專利名稱：處理由狹長(zhǎng)物體的姿態(tài)獲得的姿態(tài)數(shù)據(jù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總地涉及一種用于處理從具有與平坦表面接觸的尖部的狹長(zhǎng)物體 的姿態(tài)獲得的處理數(shù)據(jù)的裝置和方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)物體相對(duì)于諸如地面、固定點(diǎn)、線或基準(zhǔn)表面的靜止基準(zhǔn)移動(dòng)時(shí)，物體 相對(duì)于這些基準(zhǔn)的傾斜度的認(rèn)識(shí)可被用來(lái)獲得其多種運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)參數(shù)。隨著時(shí) 間的流逝，已研究出許多有用的坐標(biāo)系統(tǒng)和方法以跟蹤物體的姿態(tài)并對(duì)它們的 平衡運(yùn)動(dòng)進(jìn)行參數(shù)化。作為理論背景，讀者參閱有關(guān)經(jīng)典機(jī)械學(xué)的教科書(shū)，例如Goldstein等的經(jīng)典機(jī)械學(xué)、第三版、Addison Wesley2002。在具體領(lǐng)域，在物體尖部接觸平坦表面的同時(shí)，了解物體的姿態(tài)以獲得其 尖部的位置是重要的。各種狹長(zhǎng)物體能受益于它們的姿態(tài)和它們尖部的位置的 獲知，并且當(dāng)尖部與平坦表面接觸時(shí)，能更精確地獲得其尖部的絕對(duì)位置(以 世界坐標(biāo)形式)。這些物體包括與地面接觸時(shí)的手杖(walking cane)，與顯 示器或投影表面接觸的定位器，與書(shū)寫(xiě)表面接觸的書(shū)寫(xiě)裝置以及與輸入屏幕接 觸的指示筆。在諸如筆和指示筆的輸入領(lǐng)域內(nèi)會(huì)深切地體會(huì)到確定尖部或尖端絕對(duì)位 置的必要性。這里必須了解尖部的絕對(duì)位置以分析由使用者在書(shū)寫(xiě)表面上寫(xiě)入 或跟蹤的信息?，F(xiàn)有技術(shù)中對(duì)筆和相關(guān)輸入裝置的提供相對(duì)尖部位置和絕對(duì)尖 部位置的多個(gè)公開(kāi)內(nèi)容進(jìn)行了討論。這些公開(kāi)內(nèi)容中的一些取決于包括 6492981、 6212296、 6181329、 5981884、 5902968號(hào)美國(guó)專利所述的陀螺儀和 加速度計(jì)的慣性導(dǎo)航設(shè)備。其它技術(shù)如6081261、 5434371號(hào)美國(guó)專利所述的 將慣性導(dǎo)航與力檢測(cè)結(jié)合?，F(xiàn)有技術(shù)還在5548092號(hào)美國(guó)專利中提出將施加于 筆尖的力捕獲和分析。其余的技術(shù)基于使用信號(hào)接收器和在書(shū)寫(xiě)表面上或附近 的輔助裝置的三角測(cè)量，這在6177927、 6124847、 6104387、 6100877、 5977958、 5484966號(hào)美國(guó)專利中能夠找到。要注意已提出將包括短射頻(RF)脈沖、紅 外(IR)脈沖和超聲脈沖的各種形式的輻射用于三角測(cè)量和相關(guān)技術(shù)。釆用數(shù) 字化儀或書(shū)寫(xiě)板的其它方案的一些例子在6050490、 5750939、 4471162號(hào)美國(guó) 專利中有記載。現(xiàn)有技術(shù)還提到使用光學(xué)系統(tǒng)以提供表面上的筆或指示筆的尖部的相對(duì) 位置并且在某些情況下提供絕對(duì)位置。例如，6153836號(hào)美國(guó)專利公開(kāi)了將兩 道光束從指示筆發(fā)射至接收器，該接收器確定了相對(duì)于定義在表面內(nèi)的二維坐 標(biāo)系統(tǒng)的角度。借助這些角度和接收器位置的知識(shí)而找到指示筆的尖部位置。 6044165號(hào)美國(guó)專利公開(kāi)了用具有定位在世界坐標(biāo)中并朝向筆和紙的攝像機(jī)的 光學(xué)成像系統(tǒng)檢測(cè)筆尖處力的合成。其它公開(kāi)內(nèi)容使用觀察筆尖及其附近位置 的光學(xué)系統(tǒng)。這些公開(kāi)內(nèi)容包括6031936、 5960124、 5850058號(hào)美國(guó)專利。根 據(jù)其它的方法，5103486號(hào)美國(guó)專利公開(kāi)提出在筆中使用光學(xué)球珠。更近一些， 使用將光引導(dǎo)至紙上的光源的光學(xué)系統(tǒng)被提出，例如6650320、 6592039號(hào)美 國(guó)專利以及W0 00217222和2003 — 0106985、 2002 — 0048404號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng) 中記載的那樣。在一些現(xiàn)有技術(shù)方法中，書(shū)寫(xiě)表面被提供有光學(xué)系統(tǒng)能識(shí)別的特別標(biāo)志。 在書(shū)寫(xiě)表面上使用特別標(biāo)志的筆的早期例子包括5661506、 5652412號(hào)美國(guó)專 利。更近一些，該方法被公開(kāi)于2003 — 0107558號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)和相關(guān)文獻(xiàn)中。 作為另一參照文獻(xiàn)，讀者可參閱10/640942和10/745371號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)以及 其中引用的參考文獻(xiàn)。上述現(xiàn)有技術(shù)的大多數(shù)方法的局限性在于它們?cè)跁?shū)寫(xiě)表面上產(chǎn)生尖部的 相對(duì)位置。書(shū)寫(xiě)板和數(shù)字化儀獲得絕對(duì)位置但它們體積大并且不便攜帶。使用 光學(xué)系統(tǒng)而不使用書(shū)寫(xiě)板而提供尖部的絕對(duì)位置的方法多數(shù)依靠對(duì)提供在書(shū)寫(xiě)表面上的標(biāo)志和筆尖的關(guān)系進(jìn)行觀察而實(shí)現(xiàn)。該方法的局限性在于它要求作為準(zhǔn)書(shū)寫(xiě)板的特定標(biāo)記的書(shū)寫(xiě)表面。除了麻煩外，利用光學(xué)系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)的筆和指示筆經(jīng)常產(chǎn)生有限的數(shù)據(jù) 集。事實(shí)上，多數(shù)僅提供與橫跨書(shū)寫(xiě)表面的軌跡對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。同時(shí)，許多應(yīng)用
能從來(lái)自指示筆的大量數(shù)據(jù)流中獲益。事實(shí)上，現(xiàn)有技術(shù)指出在利用筆或指示 筆的使用者和諸如計(jì)算機(jī)的及其之間的交互的許多情況是有局限性的。作為能 從來(lái)自筆或指示筆的更多數(shù)據(jù)流獲益的應(yīng)用和系統(tǒng)的一些例子，讀者可參閱6565611、 6502114、 6493736、 6474888、 6454482、 6415256、 6396481號(hào)美國(guó) 專利和2003 — 0195820、 2003 — 0163525、 2003 — 10107558、 2003 — 0038790、 2003 — 0029919、 2003 — 0025713、 2003 — 0006975、 2002 — 0148655、 2002 — 0145587號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)以及6661920號(hào)美國(guó)專利。發(fā)明內(nèi)容鑒于現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種用于處理從諸如速記工 具、手杖、定位器或機(jī)械手的狹長(zhǎng)物體的姿態(tài)獲得的姿態(tài)數(shù)據(jù)的裝置和方法。 具體地說(shuō)，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供用于處理以這種方式獲得的姿態(tài)數(shù)據(jù)和姿 態(tài)數(shù)據(jù)子集的識(shí)別以在應(yīng)用場(chǎng)合中用作控制數(shù)據(jù)或輸入數(shù)據(jù)。結(jié)合附圖對(duì)詳細(xì)說(shuō)明進(jìn)行閱讀，這些和其它多個(gè)優(yōu)點(diǎn)將變得明顯。本發(fā)明提供用于處理從狹長(zhǎng)物體的姿態(tài)獲得的姿態(tài)數(shù)據(jù)的方法，該狹長(zhǎng)物 體的尖部與具有一個(gè)或多個(gè)不變特征的平坦表面接觸。根據(jù)該方法，尖部被置 于表面上并且通過(guò)不變特征的幫助而從板上狹長(zhǎng)物體光學(xué)地測(cè)量狹長(zhǎng)物體的 物理姿態(tài)。準(zhǔn)備與姿態(tài)對(duì)應(yīng)的姿態(tài)數(shù)據(jù)并識(shí)別該姿態(tài)數(shù)據(jù)的子集。該子集被傳 送到諸如用戶應(yīng)用程序的應(yīng)用程序，在那里子集作為命令數(shù)據(jù)或輸入數(shù)據(jù)。狹 長(zhǎng)物體經(jīng)歷運(yùn)動(dòng)，同時(shí)其尖部接觸一個(gè)表面。因此，在較佳實(shí)施例中，該方法 周期地在測(cè)量時(shí)間ti測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)以使用連續(xù)測(cè)量時(shí)間ti的姿態(tài)數(shù)據(jù)以所需 的時(shí)態(tài)分辨率描述運(yùn)動(dòng)。子集可包括描述狹長(zhǎng)物體在空間中的方向的所有方向數(shù)據(jù)或部分方向數(shù)據(jù)。方向數(shù)據(jù)可包括在適當(dāng)坐標(biāo)(例如極坐標(biāo))中表述方向的傾角e或任何角 度或一組角度?；蛘撸蛹砂ū砻嫔系募獠康乃谢虿糠治恢脭?shù)據(jù)。位置 可以是尖部相對(duì)于包含一個(gè)或多個(gè)不變特征的特征的相對(duì)位置或表面上的尖 部在世界坐標(biāo)中的絕對(duì)位置。子集也可包含方向和位置數(shù)據(jù)的混合。在一個(gè)實(shí)施例中，狹長(zhǎng)物體的方向由歐拉角表示而姿態(tài)數(shù)據(jù)的子集包括至少一個(gè)歐拉角。事實(shí)上，在該實(shí)施例中，傾角e可以使單純的第二歐拉角。另外，子集可包括滾動(dòng)角V (第三歐拉角)以及旋轉(zhuǎn)角4> (第一歐拉角)。所含 方向數(shù)據(jù)可用作任何形式的輸入。例如，方向數(shù)據(jù)可表示用來(lái)執(zhí)行應(yīng)用程序中 的命令的控制數(shù)據(jù)或輸入到應(yīng)用程序中或以適當(dāng)格式簡(jiǎn)單存儲(chǔ)的輸入數(shù)據(jù)。當(dāng) 然，位置數(shù)據(jù)也能被用作任何形式的輸入，包括控制數(shù)據(jù)和輸入數(shù)據(jù)。要注意 子集還可包括所有姿態(tài)數(shù)據(jù)，例如當(dāng)應(yīng)用程序是運(yùn)動(dòng)捕捉應(yīng)用程序時(shí)。不變特征可以是永久的或臨時(shí)的，空間的或時(shí)間的。平坦表面可以是使用 者進(jìn)行速記操作的速記表面，例如紙表面、屏幕、書(shū)寫(xiě)板、墊或其它形式的表 面。在該實(shí)施例中，狹長(zhǎng)物體較佳地是諸如筆、鉛筆或指示筆的速記工具。一 般來(lái)說(shuō)，狹長(zhǎng)物體還可以是定位器、機(jī)械手或手杖。事實(shí)上，狹長(zhǎng)物體是其姿 態(tài)可用來(lái)導(dǎo)出輸入數(shù)據(jù)的任何物體。本發(fā)明還提供一種用于處理表述其尖部與表面接觸的狹長(zhǎng)物體的運(yùn)動(dòng)的 姿態(tài)數(shù)據(jù)的裝置。該裝置具有光學(xué)地測(cè)量來(lái)自板上狹長(zhǎng)物體的姿態(tài)的測(cè)量配 置。該測(cè)量可以在測(cè)量時(shí)間ti內(nèi)周期地進(jìn)行并且該測(cè)量周期視應(yīng)用和分辨率 (例如姿態(tài)或所要求姿態(tài)數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率)而定。該裝置具有處理器以準(zhǔn)備 與姿態(tài)對(duì)應(yīng)的姿態(tài)數(shù)據(jù)并識(shí)別姿態(tài)數(shù)據(jù)的子集。提供通信鏈路以將子集傳送給 應(yīng)用程序。處理器較佳地被安裝在狹長(zhǎng)物體上。在由處理器執(zhí)行大量數(shù)據(jù)處理的場(chǎng)合 下，處理器可以是遠(yuǎn)程的。通信鏈路較佳地是無(wú)線通信鏈路。根據(jù)運(yùn)行將子集用作輸入數(shù)據(jù)的用戶應(yīng)用程序的主機(jī)所在位置，通過(guò)使用 相同或不同通信鏈路，由處理器從姿態(tài)數(shù)據(jù)分離出來(lái)的子集被傳送到應(yīng)用程序 以進(jìn)一步處理子集，例如將其作為輸入數(shù)據(jù)。例如，主機(jī)是計(jì)算機(jī)而應(yīng)用程序 是數(shù)據(jù)文件。在該例中，子集可將輸入數(shù)據(jù)包含入數(shù)據(jù)文件?；蛘撸鳈C(jī)是數(shù) 字設(shè)備而用戶應(yīng)用程序是用于執(zhí)行命令的可執(zhí)行文件，并且子集包含控制數(shù) 據(jù)。應(yīng)用程序也可以是用來(lái)捕獲狹長(zhǎng)物體運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)捕捉應(yīng)用程序或用來(lái)捕捉 表面上運(yùn)動(dòng)中的狹長(zhǎng)物體的尖部所表述的軌跡的軌跡捕捉應(yīng)用程序。下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的細(xì)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。


圖1是表述尖部正與一表面接觸的狹長(zhǎng)物體的運(yùn)動(dòng)的本發(fā)明的裝置的三 維視圖。圖2是示出本文中所使用的歐拉旋轉(zhuǎn)規(guī)則的圖解。圖3是示出將姿態(tài)數(shù)據(jù)格式化或準(zhǔn)備至子集中的方框圖。圖4是具有用于測(cè)量姿態(tài)的成像系統(tǒng)的狹長(zhǎng)物體的三維圖。 圖5是具有用于測(cè)量姿態(tài)的掃描系統(tǒng)的狹長(zhǎng)物體的三維視圖。 圖6是表示狹長(zhǎng)物體是在平坦表面上速記的速記工具的較佳應(yīng)用的三維 視圖。圖7是示出經(jīng)由通信鏈路將姿態(tài)數(shù)據(jù)與遠(yuǎn)程裝置通信的速記工具的圖解。 圖8是從圖7的速記工具的姿態(tài)數(shù)據(jù)獲得的命令和輸入數(shù)據(jù)的使用的方框圖。圖9是示出本發(fā)明裝置的又一實(shí)施例的圖解。
具體實(shí)施方式
通過(guò)首先參閱圖1,本發(fā)明將變得最明顯，圖1示出和用于處理從狹 長(zhǎng)物體14的姿態(tài)獲得的姿態(tài)數(shù)據(jù)12的范例性裝置10。狹長(zhǎng)物體14移動(dòng)的 同時(shí)，其尖部16與平坦表面18接觸。裝置10在多個(gè)測(cè)量時(shí)間處理描述狹 長(zhǎng)物體14的姿態(tài)的姿態(tài)數(shù)據(jù)12。因此，姿態(tài)數(shù)據(jù)12表述狹長(zhǎng)物體14作出 的運(yùn)動(dòng)或當(dāng)尖部16接觸表面18時(shí)由使用者作出的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)尖部16與表面 18接觸時(shí)，例如壓電器件或任何其它適合的傳感器20可用于探知。狹長(zhǎng)物體14是當(dāng)物體14處于靜止或運(yùn)動(dòng)時(shí)其姿態(tài)產(chǎn)生有用的姿態(tài)數(shù) 據(jù)12的任何形式的一般狹長(zhǎng)物體。例如，狹長(zhǎng)物體14是用于行走支持的 手杖而表面18是行走表面，或狹長(zhǎng)物體14是機(jī)械手而表面18是工作表面。 在另一情況下，狹長(zhǎng)物體14是定位器而表面18是屏幕，或狹長(zhǎng)物體14是 諸如筆、鉛筆或指示筆的速記工具，而表面8是速記表面。在本實(shí)施例中， 狹長(zhǎng)物體14是定位器而表面18是屏幕或跟蹤表面。
狹長(zhǎng)物體14具有板上測(cè)量配置22，用來(lái)通過(guò)表面18上的一個(gè)或多個(gè)不變特征32、 34、 36光學(xué)地測(cè)量其姿態(tài)。在該情況下，所有特征32、 34、 36均在表面18上。然而，如果在表面18上存在足夠數(shù)量的特征，則一般 來(lái)說(shuō)可使用不處于表面18的平面中的特征。在本實(shí)施例中，不變特征是邊緣32、基準(zhǔn)點(diǎn)34和表面結(jié)構(gòu)36。這些 不變特征僅為能時(shí)態(tài)或永久關(guān)聯(lián)于表面18并用于測(cè)量物體14姿態(tài)的多種 類型特征的范例。不變特征32、 34、 36用于獲取尖部16在表面18上的相 對(duì)位置或絕對(duì)位置并用于測(cè)量姿態(tài)的剩余部分，例如定位器14的方向。較 佳地，不變特征32、 34、 36的位置由世界坐標(biāo)(X。、 Y。、 Z。)定義。另夕卜， 如果可能，不變特征32、 34、 36的位置的較佳形式為使它們的至少一個(gè) 子集令希望呈現(xiàn)物體14的所有姿態(tài)對(duì)配置22變得可見(jiàn)?？刹捎猛ㄟ^(guò)板上配置22以重現(xiàn)物體14姿態(tài)的多種光學(xué)測(cè)量方法。在 這些方法的任何一種中，配置22使用板上器件根據(jù)包括幾何不變性、三角 測(cè)量、定距、路徑積分和運(yùn)動(dòng)分析的任何公知的姿態(tài)重現(xiàn)技術(shù)來(lái)獲得姿態(tài) 數(shù)據(jù)12。在較佳實(shí)施例中，配置22是諸如安裝于定位器14上的成像系統(tǒng) 或掃描系統(tǒng)的光學(xué)測(cè)量配置，用來(lái)以表面18上的一個(gè)或多個(gè)不變特征32、 34、 36為基準(zhǔn)在板上確定姿態(tài)。裝置10具有用于預(yù)備與定位器14的姿態(tài)對(duì)應(yīng)的姿態(tài)數(shù)據(jù)12以及用于 識(shí)別應(yīng)用程序28所要求的姿態(tài)數(shù)據(jù)12的子集48的處理器26。具體地說(shuō)， 應(yīng)用程序28使用包含所有姿態(tài)數(shù)據(jù)12或少于所有姿態(tài)數(shù)據(jù)12的子集48。 注意處理器26可位于定位器14上或者是遠(yuǎn)程的，就象本實(shí)施例中那樣。提供通信鏈路24以將姿態(tài)數(shù)據(jù)12傳送給應(yīng)用程序28。較佳地，通信 鏈路24是通過(guò)安裝在定位器14上的無(wú)線發(fā)射機(jī)30建立的無(wú)線通信鏈路。 在將處理器26和應(yīng)用程序28安裝在定位器14上的實(shí)施例中，通信鏈路24 可以是電氣連接。在其它實(shí)施例中，通信鏈路24可以是有線的遠(yuǎn)程鏈路。在操作過(guò)程中，使用者38手持定位器14。使用者38將定位器14的 尖部16置于具有不變特征32、 34、 36的表面18上并進(jìn)行移動(dòng)以使定位器 14實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)40。為了更好地表現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)40以虛線42、 44表示，該虛線42、44標(biāo)志出運(yùn)動(dòng)40過(guò)程中由尖部16或定位器14的端部呈現(xiàn)的位置。為便于 解釋本發(fā)明，線42被稱為尖部16的軌跡。另外，為便于解釋本發(fā)明，當(dāng) 尖部16停止接觸表面18的時(shí)候，運(yùn)動(dòng)40被定義成結(jié)束。運(yùn)動(dòng)40可不產(chǎn)生端部46或尖部16的移動(dòng)，即沒(méi)有軌跡42。事實(shí)上， 運(yùn)動(dòng)40不局限于任何參數(shù)，除尖部16必須保持與表面18接觸外。因此， 定位器14的方向改變就象表面18上的尖部16的位置改變那樣(即x、 y 坐標(biāo)的改變)也被認(rèn)為是運(yùn)動(dòng)40。在這種情況下，定位器14的方向由以定 位器14的中軸線C.A為基準(zhǔn)的傾斜角8 、旋轉(zhuǎn)角4>和滾動(dòng)角V表述。這些 角中的至少一個(gè)的變化即構(gòu)成運(yùn)動(dòng)40。在這種情況下，尖部16在點(diǎn)48處向下接觸表面18。在向下接觸的同 時(shí)，定位器14的的中軸線C.A以等于e。的傾角9與表面法線Z'斜交。此 外，旋轉(zhuǎn)角4)和滾動(dòng)角w分別等于d)。和v。。為方便起見(jiàn)，本實(shí)施例中的角 度e、 (t)和w為歐拉角。當(dāng)然，其它角度可用來(lái)表述定位器14的方向。事 實(shí)上，本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員將理解任何表述定位器16旋轉(zhuǎn)的規(guī)則均可用于本 說(shuō)明書(shū)。例如，可采用四個(gè)凱力來(lái)克雷恩(Caylyle — Klein)角或四元組。圖2A—圖2C示出使用歐拉角表述定位器14方向的規(guī)則。定位器14 具有如圖2A所示、在無(wú)旋轉(zhuǎn)物體坐標(biāo)(X'、 Y'、 Z')的原點(diǎn)處從尖部16測(cè) 得的長(zhǎng)度1。中軸線C. A共線于Z'軸并且它經(jīng)過(guò)尖部16和無(wú)旋轉(zhuǎn)物體坐標(biāo) (X，、 Y，、 Z，)的原點(diǎn)。在本文所使用的無(wú)功旋轉(zhuǎn)規(guī)則中，物體坐標(biāo)系依附 于定位器14，同時(shí)定位器14從初始向上位置開(kāi)始旋轉(zhuǎn)?，F(xiàn)在，圖2A示出繞Z，軸以物體坐標(biāo)系(X'、 Y'、 Z')的第一歐拉角4> 的第一逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。物體坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)不影響Z'軸，因此一次旋轉(zhuǎn)后，Z" 軸與未經(jīng)旋轉(zhuǎn)的Z'軸共線(Z"=Z')。另一方面，軸X'和Y'旋轉(zhuǎn)第一歐拉 角4)以產(chǎn)生一次旋轉(zhuǎn)后的軸X"和Y"。圖2B示出作用于一次旋轉(zhuǎn)的物體坐標(biāo)系(X"、 Y"、 Z")以第二歐拉角 e的第二逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。該第二旋轉(zhuǎn)繞一次旋轉(zhuǎn)的X"軸進(jìn)行并因此不影響"X" 軸(X"，=X，，)。另一方面，軸Y"和Z"旋轉(zhuǎn)第二歐拉角9以產(chǎn)生二次旋轉(zhuǎn)軸 Y"，和Z"'。該第二旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)于包含一次旋轉(zhuǎn)的軸Y"、 Z"和二次旋轉(zhuǎn)軸Y'"、 z'"的面n中。注意定位器14的軸c. A在面n內(nèi)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)第二歐拉角e并 保證與二次旋轉(zhuǎn)軸z"，共線。圖ic示出以第三歐拉角v的第三逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)被作用于二次旋轉(zhuǎn)的物 體坐標(biāo)系(x"，、 Y，"、 z"')。旋轉(zhuǎn)v繞已與由所有三個(gè)歐拉角旋轉(zhuǎn)的物體軸Z共線的二次轉(zhuǎn)軸Z'"進(jìn)行。同時(shí)，二次旋轉(zhuǎn)軸X"'、 Y"'轉(zhuǎn)過(guò)v以產(chǎn)生轉(zhuǎn)過(guò)所有三個(gè)歐拉角的物體軸x、 y。轉(zhuǎn)過(guò)所有三個(gè)歐拉角d)、 e和v的物體軸X、 Y、 Z定義歐拉旋轉(zhuǎn)的物體坐標(biāo)系(X、 Y、 Z)。注意在歐拉旋轉(zhuǎn)過(guò)程 中，定位器14的尖部16保持在所有物體坐標(biāo)系的原點(diǎn)?，F(xiàn)在回過(guò)頭來(lái)參閱圖1，定位器14的姿態(tài)包括其方向，即歐拉角(4>、 6、 V)，而尖部16的位置，即尖部16接觸表面16的點(diǎn)的坐標(biāo)(x、 y、 z)。為方便起見(jiàn)，定位器14的方向和尖部16的位置以世界坐標(biāo)(X。、 Y。、 Z。)表示。世界坐標(biāo)(X。、 Y。、 Z。)具有能用來(lái)表述表面18上的尖部16的 絕對(duì)位置的世界原點(diǎn)(0、 0、 0)。事實(shí)上，世界坐標(biāo)(X。、 Y。、 Z。)可用于 定位器14姿態(tài)的任何參數(shù)的絕對(duì)測(cè)量?；蛘?，可以相對(duì)方式對(duì)定位器14 姿態(tài)的任何參數(shù)進(jìn)行表述，例如參照非靜止或相對(duì)坐標(biāo)(Xi、 Y" Z》或簡(jiǎn) 單地相對(duì)于前一姿態(tài)。為了表述定位器14的絕對(duì)姿態(tài)，將表述定位器14方向的歐拉旋轉(zhuǎn)的 物體坐標(biāo)關(guān)聯(lián)于世界坐標(biāo)(X。、 Y。、 Z。)是方便的。為此，要注意物體軸Z' 沿世界坐標(biāo)(X。、 Y。、 Z。)的方向在三次歐拉旋轉(zhuǎn)前是垂直于平面(X。、 Y。) 的。第二歐拉角e僅定義物體坐標(biāo)系不繞物體軸Z的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)(第二旋 轉(zhuǎn)繞x'^x"，軸而不是z，、 z"或z"，)。因此，歐拉角e是經(jīng)完全旋轉(zhuǎn)的物體軸z或軸C. A和原始物體軸Z'之間的傾角，它在尖部16的接觸點(diǎn)處垂直于 平面(X。、 Y。)。光學(xué)測(cè)量配置22在測(cè)量時(shí)間ti測(cè)量定位器14在運(yùn)動(dòng)40過(guò)程中的姿態(tài) 并且處理器26準(zhǔn)備相應(yīng)的姿態(tài)數(shù)據(jù)12。姿態(tài)數(shù)據(jù)12由測(cè)量時(shí)間ti時(shí)所測(cè) 得的參數(shù)值(4>、 9、 V、 x、 y、 z)組成。位置定義于世界坐標(biāo)(X。、 Y。、 Z。)中的不變特征32、 34、 36被光學(xué)測(cè)量配置22采用以表示世界坐標(biāo)(X。、 Y。、 Z。)中的姿態(tài)數(shù)據(jù)12。周期性測(cè)量的頻率取決于姿態(tài)數(shù)據(jù)12的使用和
所要求的性能，即時(shí)間分辨率。要注意周期性測(cè)量不局限于任何預(yù)定時(shí)間 或頻率機(jī)制。換句話說(shuō)，任何兩個(gè)連續(xù)姿態(tài)測(cè)量之間的次數(shù)可以是任意的。 然而，較佳地是配置22以足夠高的頻率測(cè)量姿態(tài)以獲得以應(yīng)用程序28所要求的時(shí)間分辨率表述運(yùn)動(dòng)40的姿態(tài)數(shù)據(jù)12。通信鏈路24的無(wú)線發(fā)射機(jī)30將測(cè)量時(shí)間ti收集的姿態(tài)數(shù)據(jù)12或參數(shù)(d)、 9、 V、 x、 y、 z)傳送給處理器26。姿態(tài)數(shù)據(jù)12可在任意或預(yù)設(shè) 時(shí)間或根據(jù)其它需要以連續(xù)、突發(fā)、部分的形式傳送。處理器26準(zhǔn)備姿態(tài) 數(shù)據(jù)12的子集48，例如尖部16的絕對(duì)位置(x、 y)并將其送至應(yīng)用程序 28。應(yīng)用程序28使用測(cè)量時(shí)間ti時(shí)的尖部16的絕對(duì)位置(x、 y)以在定 位器14進(jìn)行運(yùn)動(dòng)40時(shí)描繪出表面18上的尖部16的軌跡42。換句話說(shuō)， 單元28恢復(fù)與尖部16的移動(dòng)對(duì)應(yīng)的軌跡42。注意由單元28恢復(fù)的軌跡 42的分辨率可通過(guò)增加姿態(tài)測(cè)量數(shù)或增加測(cè)量時(shí)間ti的頻率而提高。要注 意應(yīng)將姿態(tài)數(shù)據(jù)12格式化以實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)30、處理器26和應(yīng)用程序28之間 正當(dāng)?shù)耐ㄐ?。任何適當(dāng)?shù)耐ㄐ藕透袷交瘶?biāo)準(zhǔn)，例如IEEE接口標(biāo)準(zhǔn)可用來(lái)實(shí) 現(xiàn)這些目的。作為格式化標(biāo)準(zhǔn)的特定例子，讀者可參閱Rick Polyner， LGC/Telegraphic， "Wintab Interface Spcificication: 16 —bit and 32 —bit API Reference" ， 1996年5月9日修訂；通用串行總線(USB)，"Device Class Definition for Human Interface Devices (HID)，，， 固件規(guī)范，USB實(shí)施者論壇，2001年7月27日以及Ulrica Larsson和 Johanna Pettersson的六自由度接口 、 "Development and evaluation of a 6D0Finterface to be used in a medical application" 、 Linkopings 大學(xué)、科學(xué)技術(shù)系的論文，2002年6月5日。剩余的姿態(tài)數(shù)據(jù)12，即(4>、 0、 V、 z)可用于本實(shí)施例。具體地 說(shuō)，處理器26可準(zhǔn)備額外的子集或?qū)⑺惺Ｓ嗟淖藨B(tài)數(shù)據(jù)作為單個(gè)子集傳 送給應(yīng)用程序28或傳送給為不同功能服務(wù)的不同應(yīng)用程序或裝置。從姿態(tài) 數(shù)據(jù)12獲取的方向數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)的任何組合可用于子集48中。事實(shí)上， 在一些實(shí)施例中處理器26將所有姿態(tài)數(shù)據(jù)12保持在子集48中，以使所有 姿態(tài)數(shù)據(jù)12可由應(yīng)用程序28使用。當(dāng)應(yīng)用程序28必須重構(gòu)整個(gè)運(yùn)動(dòng)40
而不只是表面18上的尖部16的軌跡時(shí)完成上述動(dòng)作。例如當(dāng)應(yīng)用程序28包括運(yùn)動(dòng)捕捉應(yīng)用程序時(shí)完成該動(dòng)作。此外，可通過(guò)增加測(cè)量時(shí)間ti的頻率而提高運(yùn)動(dòng)40的時(shí)間分辨率。要注意在這種情況下，緩慢變化的姿態(tài)數(shù) 據(jù)12的參數(shù)被過(guò)采樣。還應(yīng)當(dāng)注意表面18為平面并因此參數(shù)值z(mì)不發(fā)生改變。因此，z被設(shè) 置在固定值，例如z-O，并省去姿態(tài)數(shù)據(jù)12以減少需要由發(fā)射機(jī)30發(fā)送 的數(shù)據(jù)量。在圖3中， 一方框圖更詳細(xì)地示出由處理器26對(duì)姿態(tài)數(shù)據(jù)12的處理 以及應(yīng)用程序28對(duì)其的使用。在第一步驟50中，姿態(tài)數(shù)據(jù)12通過(guò)通信鏈 路24由處理器26接收。在第二步驟52中，處理器26確定需要姿態(tài)數(shù)據(jù) 12的子集48的哪一部分?？苫趹?yīng)用程序28作出選擇。例如，當(dāng)應(yīng)用程 序28是描繪軌跡42的軌跡捕捉程序，則子集48中僅需包括尖部16的位 置數(shù)據(jù)，即(x、 y)。另一方面，當(dāng)應(yīng)用程序28為運(yùn)動(dòng)捕獲應(yīng)用程序時(shí)， 則需要將所有姿態(tài)數(shù)據(jù)12包含在子集48中。在步驟58中，所有姿態(tài)數(shù)據(jù)12被選擇并前進(jìn)至子集格式化或預(yù)備步 驟60A。在步驟60A中，由應(yīng)用程序28根據(jù)需要將數(shù)據(jù)12以子集48A的形 式預(yù)備。例如姿態(tài)數(shù)據(jù)12以特別順序被配置并提供以合適的腳注、標(biāo)頭和 冗余位(未圖示)，或如由諸如RickPoyner、 LGC/Telegraphics (op. cit)的數(shù)據(jù)端口傳送標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的其它形式。在步驟62中，僅選擇姿態(tài)數(shù)據(jù)12的一部分。下面示出了部分選擇的 三種情況。在第一種情況下，應(yīng)用程序28只要求位置數(shù)據(jù)。因此。在步驟 59B，僅選擇位置數(shù)據(jù)(x、 y、 z)并且丟棄剩余姿態(tài)數(shù)據(jù)。在后續(xù)步驟60B 中，應(yīng)用程序28根據(jù)需要將位置數(shù)據(jù)(x、 y、 z)以子集48B和/或由端口 傳送標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的形式預(yù)備。在第二種情況下，在步驟59C中，僅選擇方向 數(shù)據(jù)(4>、 9、 MO并將其余姿態(tài)數(shù)據(jù)12丟棄。然后，在步驟60C中，方 向數(shù)據(jù)(4>、 9、 UO以子集48C的形式被準(zhǔn)備以供應(yīng)用程序28使用。在 第三種情況下，在步驟5卯，包括一些位置數(shù)據(jù)和一些方向數(shù)據(jù)的姿態(tài)數(shù)據(jù) 12的組合在步驟60D中被相應(yīng)地選擇和處理以準(zhǔn)備子集58D。
本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員可以理解所述功能可在處理器26和應(yīng)用程序28之間進(jìn)行共享，例如根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)和數(shù)據(jù)端口傳送標(biāo)準(zhǔn)的需要。例如， 一旦接收，即可通過(guò)應(yīng)用程序28對(duì)子集48進(jìn)行某些準(zhǔn)備。另外還要注意在某 些實(shí)施例中，姿態(tài)數(shù)據(jù)12可由發(fā)射機(jī)30預(yù)處理或根據(jù)任何合適算法、在 準(zhǔn)備相應(yīng)子集48前后的任何時(shí)間進(jìn)行后處理。例如，可將諸如最小二乘擬 合的統(tǒng)計(jì)算法應(yīng)用于在不同測(cè)量時(shí)間ti獲得的姿態(tài)數(shù)據(jù)12或連續(xù)的子集 48。此外，諸如姿態(tài)數(shù)據(jù)12的任何參數(shù)或所有參數(shù)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)的量值，即 計(jì)算(dx/dt dy/dt dz/dt d 4>/dt d 9 /dt d v/dt)。另外可使用例如過(guò)采樣的各種采樣技術(shù)。子集48經(jīng)由通信信道72被傳送到應(yīng)用程序28。應(yīng)用程序28將子集 48作為根據(jù)其用途處理或路由的輸入接收。例如，在步驟64中，子集48 被用作控制數(shù)據(jù)。因此，子集48被解釋為可執(zhí)行命令66或作為可執(zhí)行命 令的一部分。另一方面，在步驟68中，子集48被用作輸入數(shù)據(jù)并被存儲(chǔ) 到數(shù)據(jù)文件70中。在一個(gè)實(shí)施例中，應(yīng)用程序28將信息傳送給處理器26以改變對(duì)子集 48的選擇標(biāo)準(zhǔn)。該信息可經(jīng)由通信信道72或其它鏈路(例如反饋鏈路74) 傳送。例如，應(yīng)用程序28請(qǐng)求將要發(fā)送的子集48A并將子集48A用作用于 數(shù)據(jù)文件70的輸入數(shù)據(jù)。在其它時(shí)間，應(yīng)用程序28請(qǐng)求將要發(fā)送的子集 48C并將子集48C用作為可執(zhí)行命令66的命令數(shù)據(jù)?；蛘撸幚砥?6可先 驗(yàn)地指示是否應(yīng)將任何子集48A作為輸入數(shù)據(jù)還是控制數(shù)據(jù)處理。在又一 選擇中，使用者38可借助于獨(dú)立的裝置(例如安裝在定位器14上的開(kāi)關(guān) (未圖示))指示是否希望將子集48作為控制數(shù)據(jù)或輸入數(shù)據(jù)。本領(lǐng)域內(nèi) 技術(shù)人員將發(fā)現(xiàn)存在大量主動(dòng)和被動(dòng)的方法以確定解釋和處理由處理器26 和應(yīng)用程序28以子集48的形式傳送的數(shù)據(jù)。一般來(lái)說(shuō)，由板上光學(xué)測(cè)量配置執(zhí)行的光學(xué)測(cè)量可以多種方式實(shí)現(xiàn)。 例如，圖4示出尖部102與被賦予不變特征106的平坦表面104接觸的狹 長(zhǎng)物體IOO。不變特征106是表面104上方向、尺寸和位置已知的多邊形。 要注意僅示出物體100的一部分以便更好地表示。物體100沿Z軸對(duì)齊，Z 軸與用作世界坐標(biāo)系基準(zhǔn)的中軸線C.A共線(未圖示)。光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)108被安裝在物體100上以執(zhí)行姿態(tài)的板上光學(xué)測(cè)量。事實(shí)上，系統(tǒng)108是成像系統(tǒng)或圖像捕獲系統(tǒng)，它藉由不變特征106光學(xué) 地測(cè)量物體100的姿態(tài)。成像系統(tǒng)108具有透鏡110和以位于由透鏡110 所界定的成像平面114中的電子光學(xué)傳感器或像素陣列的形式出現(xiàn)的圖像 捕獲裝置112。較佳地，透鏡IIO具有寬視域O并且基本上是單視點(diǎn)的，以 保留對(duì)附近環(huán)境的3D立體信息。透鏡110可包括各種光學(xué)器件，包括折射、 反射和/或配有光中繼器、鏡面、孔徑、白場(chǎng)透鏡、導(dǎo)像裝置和其它器件的 兼反射光及折射光的光學(xué)器件，正如本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員所能理解的。事實(shí) 上，可恰當(dāng)?shù)貙⑼哥RIIO選擇作為用于成像表面104。陣列112具有位于由正交軸X1、 Y'界定的成像平面114內(nèi)的成像像素 116。這些軸平行于經(jīng)旋轉(zhuǎn)的物體坐標(biāo)系的X軸和Y軸。從無(wú)旋轉(zhuǎn)到旋轉(zhuǎn)物 體坐標(biāo)的歐拉角如圖所示。在工作時(shí)，諸如太陽(yáng)光或人工照明的輻射118入射到表面104上。輻 射118的散射部分118'以與中軸線C. A呈e ,入射角的角度行進(jìn)至狹長(zhǎng)物體 110。更具體地說(shuō)，例如沿從不變特征106角部的點(diǎn)Pp開(kāi)始散射的路徑120 傳播的散射部分118'到達(dá)立體角9內(nèi)并由成像系統(tǒng)108成像在成像平面 114的圖像點(diǎn)P'上。來(lái)自點(diǎn)Pp和來(lái)自特征106和平面104剩余部分的散射 部分118，或它們的部分帶有其圖像信息。該空間強(qiáng)度變化或圖像信息被用 來(lái)根據(jù)用于恢復(fù)來(lái)自表面104的圖像的位置的技術(shù)以及在陣列112的成像 像素116上產(chǎn)生的特征106來(lái)確定物體100的姿態(tài)。本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員會(huì) 了解立體成像特別適用于實(shí)現(xiàn)該目的。讀者可參閱10/640942號(hào)美國(guó)專利 申請(qǐng)以獲得合適的成像光學(xué)器件和方法的更多信息。實(shí)現(xiàn)板上光學(xué)測(cè)量配置的另一種選擇如圖5所示。這里，尖部132與 被賦予不變特征136的平坦表面134接觸的狹長(zhǎng)物體130將掃描系統(tǒng)138 作為其板上光學(xué)測(cè)量配置。從無(wú)旋轉(zhuǎn)到旋轉(zhuǎn)物體坐標(biāo)的歐拉角如圖所示。 不變特征136包括四邊形136A和直線136B，其在世界坐標(biāo)系(X。、 Y。、 Z。) 中的尺寸、方向和位置均為己知尺寸。
掃描系統(tǒng)138具有探針輻射142的源140、臂144以及用來(lái)測(cè)量表面 134處的探針輻射142的掃描鏡146。掃描系統(tǒng)138使用驅(qū)動(dòng)器以驅(qū)動(dòng)掃描 鏡146以掃描表面134和不變特征136。例如，掃描鏡146是由雙軸驅(qū)動(dòng)器 驅(qū)動(dòng)的雙軸掃描鏡。鏡146以相對(duì)于鏡軸線M.A(在本實(shí)施例中為平行于物 體130的中軸線C.A)的掃描角o引導(dǎo)輻射142。驅(qū)動(dòng)器根據(jù)掃描圖案148 改變掃描角o以實(shí)現(xiàn)表面134和特征136的掃描。輻射142沿特定掃描角 度o在特殊點(diǎn)P。入射到表面134上并與表面134形成入射角或傾斜角S 。 點(diǎn)P0根據(jù)由驅(qū)動(dòng)器和物體姿態(tài)130規(guī)定的掃描圖案148移過(guò)表面134和特 征136。探針輻射142基于探針輻射142對(duì)表面134的入射方向、探針輻射142 的頻率f以及表面134和不變特征136的物理特性在點(diǎn)P。處散射。由此可 通過(guò)掃描發(fā)生時(shí)背散射部分142，的強(qiáng)度的時(shí)間改變來(lái)表述探針輻射142的 背散射部分H2，對(duì)表面134和特征136的響應(yīng)?？偟貋?lái)說(shuō)，背散射部分142， 對(duì)表面134和特征136的響應(yīng)不僅包括強(qiáng)度改變還包括基于極化的響應(yīng)。 這種探針輻射142對(duì)表面134以及不變特征的背散射部分142'的響應(yīng)被用 來(lái)測(cè)量物體130的姿態(tài)。要注意可使用任何不變特征，它們產(chǎn)生對(duì)探針輻 射142的可探測(cè)響應(yīng)并且在世界坐標(biāo)中的位置是固定的。3-D空間中的物體130的姿態(tài)包括表面134上尖部132的位置以及狹 長(zhǎng)物體130在三維空間中的方向。在該實(shí)施例中，尖部132在世界坐標(biāo)系 (X。、 Y。、 Z。)中的位置由矢量D。表示并且方向由歐拉角((J)、 9、 v)表 示。這是非常方便的，由于狹長(zhǎng)物體130對(duì)由物體130的軸線(在該例中 為軸線C.A)以及表面134的法線(即軸Z')之間的傾斜角e界定的平面 表面134的傾斜度與第二歐拉角e是相等的。表面134和不變特征136A、 136B對(duì)應(yīng)于橫貫它們的探針輻射142的掃 描點(diǎn)P。而造成背散射部分142'中的時(shí)間強(qiáng)度變化。背散射部分142'的時(shí)間 強(qiáng)度變化由檢測(cè)器150測(cè)得。在本實(shí)施例中，檢測(cè)器150和諸如分束器142， 的光學(xué)器件152被設(shè)置在物體130上以將探針輻射142的背散射部分142， 引導(dǎo)至檢測(cè)器150以檢測(cè)強(qiáng)度變化。物體130的姿態(tài)根據(jù)任何合適的時(shí)間
一空間掃描技術(shù)從掃描圖案148、表面134和不變特征136的知識(shí)而獲得。 附加的知識(shí)諸如傾斜角e或第二歐拉角和第三歐拉角v可應(yīng)用于獲得尖部 132的絕對(duì)位置。角度e和v可通過(guò)傾角計(jì)(未圖示)或任何其它設(shè)備和/ 或方法獲得。讀者可參閱10/745371號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)而獲知用于測(cè)量物體 130姿態(tài)的掃描特征的某些例子。在又一實(shí)施例中，板上光學(xué)測(cè)量配置可將成像和掃描器件組合在混合 系統(tǒng)中。例如，可使用具有被動(dòng)成像像素和主動(dòng)照明像素的像素陣列來(lái)形 成混合的成像和掃描器件。另外，可使用具有不同視點(diǎn)的系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)立體 成像和掃描技術(shù)。在又一其它實(shí)施例中，可使用具有工作在投影模式而不 是成像模式下的像素陣列的光學(xué)系統(tǒng)，即與該系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的光學(xué)器件不僅實(shí) 現(xiàn)成像還投影來(lái)自像素陣列的輻射。本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員能發(fā)現(xiàn)存在大量構(gòu) 造光學(xué)測(cè)量配置的替代性選擇。圖6是一較佳實(shí)施例的三維視圖，其中狹長(zhǎng)物體200是諸如筆、鉛筆 或指示筆的速記工具。特別地，速記工具200是一種筆，其尖部202是與 桌面208上的紙板206的平面表面204接觸的書(shū)寫(xiě)尖部。筆200具有與歐 拉旋轉(zhuǎn)的筆坐標(biāo)(X、 Y、 Z)對(duì)齊的中軸線C.A。與第二歐拉角對(duì)應(yīng)的傾斜 角e被表示為相對(duì)于還表示表面法線的Z，軸。殼體210被安裝在筆200的頂端212。殼體210具有光學(xué)測(cè)量配置214 以光學(xué)地測(cè)量來(lái)自板上筆200的筆200的姿態(tài)。光學(xué)測(cè)量配置214是成像 系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)或混合系統(tǒng)。紙206的表面204具有以紙邊緣形式出現(xiàn)的 不變特征216A、 216B、 216C和216D。特征216由光學(xué)測(cè)量配置214使用以 測(cè)量筆200的姿態(tài)。殼體210支承處理器218以準(zhǔn)備與由光學(xué)測(cè)量配置214測(cè)量的姿態(tài)對(duì) 應(yīng)的姿態(tài)數(shù)據(jù)并識(shí)別姿態(tài)數(shù)據(jù)的子集220。發(fā)射機(jī)222被設(shè)置在殼體210 內(nèi)以經(jīng)由無(wú)線通信鏈路226將子集220傳送給應(yīng)用程序224。由于殼體210 中的器件及其操作己在前面進(jìn)行說(shuō)明，因此在本實(shí)施例中就不詳細(xì)解釋了 。使用者將筆200握在手228中并在與表面204接觸的同時(shí)移動(dòng)它，以 例如產(chǎn)生表征手寫(xiě)的標(biāo)志。手228以虛線輪廓表示以便更好地理解。壓力
傳感器或其它裝置(未圖示)確定尖部202和表面204之間的接觸。在使 用者速記的同時(shí)，光學(xué)測(cè)量裝置周期地測(cè)量筆200的姿態(tài)。特別地，當(dāng)筆 200處于與速記對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)時(shí)，光學(xué)測(cè)量配置214在測(cè)量時(shí)間ti周期地測(cè) 量姿態(tài)以使姿態(tài)數(shù)據(jù)以應(yīng)用程序224可用的足夠詳細(xì)程度描述筆200的運(yùn) 動(dòng)。例如，當(dāng)應(yīng)用程序224為一般運(yùn)動(dòng)捕獲程序時(shí)，測(cè)量時(shí)間L的頻率在 75Hz數(shù)量級(jí)上。在要求精確地獲知運(yùn)動(dòng)筆200以獲取手229的生物統(tǒng)計(jì)的 諸如生物統(tǒng)計(jì)應(yīng)用程序的某些運(yùn)動(dòng)捕捉應(yīng)用程序中，可使用100Hz以上的 更高頻率測(cè)量時(shí)間ti。尤其當(dāng)生物統(tǒng)計(jì)應(yīng)用程序是使用者鑒別應(yīng)用程序時(shí)， 這種精確知識(shí)是必須的。在另一實(shí)施例中，應(yīng)用程序224是用于捕獲由筆 200標(biāo)記在紙206上的軌跡230A、 230B和230C的軌跡捕捉應(yīng)用程序。更準(zhǔn) 確地說(shuō)，應(yīng)用程序224是在線或離線手寫(xiě)鑒別應(yīng)用程序，它要求測(cè)量時(shí)間 ti在100Hz數(shù)量級(jí)上(At二l/100s)以正確地識(shí)別手寫(xiě)。另一應(yīng)用程序224 要求尖部202在連續(xù)測(cè)量之間在紙表面204上移動(dòng)的距離As在1/200英寸 或大約O. 12mm的數(shù)量級(jí)。在又一實(shí)施例中，軌跡捕捉應(yīng)用程序可以是簽名 校驗(yàn)應(yīng)用程序，它要求比手寫(xiě)辨認(rèn)更高的精確度。要注意生物統(tǒng)計(jì)應(yīng)用程 序也可進(jìn)行使用者識(shí)別和/或簽名校驗(yàn)。在本實(shí)施例中，應(yīng)用程序224是在 線手寫(xiě)鑒別應(yīng)用程序并且測(cè)量時(shí)間t以100Hz數(shù)量級(jí)的頻率重復(fù)。在操作中，使用者移動(dòng)手228并將其轉(zhuǎn)化成筆200的運(yùn)動(dòng)，這產(chǎn)生在 紙206表面204上的墨跡230。當(dāng)尖部202在運(yùn)動(dòng)期間在書(shū)寫(xiě)點(diǎn)處接觸表面 204時(shí)，產(chǎn)生軌跡230。光學(xué)測(cè)量配置214借助于不變特征216在測(cè)量時(shí)間 t,周期地測(cè)量筆200的姿態(tài)，同時(shí)產(chǎn)生軌跡230。第一書(shū)寫(xiě)點(diǎn)p^，有時(shí)稱之為下筆，以及最后書(shū)寫(xiě)點(diǎn)P，，有時(shí)稱之為 提筆，被指示在筆200運(yùn)動(dòng)期間尖部202產(chǎn)生的軌跡230A上。另外還指示 了中間寫(xiě)入點(diǎn)P,它是尖部202在特定測(cè)量時(shí)間U所處的位置。在連續(xù)測(cè) 量時(shí)間t。和1+1處的兩個(gè)寫(xiě)入點(diǎn)也被示出，并且作為例示，它們之間的時(shí) 間間隔為At。軌跡230B出現(xiàn)于由使用者書(shū)寫(xiě)過(guò)程中。軌跡230C已被寫(xiě)入， 并且在連續(xù)測(cè)量時(shí)間仁和t。+J寸的兩寫(xiě)入點(diǎn)被表示成分開(kāi)距離As。
應(yīng)用程序224是在線手寫(xiě)鑒別應(yīng)用程序并因此在每個(gè)軌跡230A、 230B 和230C的下筆和提筆點(diǎn)之間測(cè)量時(shí)間ti的頻率在100Hz的數(shù)量級(jí)，因此 時(shí)間間隔厶t為大約1/100s。因此，筆200的姿態(tài)由配置214用大約1/lOOs 的時(shí)態(tài)分辨率進(jìn)行測(cè)量。處理器218根據(jù)由下臂和提筆點(diǎn)之間執(zhí)行的運(yùn)動(dòng)中的筆200呈現(xiàn)的連 續(xù)姿態(tài)對(duì)應(yīng)的姿態(tài)數(shù)據(jù)。處理器218還識(shí)別子集220中所需的姿態(tài)數(shù)據(jù)以 運(yùn)行應(yīng)用程序224。在某些手寫(xiě)鑒別應(yīng)用程序中，子集220僅需包含尖部 202在與書(shū)寫(xiě)點(diǎn)Pwi對(duì)應(yīng)的測(cè)量時(shí)間ti時(shí)的絕對(duì)位置。換句話說(shuō)，子集220 僅包含表面204上的尖部202的位置數(shù)據(jù)，而不是筆200的方向數(shù)據(jù)。此 外，書(shū)寫(xiě)點(diǎn)Pwi的位置由在紙206右上角具有原點(diǎn)的全球坐標(biāo)(X。、 Y。、 Z。) 中的相應(yīng)矢量Di表示。在另一實(shí)施例中，手寫(xiě)鑒別應(yīng)用程序224要求在子集220中的方向數(shù) 據(jù)。例如，在線手寫(xiě)識(shí)別應(yīng)用程序224要求子集220中包含傾斜角e 。應(yīng) 注意傾斜角6也是第二歐拉角。又一種書(shū)寫(xiě)識(shí)別應(yīng)用程序224要求子集220 包含更多或甚至全部方向數(shù)據(jù)，即所有三個(gè)歐拉角。事實(shí)上，應(yīng)用程序224 例如經(jīng)由通信鏈路226告知處理器218在任何給定時(shí)間它關(guān)于子集220的 特殊要求。在子集220包含額外信息的情況下，諸如位置和方向數(shù)據(jù)的任 意組合或全部位置和方向數(shù)據(jù)的 一 階或高階導(dǎo)數(shù)，例如二階導(dǎo)數(shù) (dVdt d2y/dt d2z/dt "/dt d2 9 /dt d、/dt)，它們或由處理 器218計(jì)算得到并包含在機(jī)制220中，或由應(yīng)用程序224計(jì)算得到。在另一實(shí)施例中，筆200是不留下軌跡230的指示筆。換句話說(shuō)，尖 部202是不作出標(biāo)志的點(diǎn)。在該實(shí)施例中，表面204不一定是紙表面；可 由其上可進(jìn)行速記的任何平坦表面代替。本方法的其它方面與上述內(nèi)容相 同。圖7示出用于處理從具有尖部252的狹長(zhǎng)物體250的姿態(tài)獲得的姿態(tài) 數(shù)據(jù)的裝置248的另一實(shí)施例。物體250是尖部252不產(chǎn)生軌跡的指示筆。 物體250具有包含光學(xué)測(cè)量配置和處理器(未圖示)的殼體254。無(wú)線發(fā)射 機(jī)262被提供以用來(lái)通信。
尖部252被置于具有不變特征258A、 258B、 258C和258D的平坦表面 256上。測(cè)量配置依賴特征258以當(dāng)尖部252接觸表面256時(shí)，在測(cè)量時(shí)間 ti周期地測(cè)量指示筆250的姿態(tài)。處理器準(zhǔn)備與姿態(tài)對(duì)應(yīng)的姿態(tài)數(shù)據(jù)并識(shí) 別將被傳送的子集260。在本例中，子集260包含所有姿態(tài)數(shù)據(jù)并在每個(gè)測(cè) 量時(shí)間ti后以時(shí)戳被發(fā)送，時(shí)戳也以ti為基準(zhǔn)。位置數(shù)據(jù)以由光學(xué)測(cè)量配 置選擇的世界坐標(biāo)(X。、 Y。、 Z。)中的矢量Di的形式表達(dá)。方向數(shù)據(jù)以歐拉 角的形式表達(dá)。發(fā)射機(jī)262經(jīng)由通信鏈路264A、 264B、 264C和264D將子集260傳送 給駐有要求子集260的應(yīng)用程序的各裝置。具體地說(shuō)，鏈路264A連接于網(wǎng) 絡(luò)266并依次連接于運(yùn)行要求子集260的應(yīng)用程序270的計(jì)算機(jī)268(例如 個(gè)人計(jì)算機(jī))。網(wǎng)絡(luò)266可以是任何類型的網(wǎng)絡(luò)，包括互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)(LAN)、 電話網(wǎng)絡(luò)或能夠傳送子集260的任何網(wǎng)絡(luò)。鏈路264B連接于經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)274 與計(jì)算機(jī)268通信的主機(jī)272 (例如主機(jī)計(jì)算機(jī))。要注意應(yīng)用程序270 可共享于計(jì)算機(jī)268和本地主機(jī)272之間，或者每個(gè)能分別使用其獨(dú)立應(yīng) 用程序的集260?；蛘?，本地主機(jī)272可僅用作中繼式計(jì)算機(jī)。鏈路264C 直接連接于計(jì)算機(jī)268并可以是短距離鏈路，例如僅當(dāng)指示筆250工作在 計(jì)算機(jī)26B附近時(shí)才被激活的鏈路。鏈路264D連接于運(yùn)行其它程序278的 裝置276。例如，裝置276是個(gè)人數(shù)字助理(PDA)或蜂窩電話。事實(shí)上， 鏈路264D可以是紅外鏈路或超聲鏈路，在這種情況下相應(yīng)的發(fā)射機(jī)被用來(lái) 代替無(wú)線發(fā)射機(jī)262。要注意指示筆250可經(jīng)由任何鏈路264與在任何給定 時(shí)間需要與之通信的任何裝置的組合而進(jìn)行通信。該裝置可使用鏈路264 以在任何時(shí)間將它們的可用性和子集偏好與指示筆250通信。在工作時(shí)，指示筆250可將絕對(duì)位置數(shù)據(jù)中或由世界坐標(biāo)系中表示的 矢量Di包含在子集260中?；蛘撸甘竟P250可將相對(duì)坐標(biāo)(Xr、 Yr、 Z》 中的相對(duì)位置數(shù)據(jù)或矢量Dh包含在子集260中。在又一選擇中，子集260 包括就前一位置的相對(duì)位置數(shù)據(jù)，即矢量AD二Dh — Dh-i。那是因?yàn)槟承?yīng) 用程序僅要求獲知尖部252的相對(duì)位置。另外要注意姿態(tài)數(shù)據(jù)的處理和子 集260的識(shí)別是可在筆250和任何其它裝置之間共享的任務(wù)。事實(shí)上，用
來(lái)處理姿態(tài)以獲得姿態(tài)數(shù)據(jù)并識(shí)別子集260的處理器可整個(gè)地置于另一裝置上，例如在計(jì)算機(jī)268上。圖7是示出使用來(lái)自速記工具250的子集260的命令和輸入數(shù)據(jù)的一 些例子的方框圖。在第一步驟280中，子集260經(jīng)由通信鏈路264由本地 主機(jī)或網(wǎng)絡(luò)接收。如果子集260要用于遠(yuǎn)程主機(jī)，則在步驟282將其傳送 到遠(yuǎn)程主機(jī)。在第二步驟284中，在預(yù)定主機(jī)(根據(jù)情況可以是本地主機(jī)或遠(yuǎn)程主 機(jī))中的處理器確定對(duì)子集260的要求。選擇可基于預(yù)定應(yīng)用程序300而 作出。例如，當(dāng)應(yīng)用程序300僅需要已包含于子集260中的參數(shù)時(shí)，則將 子集260傳送到步驟286以準(zhǔn)備和直接使用?；蛘?，當(dāng)應(yīng)用程序300要求 額外參數(shù)時(shí)，子集260被傳送到步驟288以導(dǎo)出這些額外參數(shù)。例如，額外參數(shù)是子集260中的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)的導(dǎo)數(shù)。因此，子集 260被傳送到微分模塊290并隨后被傳送到準(zhǔn)備模塊292以為子集260提供 導(dǎo)數(shù)。在所示例子中，要求歐拉角4)、 e的時(shí)間導(dǎo)數(shù)并因此所補(bǔ)充和準(zhǔn)備 的子集260'包含這些時(shí)間導(dǎo)數(shù)?；蛘咭笥嘘P(guān)一個(gè)或多個(gè)子集260中的參 數(shù)的統(tǒng)計(jì)信息。因此，將子集260傳送給統(tǒng)計(jì)模塊295并隨后傳送給預(yù)備 模塊296以為統(tǒng)計(jì)信息補(bǔ)充子集260。在本例中，統(tǒng)計(jì)信息是第二歐拉角9 的標(biāo)準(zhǔn)方差。因此，經(jīng)補(bǔ)充和預(yù)備的子集260"包含子集260的參數(shù)和角e 的標(biāo)準(zhǔn)方差。本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員將會(huì)理解可例如根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)和數(shù)據(jù)端口傳送標(biāo)準(zhǔn) 的需要、在本地和遠(yuǎn)程主機(jī)以及應(yīng)用程序300之間共享所述功能。例如， 子集260的一些準(zhǔn)備和補(bǔ)充可在接收時(shí)由應(yīng)用程序300執(zhí)行。子集260被傳送給應(yīng)用程序300以用作輸入并根據(jù)其用途被處理或路 由。例如在步驟302，子集260'被用作控制數(shù)據(jù)。因此，子集260'被解釋 為可執(zhí)行命令304或解釋為可執(zhí)行命令的一部分并用于可執(zhí)行文件310中。 另一方面，在步驟306中，子集260"被用作輸入數(shù)據(jù)并被存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)文件 308。在一個(gè)具體應(yīng)用程序中，應(yīng)用程序300是軌跡捕捉應(yīng)用程序而子集260' 被用作根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)布爾邏輯的控制數(shù)據(jù)。具體地說(shuō)，應(yīng)用程序包括布爾邏輯符號(hào)再格式化功能以將控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為布爾邏輯命令，即0R、 AND或X0R。 圖9是示出本發(fā)明又一實(shí)施例的圖解。在該實(shí)施例中，狹長(zhǎng)物體320 是用于具有不變特征324A、 324B的速記表面322上的速記工具。速記表面 322可以是屏幕、墊、紙表面或任何其它適宜表面，通過(guò)它們速記工具320 可通過(guò)根據(jù)上述原理的板上光學(xué)測(cè)量配置確定姿態(tài)。速記工具320是筆、 鉛筆或指示筆。使用者326通過(guò)將速記工具320的尖部328置于表面322上并作出運(yùn) 動(dòng)，從而利用速記工具320以產(chǎn)生姿態(tài)數(shù)據(jù)。姿態(tài)數(shù)據(jù)被處理成子集并被 傳送至多個(gè)用戶裝置，包括但不局限于大型計(jì)算機(jī)330、操縱桿332、蜂窩 電話334、個(gè)人計(jì)算機(jī)336和個(gè)人數(shù)字助理338。這些裝置的每一個(gè)使用子 集的合適部分。例如，操控桿332剝離除歐拉角4)、 e外的所有參數(shù)并將 它們用作控制數(shù)據(jù)?；蛘?，操縱桿332保留歐拉角v并將其用作控制數(shù)據(jù) 以模擬激活按鈕功能。另一方面，蜂窩電話334使用歐拉角以選擇撥出號(hào) 碼和并將位置數(shù)據(jù)作為控制數(shù)據(jù)以執(zhí)行撥號(hào)命令。要注意狹長(zhǎng)物體可以是任何種類的狹長(zhǎng)裝置，其物理姿態(tài)可產(chǎn)生有用 的數(shù)據(jù)。因此，盡管上面的例子示出狹長(zhǎng)物體是速記工具、定位器、手杖 或機(jī)械手，但也能使用其它的狹長(zhǎng)物體。另外從姿態(tài)數(shù)據(jù)識(shí)別的子集可補(bǔ) 充以從不是板上狹長(zhǎng)物體的其它裝置獲得的各種額外數(shù)據(jù)。此外，如有需 要，為了保護(hù)使用者或?qū)崿F(xiàn)其它目的，可對(duì)子集中的姿態(tài)數(shù)據(jù)和或數(shù)據(jù)加 密。本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員很清楚本發(fā)明可包括各種其它實(shí)施例。因此，其范 圍可由其權(quán)利要求及其合法的等效物界定。
權(quán)利要求
1.一種用于處理來(lái)自具有尖部的狹長(zhǎng)物體的姿態(tài)導(dǎo)出的姿態(tài)數(shù)據(jù)的方法，所述方法包括(a)將所述尖部置于具有不變特征的平坦表面上；(b)利用所述不變特征從板上的所述狹長(zhǎng)物體光學(xué)地測(cè)量所述姿態(tài)；(c)準(zhǔn)備對(duì)應(yīng)于所述姿態(tài)的姿態(tài)數(shù)據(jù)(d)識(shí)別所述姿態(tài)數(shù)據(jù)的子集；以及(e)將所述子集傳送給應(yīng)用程序。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述狹長(zhǎng)物體經(jīng)歷運(yùn)動(dòng)并且在測(cè)以使所述姿態(tài)數(shù)據(jù)表述所述運(yùn)動(dòng)。 其特征在于，所述子集包括方向數(shù)據(jù)。 其特征在于， 其特征在于， 其特征在于，量時(shí)間ti周期地進(jìn)行所述測(cè)量
3. 如權(quán)利要求1所述的方法
4. 如權(quán)利要求3所述的方法
5. 如權(quán)利要求3所述的方法
6. 如權(quán)利要求3所述的方法 和輸入數(shù)據(jù)中選擇的輸入。
7. 如權(quán)利要求2所述的方法 面上的位置數(shù)據(jù)。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法 所述不變特征的位置。
9. 如權(quán)利要求7所述的方法 述表面上的絕對(duì)位置。
10. 如權(quán)利要求7所述的方法所述子集包括傾斜角e 。 所述子集包括至少一個(gè)歐拉角。 所述方向數(shù)據(jù)被用作從控制數(shù)據(jù)其特征在于，所述子集包括所述尖部在所述表其特征在于，所述位置數(shù)據(jù)包括所述尖部相對(duì)其特征在于，所述位置數(shù)據(jù)包括所述尖部在所其特征在于，所述位置數(shù)據(jù)包括所述尖部在所 述表面上相對(duì)于所述尖部之前的絕對(duì)位置的位置。
11. 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述位置數(shù)據(jù)被用作從由控制數(shù) 據(jù)和輸入數(shù)據(jù)中選擇的輸入。
12. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述平坦表面包括速記表面而所 述狹長(zhǎng)物體是速記工具。
13. 如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述速記表面是從屏幕、寫(xiě)字 板、墊和紙表面中選擇的。
14. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述狹長(zhǎng)物體是從速記工具、定 位器、機(jī)械臂和手杖中選擇的。
15. 如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述速記工具是從筆、鉛筆和指示筆中選擇的。
16. —種用于處理從具有尖部的狹長(zhǎng)物體的姿態(tài)得出的姿態(tài)數(shù)據(jù)的裝置，所述裝置包括(a) 用于使所述尖部置于其上的平坦表面，所述平坦表面具有不變特征；(b) 利用所述不變特征光學(xué)地測(cè)量來(lái)自板上的所述狹長(zhǎng)物體的所述姿態(tài)的光學(xué)測(cè)量裝置；(c) 用于準(zhǔn)備與所述姿態(tài)對(duì)應(yīng)的姿態(tài)數(shù)據(jù)并識(shí)別所述姿態(tài)數(shù)據(jù)的子集的 處理器；以及(d) 用于將所述子集傳送給應(yīng)用程序的通信鏈路。
17. 如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，所述光學(xué)測(cè)量裝置包括用于在測(cè)量時(shí)間ti處周期地測(cè)量所述姿態(tài)的周期性測(cè)量裝置。
18. 如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，所述處理器被安裝在所述狹長(zhǎng) 物體上。
19. 如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，所述通信鏈路是無(wú)線通信鏈路。
20. 如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，所述狹長(zhǎng)物體是從速記工具、 定位器、機(jī)械手和手杖中選擇的。
21. 如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，所述速記工具是從筆、鉛筆和 指示筆中選擇的。
22. 如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，所述應(yīng)用程序包括數(shù)據(jù)文件而 所述子集包括對(duì)所述數(shù)據(jù)文件的輸入數(shù)據(jù)。
23. 如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，所述應(yīng)用程序包括可執(zhí)行文件 而所述子集包括對(duì)所述可執(zhí)行文件的控制數(shù)據(jù)。
24. 如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，所述應(yīng)用程序包括運(yùn)動(dòng)捕獲應(yīng) 用程序。
25. 如權(quán)利要求24所述的裝置，其特征在于，所述運(yùn)動(dòng)捕獲應(yīng)用程序包括生 物統(tǒng)計(jì)應(yīng)用程序。
26. 如權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于，所述生物統(tǒng)計(jì)應(yīng)用程序包括用 戶校驗(yàn)應(yīng)用程序。
27. 如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，所述應(yīng)用程序包括軌跡捕捉應(yīng) 用程序。
28. 如權(quán)利要求27所述的裝置，其特征在于，所述軌跡捕捉應(yīng)用程序包括手 寫(xiě)識(shí)別應(yīng)用程序。
29. 如權(quán)利要求27所述的裝置，其特征在于，所述軌跡捕捉應(yīng)用程序包括簽 名校驗(yàn)應(yīng)用程序。
30. 如權(quán)利要求27所述的裝置，其特征在于，所述軌跡捕捉應(yīng)用程序包括布 爾邏輯符號(hào)重格式化功能。
全文摘要
一種用于處理從諸如速記工具、定位器、機(jī)械手或手杖的具有尖部的狹長(zhǎng)物體(10)的姿態(tài)導(dǎo)出的姿態(tài)數(shù)據(jù)的裝置和方法。狹長(zhǎng)物體(10)帶有與具有一個(gè)或多個(gè)不變特征的平坦表面接觸的尖部(12)。狹長(zhǎng)物體(10)的姿態(tài)由光學(xué)測(cè)量藉助于不變特征而從板上光學(xué)地測(cè)量得到。該姿態(tài)被用來(lái)準(zhǔn)備相應(yīng)的姿態(tài)數(shù)據(jù)而姿態(tài)數(shù)據(jù)的子集被識(shí)別并傳送到諸如用戶應(yīng)用程序的應(yīng)用程序，在那里子集作為命令數(shù)據(jù)或輸入數(shù)據(jù)。由于狹長(zhǎng)物體移動(dòng)的同時(shí)其尖部接觸表面，其姿態(tài)在足夠頻率的測(cè)量時(shí)間ti下周期地測(cè)量，從而以所要求的時(shí)間分辨率表述運(yùn)動(dòng)。子集可包括表述狹長(zhǎng)物體在空間中方向的方向數(shù)據(jù)和/或表面上尖部(12)的位置數(shù)據(jù)的全部或其一部分。該位置可以是尖部相對(duì)于任何特征或其先前位置的相對(duì)位置，或世界坐標(biāo)系中的絕對(duì)位置。該子集可包含方向和位置數(shù)據(jù)的混合。
文檔編號(hào)G06F3/033GK101107649SQ200580003400
公開(kāi)日2008年1月16日 申請(qǐng)日期2005年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月30日
發(fā)明者G·G·張, H·H·岡薩雷斯-班諾斯, M·J·曼德拉, S·R·卡爾 申請(qǐng)人:電子手寫(xiě)產(chǎn)品公司