JP2005100391A - ハンドジェスチャを認識する方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数ユーザによる複数の同時タッチを認識することができるタッチセンシティブ表面用のジェスチャ入力システムを提供する。
【解決手段】このジェスチャを用いてコンピュータ動作を制御する。システムは、タッチセンシティブ表面の、ｍ×ｎ個の配列になったタッチセンシティブパッドの各々における信号強度を測定する。これらの信号強度から、ユーザによって同時にタッチされた連続パッドの領域の数、各領域の面積を求め、領域の数および各領域の面積に従って特定のジェスチャを選択する。
【選択図】図１

Description

本発明は、包括的にはタッチセンシティブ表面に関し、特にタッチ面を用いて、表面にタッチすることによって行われたハンドジェスチャを認識し、それに応じた動作を行うことに関する。
近年の検知技術の進歩により、フリーハンドによるタッチ入力の表現力が増した。Ringel等著「素手：道具の要らない壁掛けディスプレイとの対話（Barehands: Implement-free interaction with a wall-mounted display）」（Proc CHI 2001, pp. 367-368, 2001）、およびRekimoto著「ＳｍａｒｔＳｋｉｎ：対話型表面のフリーハンド操作のための基盤（SmartSkin: an infrastructure for freehand manipulation on interactive surfaces）」（Proc CHI 2002, pp. 113-120, 2002）を参照されたい。
大型のタッチセンシティブ表面では、従来のタッチセンシティブデバイスにない新たな問題がいくつか生じる。いかなるタッチシステムにも検知分解能の制限がある。大型表面の場合、分解能は、従来のタッチデバイスよりも大きく下がる可能性がある。複数のユーザがそれぞれ同時に複数のタッチを生じることができる場合、タッチの状況を判定することは困難になる。この問題は、単一入力の場合、例えばマウスまたはペンによるストロークジェスチャの場合に部分的に対処されている。Andre等著「電子文書のペーパーレスな編集および校正（Paper-less editing and proofreading of electronic documents）」（Proc. EuroTeX, 1999）、Guimbretiere等著「高分解能の壁面サイズディスプレイとの流動的対話（Fluid Interaction with high-resolution wall-size displays）」（Proc. UIST 2001, pp.21-30, 2001）、Hong等著「ＳＡＴＩＮ：非公式なインクベースのアプリケーションのためのツールキット（SATIN: A toolkit for informal ink-based applications）」 （Proc. UIST 2000, pp. 63-72, 2001）、Long等著「ジェスチャデザインツールへの示唆（Implications for a gesture design tool）」（Proc. CHI 1999, pp. 40-47, 1999）、およびMoran 等著「電子ホワイトボード上の素材を整理するためのペンによる対話技法（Pen-based interaction techniques for organizing material on an electronic whiteboard）」（Proc. UIST 1997, pp. 45-54, 1992）を参照されたい。
本来不正確で一貫性のないハンドジェスチャの場合、この問題は、より複雑になる。特定のユーザの特定のハンドジェスチャは、時間が経つと違ってくる可能性がある。これは、特に、手の自由度が高いことによる。個々のハンドポーズの数も非常に多い。また、同じハンドポーズを長時間維持することは、肉体的に難しい。
ハンドポーズを明確にするために、視覚に基づくシステムでの機械による学習および追跡が用いられてきた。しかしながら、それらのシステムのほとんどは、個々の動きのないハンドポーズまたはジェスチャを要求するもので、非常に動的なハンドジェスチャを扱うことはできない。Cutler等著「両手による応答性ワークベンチの直接操作（Two-handed direct manipulation on the responsive workbench）」（Proc I3D 1997, pp. 107-114, 1997）、Koike等著「ＥｎｈａｎｃｅｄＤｅｓｋ上での紙情報とデジタル情報の統合（Integrating paper and digital information on EnhancedDesk）」（ACM Transactions on Computer-Human Interaction, 8 (4), pp. 307-322, 2001）、Krueger等著「ＶＩＤＥＯＰＬＡＣＥ−人工現実感（VIDEOPLACE - An artificial reality）」（Proc CHI 1985, pp. 35-40, 1985）、Oka等著「強化されたデスクインタフェースシステムのための複数の指先のリアルタイム追跡およびジェスチャ認識（Real-time tracking of multiple fingertips and gesture recognition for augmented desk interface systems）」（Proc FG 2002, pp. 429-434, 2002）、Pavlovic等著「人間−コンピュータ間対話のためのハンドジェスチャの視覚的解釈：概説（Visual interpretation of hand gestures for human-computer interaction: A review）」（IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 19 (7). pp. 677-695, 1997）、およびRingel等著「素手：道具の要らない壁掛けディスプレイとの対話（Barehands: Implement-free interaction with a wall-mounted display）」（Proc CHI 2001, pp. 367-368, 2001）を参照されたい。一般に、カメラに基づくシステムは、実施が困難で費用がかかり、広範なキャリブレーションを要し、通常は、管理された環境に限られる。
画像の表示も行う対話型タッチ面に伴う別の問題は、遮蔽である。この問題は、一点でのタッチスクリーンとの対話の場合に対処されている。Sears等著「高精度のタッチスクリーン：デザイン戦略およびマウスとの比較（High precision touchscreens: design strategies and comparisons with a mouse）」（International Journal of Man-Machine Studies, 34 (4). pp. 593-613, 1991）およびAlbinsson等著「高精度なタッチスクリーン対話（High precision touch screen interaction）」（Proc CHI 2003, pp. 105-112, 2003）を参照されたい。壁面のディスプレイ表面との対話には、ポインタが用いられている。Myers等著「距離を置いた対話：レーザポインタおよび他のデバイスの性能の測定（Interacting at a distance: Measuring the performance of laser pointers and other devices）」（Proc. CHI 2002, pp. 33-40, 2002）を参照されたい。
複数のユーザによる複数の同時タッチを認識することができるタッチセンシティブ表面用のジェスチャ入力システムを提供することが望ましい。
本発明の目的は、タッチセンシティブ表面にタッチすることによって行われた異なるハンドジェスチャを認識することである。
複数の同時タッチによって行われたジェスチャを認識することが望ましい。
複数のユーザが同時に表面にタッチすることによって行われたジェスチャを認識することが望ましい。
本発明による方法は、ハンドジェスチャを認識する。タッチセンシティブ表面のタッチセンシティブパッドにおける信号強度を測定する。同時にタッチされた連続パッドの領域の数を信号強度から求める。各領域の面積を求める。次に、タッチされた領域の数および各領域の面積により特定のジェスチャを選択する。
本発明は、タッチ面を用いてハンドジェスチャを検出し、そのジェスチャに応じてコンピュータ動作を行う。複数のユーザからの複数のタッチ点を同時に認識することができるタッチ面を用いることにする。Dietz等著「ＤｉａｍｏｎｄＴｏｕｃｈ：マルチユーザタッチ技法（DiamondTouch: A multi-user touch technology）」（Proc. User Interface Software and Technology (UIST) 2001, pp. 219-226, 2001）、および２００２年１２月２４日付でDiez他に発行された米国特許第６，４９８，５９０号「マルチユーザタッチ面（Multi-user touch surface）」（本明細書中に参照により援用する）を参照されたい。このタッチ面は、任意の大きさ、例えばテーブルの上面板のサイズにすることができる。さらに、動作中、コンピュータにより生成された画像を表面に投影することが可能である。
ジェスチャとは、タッチ面上でまたはタッチ面を横切って動く手または指を意味する。ジェスチャは、１本または複数の指、握り拳、開いた手のひら、またはそれらの組み合わせにより行うことができる。ジェスチャは、１人のユーザによって、または複数のユーザによって同時に行うことができる。本明細書中で説明するジェスチャ例以外のジェスチャも認識できることが理解されるべきである。
タッチ面の一般的な動作の枠組みは、２００２年１月１８日付でVernier他により出願された米国特許出願第１０／０５３，６５２号「円形のグラフィカルユーザインタフェース（Circular Graphical User Interfaces）」（本明細書中に参照により援用される）に記載されている。Vernierの出願に記載されているように、１本の指によるタッチは、従来のマウスと同様の動作（例えばポイント＆クリック、選択、ドラッグ、およびドロップ）用に確保しておくことができる。
図１を用いて本発明の動作の詳細を説明する。タッチ面１００は、明確にするために拡大して示すｍ行１０１×ｎ列１０２のタッチセンシティブパッド１０５を含む。パッドは、相互接続を容易にするためにダイヤモンド形になっている。各パッドは、タッチ時にユーザと静電結合するアンテナの形態である。詳細については上記Dietzを参照されたい。単一のパッドの信号強度を測定することができる。
結合の信号強度１０３は、ｘ軸に沿って列毎に、またｙ軸に沿って行毎に別々に読み取ることができる。タッチする特定の行または列のパッド数が多くなるほど、その行または列の信号強度が大きくなる。すなわち、測定される信号は、タッチされるパッド数と比例する。信号強度は、通常、結合が良好な指タッチの中央部では大きいことが認められる。興味深いことに、結合は、加える圧力を高くすることによっても高くなる。すなわち、信号強度は、大まかにはタッチ圧力と関係する。
アンテナの行および列は、ｘ軸およびｙ軸に沿って一定のレート（例えば３０フレーム／秒）で読み取られ、各読み取り値は、ソフトウェアに供給されて、各時間刻み毎に単一の強度値ベクトル（ｘ０，ｘ１，・・・，ｘｍ，ｙ０，ｙ１，・・・，ｙｎ）として解析される。この強度値を閾値処理して、強度の低い信号と雑音を切り捨てる。
図１において、太線の部分は、タッチに対応する強度１０４を有する列および行にそれぞれ対応するｘ座標およびｙ座標を示す。図示の例では、２本の指１１１および１１２が表面にタッチしている。連続してタッチされたアンテナ行の信号強度ならびに連続してタッチされたアンテナ列の信号を合計する。これにより、タッチの数と、各タッチの概算面積とを求めることができる。従来技術では、主なフィードバックデータは、ｘ座標およびｙ座標、すなわちゼロ次元の点の位置であることに留意すべきである。これに対し、主なフィードバックは、タッチされた領域の面積サイズである。さらに、各領域の位置（例えば領域の中心、すなわち領域内の強度の中央値）を求めることができる。
指によるタッチは、拳、および開いた手と容易に区別することができる。例えば、指によるタッチでは、比較的高い強度値が小さな面積に集中しているが、手によるタッチでは、通常、比較的低い強度値が大きな面積に分散している。
システムは、フレーム毎に領域の数を求める。領域毎に面積と位置を求める。面積は、対応する強度値１０４の範囲（ｘｌｏｗ，ｘｈｉｇｈ，ｙｌｏｗ，ｙｈｉｇｈ）から求められる。この情報は、表面のどこがタッチされたのかも示す。領域毎に全信号強度も求める。全強度は、その領域の閾値処理された強度値の合計である。各フレームには、時間も関連付けられる。したがって、タッチされた各領域は、面積、位置、強度、および時間によって表される。フレームサマリは、タイムスタンプをハッシュキーとして用いてハッシュテーブルに格納される。フレームサマリは、後に取り出すことができる。
フレームサマリは、各領域の軌跡を求めるために用いられる。軌跡は、領域の移動経路である。タイムスタンプから、各軌跡に沿った移動速度および速度の変化率（加速度）も求めることができる。軌跡は、別のハッシュテーブルに格納される。
図２Ａに示すように、フレームサマリ２０１と軌跡２０２を用いて、ジェスチャを分類して動作モードを判定する（２０５）。多数の異なる独特なジェスチャが可能であることが理解されるべきである。単純な実施態様において、基本的なジェスチャは、ノータッチ２１０、１本指２１１、２本指２１２、複数の指２１３、片手２１４、および両手２１５である。これらの基本的なジェスチャは、動作モードｉの開始の定義として用いられ、ここでｉは０〜５の値（２１０〜２１５）を持つことができる。
分類のために、初期状態は、ノータッチであると仮定し、領域の数およびフレームサマリが所定の時間にわたって比較的一定のままである場合にジェスチャを分類する。すなわち、軌跡はない。これは、特定のジェスチャを示すために全ての指または手が全く同時に表面に到達するわけではない状況を処理する。ジェスチャが分類されるのは、同時にタッチされている領域の数が所定の時間にわたって同じままである場合に限られる。
図２Ａに示すように、システムがジェスチャの分類後に特定のモードｉに入った後、同じジェスチャを再び用いて他の動作を行うことができる。図２Ｂに示すように、モードｉ中に、フレームサマリ２０１および軌跡２０２を用いて、指や手が表面を横切って移動およびタッチする間、ジェスチャを継続的に解釈する（２２０）。この解釈は、モードの状況に左右される。すなわち、現在の動作モードに応じて、同じジェスチャがモード変更２２５または異なるモード動作２３５のいずれかを生じることができる。例えば、モード２中の２本指ジェスチャは、文書に注釈を付ける要求として解釈することができ（図５を参照）、モード３中の同じ２本指ジェスチャは、図８に示すように、選択ボックスのサイズ制御として解釈することができる。
ここで説明するタッチ面は、典型的な従来技術のタッチデバイスやポインティングデバイスとは異なるタイプのフィードバックを可能にすることに留意すべきである。従来技術では、フィードバックは、通常、ゼロ次元の点のｘ座標およびｙ座標に基づく。フィードバックは、多くの場合、カーソル、ポインタ、または×印として表示される。これに対し、本発明によるフィードバックは、面積に基づくことができ、さらに圧力または信号強度に基づくことができる。フィードバックは、実際のタッチ面積、または境界線（例えば、円や長方形）として表示することができる。フィードバックは、特定のジェスチャまたは動作モードが認識されたことも示す。
例えば、図３に示すように、２本指１１１および１１２でジェスチャを行った場合、フレームサマリを用いて境界線３０１を求める。境界線が長方形であるこの場合には、この境界の長方形は、強度値全体のｘｌｏｗ、ｘｈｉｇｈ、ｙｌｏｗ、およびｙｈｉｇｈからなる領域である。境界ボックスの中心（Ｃ）、高さ（Ｈ）、および幅（Ｗ）も求める。図４は、４本指によるタッチの円４０１を示す。
例示的なデスクトップ・パブリッシング・アプリケーションに関して、図５ないし図９に示すように、ジェスチャは、雑誌やウェブページに組み込む文書をアレンジおよびレイアウトするために用いられる。実行されるアクションには、表示された文書に注釈を付ける、注釈を削除する、文書を選択する、コピーする、アレンジする、および積み重ねることが含まれる可能性がある。文書は、コンピュータシステムのメモリに格納され、デジタルプロジェクタによってタッチ面上に表示される。この説明を明確にするために、文書は、図示していない。繰り返すが、ここでのジェスチャは、多くの考え得るジェスチャの数例に過ぎないことに留意すべきである。
図５において、表示された文書に注釈を付ける要求を示すために用いられるジェスチャは、いずれか２本の指５０１で文書にタッチすることである。次に、もう片方の手５０３で指またはペンを用いて「書くこと」または「描くこと」（５０２）によってジェスチャを続行する。書いている間、もう片方の２本の指を文書上に置いておく必要はない。注釈付けは、指またはペン５０２を表面から離すと終了する。書いている間、ディスプレイは更新されて、指またはペンの先端からインクが流れ出ているかのように見せる。
図６に示すように、表面を手のひら６０１で左右に拭うこと６０２によって注釈の各部分は「削除」することができる。このジェスチャの初期分類の後、手の任意の部分を用いて削除を行うことができる。例えば、手のひらは、離すことができる。小さな部分の削除は、指先を用いて行うことができる。削除の範囲をユーザに示すために、視覚的なフィードバックとして円６０３が表示される。削除をしている間に、下に書かれているものは時間が経つにつれて徐々に透明になる。この変化は、表面の接触量、手の移動速度、または圧力に応じて行うことができる。表面接触が少ないほど透明度の変化は遅くなり、払拭動作に伴う速度が遅いほど素材が消失するまでの時間は長くなる。削除は、表面との接触を全て取り去ると終了する。
図７および図８は、ユーザが文書の全体または一部を別の文書にコピーすることを可能にするカット＆ペーストのジェスチャを示す。このジェスチャは、３本以上の指７０１で文書８００にタッチすることによって識別される。システムは、指の配置に基づくサイズの長方形の選択ボックス８０１を表示することによって応答する。選択ボックスの各辺は、文書の各辺と合わせられる。手は、ディスプレイの一部を遮蔽する可能性があることを認識すべきである。
したがって、図８に示すように、ユーザは、テーブルにタッチしたまま、手を任意の方向７０５に動かして文書８００から離すことができる（８０２）。同時に、指の広げ方を大きくしたり小さくしたりすることによって境界ボックスのサイズを変更することができる。選択ボックス８０１は、常に文書の境界内にあって、それを越えて広がることはない。したがって、選択は、文書そのものに制限される。これによりユーザは、選択ボックスに対して指を動かすことができる（８０２）。
指は、選択ボックス８０１と空間的に関係する仮想ウインドウ８０４に関連した制御空間にあると考えることができる。選択ボックスは、文書８００の縁で止まるが、制御空間に関連した仮想ウインドウ８０４は指とともに動き続け、結果として位置変更される。したがって、ユーザは、表示文書から離れた位置から選択ボックスを制御することができる。これにより遮蔽の問題は解決する。さらに、選択ボックスの寸法は、指の位置に対応し続ける。この動作モードは、ユーザが選択ボックスの操作に２本の指しか用いていなくても維持される。両手の指を用いて選択ボックスの移動やサイズ変更を行うこともできる。別の指またはペン７０４で表面にタッチするとコピーが行われる。全ての指を離すとカット＆ペーストは終了する。
図９に示すように、積み重ねるジェスチャを示すために、両手９０１を離してタッチ面に乗せる。初めに両手を表面に乗せると、積み重ねるアクションの範囲を示す円９０２が表示される。文書の中心がこの円の中にある場合、その文書は、積み重ねた束に含められる。選択された文書は、ハイライト表示される。両手を大きく離すと、円は大きくなる。両手を近づける（９０３）と円の手の中の表示文書はいずれも集められて「束」になる。積み重ねられた文書には「束」と表記された視覚的な印を表示することができる。文書を束にした後、両手を動かすことによって束の文書をまとめて「ドラッグ」および「ドロップ」したり、１本の指で単一文書を選択したりすることができる。両手を離すこと（９０４）によって、文書の束はばらばらになる。ここでもまた、ばらばらになった範囲を示す円が表示される。この動作は、両手をタッチ面から離すと終了する。
本発明を好ましい実施の形態の例として説明してきたが、本発明の精神および範囲内で様々な他の適応および変更を行うことができることが理解されるべきである。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の精神および範囲に入る変形および変更を網羅することである。
本発明による、ハンドジェスチャを認識するタッチ面のブロック図である。 本発明によるジェスチャ分類プロセスのブロック図である。 ジェスチャモードの実行プロセスのフロー図である。 タッチ面および表示された境界ボックスのブロック図である。 タッチ面および表示された境界円のブロック図である。 本発明によるシステムによって認識されるハンドジェスチャの例である。 本発明によるシステムによって認識されるハンドジェスチャの例である。 本発明によるシステムによって認識されるハンドジェスチャの例である。 本発明によるシステムによって認識されるハンドジェスチャの例である。 本発明によるシステムによって認識されるハンドジェスチャの例である。

Claims (29)

  1. タッチセンシティブ表面の複数のタッチセンシティブパッドにおける信号強度を測定することと、
    同時にタッチされた連続パッドの領域の数を前記信号強度から求めることと、
    前記領域の各々の面積を前記信号強度から求めることと、
    前記タッチされた領域の数および前記領域の各々の面積に従って特定のジェスチャを選択することと
    を含むハンドジェスチャを認識する方法。
  2. 前記パッドの各々は、アンテナであり、前記信号強度は、前記アンテナとタッチを行っているユーザとの間の静電結合を測定する請求項１に記載の方法。
  3. 前記領域は、１人のユーザによって同時にタッチされる請求項１に記載の方法。
  4. 前記領域は、複数のジェスチャを示すために複数のユーザによって同時にタッチされる請求項１に記載の方法。
  5. 前記領域の各々の全信号強度を求めることをさらに含む請求項１に記載の方法。
  6. 前記全信号強度は、タッチに関連する圧力の大きさに関係する請求項１に記載の方法。
  7. 前記測定することは、所定のフレームレートで行われる請求項１に記載の方法。
  8. 前記タッチされた領域の各々に対応する境界線を表示することをさらに含む請求項１に記載の方法。
  9. 前記境界線は、長方形である請求項１に記載の方法。
  10. 前記境界線は、円である請求項１に記載の方法。
  11. 前記タッチされた領域の各々の軌跡を時間経過とともに求めることをさらに含む請求項１に記載の方法。
  12. 前記軌跡に従って前記ジェスチャを分類することをさらに含む請求項１１に記載の方法。
  13. 前記軌跡は、時間経過による面積サイズの変化を示す請求項１１に記載の方法。
  14. 前記軌跡は、時間経過による各面積の全信号強度の変化を示す請求項１１に記載の方法。
  15. 面積サイズの変化率を求めることをさらに含む請求項１３に記載の方法。
  16. 前記領域の各々の移動速度を前記軌跡から求めることをさらに含む請求項１１に記載の方法。
  17. 前記領域の各々の移動速度の変化率を求めることをさらに含む請求項１６に記載の方法。
  18. 前記境界線は、タッチされた領域の面積に対応する請求項８に記載の方法。
  19. 前記境界線は、前記タッチされた領域の全信号強度に対応する請求項８に記載の方法。
  20. 前記特定のジェスチャは、１本指、２本指、３本以上の指、片手および両手からなるグループから選択される請求項１に記載の方法。
  21. 前記特定のジェスチャは、前記タッチセンシティブ表面上に表示された文書を操作するために用いられる請求項１に記載の方法。
  22. 前記タッチセンシティブ表面上に文書を表示することと、
    前記文書を２本の指でポイントしながら１本の指を用いて前記文書に注釈を付けることと
    をさらに含む請求項１に記載の方法。
  23. 前記注釈を開いた手で左右に拭うことによって前記注釈を削除することをさらに含む請求項２２に記載の方法。
  24. 前記削除の範囲を示す円を表示することをさらに含む請求項２３に記載の方法。
  25. 前記タッチセンシティブ表面上に文書を表示することと、
    前記文書を３本以上の指でポイントすることによって前記文書上に選択ボックスを画定することと
    をさらに含む請求項１に記載の方法。
  26. 前記タッチセンシティブ表面上に複数の文書を表示することと、
    前記複数の文書の周囲に両手を置き、そして前記両手を互いに近づけることによって表示される円の中に該文書を集めることと
    をさらに含む請求項１に記載の方法。
  27. 前記領域の各々の位置を求めることをさらに含む請求項１に記載の方法。
  28. 前記位置は、前記領域の中心である請求項２７に記載の方法。
  29. 前記位置は、前記領域の強度の中央値である請求項２７に記載の方法。
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