirror arrangement comprises at least one axially offset, concave, substantially parabolic element with its axis parallel to the coordinate plane and its focal point at the camera's entrance pupil to provide a constant magnification of the height dimension of the volume along its axis, so that the object's coordinates and/or its hover and/or touch state and/or position characteristics can be calculated based on a single image using the calculation unit, and/or the object's movement and/or the object's gestures can be calculated based on a sequence of images using the calculation unit.
Kameraet omfatter en CCD- eller en CMOS-avbildningsbrikke eller lignende, og en linse eller lignende med et synsfelt stort nok til å innbefatte koordinatplanet, volumet og speilarrangementet, og med en tilstrekkelig optisk avbildningskvalitet til at de aktuelle bølgelengdeområdene er tilpasset den aktuelle oppløsningen til bilde-brikken. The camera comprises a CCD or a CMOS imaging chip or the like, and a lens or the like with a field of view large enough to include the coordinate plane, the volume and the mirror arrangement, and with a sufficient optical image quality so that the relevant wavelength ranges are adapted to the relevant image resolution - the chip.
Foreliggende oppfinnelse har minst ett speilarrangement som omfatter ett eller flere akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske elementer fordelt ved overflaten på utsiden av periferien til koordinatplanet. Hvert slikt akseforskjøvet, hovedsakelig parabolsk element har sitt brennpunkt i kameraets inngangspupill og sin akse parallell med overflaten. Egenskapen til hvert akseforskjøvet, hovedsakelig parabolsk element er å kollimere et sett med parallelle lysstråler, parallelt med overflaten, som kommer fra objektet når objektet er inne i eller delvis inne i volumet. Denne egenskapen sikrer at målingen av aktuell høyde, nemlig avstanden mellom objektet i forhold til overflaten, har konstant forstørrelse/skalering for dette elementet, og kan lett bestemmes ved lokalt å analysere bildeområdet som dekker dette speilelementet. Speilarrangementet eller -arrangementene må videre være innrettet for å sikre at de forskjellige settene med parallelle lysstråler fra hvert parabolsk element tilsammen dekker hele volumet over koordinatplanet uten dødsoner, slik at det alltid vil være minst ett speilelement som dekker objektet når objektet er innenfor volumet, og som kan observeres fra kameraets betraktningspunkt med tilstrekkelig antall piksler slik at beregningsenheten kan bestemme objektets aktuelle høyde og dermed kan bestemme objektets berøringstilstand og/eller svevetilstand. Kameraet kan også være utstyrt med standard eller tilpassede bifokale linser eller lignende for å forstørre speilarrangementet på bekostning av dets omgivelser for derved å øke oppløsningen av bildet av speilarrangementet i pikselgruppen i kamerasensoren til et tilstrekkelig The present invention has at least one mirror arrangement which comprises one or more axially displaced, mainly parabolic elements distributed at the surface on the outside of the periphery of the coordinate plane. Each such off-axis, essentially parabolic element has its focal point in the camera's entrance pupil and its axis parallel to the surface. The property of each off-axis, essentially parabolic element is to collimate a set of parallel light rays, parallel to the surface, emanating from the object when the object is inside or partially inside the volume. This property ensures that the measurement of actual height, namely the distance between the object in relation to the surface, has constant magnification/scaling for this element, and can be easily determined by locally analyzing the image area covering this mirror element. The mirror arrangement or arrangements must also be arranged to ensure that the different sets of parallel light rays from each parabolic element together cover the entire volume above the coordinate plane without dead zones, so that there will always be at least one mirror element covering the object when the object is within the volume, and which can be observed from the camera's point of view with a sufficient number of pixels so that the calculation unit can determine the object's current height and can thus determine the object's touch state and/or hover state. The camera may also be equipped with standard or custom bifocal lenses or the like to magnify the mirror arrangement at the expense of its surroundings to thereby increase the resolution of the image of the mirror arrangement in the pixel array of the camera sensor to a sufficient
oppløsningsnivå for nøyaktig høydebestemmelse. resolution level for accurate height determination.
Selv om det ene eller de flere akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske speilelementene er fordelt ved overflaten av koordinatplanet innrettet for å avføle objektets høyde over planet, kan det være plassert ytterligere buede eller plane speilelementer videre utenfor de akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske speilelementene for å tilveiebringe rommessig informasjon om scenen når disse sistnevnte speilene blir observert fra kameraets betraktningspunkt. Although the one or more off-axis, substantially parabolic mirror elements are distributed at the surface of the coordinate plane arranged to sense the height of the object above the plane, additional curved or planar mirror elements may be located further outside the off-axis, substantially parabolic mirror elements to provide spatial information about the scene when these latter mirrors are observed from the camera's point of view.
Det vil være ytterligere restriksjoner for plassering og orientering av de forskjellige akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske speilelementene i det tilfellet hvor det er hindringer for rettlinjet sikt mellom kameraets inngangspupill og overflaten, for eksempel på grunn av den mekaniske formen til projektoren, størrelsen til vegg-monteringen osv. I en foretrukket utførelsesform, er settet med mulige områder for plassering av de akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske elementene utenfor disse hindringene registrert, og så blir plasseringen av hvert element valgt fra dette settet og tilordnet en akseretning langs overflaten for å fordele strålebuntene tilstrekkelig jevnt over koordinatplanet uten dødpunkter eller skygger, mens den resulterende formen av speilarrangementet eller arrangementene bør være glatt og/eller godt tilpasset til for eksempel veggmonteringsmekanismene og/eller projektorformen med hensyn til lett fremstilling, lett montering og godt estetisk utseende. There will be further restrictions on the placement and orientation of the various off-axis, mainly parabolic mirror elements in the case where there are obstacles to a straight line of sight between the camera's entrance pupil and the surface, for example due to the mechanical shape of the projector, the size of the wall mount, etc. .In a preferred embodiment, the set of possible areas for placement of the axially displaced, substantially parabolic elements outside these obstacles is recorded, and then the location of each element is selected from this set and assigned an axial direction along the surface to distribute the beam bundles sufficiently evenly across the coordinate plane without dead spots or shadows, while the resulting shape of the mirror arrangement or arrangements should be smooth and/or well adapted to, for example, the wall mounting mechanisms and/or projector shape in terms of ease of manufacture, ease of assembly and good aesthetic appearance.
I foretrukne utførelsesformer er speilarrangementet et sett med akse-forskjøvne, hovedsakelig parabolske elementer fordelt i en halvsirkel omkring vegg-eller bordfestet for innmatingsanordningen. Jo mindre radien til halvsirkelen er, jo mer vidvinklet vil den resulterende optikken være, noe som gjør bildet av objektets bredde til å bli mer avhengig av avstanden mellom objektet og speilflaten. Hvis denne radien er for liten, vil det være vanskelig å måle høyden til objektet i stor avstand fra speilet siden bildet i bredderetningen er forminsket for meget selv om høydedimensjonen har konstant forstørrelsesskalering uansett avstanden fra objektet til speilet. Et passende valg for radien kan finnes for den gitte bilde- og linseoppløsningen, speiloverflatens kvalitet og sensorens lysbudsjett, så vel som monterings- og koordinatplanets geometrier. In preferred embodiments, the mirror arrangement is a set of axis-shifted, mainly parabolic elements distributed in a semicircle around the wall or table mount for the input device. The smaller the radius of the semicircle, the more wide-angled the resulting optics will be, making the image of the object's width more dependent on the distance between the object and the mirror surface. If this radius is too small, it will be difficult to measure the height of the object at a great distance from the mirror since the image in the width direction is reduced too much even though the height dimension has constant magnification scaling regardless of the distance from the object to the mirror. An appropriate choice for the radius can be found for the given image and lens resolution, mirror surface quality and sensor light budget, as well as the mounting and coordinate plane geometries.
I en alternativ foretrukket utførelsesform er de akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske speilelementene arrangert i minst én rett støpning langs minst én av omkretskantene til koordinatplanet. Dette er en gunstig plassering for å sikre god observerbarhet og fordeling av de optiske strålene som kommer fra objektet, den kan lett fremstilles og monteres og kan resultere i et godt estetisk utseende. In an alternative preferred embodiment, the axially displaced, mainly parabolic mirror elements are arranged in at least one straight casting along at least one of the circumferential edges of the coordinate plane. This is a favorable location to ensure good observability and distribution of the optical rays coming from the object, it can be easily manufactured and mounted and can result in a good aesthetic appearance.
I noen alternative utførelsesformer kan speilarrangementet være formet som en mosaikk av små akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske segmenter, hver anordnet for å samle parallelle optiske stråler som stammer fra objektet, i forskjellige posisjoner og høyder, men hvor struktureringen av retningen, plasseringen og høyden av segmentene er optimalisert for å dekke volumet over koordinatplanet på den mest effektive måten for et rombegrenset eller formbegrenset speilarrangement, eller for å finne den mest effektive formen på speilarrangementet for dekning av deteksjon av en gitt minste objektstørrelse. Ved å utnytte mosaikkstrukturer er det mulig å finne arrangementer som gir optimal observasjon, mindre skyggedannelse og en god tilordning fra speil til piksel på bekostning av mer designoptimaliserende anstrengelser og bildedekodingskompleksitet. In some alternative embodiments, the mirror arrangement may be shaped as a mosaic of small off-axis, substantially parabolic segments, each arranged to collect parallel optical rays originating from the object, at different positions and heights, but where the structuring of the direction, location and height of the segments is optimized to cover the volume above the coordinate plane in the most efficient way for a space-constrained or shape-constrained mirror arrangement, or to find the most efficient shape of the mirror arrangement for detection coverage of a given smallest object size. By exploiting mosaic structures, it is possible to find arrangements that provide optimal observation, less shadowing and a good mapping from mirror to pixel at the cost of more design optimization efforts and image decoding complexity.
Speilarrangementet kan være fremstilt direkte i metall ved hjelp av forskjellige fabrikasjonsteknologier slik som fresing, dreiing, tredimensjonal lasergravering, sliping eller EDM. For å gjøre fremstillingen egnet for store volumer og billig produksjon, kan sprøytestøping av plastmaterialer og metallbelegg avsatt på plast fortrinnsvis brukes og vil også redusere vekten av speilarrangementet. For overflater med høyere kvalitet og presisjon, kan metalliserte glass-substrater av forskjellige typer brukes. For speil med lavere volumer og lavere kvalitet, kan termoforming og vakumforming av speillignende metalliserte plastfilmer limt til et substrat, være mulig når krumningsradiet er stor. Stansing og forming av polert metallblikk kan også brukes til å lage speilene med en kvalitet som er tilstrekkelig for noen foretrukne utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse. The mirror arrangement can be produced directly in metal using various fabrication technologies such as milling, turning, three-dimensional laser engraving, grinding or EDM. In order to make the manufacture suitable for large volumes and cheap production, injection molding of plastic materials and metal coatings deposited on plastic can preferably be used and will also reduce the weight of the mirror arrangement. For surfaces with higher quality and precision, metallized glass substrates of various types can be used. For mirrors with lower volumes and lower quality, thermoforming and vacuum forming of mirror-like metallized plastic films glued to a substrate may be possible when the radius of curvature is large. Punching and shaping of polished sheet metal can also be used to make the mirrors of a quality sufficient for some preferred embodiments of the present invention.
Speilarrangementet kan også fremstilles ved å utnytte intern totalrefleksjon i materialer slik som plast eller glass. The mirror arrangement can also be produced by utilizing internal total reflection in materials such as plastic or glass.
Speilarrangementet kan også fremstilles ved å utnytte indre totalrefleksjon i plast- eller glassmaterialer i kombinasjon med metallbelegning for å beskytte og utvide speilfunksjonen (for vinkler mindre enn den kritiske vinkelen som den indre totalrefleksjonen opptrer ved). The mirror arrangement can also be produced by utilizing internal total reflection in plastic or glass materials in combination with metal coating to protect and extend the mirror function (for angles smaller than the critical angle at which total internal reflection occurs).
I noen foretrukne utførelsesformer kan speilarrangementet basert på intern totalrefleksjon være laget av Fresnel-baserte segmenter. I noen foretrukne utførelsesformer kan speilarrangementet være fremstilt av en kombinasjon av flate speilsegmenter i gitte vinkler og en linse i plastmateriale eller en Fresnel-linse i plastmateriale for å tilveiebringe den påkrevde resulterende kurvaturen for den akseforskjøvne hovedsakelig parabolske funksjonen. In some preferred embodiments, the mirror arrangement based on total internal reflection may be made of Fresnel-based segments. In some preferred embodiments, the mirror arrangement may be made of a combination of plane mirror segments at given angles and a plastic lens or a plastic Fresnel lens to provide the required resultant curvature for the off-axis substantially parabolic function.
I noen foretrukne utførelsesformer kan den akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske funksjonen realiseres ved hjelp av en linse eller Fresnel-linse slik som de som er fremstilt for solenergi-anvendelser. In some preferred embodiments, the off-axis, substantially parabolic function may be realized using a lens or Fresnel lens such as those manufactured for solar energy applications.
I noen foretrukne utførelsesformer kan det ene eller de flere speilarrangementene være dekket av et lag av plast og/eller et spesialbelegg som selektivt stopper eller slipper gjennom lys innenfor gitte bølgelengdeområder. Ytterlaget eller huset kan så synes å være homogent med for eksempel en konstant mørk brun farge observert av brukeren og publikum i synlig lys, mens speilet bak belegget er fullstendig funksjonelt i det nær infrarøde lyset innenfor gitte bølgelengdeområder fra avbildningskameraet. In some preferred embodiments, the one or more mirror arrangements may be covered by a layer of plastic and/or a special coating that selectively stops or lets light pass through within given wavelength ranges. The outer layer or housing may then appear to be homogeneous with, for example, a constant dark brown color observed by the user and the public in visible light, while the mirror behind the coating is fully functional in the near infrared light within given wavelength ranges from the imaging camera.
I noen utførelsesformer kan det omgivende lyset og/eller lyset fra skjermen (det vil si lys fra henholdsvis projektoren eller fra flatskjermen) brukes til å belyse objektet. In some embodiments, the ambient light and/or the light from the screen (that is, light from the projector or from the flat screen, respectively) can be used to illuminate the object.
I noen foretrukne utførelsesformer kan et belysningsarrangement i det synlige og/eller nær infrarøde området være inkludert for belysning av objektet direkte og/eller indirekte ved hjelp av speilarrangementet. In some preferred embodiments, an illumination arrangement in the visible and/or near infrared range may be included to illuminate the object directly and/or indirectly by means of the mirror arrangement.
I noen foretrukne utførelsesformer kan belysningsarrangementet være styrt av en av/på bryter for å slå belysningen selektivt på eller av for forskjellige bilder. In some preferred embodiments, the lighting arrangement may be controlled by an on/off switch to selectively turn the lighting on or off for different images.
I noen foretrukne utførelsesformer blinker belysningskilden i belysningsarrangementet innenfor den aktive eksponeringsperioden for kameraet for å fryse de bevegelsene som er relatert til bevegelige objekter. In some preferred embodiments, the illumination source in the illumination arrangement flashes within the active exposure period of the camera to freeze the motions related to moving objects.
I noen foretrukne utførelsesformer er belysningsarrangementet plassert i nærheten av kameraets inngangspupill, nemlig nær brennpunktet til de parabolske elementene, for å belyse objektet gjennom speilarrangementet for derved å spre lyset i det volumet som befinner seg ved koordinatplanet i en gitt høyde og med stråler som hovedsakelig er parallelle med planet. In some preferred embodiments, the illumination arrangement is located near the entrance pupil of the camera, namely near the focal point of the parabolic elements, to illuminate the object through the mirror arrangement to thereby spread the light in the volume located at the coordinate plane at a given height and with rays that are mainly parallel to the plane.
I noen foretrukne utførelsesformer er et belysningsarrangement plassert i nærheten av kameraets inngangspupill for å belyse objektet direkte. In some preferred embodiments, an illumination arrangement is located near the entrance pupil of the camera to directly illuminate the object.
I noen foretrukne utførelsesformer er det et felles belysningsarrangement for belysning av objektet gjennom speilarrangementet og for direkte belysning av objektet. In some preferred embodiments, there is a common illumination arrangement for illumination of the object through the mirror arrangement and for direct illumination of the object.
I noen utførelsesformer er det separate belysningsarrangementer for belysning av objektet gjennom speilarrangementet og for direkte belysning av objektet. In some embodiments, there are separate illumination arrangements for illumination of the object through the mirror arrangement and for direct illumination of the object.
I noen utførelsesformer er det separate speilelementarrangementer for belysning og observasjon slik at speilene i arrangementet for observasjon av objektets høyde over koordinatplanet er mindre eksponert for selve belysningsarrangementet for derved å redusere uønskede refleksjoner fra de optiske grenseflatene og ved det å øke signal/støy-forholdet i målingene. In some embodiments, there are separate mirror element arrangements for illumination and observation so that the mirrors in the arrangement for observing the object's height above the coordinate plane are less exposed to the illumination arrangement itself, thereby reducing unwanted reflections from the optical interfaces and thereby increasing the signal/noise ratio in the measurements.
I noen utførelsesformer er av/på-styring av belysningsarrangementet for belysning av objektet gjennom speilet og av/på-styringen av belysningsarrangementet for belysning av objektet direkte atskilt, slik at objektbelysning fra belysningsarrangementene selektivt kan slåes på og av for de forskjellige bildene for å gi bedre deteksjon av objektet, for eksempel for å tilveiebringe konturer omkring objektet ved sideveis belysning. In some embodiments, on/off control of the illumination arrangement for illuminating the object through the mirror and on/off control of the illumination arrangement for illumination of the object are directly separated so that object illumination from the illumination arrangements can be selectively turned on and off for the different images to provide better detection of the object, for example to provide contours around the object in side lighting.
I noen utførelsesformer omfatter belysningsarrangementene også synlig lys, for eksempel flerfargede lysemitterende dioder med av/på- styring, slik at objektet, for eksempel en finger, kan belyses med farget lys, for eksempel grønt gjennom speilarrangementet, for derved å signalisere til brukeren at den valgte blekkfargen for eksempel er grønn. På samme måte kan blinkende rødt signaleres til brukeren på dennes finger som en slags alarm uten å bli observert av tilskuerne, osv. In some embodiments, the lighting arrangements also include visible light, for example multi-coloured light-emitting diodes with on/off control, so that the object, for example a finger, can be illuminated with colored light, for example green through the mirror arrangement, thereby signaling to the user that the selected ink color for example is green. In the same way, flashing red can be signaled to the user on their finger as a kind of alarm without being observed by the spectators, etc.
I noen foretrukne utførelsesformer omfatter kameraet et optisk filter for å blokkere uønsket lys, nemlig lyset fra flatskjermen eller projektorskjermen og/eller omgivelseslys, mens lys med samme bølgelengdeområde som belysningen slipper gjennom. In some preferred embodiments, the camera includes an optical filter to block unwanted light, namely the light from the flat screen or projector screen and/or ambient light, while allowing light of the same wavelength range as the illumination to pass through.
I noen foretrukne utførelsesformer omfatter kameraet ett eller flere valgbare optiske filtre som selektivt kan blokkere for eller slippe gjennom lys i forskjellige bølgelengdeområder, og dermed, for eksempel for noen bilder, å tillate lys med samme bølgelengdeområde som belysningen å passere gjennom, mens for andre bilder å tillate for eksempel bare det vanlige lyset å passere gjennom for så å bli i stand til å innfange bildene fra projektoren eller flatskjermen. In some preferred embodiments, the camera comprises one or more selectable optical filters that can selectively block or pass light in different wavelength ranges, thereby, for example for some images, allowing light of the same wavelength range as the illumination to pass through, while for other images allowing, for example, only ordinary light to pass through in order to be able to capture the images from the projector or flat screen.
I noen foretrukne utførelsesformer kan foreliggende oppfinnelse kombineres med oppfinnelsene i WO2001NO00369 / US7083100B2 og/eller WO2006135241A1 / US2009040195A1 med objekter som er utstyrt med mønstre som kan observeres enten direkte eller gjennom de akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske elementene eller begge deler med et gitt bølgelengdeområde på sin overflate og/eller inne i sitt legeme og/eller projisert på skjermen, som et middel for mer nøyaktig sporing og/eller for identifikasjon av objektet og/eller for deteksjon av tilstanden til forskjellige brukerinteraksjonsstyringer, slik som knapper osv., som ifølge de ovennevnte oppfinnelsene kan endre de observerbare mønstrene. Objektets nærhet til overflaten eller nærheten mellom forskjellige interne komponenter i objektet, kan også observeres ved å kombinere foreliggende oppfinnelse med den optiske nærhetsdetektoren som er beskrevet i WO2005050130 / US7339684B2.1 slike foretrukne utførelses-former kan observasjonen av slike mønstre og/eller nærhetsinformasjon spesielt gjøres gjennom foreliggende oppfinnelses speilarrangement eller speilarrangementer for derved å tilveiebringe konstant forstørrelse av denne optiske informa-sjonen over hele koordinatplanet. In some preferred embodiments, the present invention can be combined with the inventions in WO2001NO00369 / US7083100B2 and/or WO2006135241A1 / US2009040195A1 with objects that are equipped with patterns that can be observed either directly or through the off-axis, mainly parabolic elements or both with a given wavelength range on their surface and/or inside its body and/or projected on the screen, as a means for more accurate tracking and/or for identification of the object and/or for detection of the state of various user interaction controls, such as buttons, etc., as according to the above inventions can change the observable patterns. The proximity of the object to the surface or the proximity between different internal components of the object can also be observed by combining the present invention with the optical proximity detector described in WO2005050130 / US7339684B2.1 such preferred embodiments, the observation of such patterns and/or proximity information can especially be done through the present invention's mirror arrangement or mirror arrangements to thereby provide constant magnification of this optical information over the entire coordinate plane.
I noen ytterligere foretrukne utførelsesformer, er de ovenfor nevnte mønstrene laget på objektet ved å påføre velkjente retroreflektive prinsipper for i det minste et gitt bølgelengdeområde for å utnytte at belysningsarrangementene er plassert nær kameraets innpangspupill slik at den retroreflektive egenskapen til objektet vil sikre høy intensitet av den direkte observasjonen og/eller observasjonen gjennom det ene eller de flere speilarrangementene. In some further preferred embodiments, the above-mentioned patterns are made on the object by applying well-known retroreflective principles for at least a given wavelength range to take advantage of the fact that the illumination arrangements are located close to the entrance pupil of the camera so that the retroreflective property of the object will ensure high intensity of the the direct observation and/or the observation through the one or more mirror arrangements.
I noen foretrukne utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse, kan en enkel datamaskinbasert kalibreringsprosedyre brukes for å finne en nøyaktig tilordning av koordinatplanet til visningskoordinatene. En vanlig måte er å la kalibreringsprosedyren bli brukerassistert ved å vise kryss i flere punkter på skjermen, mens det kreves en manuell penn eller fingerberøring for å finne tilordningen, nemlig over-føringsmatrisen. In some preferred embodiments of the present invention, a simple computer-based calibration procedure can be used to find an accurate mapping of the coordinate plane to the display coordinates. A common way is to let the calibration procedure be user-assisted by showing crosses at several points on the screen, while a manual pen or finger touch is required to find the mapping, namely the transfer matrix.
I noen foretrukne utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse, kan et data-program mate ut bilder på visningsanordningen med for eksempel mønstre som brukes til å identifisere og spore objekter som i WO2001NO00369 / US7083100B2 og/eller WO2006135241A1 / US2009040195A1, som automatisk kan gjenkjennes av kameraet for å finne transformasjonsmatrisen for å tilordne koordinatplanet til visningskoordinater. Siden foreliggende oppfinnelse er avbildning av to forskjellige synsvinkler for et objekt som befinner seg i volumet over koordinatplanet, kan noen foretrukne utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse innbefatte et kalibrerings- og styreprogram også for høydedimensjonen, det vil si for å styre og/eller justere tersklene korrekt for nøyaktig berøring og sveving ved å innbefatte et testobjekt som henholdsvis kan observeres direkte og gjennom speilene. Semitransparente, tredimensjonale mønsterobjekter kan belyses av visningsanordningen som en del av denne kalibreringsprosedyren. Som et illustrerende eksempel er et semitransparent sylindrisk testobjekt med for eksempel noen opake bånd langs sin overflate og/eller opake objekter inne i sitt volum, plassert i noen posisjoner på visningsanordningen som blir fremhevet i sirkulære områder ett etter ett ved hjelp av kalibreringspro- grammet. Visningsanordningen vil belyse det semitransparente testobjektet når det er plassert over disse små sirkulære områdene slik at det kan ses direkte av kameraet og kan ses fra siden gjennom speilarrangementet, i henhold til foreliggende oppfinnelse. Testobjektet kan ha opake og transparente detaljer som er dimensjonert for å være observerbare i kameraets to synsvinkler i henhold til foreliggende oppfinnelse for å identifisere og skjelne forskjellige testobjekter; for å kalibrere og etablere tilordningen fra koordinatplanets koordinater til visnings-anordningens koordinater; og/eller for å kalibrere eller regulere høydemålingen, innbefattende bestemmelsen og/eller av tersklene for berørings- og svevetilstandene for en gitt installasjon. In some preferred embodiments of the present invention, a computer program can output images to the display device with, for example, patterns used to identify and track objects as in WO2001NO00369 / US7083100B2 and/or WO2006135241A1 / US2009040195A1, which can be automatically recognized by the camera to find the transformation matrix to map the coordinate plane to view coordinates. Since the present invention is the imaging of two different viewing angles for an object located in the volume above the coordinate plane, some preferred embodiments of the present invention may include a calibration and control program also for the height dimension, i.e. to control and/or adjust the thresholds correctly for accurate touch and hover by including a test object that can be observed directly and through the mirrors respectively. Semi-transparent, three-dimensional pattern objects may be illuminated by the display device as part of this calibration procedure. As an illustrative example, a semi-transparent cylindrical test object with, for example, some opaque bands along its surface and/or opaque objects inside its volume, is placed in some positions on the display device which is highlighted in circular areas one by one using the calibration program. The display device will illuminate the semi-transparent test object when it is placed over these small circular areas so that it can be seen directly by the camera and can be seen from the side through the mirror arrangement, according to the present invention. The test object can have opaque and transparent details that are dimensioned to be observable in the camera's two viewing angles according to the present invention in order to identify and distinguish different test objects; to calibrate and establish the mapping from coordinate plane coordinates to display device coordinates; and/or to calibrate or regulate the altimetry, including the determination and/or of the thresholds for the touch and hover conditions for a given installation.
I noen foretrukne utførelsesformer kan speilarrangementet og/eller projektor-holderen og/eller skjermholderne og/eller skriveflaten ha optiske mønstre for nøyaktig objektposisjonering i scenen, som beskrevet i WO2001NO00369 / US7083100B2. Dette kan forenkle monterings- og kalibreringsprosedyren betydelig, og kalibreringen kan gjøres internt ved hjelp av beregningsenheten i innmatingsanordningen uten manuelle kalibreringstrinn eller eksterne dataprogrammer. In some preferred embodiments, the mirror arrangement and/or the projector holder and/or the screen holders and/or the writing surface may have optical patterns for accurate object positioning in the scene, as described in WO2001NO00369 / US7083100B2. This can greatly simplify the assembly and calibration procedure, and the calibration can be done internally using the calculation unit in the input device without manual calibration steps or external computer programs.
Formålet med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe posisjonsinformasjon i X- og Y-retningen, så vel som informasjon om berøring og sveving (Z-retningen som representerer informasjon om brukerhandling) fra brukeren i et mann-maskin-grensesnitt som typisk også innbefatter, men ikke er begrenset til, en samvirkende visningsanordning. The purpose of the present invention is to provide positional information in the X and Y directions, as well as information about touch and hover (the Z direction representing information about user action) from the user in a man-machine interface that typically also includes, but does not is limited to, an interactive display device.
Det er videre et formål med foreliggende oppfinnelse å bli brukt til avansert flerberøringsinteraksjon som blir benyttet i menneskelige grensesnittanordninger for datamaskiner og annet elektronisk utstyr. De fine detaljene i brukerens interaksjon som innbefatter nøyaktig berøringskontroll, håndstilling og gester, kan innfanges ved hjelp av kombinasjonen av direkte observasjon og observasjon gjennom et akse-forskjøvet, hovedsakelig parabolsk speilarrangement. Ved å bruke blinkende belysning direkte eller gjennom speilarrangementet, kan alle bevegelser fryses for å unngå utsmøring av kamerabildene. I noen foretrukne utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse, kan belysningen også være forsynt med separat optikk, for derved å fjerne involverte refleksjoner ved belysning og observering gjort samtidig gjennom den samme optikken, for derved å forbedre signal/støy-forholdet. It is further an object of the present invention to be used for advanced multi-touch interaction which is used in human interface devices for computers and other electronic equipment. The fine details of user interaction including precise touch control, hand posture and gestures can be captured using a combination of direct observation and observation through an axis-shifted, mainly parabolic mirror arrangement. By using flashing lighting directly or through the mirror arrangement, all movement can be frozen to avoid smearing of the camera images. In some preferred embodiments of the present invention, the lighting can also be provided with separate optics, thereby removing reflections involved in illumination and observation done simultaneously through the same optics, thereby improving the signal/noise ratio.
I noen ytterligere utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse blir belysningsanordninger med nær infrarødt lys brukt. Kameraet kan videre ha et optisk filter som blokkerer for synlig lys osv., og tillater bare nær infrarødt lys å passere. I slike ut-førelsesformer vil oppfinnelsen være mindre ømfintlig for andre lyskilder slik som dagslys, rombelysning, lys fra projektoren, skjermlys osv. In some further embodiments of the present invention, illumination devices with near infrared light are used. The camera may also have an optical filter that blocks visible light, etc., and only allows near-infrared light to pass. In such embodiments, the invention will be less sensitive to other light sources such as daylight, room lighting, light from the projector, screen light, etc.
Det er en fordel ved foreliggende oppfinnelse at forstørrelsen av interaksjonsobjektene er konstant for alle avstander for et gitt segment. Dette innebærer enkel bildebehandling og et meget nøyaktig system over store flater. Formålet med denne oppfinnelsen er å lage et meget robust og nøyaktig berørings- og svevedeteksjons-system. It is an advantage of the present invention that the magnification of the interaction objects is constant for all distances for a given segment. This involves simple image processing and a very accurate system over large surfaces. The purpose of this invention is to create a very robust and accurate touch and hover detection system.
Det er videre en fordel ved foreliggende oppfinnelse at det blir mulig å innbefatte den i front- og baklysprojeksjonssystemer på vegger og på tavler, og foreliggende oppfinnelse kan være enten integrert i nytt utstyr eller ettermontert i eksisterende utstyr for å gjøre slike systemer interaktive. It is also an advantage of the present invention that it becomes possible to include it in front and rear light projection systems on walls and on boards, and the present invention can be either integrated into new equipment or retrofitted into existing equipment to make such systems interactive.
Det er en ytterligere fordel at foreliggende oppfinnelse kan monteres på eller integreres i veggholdere for projektorer eller skjermholdere (LCD, OLED osv.). It is a further advantage that the present invention can be mounted on or integrated into wall holders for projectors or screen holders (LCD, OLED, etc.).
I noen alternative utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse, for meget avanserte interaksjonsrom, kan bruken av bifokale kameralinser forbedre opp-løsningen ved forstørrelse av bildet omkring speilarrangementet for å få enda mer nøyaktig berørings- og høydeinformasjon. Alternativt, kan linseoptikken være separert for direkte betraktning og betraktning gjennom det akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske speilarrangementet for å miniatyrisere utstyret, redusere kostnader og forenkle installasjon. Dette kan oppnås ved å utnytte tilgjengelig og billig CMOS-bildesensorteknologier som tilveiebringer fullstendig eksponeringssynkronisering og strømming av et par bilder fra to separate sensorer ved hjelp av en sammenkoblet høyhastighets serieforbindelse, og bruker så den linseoptikken som er best egnet for de to separate bildene, og så utføre de samme beregningene på bildeparet ved hjelp av beregningsenheten. Metoden for hastighetsøkning som er beskrevet for foreliggende oppfinnelse, vil også kunne anvendes i en slik dobbel sensor/linse-konfigurasjon. In some alternative embodiments of the present invention, for very advanced interaction spaces, the use of bifocal camera lenses can improve resolution by enlarging the image around the mirror arrangement to obtain even more accurate touch and height information. Alternatively, the lens optics may be separate for direct viewing and viewing through the off-axis, essentially parabolic mirror arrangement to miniaturize the equipment, reduce costs, and simplify installation. This can be achieved by exploiting available and inexpensive CMOS image sensor technologies that provide full exposure synchronization and streaming of a pair of images from two separate sensors using an interconnected high-speed serial connection, then using the lens optics best suited for the two separate images, and then perform the same calculations on the image pair using the calculation unit. The method for speed increase which is described for the present invention will also be able to be used in such a double sensor/lens configuration.
Foreliggende oppfinnelse kan benytte billig CCD- eller CMOS-kamera-teknologi og billige nær infrarøde LED-er og optikk som er lett og billig å fremstille, og tilgjengelige integrerte kretser for signalbehandling som er enkle å programmere for den aktuelle anvendelsen. Foreliggende oppfinnelse er derfor enkel å implementere i store produksjonsvolumer. The present invention can utilize inexpensive CCD or CMOS camera technology and inexpensive near-infrared LEDs and optics that are easy and cheap to manufacture, and available signal processing integrated circuits that are easy to program for the application at hand. The present invention is therefore easy to implement in large production volumes.
I noen scenarier kan foreliggende oppfinnelse også for eksempel bestemme håndstillinger som et andre interaksjonsobjekt innenfor kameraets synsfelt, men ikke nødvendigvis innenfor det definerte interaksjonsvolumet, hvor stillingen til det minst ene første objektet blir bestemt slik at stillingen til det andre objektet kan tilveiebringe ytterligere informasjon i den menneskelige interaksjonen med datamaskinen. In some scenarios, the present invention can also, for example, determine hand positions as a second interaction object within the camera's field of view, but not necessarily within the defined interaction volume, where the position of at least one first object is determined so that the position of the second object can provide additional information in the human interaction with the computer.
Fremgangsmåten som er basert på å observere objektet ved hjelp av det akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske speilarrangementet, tilveiebringer eksplisitt høyden Z over interaksjonsflaten, synonymt med informasjon om svevenivå. Ved kun å utføre enkel kantdeteksjon over de kamerapikslene som representerer de forskjellige akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske speilelementene, blir det mulig å bestemme nærværet og høyden av et interaksjonsobjekt. Man kan også bruke forskjellige bildebehandlingsmetoder for å detektere de aktuelle endringene i bilde-områdene for speilelementene, slik som for eksempel subtraksjon av et referanse-bilde, og også absolutte differanser i bildet, så vel som normalisering, terskelstyring (det vil si sammenligning med én eller flere terskelverdier) for for eksempel å finne en binær representasjon som lett kan behandles ytterligere for å finne kandidatobjekter ved hjelp av flekdeteksjonsalgoritmer eller sjablontilpasningsteknikker. Kandidatobjektene kan være lokalisert både i speilbildet som ser langs interaksjonsflaten, og i det direkte bildet, nemlig bildet av interaksjonsflaten selv. Det såkalte korrespondanseproblemet, nemlig hvor tilsvarende bildeinformasjon fra to forskjellige synsvinkler må identifiseres, er generelt et meget komplekst problem, og er et nøkkelproblem i stereografiske og kunstige tredimensjonale betraktningssystemer. Ved å utnytte de akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske speilene, blir informasjon om høyden (Z) eksplisitt og lineært representert uten noen perspektivforvrengning som en funksjon av objektets posisjon (X, Y) i interaksjonsvolumet. Korrespondanseproblemet for foreliggende oppfinnelse er derfor redusert i kompleksitet sammenlignet med et generelt tilfelle, men kan forenkles ytterligere ved hjelp av den fremgangsmåten som er beskrevet nedenfor. The method, which is based on observing the object using the off-axis, essentially parabolic mirror arrangement, explicitly provides the height Z above the interaction surface, synonymous with hover level information. By only performing simple edge detection over those camera pixels that represent the various off-axis, mainly parabolic mirror elements, it becomes possible to determine the presence and height of an interaction object. One can also use different image processing methods to detect the relevant changes in the image areas of the mirror elements, such as, for example, subtraction of a reference image, and also absolute differences in the image, as well as normalization, threshold control (that is, comparison with one or multiple threshold values) to, for example, find a binary representation that can easily be further processed to find candidate objects using speckle detection algorithms or template matching techniques. The candidate objects can be located both in the mirror image that looks along the interaction surface, and in the direct image, namely the image of the interaction surface itself. The so-called correspondence problem, namely where corresponding image information from two different viewing angles must be identified, is generally a very complex problem, and is a key problem in stereographic and artificial three-dimensional viewing systems. By utilizing the off-axis, mainly parabolic mirrors, information about the height (Z) is explicitly and linearly represented without any perspective distortion as a function of the object's position (X, Y) in the interaction volume. The correspondence problem for the present invention is therefore reduced in complexity compared to a general case, but can be further simplified using the method described below.
Fremgangsmåten som er basert på observasjon av objektet ved hjelp av det akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske speilarrangementet, tilveiebringer som allerede diskutert, eksplisitt informasjon om svevenivå. Fremgangsmåten gjør det også mulig å finne interaksjonsobjektene hurtigere ved å utnytte en karakteristikk at bildet gjennom det akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske speilelementet er en betraktning langs interaksjonsvolumet i en spesiell retning, noe som betyr at flere objektposisjoner blir tilordnet det ene enkle speilelementet eller en gruppe av slike speilelementer og kan observeres av kameraet som har et lavt antall piksler. For den innledende søkingen etter hvor objektet befinner seg, vil avbildningsprosessen av det begrensede kamerapikselområdet relatert til speilarrangementet, lett finne høyden av objektet og retningen hvor objektet befinner seg. I det foran nevnte speilarrangementet hvor de akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske elementene er fordelt i en halvsirkel, kan så høyden (Z) og asimutvinkelen (AZ) som representerer retningen til objektet, finnes direkte, og en bane for posisjoner for kandidatobjektet i interaksjonsvolumet kan bestemmes. Denne banen kan omformes til en bane i bildesensorgruppen ved for eksempel en oppslagstabell, og kan så søkes forfore- komsten av objektet ved for eksempel en kantdetekterende algoritme kjørt langs denne banen. Denne fremgangsmåten representerer en effektiv søkeprosedyre for å finne det ene eller de flere objektene i bildet med høy beregningshastighet sammenlignet med et fullstendig todimensjonalt søk i bildesensorgruppen for hele interaksjonsflaten. The method which is based on observation of the object by means of the off-axis, mainly parabolic mirror arrangement provides, as already discussed, explicit information about hover level. The method also makes it possible to find the interaction objects faster by exploiting a characteristic that the image through the axis-shifted, mainly parabolic mirror element is a view along the interaction volume in a particular direction, which means that several object positions are assigned to the one simple mirror element or a group of such mirror elements and can be observed by the camera which has a low number of pixels. For the initial search for where the object is located, the imaging process of the limited camera pixel area related to the mirror arrangement will easily find the height of the object and the direction where the object is located. In the aforementioned mirror arrangement where the axially displaced, mainly parabolic elements are distributed in a semicircle, then the height (Z) and the azimuth angle (AZ) representing the direction of the object can be found directly, and a trajectory of positions for the candidate object in the interaction volume can be determined. This path can be transformed into a path in the image sensor group by, for example, a look-up table, and the first instance of the object can then be sought by, for example, an edge-detecting algorithm run along this path. This approach represents an efficient search procedure for finding the one or more objects in the image with high computational speed compared to a full two-dimensional search of the image sensor array for the entire interaction surface.
Videre kan en redundansmetode utnyttes i forbindelse med foreliggende oppfinnelse for å finne posisjonen, svevenivået og berøringen av det ene eller de flere objektene selv når det direkte bildet av objektet eller objektene er blokkert i den direkte kameravinkelen, ved å utnytte to eller flere speil. Brukeren kan av og til og utilsiktet skjule pennen, sine fingre eller sin hånd under en interaksjonssesjon ved for eksempel sin andre hånd eller sitt hode sett fra det direkte kamerasynspunktet, mens to speil langs interaksjonsflaten kan følge objektene, bestemme deres høyde, finne deres berørings- og svevetilstand og beregne deres posisjoner ved hjelp av triangulering av asimutvinklene til objektene som er observert i speilene med en gitt grunnlengde. Furthermore, a redundancy method can be utilized in connection with the present invention to find the position, hover level and touch of the one or more objects even when the direct image of the object or objects is blocked in the direct camera angle, by utilizing two or more mirrors. The user can occasionally and unintentionally hide the pen, his fingers or his hand during an interaction session by, for example, his other hand or his head seen from the direct camera point of view, while two mirrors along the interaction surface can follow the objects, determine their height, find their touch- and hover state and calculate their positions by triangulation of the azimuth angles of the objects observed in the mirrors with a given base length.
Ved sporing av de relative bevegelsene og de medfølgende stillingstypene som kan bestemmes fra bilde til bilde, kan slike sekvenser tolkes som hånd-kommandoer som til en viss grad er inkorporert i brukergrensesnitt for datamaskiner, mobile anordninger og integrerte systemer. By tracking the relative movements and accompanying posture types that can be determined from frame to frame, such sequences can be interpreted as hand commands that are to some extent incorporated into user interfaces for computers, mobile devices and integrated systems.
Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer interaksjonssystemer som benytter penn, berøring eller begge deler (dobbeltmodussystemer) egnet for undervisning, samarbeid og møter. Nåværende operativsystemer og grafiske brukergrensesnitt er forberedt for dobbeltmodus, flerberørings- og flerpennsinnmating, og de kan skjelne mellom berørings-, penn- og musinnmating. Ved å kombinere interaksjonsobjekter og penner med optiske mønstre og andre objekter, slik som fingre og hånden, kan bildegjenkjenning og mønstertilpasning brukes til å skjelne mellom disse innmatings-modiene og tilveiebringe dobbeltmodusinformasjonen fra diverse interaksjonsobjekter til datamaskinen som flerberørings-, flerpenns- og musinformasjon samtidig til datamaskinen. Flere nye interaksjonsplattformer tillater også enkel penn- eller fingergeststyring, og/eller også håndgestbasert interaksjon. The present invention provides interaction systems that use pen, touch or both (dual mode systems) suitable for teaching, collaboration and meetings. Current operating systems and graphical user interfaces are prepared for dual-mode, multi-touch and multi-pen input, and can distinguish between touch, pen and mouse input. By combining interaction objects and pens with optical patterns and other objects, such as fingers and the hand, image recognition and pattern matching can be used to distinguish between these input modes and provide the dual-mode information from various interaction objects to the computer as multi-touch, multi-pen and mouse information simultaneously to the computer. Several new interaction platforms also allow simple pen or finger gesture control, and/or also hand gesture-based interaction.
Oppfinnelsen kan utnyttes i forbindelse med interaktive bord, brett og whiteboard-tavler i klasserom, foredragssaler, møterom, videokonferanserom og kollokvierom. Oppfinnelsen kan brukes sammen med kortdistanse- eller langdistanse-dataprojektorer, eller sammen med flatskjermer slik som LCD-skjermer, plasma-skjermer, OLED-skjermer eller bakprojeksjonssystemer uten å redusere bildekvaliteten eller å slite ut utstyret. Teknologi basert på foreliggende oppfinnelse kan lett tilpasses forskjellige skjermer, projektorer og fremvisningsenheter med lave kostnader og små anstrengelser. The invention can be used in connection with interactive tables, boards and whiteboards in classrooms, lecture halls, meeting rooms, video conference rooms and colloquium rooms. The invention can be used with short-range or long-range data projectors, or with flat screens such as LCD screens, plasma screens, OLED screens or rear projection systems without reducing image quality or wearing out the equipment. Technology based on the present invention can be easily adapted to different screens, projectors and display devices with low costs and little effort.
Foreliggende oppfinnelse er ideell for kortdistanse-anordninger, typisk montert på veggen, siden den kan integreres i eller festes langs veggprojektoren, eller festes til projektorveggmonteringen for å gjøre installasjonen enkel og robust. The present invention is ideal for short-range devices, typically mounted on the wall, since it can be integrated into or attached along the wall projector, or attached to the projector wall mount to make installation simple and robust.
Foreliggende oppfinnelse kan også benyttes i foredragssaler hvor meget lange interaktiv whiteboard-tavler og interaksjonsrom er nødvendig for å tilveiebringe berørings-, penn- og geststyring, og kan også vekselvirke med pekestokker og laser-pekere og være tolerante overfor og tilpasningsbare til forskjellige visningsformater. The present invention can also be used in lecture halls where very long interactive whiteboards and interaction rooms are necessary to provide touch, pen and gesture control, and can also interact with pointing sticks and laser pointers and be tolerant of and adaptable to different display formats.
Foreliggende oppfinnelse kan også benyttes sammen med flatskjermteknologier for å gjøre dem interaktive, innbefattende stillings- og geststyring. Siden foreliggende oppfinnelse er basert på bruk av CMOS-bildesensorer og bilde-signalbehandling, kan systemet oppvise en høy oppdateringshastighet for koordinater og tilveiebringe lav latens som gir den beste brukererfaringen. The present invention can also be used together with flat screen technologies to make them interactive, including position and gesture control. Since the present invention is based on the use of CMOS image sensors and image signal processing, the system can exhibit a high coordinate update rate and provide low latency that provides the best user experience.
Interaksjonssystemene ifølge foreliggende oppfinnelse kan meget lett om-dannes for å passe inn i eksisterende infrastruktur for, for eksempel, å oppgradere allerede installerte pennbaserte interaktive whiteboard-modeller til også å muliggjøre fingerberørings- og håndgeststyring, eller for å oppgradere et møte- eller undervisningsrom allerede utstyrt med en projektor eller flatskjerm, for å bli interaktiv med en enkel installasjon av selve innmatingsanordningen. The interaction systems according to the present invention can be very easily converted to fit into existing infrastructure to, for example, upgrade already installed pen-based interactive whiteboard models to also enable finger touch and hand gesture control, or to upgrade an existing meeting or teaching room equipped with a projector or flat screen, to become interactive with a simple installation of the input device itself.
Interaksjonssystemet ifølge foreliggende oppfinnelse kan også brukes i interaktive vertikale og horisontale flerbrukeroverflater i flerbrukerrom og kontrollrom, museer og utstillinger, i interaktive gjestebord i restauranter og i digitale plakater i offentlige og kommersielle områder utendørs og innendørs. The interaction system according to the present invention can also be used in interactive vertical and horizontal multi-user surfaces in multi-user rooms and control rooms, museums and exhibitions, in interactive guest tables in restaurants and in digital posters in public and commercial areas outdoors and indoors.
Foreliggende oppfinnelse vil også tilveiebringe avansert flerberøringsinter-aksjon for bruker på undervisnings- og forretningsmarkedet. Foreliggende oppfinnelse vil være egnet for små og mellomstore visningsanordninger så vel som store og brede whiteboard-tavler på skoler og i foredragssaler. The present invention will also provide advanced multi-touch interaction for users in the educational and business markets. The present invention will be suitable for small and medium-sized display devices as well as large and wide whiteboards in schools and in lecture halls.
Foreliggende oppfinnelse kan også brukes med eller uten en visningsanordning i undervisning, til interaktiv informasjonsvisning og i museer og utstillinger. The present invention can also be used with or without a display device in teaching, for interactive information display and in museums and exhibitions.
Beskrivelse av tegningene Description of the drawings
Oppfinnelsen blir her beskrevet, kun ved hjelp av eksempler, under henvisning til de vedføyde tegningene, hvor: Figur 1 er en illustrasjon av et eksempel på en utforming ifølge en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse, hvor et speilarrangement av akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske elementer er organisert på en halvsirkulær måte omkring en kortdistanse-projektorholder; Figur 2 er en presentasjon av en utførelsesform som vist på figur 1, i sideriss; Figur 1B er en illustrasjon av et utførelseseksempel i henhold til en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse, hvor et speilarrangement av akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske elementer er organisert i en halvsirkulær form over flatskjermen; Figur 2B er en illustrasjon av en utforming som vist på figur 1B i sideriss; Figur 3 er en illustrasjon av et eksempel på en utforming ifølge en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse, hvor et speilarrangement av akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske elementer er organisert langs en rett støpelist like over et visningsområde for en projektor; Figur 4 er en presentasjon av en utførelsesform som vist på figur 3, i sideriss; Figur 3B er en illustrasjon av et eksempel på en utforming i henhold til en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse, hvor et speilarrangement av akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske elementer er organisert langs en rett list like over et plant visningsområde; Figur 4B er en presentasjon av en utforming som vist på figur 3B i sideriss; Figur 5 er en illustrasjon av et eksempel på en utforming i henhold til en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse, hvor et speilarrangement av akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske elementer er organisert for å unngå hindringer slik som for eksempel et stativ for en kortdistanse-projektor eller et feste, for å plassere speilelementene i områder i direkte siktlinjer fra et kamera anordnet utenfor et visningsområde; Figur 6 er en presentasjon av en utforming som vist på figur 5, i sideriss; Figur 7 er en illustrasjon av et eksempel på en utforming ifølge en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse, hvor et speilarrangement av akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske elementer er organisert i en halvsirkulær form på et bord nær en projektor- eller kamerafeste; Figur 8 er en presentasjon av en konfigurasjon som vist på figur 7, i sideriss; Figur 7B er en illustrasjon av et eksempel på en utforming ifølge en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse, hvor et speilarrangement av akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske elementer er organisert på et bord nær et kamerafeste og en flatskjerm; Figur 8B er en presentasjon av en utforming som vist på figur 7B, i sideriss; Figur 9 er en illustrasjon av et eksempel på en utforming ifølge en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse, hvor speilarrangementet av akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske elementer er organisert langs en rett list like over visningsområdet til projektoren for et bakprojeksjonssystem; Figur 10 er en presentasjon av en utforming som vist på figur 9, i sideriss; Figur 9B er en illustrasjon av et eksempel på en utforming ifølge en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse, hvor et speilarrangement av akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske elementer er organisert langs en rett list like over et visningsområde for en transparent skjerm (for eksempel et OLED-system); Figur 10B er en presentasjon av en utforming som vist på figur 9B, i sideriss; Figur 11 er en illustrasjon av et eksempel på en utforming ifølge en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse, hvor et speilarrangement av akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske elementer er organisert langs en rett list like over en øvre side av et visningsområde for et bakprojeksjonssystem montert i et bord; Figur 12 er en presentasjon av en utforming som vist på figur 11, i sideriss; Figur 11B er en illustrasjon av et eksempel på en utforming ifølge en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse, hvor et speilarrangement av akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske elementer er organisert langs en rett list like over et visningsområde for en transparent skjerm (for eksempel OLED) montert på et bord; Figur 12B er en representasjon av en utforming som vist på figur 11B, i sideriss; Figur 13 er en illustrasjon av et eksempel på en utforming ifølge en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse, hvor et speilarrangement av akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske elementer er organisert langs en sirkulær form, for eksempel over en øvre side av et projektor-visningsområde for et baklysprojektorsystem montert i et bord, eller organiserte elementer i områder av direkte siktlinje fra et kamera for å unngå hindringer, men utenfor visningsområdet; Figur 14 er en representasjon av en utforming som vist på figur 13, i sideriss; Figur 13B er en illustrasjon av et eksempel på en utforming ifølge en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse, hvor et speilarrangement av akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske elementer er organisert langs en sirkulær form, for eksempel over en øvre side av en transparent visningsskjerm (for eksempel OLED) montert i et bord, eller organisert i elementer med direkte siktlinje fra et kamera for å unngå hindringer, men utenfor visningsområdet; Figur 14B er en presentasjon av en utforming som vist på figur 13B, i sideriss; Figur 15 er en illustrasjon av et eksempel på en utforming ifølge en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse, hvor et speilarrangement av akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske elementer er organisert langs en sirkulær form, for eksempel over en øvre side av et projektor-visningsområde for et veggmontert bakprojeksjonssystem, eller organisert i elementer i områder med direkte siktlinje fra et kamera for å unngå hindringer, men utenfor visningsområdet; Figur 16 er en presentasjon av en utforming som vist på figur 15, i sideriss; Figur 15B er en illustrasjon av et eksempel på en utforming ifølge en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse, hvor et speilarrangement av akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske elementer er organisert langs en sirkulær form, for eksempel over en øvre side av en transparent visningsskjerm (for eksempel OLED) montert på en vegg, eller organisert i elementer i områder med direkte siktlinje fra et kamera for å unngå hindringer, men utenfor visningsområdet; Figur 16B er en presentasjon av en utforming som vist på figur 15B, i sideriss; Figur 17 er en illustrasjon av et eksempel på en utforming ifølge en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse, hvor et speilarrangement av akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske elementer er organisert langs en rett list like over visningsområdet for en transparent skjerm (for eksempel OLED) montert i en håndholdt anordning; Figur 18 er en illustrasjon av typiske kamerabilder for noen eksempler på utforminger ifølge foretrukne utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse, hvor speilarrangementet av akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske elementer er organisert på flere forskjellige måter; Figur 19A er en illustrasjon over en parabol og et akseforskjøvet segment; Figur 19B til 19 F er illustrasjoner av eksempler på utforminger av akseforskjøvne, konkave og hovedsakelig parabolske elementer, og også illustrasjoner av noen fremstillingsbegrensninger; Figur 20 er en illustrasjon av eksempler på utforminger av speilelementer ifølge foretrukne utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse; Figur 21A er et flytskjema som illustrerer et eksempel på en metodologi som letter det å finne fingrenes avstand til en overflate, å finne fingrenes tre dimensjonale koordinater innenfor et volum og en berørings- og svevetilstand for fingrene; Figur 21B er et flytskjema som illustrerer en fremskyndet metodologi for å finne et objekt; Figur 22 er en illustrasjon av eksempler på metodologier som letter kalibrering av et kamera til en visningsskjerm ifølge en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse; Figur 23 er en illustrasjon av eksempler på utforminger av en penn med sporingsmønstre, et speil med lokaliseringskontrollmønstre og et koordinatplan med kontrollmønstre for lokalisering; Figur 24 er en illustrasjon av eksempler på konfigurasjoner for å tilveiebringe en kontrollert bakgrunn for avbildning og for måling ved bruk av en liten list langs én eller flere kanter av et koordinatplan; Figur 25 er en illustrasjon av eksempler på utforminger av et speilarrangement av akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske elementer ved et koordinatplan kombinert med ytterligere buede eller plane speilelementer lenger utenfor koordinatplanet, for å tilveiebringe rommessig informasjon observert ved å bruke et kamera; Figur 26 er en illustrasjon av eksempler på utforminger av et speilarrangement av akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske elementer ved et koordinatplan for observasjon av et objekts høyde i forhold til et koordinatplan, kombinert med en separat anordning for belysning; Figur 27 er en skjematisk illustrasjon av et system som omfatter en visningsanordning, en samvirkende datamaskin og en anordning i henhold til foreliggende oppfinnelse; Figur 28 er en illustrasjon av et eksempel på en utforming ifølge en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse, hvor et direkte bilde og et speilbilde blir tatt ved hjelp av to samvirkende, atskilte bildesensorer med optikk for å optimalisere hvert bilde for lave fremstillingskostnader, miniatyrisering og enkelt oppsett; og Figur 29 er en skjematisk illustrasjon av et eksempel på en utforming av et speilarrangement med to seksjoner bestående av akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske speilelementer M1 og M2 som kan observeres av et kamera, og et objekt P som befinner seg i et interaksjonsvolum. The invention is described here, by way of examples only, with reference to the attached drawings, where: Figure 1 is an illustration of an example of a design according to a preferred embodiment of the present invention, where a mirror arrangement of axially displaced, mainly parabolic elements is organized in a semi-circular fashion around a short-throw projector holder; Figure 2 is a presentation of an embodiment as shown in Figure 1, in side view; Figure 1B is an illustration of an embodiment according to a preferred embodiment of the present invention, where a mirror arrangement of axially displaced, mainly parabolic elements is organized in a semi-circular shape above the flat screen; Figure 2B is an illustration of a design as shown in Figure 1B in side view; Figure 3 is an illustration of an example of a design according to a preferred embodiment of the present invention, where a mirror arrangement of axially displaced, mainly parabolic elements is organized along a straight molding just above a viewing area for a projector; Figure 4 is a presentation of an embodiment as shown in Figure 3, in side view; Figure 3B is an illustration of an example of a design according to a preferred embodiment of the present invention, where a mirror arrangement of axially displaced, mainly parabolic elements is organized along a straight strip just above a flat viewing area; Figure 4B is a presentation of a design as shown in Figure 3B in side view; Figure 5 is an illustration of an example of a design according to a preferred embodiment of the present invention, where a mirror arrangement of axially displaced, mainly parabolic elements is organized to avoid obstacles such as, for example, a stand for a short-throw projector or a mount , to place the mirror elements in areas in direct lines of sight from a camera arranged outside a viewing area; Figure 6 is a presentation of a design as shown in Figure 5, in side view; Figure 7 is an illustration of an example of a design according to a preferred embodiment of the present invention, where a mirror arrangement of axially displaced, mainly parabolic elements is organized in a semi-circular shape on a table near a projector or camera mount; Figure 8 is a presentation of a configuration as shown in Figure 7, in side view; Figure 7B is an illustration of an example of a design according to a preferred embodiment of the present invention, where a mirror arrangement of axially displaced, substantially parabolic elements is organized on a table near a camera mount and a flat screen; Figure 8B is a presentation of a design as shown in Figure 7B, in side view; Figure 9 is an illustration of an example of a design according to a preferred embodiment of the present invention, where the mirror arrangement of axially displaced, mainly parabolic elements is organized along a straight strip just above the viewing area of the projector for a rear projection system; Figure 10 is a presentation of a design as shown in Figure 9, in side view; Figure 9B is an illustration of an example of a design according to a preferred embodiment of the present invention, where a mirror arrangement of axially displaced, mainly parabolic elements is organized along a straight strip just above a display area of a transparent screen (for example, an OLED system) ; Figure 10B is a presentation of a design as shown in Figure 9B, in side view; Figure 11 is an illustration of an example of a design according to a preferred embodiment of the present invention, where a mirror arrangement of axially displaced, mainly parabolic elements is organized along a straight strip just above an upper side of a viewing area for a rear projection system mounted in a table; Figure 12 is a presentation of a design as shown in Figure 11, in side view; Figure 11B is an illustration of an example of a design according to a preferred embodiment of the present invention, where a mirror arrangement of axially displaced, mainly parabolic elements is organized along a straight strip just above a display area for a transparent screen (for example OLED) mounted on a table; Figure 12B is a representation of a design as shown in Figure 11B, in side view; Figure 13 is an illustration of an example of a design according to a preferred embodiment of the present invention, where a mirror arrangement of axially displaced, substantially parabolic elements is organized along a circular shape, for example over an upper side of a projector display area for a backlight projector system mounted in a table, or organized items in areas of direct line of sight from a camera to avoid obstructions, but outside the viewing area; Figure 14 is a representation of a design as shown in Figure 13, in side view; Figure 13B is an illustration of an example of a design according to a preferred embodiment of the present invention, where a mirror arrangement of axially displaced, mainly parabolic elements is organized along a circular shape, for example over an upper side of a transparent display screen (for example OLED) mounted in a table, or organized into elements with a direct line of sight from a camera to avoid obstructions, but outside the viewing area; Figure 14B is a presentation of a design as shown in Figure 13B, in side view; Figure 15 is an illustration of an example of a design according to a preferred embodiment of the present invention, where a mirror arrangement of axially offset, substantially parabolic elements is organized along a circular shape, for example over an upper side of a projector display area for a wall-mounted rear projection system , or organized into elements in areas with direct line of sight from a camera to avoid obstructions, but outside the viewing area; Figure 16 is a presentation of a design as shown in Figure 15, in side view; Figure 15B is an illustration of an example of a design according to a preferred embodiment of the present invention, where a mirror arrangement of axially displaced, mainly parabolic elements is organized along a circular shape, for example over an upper side of a transparent display screen (for example OLED) mounted on a wall, or organized into elements in areas with a direct line of sight from a camera to avoid obstructions, but outside the viewing area; Figure 16B is a presentation of a design as shown in Figure 15B, in side view; Figure 17 is an illustration of an example of a design according to a preferred embodiment of the present invention, where a mirror arrangement of axially displaced, mainly parabolic elements is organized along a straight strip just above the display area of a transparent screen (for example OLED) mounted in a hand-held device; Figure 18 is an illustration of typical camera images for some examples of designs according to preferred embodiments of the present invention, where the mirror arrangement of axially displaced, mainly parabolic elements is organized in several different ways; Figure 19A is an illustration of a parabola and an off-axis segment; Figures 19B to 19F are illustrations of exemplary designs of off-axis, concave and substantially parabolic elements, and also illustrations of some manufacturing limitations; Figure 20 is an illustration of examples of designs of mirror elements according to preferred embodiments of the present invention; Figure 21A is a flowchart illustrating an example of a methodology that facilitates finding the distance of the fingers to a surface, finding the three dimensional coordinates of the fingers within a volume, and a touch and hover condition for the fingers; Figure 21B is a flow chart illustrating an expedited methodology for finding a object; Figure 22 is an illustration of examples of methodologies that facilitate calibration of a camera to a display screen according to a preferred embodiment of the present invention; Figure 23 is an illustration of exemplary designs of a stylus with tracking patterns, a mirror with location control patterns, and a coordinate plane with location control patterns; Figure 24 is an illustration of example configurations for providing a controlled background for imaging and for measurement using a small strip along one or more edges of a coordinate plane; Figure 25 is an illustration of exemplary designs of a mirror arrangement of off-axis, substantially parabolic elements at a coordinate plane combined with additional curved or planar mirror elements further outside the coordinate plane, to provide spatial information observed using a camera; Figure 26 is an illustration of examples of designs of a mirror arrangement of axially displaced, mainly parabolic elements at a coordinate plane for observing an object's height in relation to a coordinate plane, combined with a separate device for illumination; Figure 27 is a schematic illustration of a system comprising a display device, a cooperating computer and a device according to the present invention; Figure 28 is an illustration of an example of a design according to a preferred embodiment of the present invention, where a direct image and a mirror image are captured using two cooperating, separate image sensors with optics to optimize each image for low manufacturing costs, miniaturization and simple setup; and Figure 29 is a schematic illustration of an example of a design of a mirror arrangement with two sections consisting of axially displaced, mainly parabolic mirror elements M1 and M2 which can be observed by a camera, and an object P which is located in an interaction volume.
Beskrivelse av utførelsesformer av oppfinnelsen Description of embodiments of the invention
Foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning, et system og en fremgangsmåte for en kamerabasert datainnmatingsanordning for mann-maskin-interaksjon. Foreliggende oppfinnelse vedrører dessuten også anordninger for å implementere slike systemer og utføre slike fremgangsmåter. The present invention relates to a device, a system and a method for a camera-based data input device for man-machine interaction. The present invention also relates to devices for implementing such systems and performing such methods.
Før forklaring av minst én utførelsesform av oppfinnelsen i detalj, skal det bemerkes at oppfinnelsen ikke er begrenset i sin anvendelse til de detaljene ved konstruksjon og arrangementene av komponenter som er angitt i den følgende beskrivelse eller som er illustrert på tegningene. Oppfinnelsen kan implementeres ved hjelp av andre utførelsesformer eller praktiseres eller utføres på forskjellige måter. Det skal dessuten bemerkes at den fraseologien og terminologien som er anvendt her, har det formål å beskrive og skal ikke anses som begrensende. Before explaining at least one embodiment of the invention in detail, it should be noted that the invention is not limited in its application to those details of construction and arrangements of components set forth in the following description or illustrated in the drawings. The invention may be implemented by means of other embodiments or practiced or carried out in different ways. It should also be noted that the phraseology and terminology used herein is for the purpose of description and should not be considered limiting.
Prinsippene og virkemåten til anordningen, systemet og fremgangsmåten for interaktiv innmating ifølge foreliggende oppfinnelse, kan forstås bedre under henvisning til tegningene og deres medfølgende beskrivelse. The principles and operation of the device, system and method for interactive input according to the present invention can be better understood with reference to the drawings and their accompanying description.
Først vil prinsippet for en interaksjonsanordning og et interaksjonssystem bli beskrevet. Deretter vil detaljert beskrivelse av noen foretrukne utførelsesformer bli beskrevet sammen med sine detaljerte operasjonsprinsipper. First, the principle of an interaction device and an interaction system will be described. Next, detailed description of some preferred embodiments will be described together with their detailed principles of operation.
Prinsippet bak interaksjonsanordningen og interaksjonssystemet er beskrevet under henvisning til et eksempel på en utforming som illustrert på figur 1 og figur 2 som skjematisk skisserer en maskinvarekonfigurasjon av en foretrukket utførelses-form av foreliggende oppfinnelse som vist i perspektiv og i et sideriss. Utstyrskomponentene i denne utførelsesformen er en kortdistanse dataprojektor 3 plassert sammen med et kamera 5 og en belysningskilde 6 på et veggfeste 4. The principle behind the interaction device and the interaction system is described with reference to an example of a design as illustrated in Figure 1 and Figure 2 which schematically outlines a hardware configuration of a preferred embodiment of the present invention as shown in perspective and in a side view. The equipment components in this embodiment are a short-range data projector 3 placed together with a camera 5 and a lighting source 6 on a wall mount 4.
Utseende og den praktiske implementeringen av veggfeste 4 kan variere betydelig, men et hovedformål med dette er å anbringe én eller flere av kortdistanse-projektoren 3, kameraet 5 og belysningskilden 6 i riktig avstand til en skjerm og for montering på veggen 11, fortrinnsvis over et fremvist bilde 12. Det fremviste bilde 12 representerer også koordinatplanet 12 og blir fortrinnsvis projisert på en glatt og hvit overflate egnet for projeksjon, pennoperasjon og berøring, mens det i tilfellet med bruk av en plan visningsanordning, er interaksjonsflaten 12 selve visningsanordningen, eventuelt beskyttet med et spesielt transparent materiale, typisk glass eller plastmateriale for beskyttelse, slik at den er robust for penn- og berøringsopera-sjoner. Dataprojektoren 3 har et synsfelt 9 og kan opereres for å projisere det fremviste bilde 12 som representert av det heltrukne rektanglet i et interaksjonsvolum 1. The appearance and the practical implementation of the wall mount 4 can vary considerably, but a main purpose of this is to place one or more of the short-range projector 3, the camera 5 and the illumination source 6 at the correct distance to a screen and for mounting on the wall 11, preferably above a projected image 12. The projected image 12 also represents the coordinate plane 12 and is preferably projected onto a smooth and white surface suitable for projection, pen operation and touch, while in the case of using a planar display device, the interaction surface 12 is the display device itself, possibly protected with a special transparent material, typically glass or plastic material for protection, so that it is robust to pen and touch operations. The computer projector 3 has a field of view 9 and can be operated to project the displayed image 12 as represented by the solid rectangle in an interaction volume 1.
Et objekt 2, som for eksempel er brukerens finger og/eller hånd, kan vekselvirke med en datamaskin eller lignende innenfor interaksjonsvolumet 1 som er begrenset av en spesiell høyde over koordinatplanet. Det er innbefattet et speil arrangement 7 med minst ett akseforskjøvet, hovedsakelig parabolsk element på utsiden av interaksjonsvolumet 1, med sin akse parallell med koordinatplanet og sitt parabolske brennpunkt ved kameraets inngangspupill for å tilveiebringe en konstant forstørrelse av volumets høydedimensjon langs sin akse. An object 2, which is for example the user's finger and/or hand, can interact with a computer or the like within the interaction volume 1 which is limited by a particular height above the coordinate plane. It includes a mirror arrangement 7 with at least one axis-shifted, mainly parabolic element on the outside of the interaction volume 1, with its axis parallel to the coordinate plane and its parabolic focal point at the camera's entrance pupil to provide a constant magnification of the volume's height dimension along its axis.
Kameraet 5 har et synsfelt 8 som innbefatter interaksjonsvolumet 1 og speilarrangementet 7, slik at objektets koordinater og objektets svevehøyde kan beregnes og/eller dets svevetilstand og/eller berøringstilstand og/eller stillings-karakteristikkene kan utledes basert på et enkelt bilde behandlet av beregningsenheten, og/eller objektets bevegelse og/eller objektets gester kan beregnes nærmere basert på en sekvens av bilder behandlet av beregningsenheten, hvor beregningsenheten typisk, men ikke nødvendigvis, er integrert i kameraet 5. Kameraet 5 kan ha optiske filtre for selektivt å blokkere lys av forskjellige bølgelengde-områder, for eksempel for å redusere innvirkningen av dagslys og lys fra visningsanordningen. Kameraet 5 kan også være utstyrt med en bifokal linse for å forstørre speilarrangementet 7 på bekostning av dets omgivelser, for derved å øke oppløs-ningen til avbildningen av speilarrangementet 7 i sensorpikselgruppen til kameraet 5. The camera 5 has a field of view 8 which includes the interaction volume 1 and the mirror arrangement 7, so that the object's coordinates and the object's hover height can be calculated and/or its hover state and/or touch state and/or the position characteristics can be derived based on a single image processed by the calculation unit, and /or the object's movement and/or the object's gestures can be calculated in more detail based on a sequence of images processed by the calculation unit, where the calculation unit is typically, but not necessarily, integrated in the camera 5. The camera 5 can have optical filters to selectively block light of different wavelengths -areas, for example to reduce the impact of daylight and light from the display device. The camera 5 can also be equipped with a bifocal lens to enlarge the mirror arrangement 7 at the expense of its surroundings, thereby increasing the resolution of the image of the mirror arrangement 7 in the sensor pixel group of the camera 5.
Beregningsenheten har kommunikasjonsmidler, for eksempel en mikrokon-troller, for overføring av koordinatene og de andre interaksjonsdataene til en datamaskin ved for eksempel å bruke en standard seriebuss og kretser (slik som USB) eller ved å bruke trådløse kommunikasjonsprotokoller og -anordninger. The computing device has communication means, for example a microcontroller, for transferring the coordinates and the other interaction data to a computer using, for example, a standard serial bus and circuitry (such as USB) or using wireless communication protocols and devices.
Belysningsanordningen 6 kan være retningsbestemt og switchbar, for derved å belyse objektet 2 enten direkte eller gjennom speilarrangementet 7, slik at en mest mulig riktig belysning kan velges for henholdsvis den laterale posisjonsbestem-melsen og deteksjonen av svevehøyden. For lateral posisjonsbestemmelse av objektet, kan belysning gjennom speilarrangementet 7 være å foretrekke på grunn av dannelse av et felt med lysstråler med hovedsakelig konstant høyde parallelt med planet som vil belyse objektet fra siden når det kommer inn i interaksjonsvolumet 1, og dermed også tilveiebringer en viss konturdannelse av objektet 2 når det observeres direkte fra kameraet 5. For bestemmelse av svevehøyde, kan derimot direkte belysning være mer attraktivt (enn belysning gjennom speilarrangementet 7) for derved å separere de optiske banene for belysningsanordningen 6 og kameraet 5, for å maksimalisere signal/støy-forholdet, og videre tilveiebringe en viss konturdannelse av objektet 2 når det betraktes gjennom speilarrangementet 7. I noen utførelseseksempler, kan den sideveis belysningen også gjøres ved hjelp av et hovedsakelig lignende speilarrangement, som er atskilt fra speilarrangementet 7 innrettet for å bli optimalisert for observasjon for å få det beste signal/støy-forholdet for kombinasjonen av sideveis belysning og sideveis observasjon. The lighting device 6 can be directional and switchable, thereby illuminating the object 2 either directly or through the mirror arrangement 7, so that the most correct lighting can be selected for the lateral position determination and the detection of the hovering height, respectively. For lateral positioning of the object, illumination through the mirror arrangement 7 may be preferable due to the formation of a field of light rays of substantially constant height parallel to the plane which will illuminate the object from the side as it enters the interaction volume 1, thus also providing a certain contouring of the object 2 when observed directly from the camera 5. For determination of hovering height, however, direct illumination may be more attractive (than illumination through the mirror arrangement 7) to thereby separate the optical paths of the illumination device 6 and the camera 5, in order to maximize signal/ the noise ratio, and further provide some contouring of the object 2 when viewed through the mirror arrangement 7. In some embodiments, the lateral illumination can also be done by means of a substantially similar mirror arrangement, which is separate from the mirror arrangement 7 arranged to be optimized for observation to get the best signal/noise -the ratio for the combination of lateral illumination and lateral observation.
I alle utførelseseksemplene og de foretrukne utførelsesformene ifølge foreliggende oppfinnelse, kan det videre være innbefattet minst én ytre skjerm eller In all the embodiments and the preferred embodiments according to the present invention, it may further include at least one external screen or
ramme, som her er utelatt for å tydeliggjøre figurene, men som kan omslutte én eller flere av utstyrskomponentene: projektoren 3, kameraet 5 (innbefattende beregnings-enhetene og kommunikasjonsmidlene), lyskilden 6, veggfeste 4, speilarrangementet 7 og visningsanordningen og koordinatplanet 12. Formålet med den ytre skjermen eller rammen kan for eksempel være å gjøre interaksjonssystemet robust, vedlike-holdsfritt, støvsikkert, brukervennlig, trygt, lettere å fremstille, enklere å montere og å presentere systemet med et profesjonelt utseende i henhold til noen gitte prinsipper og utformingsmessige elementer. frame, which is omitted here to clarify the figures, but which can enclose one or more of the equipment components: the projector 3, the camera 5 (including the calculation units and the communication means), the light source 6, the wall mount 4, the mirror arrangement 7 and the display device and the coordinate plane 12. Purpose with the outer screen or frame can for example be to make the interaction system robust, maintenance-free, dust-proof, user-friendly, safe, easier to manufacture, easier to assemble and to present the system with a professional appearance according to some given principles and design elements.
Det vises videre til figur 1 og figur 2, hvor speilarrangementet 7 av akse-forskjøvne, hovedsakelig parabolske elementer i dette utførelseseksemplet er anordnet i en hovedsakelig halvsirkulær krumning over koordinatplanet og visningsanordningen 12, fortrinnsvis enten montert på veggen 11, på projektorfeste 4 eller på den overflaten som strekker seg langs koordinatplanet og visningsanordningen 12.1 denne foretrukne utførelsesformen kan speilarrangementet 7 være en integrert del av veggfestet eller en integrert del av hele den interaktive whiteboard-tavlen. Speilarrangementet 7 kan også være innbefattet i et ombyggingssett for oppgradering av en eksisterende whiteboard-tavle eller en kortdistanse-projektorinstallasjon for å bli berøringsfølsom. Reference is made further to figure 1 and figure 2, where the mirror arrangement 7 of axis-displaced, mainly parabolic elements in this design example is arranged in a mainly semi-circular curvature above the coordinate plane and the display device 12, preferably either mounted on the wall 11, on the projector mount 4 or on the the surface extending along the coordinate plane and the display device 12.1 this preferred embodiment, the mirror arrangement 7 can be an integral part of the wall mount or an integral part of the entire interactive whiteboard. The mirror arrangement 7 may also be included in a conversion kit for upgrading an existing whiteboard or short throw projector installation to become touch sensitive.
Det vises til figur 1B og figur 2B, hvor den utførelsesformen som er illustrert her, er lik den som er beskrevet ovenfor i forbindelse med figur 1 og figur 2, bortsett fra at projektoren 3 og projektorvisningsflaten 12 er erstattet av en flatskjerm (LCD, plasma, OLED, baklys-projeksjon osv.) for visningsanordningen 12. Referring to Figure 1B and Figure 2B, the embodiment illustrated here is similar to that described above in connection with Figure 1 and Figure 2, except that the projector 3 and the projector display surface 12 are replaced by a flat screen (LCD, plasma , OLED, backlight projection, etc.) for the display device 12.
Det vises fortsatt til figur 1B og figur 2B, hvor en selvstendig utførelsesform uten noen visningsanordning 12 kan benyttes til å innfange for eksempel nøyaktige strøk fra et kritt og en svamp og fingerberøring på en tradisjonell tavle, mens de inn-fangede resultatene blir lagret i en datamaskin og innmatingen eller noen tolkninger av innmatingen blir vist ved hjelp av den vanlige dataskjermen eller ved hjelp av en tilkoblet visningsanordning eller en projektor for referanse til brukeren og/eller tilskuerne. Reference is still made to Figure 1B and Figure 2B, where a self-contained embodiment without any display device 12 can be used to capture, for example, precise strokes from a chalk and a sponge and finger touches on a traditional blackboard, while the captured results are stored in a computer and the input or some interpretation of the input is displayed by means of the conventional computer screen or by means of an attached display device or a projector for reference to the user and/or spectators.
Det vises til figur 3 og figur 4, hvor speilarrangementet 7 omfatter aksefor-skjøvne, hovedsakelig parabolske elementer plassert langs en rett linje utenfor en kant, fortrinnsvis en øvre kant av visningsanordningen og koordinatplanet 12. De samme egenskapene og funksjonene som er beskrevet i forbindelse med figur 1 og figur 2, gjelder fortsatt bortsett fra en forskjell vedrørende det fysiske utseende av speilarrangementet 7. Reference is made to Figure 3 and Figure 4, where the mirror arrangement 7 comprises axis-shifted, mainly parabolic elements placed along a straight line outside an edge, preferably an upper edge of the display device and the coordinate plane 12. The same properties and functions as described in connection with Figure 1 and Figure 2 still apply except for a difference regarding the physical appearance of the mirror arrangement 7.
Det vises til figur 3B og figur 4B, hvor utførelsesformen er maken til den som er beskrevet ovenfor i forbindelse med figur 3 og figur 4, bortsett fra at projektoren 3 og projektorvisningsflaten 12 er erstattet av en flatskjerm (LCD, plasma, OLED, baklys-projeksjon osv.)forvisningsflaten 12. Reference is made to figure 3B and figure 4B, where the embodiment is the same as that described above in connection with figure 3 and figure 4, except that the projector 3 and the projector display surface 12 are replaced by a flat screen (LCD, plasma, OLED, backlight projection etc.) the viewing surface 12.
Det vises til figur 5 og figur 6, hvor speilarrangementet 7 omfatter akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske elementer plassert i områder for direkte innsikt fra kameraet 5 for å unngå hindringer som for eksempel skyldes projektorens 3 chassis eller veggfeste 4, mens de er utenfor visningsflaten og koordinatplanet 12. De samme egenskapene og funksjonene som er beskrevet i forbindelse med figur 1 og figur 2 gjelder fortsatt, bortsett fra det fysiske utseende av speilarrangementet 7.1 noen konfigurasjoner, er projektoren 3 og projektorvisningsflaten 12 erstattet av en flatskjerm (LCD, plasma, OLED, baklys-projeksjon osv.) i stedet for visningsflaten 12. Reference is made to figure 5 and figure 6, where the mirror arrangement 7 comprises axially displaced, mainly parabolic elements placed in areas for direct insight from the camera 5 in order to avoid obstacles caused, for example, by the projector's 3 chassis or wall mount 4, while they are outside the viewing surface and the coordinate plane 12 The same characteristics and functions described in connection with Figure 1 and Figure 2 still apply, except for the physical appearance of the mirror arrangement 7.1 In some configurations, the projector 3 and the projector display surface 12 are replaced by a flat screen (LCD, plasma, OLED, backlight projection, etc.) instead of the viewing surface 12.
Det vises til figur 7 og figur 8, hvor de samme egenskapene og funksjonene som er beskrevet i forbindelse med figur 1 og figur 2 gjelder, bortsett fra at systemet ikke er montert for vertikal bruk på en vegg, men i stedet er montert for horisontal bruk på en bordoverflate 12. Reference is made to Figure 7 and Figure 8, where the same features and functions described in connection with Figure 1 and Figure 2 apply, except that the system is not mounted for vertical use on a wall, but instead is mounted for horizontal use on a table surface 12.
Det vises til figur 7B og figur 8B, hvor utførelsesformen er maken til den som er beskrevet ovenfor i forbindelse med figur 7 og figur 8, bortsett fra at projektoren 3 og projektorvisningsflaten 12 er erstattet av en flatskjerm (LCD, plasma, OLED, baklys-projeksjon osv.) som visningsflate 12. Reference is made to figure 7B and figure 8B, where the embodiment is the same as that described above in connection with figure 7 and figure 8, except that the projector 3 and the projector display surface 12 are replaced by a flat screen (LCD, plasma, OLED, backlight projection, etc.) as display surface 12.
Det vises til figur 9 og figur 10, hvor de samme egenskapene og funksjonene som er beskrevet i forbindelse med figur 3 og figur 4 gjelder, bortsett fra at systemet nå er tilpasset en semitransparent baklys-projeksjonsskjerm 12 slik at kameraet 5, lyskilden 6, projektoren 3 og veggfeste 4 er bak veggen 11, mens speilarrangementet 7 med akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske elementer langs en rett list, er montert over projeksjonsskjermen 12 på veggen for å observere interaksjonsvolumet 1 ved en viss gitt høyde over visningsflaten og koordinatplanet 12. Reference is made to Figure 9 and Figure 10, where the same properties and functions described in connection with Figure 3 and Figure 4 apply, except that the system is now adapted to a semi-transparent backlight projection screen 12 so that the camera 5, the light source 6, the projector 3 and wall mount 4 are behind the wall 11, while the mirror arrangement 7 with axially displaced, mainly parabolic elements along a straight strip, is mounted above the projection screen 12 on the wall to observe the interaction volume 1 at a certain given height above the viewing surface and the coordinate plane 12.
Det vises til figur 9B og figur 10B, hvor utførelsen er lik den som er beskrevet ovenfor i forbindelse med figur 9 og figur 10, bortsett fra at projektoren 3 og visningsflaten 12 til projektoren er erstattet av en semitransparent flatskjerm (OLED osv.) som visningsflaten 12. Referring to Fig. 9B and Fig. 10B, the embodiment is similar to that described above in connection with Fig. 9 and Fig. 10, except that the projector 3 and the display surface 12 of the projector are replaced by a semi-transparent flat screen (OLED, etc.) as the display surface 12.
Det vises til figur 11 og figur 12, hvor de samme egenskapene og funksjonene som er beskrevet i forbindelse med figur 9 og figur 10 fremdeles gjelder, bortsett fra at systemet ikke er montert for vertikal bruk på en vegg, men er i stedet montert for horisontal bruk på en bordoverflate 12. Reference is made to Figure 11 and Figure 12, where the same features and functions described in connection with Figure 9 and Figure 10 still apply, except that the system is not mounted for vertical use on a wall, but is instead mounted for horizontal use on a table surface 12.
Det vises til figur 11B og figur 12B, hvor utførelsen er maken til den som er beskrevet ovenfor i forbindelse med figur 11 og figur 12, bortsett fra at projektoren 3 og projektorvisningsflaten 12 er erstattet av en semitransparent flatskjerm (OLED osv.) som visningsflate 12. Reference is made to Figure 11B and Figure 12B, where the embodiment is the same as that described above in connection with Figure 11 and Figure 12, except that the projector 3 and the projector display surface 12 are replaced by a semi-transparent flat screen (OLED, etc.) as the display surface 12 .
Det vises til figur 13 og figur 14, hvor de samme egenskapene og funksjonene som er beskrevet for figur 11 og figur 12 gjelder, bortsett fra at speilarrangementet 7 av akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske elementer er organisert langs en sirkulær form, for eksempel over en øvre side av projektorvisningsområdet for et baklys-projeksjonssystem montert i et bord, eller organisert i elementer i områder for den direkte siktlinjen fra kameraet for å unngå hindringer, men utenfor visningsområdet. Reference is made to Figure 13 and Figure 14, where the same properties and functions described for Figure 11 and Figure 12 apply, except that the mirror arrangement 7 of axially displaced, mainly parabolic elements is organized along a circular shape, for example over an upper side of the projector viewing area for a backlit projection system mounted in a table, or organized into elements in areas for the direct line of sight from the camera to avoid obstructions, but outside the viewing area.
Det vises til figur 13B og figur 14B, hvor utformingen er lik den som er beskrevet ovenfor i forbindelse med figur 13 og figur 14, bortsett fra at projektoren 3 og projektorvisningsflaten 12 er erstattet av en semitransparent flatskjerm (OLED osv.) som visningsflate 12. Reference is made to Figure 13B and Figure 14B, where the design is similar to that described above in connection with Figure 13 and Figure 14, except that the projector 3 and the projector display surface 12 are replaced by a semi-transparent flat screen (OLED, etc.) as the display surface 12.
Det vises til figur 15 og figur 16, hvor de samme egenskapene og funksjonene som er beskrevet i forbindelse med figur 9 og figur 10 gjelder, bortsett fra at speilarrangementet 7 av akseforskjøvne, parabolske elementer er organisert langs en sirkulær form, for eksempel over den øvre siden av projektorvisningsområdet 12, eller organisert i elementer i områder med direkte siktlinje fra kameraet 5 for å unngå hindringer, men utenfor visningsområdet 12. Reference is made to figure 15 and figure 16, where the same characteristics and functions described in connection with figure 9 and figure 10 apply, except that the mirror arrangement 7 of axially displaced, parabolic elements is organized along a circular shape, for example over the upper side of the projector viewing area 12, or organized into elements in areas with direct line of sight from the camera 5 to avoid obstructions, but outside the viewing area 12.
Det vises til figur 15B og figur 16B, hvor konfigurasjonen er lik det som er beskrevet ovenfor i forbindelse med figur 15 og figur 16, bortsett fra at projektoren 3 og projektorvisningsflaten 12 er erstattet av en semitransparent flatskjerm (OLED osv.) som visningsflaten 12. Referring to Figure 15B and Figure 16B, the configuration is similar to that described above in connection with Figure 15 and Figure 16, except that the projector 3 and the projector display surface 12 are replaced by a semi-transparent flat screen (OLED, etc.) as the display surface 12.
Det vises til figur 17, hvor de samme egenskapene og funksjonene som beskrevet i forbindelse med figur 9B, figur 10B, figur 11B og figur 12B fortsatt gjelder, bortsett fra at det interaktive systemet er innrettet for å bli montert i en håndholdt anordning. Reference is made to Figure 17, where the same features and functions as described in connection with Figure 9B, Figure 10B, Figure 11B and Figure 12B still apply, except that the interactive system is designed to be mounted in a handheld device.
Det vises til figur 18, hvor typiske bilder av noen utførelseseksempler ifølge foreliggende oppfinnelse er illustrert, hvor speilarrangementet 7 av akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske elementer organisert (a) langs en sirkulær form som på figur 1, figur 2, figur 1B, figur 2B, figur 7, figur 8, figur 7B, figur 8B; (b) langs en rett list parallell med en kant av koordinatplanet 12 som på figur 3, figur 4, figur 3B, figur 4B; (c) langs elementer i områder med direkte siktlinje fra kameraet 5 for å unngå hindringer, som på figur 5 og figur 6; (d) langs to, tre eller fire rette lister parallelle med kantene til koordinatplanet 12, som kan tilveiebringe flere bilder av objektet 2; Reference is made to figure 18, where typical images of some embodiment examples according to the present invention are illustrated, where the mirror arrangement 7 of axially displaced, mainly parabolic elements organized (a) along a circular shape as in figure 1, figure 2, figure 1B, figure 2B, figure 7, Figure 8, Figure 7B, Figure 8B; (b) along a straight strip parallel to an edge of the coordinate plane 12 as in Figure 3, Figure 4, Figure 3B, Figure 4B; (c) along elements in areas with direct line of sight from the camera 5 to avoid obstacles, as in Figure 5 and Figure 6; (d) along two, three or four straight strips parallel to the edges of the coordinate plane 12, which can provide multiple images of the object 2;
(e) langs en rett lang list parallell med den øvre kanten av et meget bredt koordinatplan 12 dekket av betraktningspunkter til flere kameraer 5; (f) langs én eller flere elementer i områder av den direkte synslinjen fra kameraene 5 for å unngå hindringer, og som kan tilveiebringe flere forskjellige bilder av objektet 2. Denne utformingen kan også anvendes i forbindelse med interaktive informasjonsskilt og i interaktive plakater i messer og museer hvor flere interaktive områder eller øyer kan være etablert mellom områder med for eksempel tredimensjonale strukturer med informasjonsinnhold som brukeren kan vekselvirke med. Det vises til figur 19, hvor en parabel med brennpunkt 2', beskrevet ved hjelp av ligningen og et eksempel på et akseforskjøvet, hovedsakelig parabolsk element (over det skraverte området og inne i den stiplede ovalen) er vist. Nå vil eksempler på numeriske verdier bli gitt for et halvsirkelformet speilarrangement 7 av parabolske elementer for et kamera 5 med inngangspupill plassert x=510 mm bort fra visningsflaten 12, og med en ytre radius på R=150 mm, og en høyde H=50 mm (noe som betyr at et interaksjonsvolum 1 med høyde 50 mm kan observeres gjennom speilarrangementet 7). Brennpunktet er (e) along a straight long strip parallel to the upper edge of a very wide coordinate plane 12 covered by viewing points of several cameras 5; (f) along one or more elements in areas of the direct line of sight from the cameras 5 to avoid obstacles, and which can provide several different images of the object 2. This design can also be used in connection with interactive information signs and in interactive posters in fairs and museums where several interactive areas or islands can be established between areas with, for example, three-dimensional structures with information content that the user can interact with. Reference is made to Figure 19, where a parabola with focal point 2' is described using the equation and an example of an off-axis, substantially parabolic element (above the shaded area and inside the dashed oval) is shown. Now, examples of numerical values will be given for a semi-circular mirror arrangement 7 of parabolic elements for a camera 5 with an entrance pupil located x=510 mm away from the viewing surface 12, and with an outer radius of R=150 mm, and a height H=50 mm (which means that an interaction volume 1 with a height of 50 mm can be observed through the mirror arrangement 7). The focal point is
Avstanden R-r fra den ytre radien som en funksjon av den aktuelle høyden h til overflaten av det parabolske elementet, hvor R er den ytre radien og liten r er den aktuelle radien, kan finnes for noen høydeverdier h som følger: The distance R-r from the outer radius as a function of the actual height h to the surface of the parabolic element, where R is the outer radius and small r is the actual radius, can be found for some height values h as follows:
Det vises til figur 19B, hvor et eksempel på et speilarrangement 7 er vist i forbindelse med det numeriske eksemplet ovenfor, hvor de akseforskjøvne, konkave parabolske elementene er anordnet i en sektor på 176° av en sirkel med ytre radius på 150 mm. Speilarrangementet 7 har en høyde på 0-50 mm, mens den totale høyden til enheten er 60 mm. Delen kan være sprøytestøpt i ABS-plast og metall belagt med aluminium og beskyttet av et tynt polymerlag for å unngå forringelse på grunn av oksydasjon. Alternativt, kan metallbelagte plastark limes til delen, men da er den korrekte dobbelbuede overflaten ikke enkel å forme. Reference is made to figure 19B, where an example of a mirror arrangement 7 is shown in connection with the numerical example above, where the axially displaced, concave parabolic elements are arranged in a sector of 176° of a circle with an outer radius of 150 mm. The mirror arrangement 7 has a height of 0-50 mm, while the total height of the unit is 60 mm. The part can be injection molded in ABS plastic and metal coated with aluminum and protected by a thin polymer layer to avoid deterioration due to oxidation. Alternatively, metal-coated plastic sheets can be glued to the part, but then the correct double-curved surface is not easy to form.
Det refereres til figur 19C, som viser formen av et ark av metallbelagt plastmateriale for eksemplet på speilarrangement 7 som angitt på figur 19B og relatert til det ovennevnte numeriske eksemplet. Reference is made to Figure 19C, which shows the shape of a sheet of metal-coated plastic material for the example of mirror arrangement 7 as indicated in Figure 19B and related to the above numerical example.
Det vises til figur 19D, hvor en perspektivtegning av eksemplet på speilarrangement 7 som beskrevet på figur 19A, 19B og 19C er vist. Speilarrangementet 7 er tilpasset for plassering direkte på den overflaten som strekker seg på koordinatplanet 12 eller det samme nivået montert på veggen 11 eller veggfeste 4. Reference is made to figure 19D, where a perspective drawing of the example of mirror arrangement 7 as described in figures 19A, 19B and 19C is shown. The mirror arrangement 7 is adapted for placement directly on the surface extending on the coordinate plane 12 or the same level mounted on the wall 11 or wall bracket 4.
Det vises til figur 19E, hvor et eksempel på et speilarrangement 7 kan være utformet, som på grunn av visse fremstillingsbegrensninger i et gitt tilfelle bare tillater speilflaten å være enkeltbuet. Figur 19E er en illustrasjon på den forskjellige formen av den ideelle akseforskjøvne, parabolske funksjonen og denne lineariserte aksefor-skjøvne, parabolske funksjonen. Helningen til den enkeltbuede overflaten er tilpasset for å være nesten korrekt ved høyde=0, noe som betyr at lesing av den «endelige berøringen» ved h=0 vil være ganske korrekt. For speilarrangementet 7 med den ideelle parabolske funksjonen, vil avlesningen gjennom speilet av objektets høyde over koordinatplanet 11 direkte være en lineær funksjon og uavhengig av den aktuelle (X,Y)-posisjonen i interaksjonsvolumet 1, mens for speilarrangementet 7 som bruker en slik fremstilt, ikke-ideell parabolsk funksjon, vil avlesning av objektets høyde måtte korrigeres ved hjelp av et (X,Y)-posisjonsavhengig feiluttrykk, for eksempel implementert ved hjelp av en oppslagstabell. Reference is made to figure 19E, where an example of a mirror arrangement 7 can be designed, which due to certain manufacturing limitations in a given case only allows the mirror surface to be single curved. Figure 19E is an illustration of the different form of the ideal axis-shifted parabolic function and this linearized axis-shifted parabolic function. The slope of the single curved surface is adjusted to be almost correct at height=0, which means reading the "final touch" at h=0 will be quite correct. For the mirror arrangement 7 with the ideal parabolic function, the reading through the mirror of the object's height above the coordinate plane 11 will directly be a linear function and independent of the relevant (X,Y) position in the interaction volume 1, while for the mirror arrangement 7 using such a prepared, non-ideal parabolic function, the reading of the object's height will need to be corrected using an (X,Y) position-dependent error expression, for example implemented using a lookup table.
Det vises til figur 19F, hvor et eksempel på et speilarrangement 7 er utformet, som på grunn av visse fremstillingsbegrensninger for eksempel er begrenset til å ha to enkeltbuede overflater, nemlig de to lineære seksjonene for tilnærmet å ligne den akseforskjøvne, konkave, ideelle parabolske formen. Figuren illustrerer forskjellen i form mellom den ideelle akseforskjøvne, parabolske funksjonen og den aksefor-skjøvne, hovedsakelig parabolske funksjonen som har to lineariserte seksjoner. Disse formartifaktene vil forvrenge bildet av objektet, siden defleksjonsvinklene ikke er korrekte. Generelt er det mulig på grunn av for eksempel fremstillingsbegrensninger, å utnytte forskjellige lineariserte, segmenterte eller andre tilnærmede funksjoner for tilnærming til den akseforskjøvne, konkave, parabolske funksjonen som for eksempel vist på figur 19A, og et slikt resulterende akseforskjøvet, konkavt, hovedsakelig parabolsk element kan tilveiebringe tilsstrekkelig bildekvalitet til å observere objektet og bestemme objektets svevehøyde med en tilstrekkelig nøyaktighet i henhold til gitte systemkrav, godt tilpasset sensorens endelige bilde-oppløsning og kameraets gitte linsekvalitet. Referring to Figure 19F, an example of a mirror arrangement 7 is designed which, due to certain manufacturing limitations, for example, is limited to having two single curved surfaces, namely the two linear sections to approximate the off-axis concave ideal parabolic shape . The figure illustrates the difference in shape between the ideal off-axis, parabolic function and the off-axis, essentially parabolic function that has two linearized sections. These shape artifacts will distort the image of the object, since the deflection angles are not correct. In general, it is possible, for example due to manufacturing limitations, to utilize various linearized, segmented or other approximate functions to approximate the off-axis, concave, parabolic function as shown, for example, in Figure 19A, and such a resulting off-axis, concave, substantially parabolic element can provide sufficient image quality to observe the object and determine the object's hovering height with sufficient accuracy according to given system requirements, well adapted to the sensor's final image resolution and the camera's given lens quality.
Det vises til figur 20, hvor eksempler på utforminger av speilelementene ifølge en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse omfatter: (a) en mosaikk av små akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske speilelementer; (b) speillignende filmer av metallbelagt plastmateriale limt til et underlag; (c) speil ved å bruke intern totalrefleksjon i glass eller plastmateriale; (d) speil ved å bruke intern totalrefleksjon i glass eller plastmateriale og bruk av metallisering for beskyttelse og forlengelse av speilfunksjonen for mindre vinkler enn den kritiske vinkelen for indre totalrefleksjon; (e) speil ved å bruke et plant speil og én eller flere Fresnel-linser for å tilveiebringe den nødvendige krumningen for den akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske funksjonen når kameraet er foran skjermen (frontprojeksjon), (f) speil ved å benytte et plant speil og én eller flere Fresnel-linser for å tilveiebringe den nødvendige krumningen for den akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske funksjonen når kameraet er bak skjermen (baksideprojeksjon eller «gjennomsiktig» transparent flatskjerm, for eksempel OLED); (g) speil ved å bruke Fresnel-lignende segmenter for den akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske funksjonen ekvivalent med (e) og (f) . Reference is made to figure 20, where examples of designs of the mirror elements according to a preferred embodiment of the present invention comprise: (a) a mosaic of small axially displaced, mainly parabolic mirror elements; (b) mirror-like films of metal-coated plastic material bonded to a substrate; (c) mirrors using total internal reflection in glass or plastic material; (d) mirrors using total internal reflection in glass or plastic material and using metallization for protection and extension of the mirror function for angles smaller than the critical angle for total internal reflection; (e) mirror using a plane mirror and one or more Fresnel lenses to provide the necessary curvature for the off-axis, essentially parabolic function when the camera is in front of the screen (front projection), (f) mirror using a plane mirror and one or more Fresnel lenses to provide the necessary curvature for the off-axis, essentially parabolic function when the camera is behind the screen (rear projection or "transparent" transparent flat panel, such as OLED); (g) mirror using Fresnel-like segments for the off-axis, essentially parabolic function equivalent to (e) and (f) .
Det vises til figur 21 A, hvor et flytskjema tilveiebringer en illustrasjon av et eksempel på en fremgangsmåte som gjør det lettere å finne fingres avstand til en overflate, å finne fingres tredimensjonale koordinater innenfor et volum, og berørings- og svevetilstand. De akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske speilelementene representerer et alternativt betraktningspunkt for observasjon av objektene, og speilelementene representerer eksplisitt svevenivået eller høyden eller den ortogonale avstanden Z til objektet over interaksjonsflaten inne i interaksjonsvolumet. Enkel bildeinnsamling og egenskapsekstrahering som skissert på figur 21A, kan finne posisjoner for kandidatobjekter innenfor de to områdene av interesse i gruppen av kamerabilder, nemlig innenfor det direkte, eller synonymt det fremre betraktningspunktet, og speilbetraktningspunktet. For hvert forskjellig bilde kan en romvinkel som kandidatobjektet avskjærer ved kameraets inngangspupill, finnes. I speilbetraktningen blir høyden Z over interaksjonsflaten (12) funnet eksplisitt, og korrespondanseproblemet vedrørende tilpasning av ett eller flere punkter i det tredimensjonale rommer ved hjelp av to observasjoner og bildebehandling av to forskjellige todimensjonale bilder, vil bli betydelig forenklet. Reference is made to Figure 21 A, where a flowchart provides an illustration of an example of a method that facilitates finding finger distance to a surface, finding finger three-dimensional coordinates within a volume, and touch and hover condition. The off-axis, mainly parabolic mirror elements represent an alternative viewpoint for observing the objects, and the mirror elements explicitly represent the hover level or height or orthogonal distance Z of the object above the interaction surface inside the interaction volume. Simple image acquisition and feature extraction as outlined in Figure 21A can find positions for candidate objects within the two regions of interest in the set of camera images, namely within the direct, or synonymously, the forward viewpoint, and the mirror viewpoint. For each distinct image, a solid angle intercepted by the candidate object at the camera's entrance pupil can be found. In the mirror view, the height Z above the interaction surface (12) is found explicitly, and the correspondence problem regarding the adaptation of one or more points in the three-dimensional space by means of two observations and image processing of two different two-dimensional images will be significantly simplified.
Figur 21B er et flytskjema som illustrerer en raskere fremgangsmåte for å finne et objekt. I dette eksemplet er speilarrangementet en akseforskjøvet, hovedsakelig parabolsk speilseksjon som for eksempel illustrert på figur 19B til 19D, og med et typisk bilde, figur 18A, hvor et objekt blir sett både gjennom speilet og direkte. Figure 21B is a flowchart illustrating a faster method of finding an object. In this example, the mirror arrangement is an off-axis, substantially parabolic mirror section as illustrated, for example, in Figures 19B to 19D, and with a typical image, Figure 18A, where an object is seen both through the mirror and directly.
Høyden Z og vinkelen AZIMUTH for et objekt (2) kan observeres av kameraet gjennom speilet som representerer en rettlinjet bane i koordinatsystemet til interaksjonsvolumet (1). Denne rette linjen i det tredimensjonale interaksjonsvolumet (1) representerer alle de mulige (X,Y)-posisjonene som objektet (2) kan ha for den gitte Z- og AZIMUTH-verdien. Denne tredimensjonale banen blir ved hjelp av koordinattransformasjon for linsen tilordnet en todimensjonal bane i kameraets pikselgruppe som for eksempel kan finnes ved hjelp av en oppslagstabell, og denne banen kan traverseres ved å starte fra enden nærmest speilet, og med en viss banebredde gitt i antall piksler, kan en kantdetektoralgoritme finne et kandidatobjekt. Så kan kantdeteksjon av delpiksler eller sjablongtilpasning utføres for å finne pikselposisjonen (X,Y) med høyere nøyaktighet, og så transformeres ved hjelp av en invers koordinattransformasjon ved for eksempel hjelp av en oppslagstabell, hvor kandidatobjektets koordinater med høy nøyaktighet (X,Y) i overflatevolumkoordinater beregnes. Etter denne søkealgoritmen kan til slutt X,Y,Z og stillingsinformasjon rapporteres som beskrevet. The height Z and the angle AZIMUTH of an object (2) can be observed by the camera through the mirror which represents a rectilinear path in the coordinate system of the interaction volume (1). This straight line in the three-dimensional interaction volume (1) represents all the possible (X,Y) positions that the object (2) can have for the given Z and AZIMUTH value. This three-dimensional path is, by means of coordinate transformation for the lens, assigned to a two-dimensional path in the camera's pixel group which can for example be found using a look-up table, and this path can be traversed by starting from the end closest to the mirror, and with a certain path width given in the number of pixels , an edge detector algorithm can find a candidate object. Then subpixel edge detection or template matching can be performed to find the pixel position (X,Y) with higher accuracy, and then transformed using an inverse coordinate transformation using, for example, a lookup table, where the candidate object's coordinates with high accuracy (X,Y) in surface volume coordinates are calculated. After this search algorithm, finally X,Y,Z and position information can be reported as described.
Sammenlignet med en fullstendig søkealgoritme i den todimensjonale pikselgruppe n med en kantdetektoralgoritme, hvis beregningsmessige kompleksitet er proporsjonal med størrelsen av gruppen av interesse som dekker interaksjonsvolumet (1), er den beskrevne algoritmen meget mindre kompleks og er hovedsakelig proporsjonal med lengden av diagonalen til gruppen slik at fremskyndings-faktoren kan bli betydelig, i området fra 100x-1000x, avhengig av oppløsningen til sensoren og det arealet som er av interesse. Compared to a complete search algorithm in the two-dimensional pixel group n with an edge detector algorithm, whose computational complexity is proportional to the size of the group of interest covering the interaction volume (1), the described algorithm is much less complex and is mainly proportional to the length of the diagonal of the group as that the acceleration factor can be significant, in the range from 100x-1000x, depending on the resolution of the sensor and the area of interest.
Det vises til figur 22, hvor det er gitt eksempler på fremgangsmåter som letter kalibrering av kameraet til visningsskjermen i henhold til en foretrukket utførelses-form av foreliggende oppfinnelse, hvor (a) er en standard manuell kalibrerings-løsning hvor kryss blir vist på visningsskjermen og en operatør bruker en penn eller finger til å berøre hvert kryss i en gitt rekkefølge; (b) er en automatisk kalibrerings-løsning som benytter mønstre slik som i oppfinnelsene WO2001NO00369 / US7083100B2 og/eller WO2006135241A1 / US2009040195A1 til å identifisere de forskjellige kalibreringspunktene, i det disse oppfinnelsene herved inkorporeres ved referanse; (c) er en halvautomatisk kalibreringsløsning som benytter mønstre slik som i (b) først til å identifisere kalibreringspunkter, så presentere et sett med hvite sirkulære skiver på sort bakgrunn i gitte posisjoner hvor operatøren i en gitt sekvens anbringer en semitransparent sylinder med indre opakt eller reflekterende materiale slik at grenser for berøringsdeteksjon kan settes eller reguleres. Reference is made to Figure 22, where examples are given of methods that facilitate calibration of the camera to the display screen according to a preferred embodiment of the present invention, where (a) is a standard manual calibration solution where crosses are displayed on the display screen and an operator uses a pen or finger to touch each cross in a given order; (b) is an automatic calibration solution that uses patterns such as in the inventions WO2001NO00369 / US7083100B2 and/or WO2006135241A1 / US2009040195A1 to identify the various calibration points, in which these inventions are hereby incorporated by reference; (c) is a semi-automatic calibration solution that uses patterns such as in (b) first to identify calibration points, then present a set of white circular disks on a black background in given positions where the operator in a given sequence places a semi-transparent cylinder with internal opaque or reflective material so that touch detection limits can be set or regulated.
Det vises til figur 23, eksempler på utforminger av (a) en penn med sporings-mønstre 13; (b) et speil med posisjonskontrollmønstre 13; (c) et koordinatplan med lokaliseringskontrollmønstre 13; brukt sammen med foreliggende oppfinnelse, er vist. Mønstrene kan for eksempel være mønstre brukt til å identifisere og spore objekter slik som i WO2001NO00369 / US7083100B2 og/eller WO2006135241A1 / US2009040195A1 som herved inkorporeres ved referanse. Det vises videre til figur 23, hvor penninnmatingen ved å bruke slike mønstre og mønstergjenkjenning, kan skjelnes fra andre interaksjonsanordninger for innmating slik som en menneskelig finger, slik at systemer for dobbeltmodusinnmating lett kan implementeres ved hjelp av foreliggende oppfinnelse, og de andre refererte oppfinnelsene. Det vises videre til figur 23, hvor interaksjonsflaten og speilet også kan utstyres med slike mønstre, slik at automatisk styring, kalibrering og selvjusterende oppsett kan realiseres ved å benytte foreliggende oppfinnelse sammen med de andre refererte oppfinnelsene. Reference is made to figure 23, examples of designs of (a) a pen with tracing patterns 13; (b) a mirror with position control patterns 13; (c) a coordinate plane with location control patterns 13; used in conjunction with the present invention, is shown. The patterns can, for example, be patterns used to identify and track objects such as in WO2001NO00369 / US7083100B2 and/or WO2006135241A1 / US2009040195A1 which are hereby incorporated by reference. Reference is made further to Figure 23, where the pen input by using such patterns and pattern recognition can be distinguished from other interaction devices for input such as a human finger, so that systems for dual mode input can be easily implemented using the present invention, and the other referenced inventions. Reference is also made to figure 23, where the interaction surface and the mirror can also be equipped with such patterns, so that automatic control, calibration and self-adjusting setup can be realized by using the present invention together with the other referenced inventions.
Det vises til figur 24, hvor eksempler på konfigurasjoner for å tilveiebringe en regulert bakgrunn for avbildningen og målingene ved bruk av en liten sprøytestøpt artikkel eller list 15 langs én eller flere kanter av koordinatplanet, som typisk er hvitt, sort eller har en reflekterende optisk egenskap 14 i det aktuelle nær infrarøde bølgelengdeområdet. I dette eksemplet tjener listen også som en pennhylle 15 under koordinatplanet. Reference is made to Figure 24, where examples of configurations for providing a regulated background for the imaging and measurements using a small injection molded article or strip 15 along one or more edges of the coordinate plane, which are typically white, black or have a reflective optical property 14 in the relevant near-infrared wavelength range. In this example, the list also serves as a pen shelf 15 below the coordinate plane.
Det vises til figur 25, hvor eksempler på konfigurasjoner av et speilarrangement med akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske elementer ved koordinatplanet er vist, tilpasset å detektere objektets høyde over planet, mens ytterligere buede eller plane speilelementer 16 lenger utenfor de akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske speilelementene er innrettet for å tilveiebringe rommessig informasjon om scenen når disse speilene blir observert fra kameraets betraktningspunkt. Dette utførelseseksemplet kan forbedre evnen til å følge og bestemme stillingen og gestene til objekter 2 også utenfor interaksjonsvolumet 1 ved å observere objektene 2 i speilene 16. I et mer avansert menneske-maskin-interaksjonsscenario, kan brukergestene og oppførselen analyseres ved å observere det direkte bilde og bildet i speilet 16 for å forutsi nye interaksjonshendelser. Den tredimensjonale posisjonen og stillingen til objektet 2 kan også estimeres. Reference is made to figure 25, where examples of configurations of a mirror arrangement with axially shifted, mainly parabolic elements at the coordinate plane are shown, adapted to detect the height of the object above the plane, while further curved or planar mirror elements 16 further outside the axially shifted, mainly parabolic mirror elements are arranged for to provide spatial information about the scene when these mirrors are observed from the camera's point of view. This embodiment can improve the ability to follow and determine the position and gestures of objects 2 also outside the interaction volume 1 by observing the objects 2 in the mirrors 16. In a more advanced human-machine interaction scenario, the user gestures and behavior can be analyzed by observing the live image and the image in the mirror 16 to predict new interaction events. The three-dimensional position and position of the object 2 can also be estimated.
Det vises til figur 26, hvor eksempler på utforminger av et speilarrangement med akseforskjøvne, hovedsakelig parabolske elementer ved koordinatplanet er vist for observasjon av objektets høyde i forhold til koordinatplanet, kombinert med andre belysningsanordninger 17 for å tilveiebringe belysning, slik at speilarrangementet 7 selv for observasjon av objektets høyde over koordinatplanet blir mindre eksponert for den direkte belysningen, for derved å redusere uønskede refleksjoner av de optiske grenseflatene og derved øke signal/støy-forholdet i målingene. Reference is made to figure 26, where examples of designs of a mirror arrangement with axis-shifted, mainly parabolic elements at the coordinate plane are shown for observation of the object's height in relation to the coordinate plane, combined with other lighting devices 17 to provide illumination, so that the mirror arrangement 7 itself for observation of the object's height above the coordinate plane is less exposed to the direct illumination, thereby reducing unwanted reflections of the optical interfaces and thereby increasing the signal/noise ratio in the measurements.
Det vises til figur 27, hvor et system er vist som omfatter en visningsflate 12, en samvirkende datamaskin 18 og anordningen 19 ifølge foreliggende oppfinnelse, og kommunikasjonsmidler 20 mellom den samvirkende datamaskinen og visningsanordningen 12 og kommunikasjonsmidlene 21 mellom den samvirkende datamaskinen og foreliggende anordning 19 ifølge foreliggende oppfinnelse. Kommunikasjonsmidlene 20 er eventuelt implementert som en trådløs dataforbindelse og/eller en direkte kabelforbundet forbindelse og/eller en optisk modulert forbindelse. Reference is made to figure 27, where a system is shown which comprises a display surface 12, a cooperating computer 18 and the device 19 according to the present invention, and communication means 20 between the cooperating computer and the display device 12 and the communication means 21 between the cooperating computer and the present device 19 according to present invention. The communication means 20 are optionally implemented as a wireless data connection and/or a direct cable-connected connection and/or an optically modulated connection.
Det vises til figur 28, som viser et eksempel på en utforming ifølge en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse, hvor det direkte bilde og speilbilde blir innfanget ved hjelp av to samvirkende, atskilte bildesensorer, henholdsvis 23 og 24, med separat optikk for å optimalisere hvert bilde, for lav pris, miniatyrisering og enkelt oppsett, og forbundet gjennom for eksempel en høyhastighets serieforbindelse 22. Den stiplede linjen 10 indikerer at én eller flere av de forskjellige komponentene kan være omsluttet av et hus 10. En separat belysningsenhet 17 som vist på figur 26, kan også være innbefattet i dette huset 10. Komponentene kan imidlertid også være atskilt og modulære for ettermontering i en eksisterende projektorinstallasjon for å gjøre den interaktiv eller, for eksempel å oppgradere en pennbasert interaktiv whiteboard-tavle til å bli berøringsfølsom. Det blir fortrinnsvis brukt linseoptikk som er best egnet for de to separate synsvinklene, og så utførelse av de samme beregningene på bildeparet ved hjelp av beregningsenheten. Frem-skyndingsmåten som er beskrevet på figur 21B for foreliggende oppfinnelse, vil også gjelde med samme fremskyndingspotensial i slike dobbelte sensor/linse-konfigurasjoner. Reference is made to figure 28, which shows an example of a design according to a preferred embodiment of the present invention, where the direct image and mirror image are captured by means of two interacting, separate image sensors, 23 and 24 respectively, with separate optics to optimize each image, for low cost, miniaturization and easy set-up, and connected through, for example, a high-speed serial connection 22. The dashed line 10 indicates that one or more of the various components may be enclosed by a housing 10. A separate lighting unit 17 as shown in FIG. 26, may also be contained within this housing 10. However, the components may also be separate and modular for retrofitting into an existing projector installation to make it interactive or, for example, to upgrade a pen-based interactive whiteboard to become touch-sensitive. Lens optics that are best suited for the two separate viewing angles are preferably used, and then the same calculations are carried out on the image pair using the calculation unit. The acceleration method described in Figure 21B for the present invention will also apply with the same acceleration potential in such dual sensor/lens configurations.
Det vises til figur 29, hvor en redundant måte for å finne interaksjonsobjektet (2) og berørings- og svevetilstand i tilfelle med blokkering av det direkte kamerabildet, er inspirert av fremskyndingsprosedyren som er beskrevet på figur 21B, anvendt på for eksempel to speilarrangementer 7: speil M1 og speil M2, hvor en avstand mellom speilene M1 og M2 er en basislinje L som vist. Tilsvarende fremgangsmåtene på figur 21B, kan man finne azimuth a og høyde Z1 for objektet P ved å observere speilet M1 og azimuth (3 og høyden Z2 for et objekt P ved å observere speilet M2, og ved triangulering finne objektposisjonen (X,Y) på interaksjonsflaten 12 eller i interaksjonsvolumet 1. Reference is made to Figure 29, where a redundant way to find the interaction object (2) and touch and hover state in the case of blocking the direct camera image is inspired by the acceleration procedure described in Figure 21B, applied to, for example, two mirror arrangements 7: mirror M1 and mirror M2, where a distance between the mirrors M1 and M2 is a baseline L as shown. Corresponding to the procedures in figure 21B, one can find the azimuth a and height Z1 of the object P by observing the mirror M1 and the azimuth (3 and height Z2 of an object P by observing the mirror M2, and by triangulation find the object position (X,Y) on the interaction surface 12 or in the interaction volume 1.
De to speilene M1 og M2 er plassert med en avstand L fra hverandre, det vil si at basislinjen er L. Da er avstanden d fra basislinje med lengde L til målet P lik: The two mirrors M1 and M2 are placed at a distance L from each other, that is, the baseline is L. Then the distance d from the baseline with length L to the target P is equal to:
Avstanden kan også uttrykkes som: The distance can also be expressed as:
X- og Y-koordinatene kan enkelt utledes ved hjelp av enkle trigonometriske beregninger. The X and Y coordinates can be easily derived using simple trigonometric calculations.
Ved hjelp av koordinattransformasjon eller ved hjelp av en oppslagstabell, kan (x,y)-posisjonen til det tilsvarende sensorbildet finnes, og en detaljert bildeanalyse kan utføres lokalt i et område omkring (x,y)-posisjonen for å få en mer nøyaktig posisjonsbestemmelse som ved hjelp av koordinattransformasjon eller oppslagstabell kan transformeres til en tilsvarende nøyaktig (X,Y)-posisjon på interaksjonsflaten (12) eller interaksjonsvolumet (1) i koordinatsystemet. Using coordinate transformation or using a lookup table, the (x,y) position of the corresponding sensor image can be found, and a detailed image analysis can be performed locally in an area around the (x,y) position to obtain a more accurate position determination which by means of coordinate transformation or look-up table can be transformed to a correspondingly precise (X,Y) position on the interaction surface (12) or the interaction volume (1) in the coordinate system.
Modifikasjoner av utførelsesformer av oppfinnelsen som er beskrevet i det foregående, er mulige uten å avvike fra rammen for foreliggende oppfinnelse slik den er definert i de vedføyde patentkravene. Uttrykk slik som «innbefattende», «omfattende», «inkorporering», «bestående av», «har», «er» brukt til å beskrive foreliggende oppfinnelse, er ment å skulle bli oppfattet på en ikke-ekskluderende måte, nemlig å gjøre det mulig for artikler, komponenter eller elementer som ikke er eksplisitt beskrevet, også å være til stede. Henvisning til entall skal også oppfattes å angå flertall. Tall som er innbefattet i parenteser i de vedføyde kravene, er ment å bidra til å forstå kravene og skal ikke på noen måte anses å begrense omfanget av disse patentkravene. Modifications of embodiments of the invention described above are possible without deviating from the scope of the present invention as defined in the appended patent claims. Expressions such as "comprising", "encompassing", "incorporating", "consisting of", "having", "is" used to describe the present invention are intended to be understood in a non-exclusive manner, namely to make it is possible for articles, components or elements that are not explicitly described to also be present. Reference to the singular shall also be understood to refer to the plural. Figures enclosed in parentheses in the appended claims are intended to assist in understanding the claims and shall not in any way be deemed to limit the scope of these patent claims.
Claims (38)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
NO20130840A NO20130840A1 (en) | 2010-11-22 | 2013-06-18 | Camera based, multitouch interaction and lighting system as well as method |
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US41617810P | 2010-11-22 | 2010-11-22 | |
GB1021213.2A GB2486445B (en) | 2010-12-14 | 2010-12-14 | Camera-based multi-touch interaction apparatus system and method |
PCT/NO2011/000328 WO2012070949A1 (en) | 2010-11-22 | 2011-11-22 | Camera-based multi-touch interaction apparatus, system and method |
NO20130840A NO20130840A1 (en) | 2010-11-22 | 2013-06-18 | Camera based, multitouch interaction and lighting system as well as method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
NO20130840A1 true NO20130840A1 (en) | 2013-08-22 |
Family
ID=50031309
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
NO20130840A NO20130840A1 (en) | 2010-11-22 | 2013-06-18 | Camera based, multitouch interaction and lighting system as well as method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
NO (1) | NO20130840A1 (en) |
-
2013
- 2013-06-18 NO NO20130840A patent/NO20130840A1/en not_active Application Discontinuation
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5950130B2 (en) | Camera-type multi-touch interaction device, system and method | |
US9996197B2 (en) | Camera-based multi-touch interaction and illumination system and method | |
KR102335132B1 (en) | Multi-modal gesture based interactive system and method using one single sensing system | |
US9720511B2 (en) | Hand and object tracking in three-dimensional space | |
US8589824B2 (en) | Gesture recognition interface system | |
JP5346081B2 (en) | Multi-touch touch screen with pen tracking | |
JP5411265B2 (en) | Multi-touch touch screen with pen tracking | |
CN102799318B (en) | A kind of man-machine interaction method based on binocular stereo vision and system | |
Hirsch et al. | BiDi screen: a thin, depth-sensing LCD for 3D interaction using light fields | |
US20020093666A1 (en) | System and method for determining the location of a target in a room or small area | |
WO2013144599A2 (en) | Touch sensing systems | |
CN101231450A (en) | Multipoint and object touch panel arrangement as well as multipoint touch orientation method | |
CN102096529A (en) | Multipoint touch interactive system | |
Hakoda et al. | Eye tracking using built-in camera for smartphone-based HMD | |
US20130120361A1 (en) | Spatial 3d interactive instrument | |
NO20130840A1 (en) | Camera based, multitouch interaction and lighting system as well as method | |
JP6233941B1 (en) | Non-contact type three-dimensional touch panel, non-contact type three-dimensional touch panel system, non-contact type three-dimensional touch panel control method, program, and recording medium |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
FC2A | Withdrawal, rejection or dismissal of laid open patent application |