JP4229201B2 - 入力装置、情報装置及び制御情報生成方法 - Google Patents
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Description
図1に、本実施形態における入力装置の構成の概要を示す。本実施形態における入力装置10は、取り込んだ画像の変化に基づいて6軸方向の制御情報(操作情報)を出力することができるようになっている。そのため、入力装置10は、画像取込部20、画像解析部30、差分算出部40、制御情報出力部50を含む。
ここで、係数a(所与の第1の係数)はY軸方向の軸回りの回転角度γの重み付け係数である。重み付け係数aが0のとき、Y軸方向の軸回りの回転角度を一切考慮しないことを意味するので、検出面を被検出物が回転することなく移動する場合のΔx出力に適する。また検出面を滑らせずに回転させる場合に、回転角度γを出力し、Δxを「0」にする場合に適する。また重み付け係数aが1のとき、検出面を滑らせて被検出物が回転のみを行って移動しない場合に適する。重み付け係数aは、ユーザのX軸方向の操作の癖を加味する等により決定されることが望ましい。
ここで、係数b(所与の第2の係数)はX軸方向の軸回りの回転角度αの重み付け係数である。重み付け係数bが0のとき、X軸方向の軸回りの回転角度を一切考慮しないことを意味するので、検出面を被検出物が回転することなく移動する場合のΔy出力に適する。また検出面を滑らせずに回転さえる場合に回転角度αを出力し、Δyを「0」にする場合に適する。また重み付け係数bが1のとき、検出面を滑らせて被検出物が回転のみを行って移動しない場合に適する。重み付け係数bは、ユーザのY軸方向の操作の癖を加味する等により決定されることが望ましい。
ここで、負の符号が付されるのは、図2で規定した回転角度の正負の方向に依存している。したがって、図2の回転角度αの正負の方向を逆にすれば、(3)式の符号は正となる。
Z軸回り回転検出部60は、Z軸方向の軸回りの回転角度βを検出する。より具体的には、移動前後の被検出物の画像の特徴点同士を所与の基準点を中心に回転すると対応付けられる場合に、該基準点を中心に回転した角度を回転角度βとして求める。
ここで、係数cは、被検出物の画像の面積の変化を、Z軸方向の移動量に対応付けるための係数である。係数cは、ユーザのZ軸方向の操作の癖を加味する等により決定されることが望ましい。
図5に、指紋センサ80の一例を示す。図5において、M本(Mは2以上の整数)の電源線200と、N本(Nは2以上の整数)の出力線202とを有する。M本の電源線200とN本の出力線202の各交点には静電容量検出素子204が設けられている。図5に示す静電容量検出素子204は、指が接触したときの閉回路として図示されており、指の凹凸パターンに依存して変化する可変容量CFと、信号増幅素子例えば信号増幅MIS型薄膜半導体装置(以下信号増幅用TFTと略記する)206とを有する。静電容量検出素子204に指が接触していないときには、可変容量CFの接地端側はオープン状態である。なお、可変容量CFについては後述する。
指紋検出は、図6に示す容量検出誘電体膜272に指を接触させることで実施される。このとき、指紋センサ80の起動スイッチ(例えば感圧スイッチ)42が作動し、入力装置68内の電源が作動して、自動的に、指紋センサ80に電源が供給される。或いは、入力装置68をパソコン84にセットし、パソコン84の給電部より電源が供給されても良い。
図7に、この場合の静電容量検出素子204の等価回路を示す。符号300は人体の指紋の山に相当し、図6の容量検出電極270と誘電体膜272を挟んで対向する接地電極300が形成されている。ここで、電源電圧Vddは共通電源線212より供給される。符号CTは、信号増幅用TFT206のトランジスタ容量であり、符号CDは検出電極270と接地電極(指)300との間の容量である。
また、容量検出電極270の面積S(μm2)、容量検出誘電体膜272の厚みをtd(μm)、容量検出誘電体膜の比誘電率をεdとする。このとき、容量CDは、(7)式のようになる。
図7の等価回路において、信号増幅用TFT206のゲートに印加される電圧VGTは、次式のようになる。
容量CDをトランジスタ容量CTよりも充分に大きく設定しておけば(例えばCD>10×CT)、(8)式の分母は無限大となり、次式にように近似される。
この結果、信号増幅用TFT206は、そのゲートにほとんど電圧がかからないためオフ状態となる。よって、信号増幅用TFT206のソース−ドレイン間に流れる電流Iは極めて小さくなる。この電流Iを測定することで、測定箇所が指紋パターンの山(凸部)であることが判定できる。
図8に、この場合の静電容量検出素子204の等価回路を示す。符号302が人体の指紋の谷に相当する。この場合は、図7に示す容量CDに加えて、誘電体膜272と指紋の谷との間に、空気を誘電体とする新たな容量CAが形成される。
VGV=Vdd/{[1+(1/CT)]×1/[(1/CD)+(1/CA)]} ・・・(10)
容量CDをトランジスタ容量CTよりも充分に大きく設定しておけば(例えばCD>10×CT)、(10)式は次式のように近似される。
さらに、トランジスタ容量CTを、指紋の谷により形成される容量CAよりも充分に大きくしておけば(例えばCT>10×CA)、(11)式は次式のように近似される。
この結果、信号増幅用TFT206は、そのゲートに電源電圧Vddがかかるためオン状態となる。よって、信号増幅用TFT206のソース−ドレイン間に流れる電流Iは極めて大きくなる。この電流Iを測定することで、測定箇所が指紋パターンの谷(凹部)であることが判定できる。
図10に、本実施形態における入力装置の処理フローの一例を示す。図10に示す処理を実行するためのプログラムが、ROM74又はRAM76に格納される。CPU72は、このプログラムにしたがって処理を行う。
Dc=D2−D1+1 ・・・(17)
Sr=Oc・Dc ・・・(18)
このように、指紋センサ80の電源線及び出力線を特定することにより、取り込まれた指紋画像の輪郭に外接する矩形を容易に求めることができるので、指紋画像の面積算出の処理負荷を軽減することができる。
YM=(D1+D2)/2 ・・・(20)
図10に戻って処理フローの説明を続ける。ステップS406においてZ軸方向の移動量Δzが求められると、続いて指紋画像の特徴点を抽出する(ステップS407)。ここで特徴点とは、指紋の山(稜線部分)の端点や分岐点等をいう。そして、この特徴点の分布を求める。これにより、検出面上の指紋画像の移動を、特徴点(又は特徴点の分布)の移動により検出することができる。
なお上述の実施形態では、指紋画像の特徴点の移動(ΔX2、ΔY2)を用いて被検出物の検出面の移動量Δx、Δyを検出していたが、これに限定されるものではない。
Δy=ΔYG−b・α ・・・(22)
また例えば指紋画像の重心位置として、(19)、(20)式を用いて求められた重心位置のX座標(XG)及びY座標(YG)を用いて、少なくとも1フレーム以上前の被検出物の画像の重心位置との差分(ΔXG、ΔYG)を求めてもよい。この場合、被検出物の検出面のX軸及びY軸方向の移動量Δx、Δyは、(1)、(2)式に代えて次式で表すことができる。
Δy=ΔYM−b・α ・・・(24)
いずれの場合にも、本実施形態と同様に6軸方向の制御情報を生成することができる。そして、特に上述の静電容量方式の指紋センサを用いることで、高感度、超小型、超軽量、かつ低消費電力であって、6軸方向の制御指示が可能な入力装置を提供することができる。
図19に、本実施形態における入力装置が適用されるICカードの構成ブロック図の一例を示す。ICカード600は、上述した指紋センサを用いた入力装置610と、画像生成部(広義には所定の制御対象の制御処理を行う処理部)620と、表示部630とを含む。入力装置610は、図1又は図4で説明した入力装置である。画像生成部620は、CPU、及びROM又はRAMに格納されたソフトウェアプログラムにより実現される。表示部630は、LCDパネル及びその駆動回路により実現される。
40 差分算出部、 42 特徴点移動検出部、 44 重心位置移動検出部、46 面積変化検出部、 48 メモリ、 50 制御情報出力部、
52 X軸移動検出部、 54 Y軸移動検出部、
56 X軸回り回転検出部、 58 Y軸回り回転検出部、
60 Z軸回り回転検出部、 62 Z軸移動検出部
Claims (11)
- 被検出物を移動させることにより制御情報を生成する入力装置であって、
指紋センサを用いて被検出物の画像を取り込む画像取込部と、
前記画像取込部により取り込まれた前記被検出物の所定フレームにおける画像の面積を求める面積算出部と、
前記面積算出部により求められた前記被検出物の画像の面積をフレーム単位で記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された、前記所定フレームよりも少なくとも1フレーム以上前の前記被検出物の画像の面積と、前記面積算出部により求められた前記所定フレームにおける面積との差分を求める差動算出部と、
前記差分に対応した制御情報を出力する制御情報出力部と、
を含み、
前記被検出物は、指紋であり、
前記指紋センサは、複数の電源線と、複数の出力線と、前記複数の電源線及び前記複数の出力の各交点に設けられた複数の静電容量検出素子と、を有し、
前記複数の静電容量検出素子の各々は、指紋の凹凸パターンに依存して変化する変化する可変容量と、信号増幅素子と、を有し、
前記面積算出部は、取り込まれた指紋の凹凸パターンによって特定される出力線の数及び電源線の数により前記面積を求め、前記記憶部に当該面積を記憶することを特徴とする入力装置。 - 請求項1において、
前記画像取込部が検出面を有し、該検出面に接する被検出物の画像を取り込み、
前記制御情報出力部は、
前記検出面に垂直な軸方向の前記被検出物の移動量に対応した制御情報を出力することを特徴とする入力装置。 - 請求項1において、
前記画像取込部は、検出面を有し、該検出面に接する被検出物の画像を取り込み、
該入力装置は、
前記画像取込部により取り込まれた画像の重心位置を求める重心位置算出部と、
前記画像の特徴点を抽出する特徴点抽出部と、
少なくとも1フレーム以上前の前記被検出物の画像の重心位置と、前記重心位置算出部により求められた重心位置との第1の差分を求める重心位置移動検出部と、
少なくとも1フレーム以上前の前記被検出物の画像の特徴点の位置と、前記特徴点抽出部により抽出された特徴点の位置との第2の差分を求める特徴点位置移動検出部と、
前記第1及び第2の差分に基づいて、前記検出面上の互いに直交する第1又は第2の軸回りの回転角度を検出する回転角度検出部と、
を含み、
前記回転角度検出部は、
前記第1の差分の前記第1の軸方向成分から前記第2の差分の前記第1の軸方向成分を差し引いて前記第2の軸回りの回転角度を求めると共に、前記第1の差分の前記第2の軸方向成分から前記第2の差分の前記第2の軸方向成分を差し引いて前記第1の軸回りの回転角度を求め、
前記第1又は第2の軸回りの回転角度に対応した制御情報を出力することを特徴とする入力装置。 - 請求項3において、
前記回転角度検出部は、
少なくとも1フレーム以上前の前記被検出物の画像の特徴点の位置が、基準点を中心に前記特徴点抽出部により抽出された特徴点の位置に回転した角度を、前記検出面と垂直な第3の軸回りの回転角度として求め、
前記第3の軸回りの回転角度に対応した制御情報を出力することを特徴とする入力装置。 - 請求項3又は4において、
前記第2の差分の前記第1の軸方向成分から前記第2の軸回りの回転角度に所与の第1の係数で重み付けされた値を差し引いて、前記第1の軸方向の移動に対応した制御情報を出力し、
前記第2の差分の前記第2の軸方向成分から前記第1の軸回りの回転角度に所与の第2の係数で重み付けされた値を差し引いて、前記第2の軸方向の移動に対応した制御情報を出力することを特徴とする入力装置。 - 請求項3又は4において、
前記第1の差分の前記第1の軸方向成分から前記第2の軸回りの回転角度に所与の第1の係数で重み付けされた値を差し引いて、前記第1の軸方向の移動に対応した制御情報を出力し、
前記第1の差分の前記第2の軸方向成分から前記第1の軸回りの回転角度に所与の第2の係数で重み付けされた値を差し引いて、前記第2の軸方向の移動に対応した制御情報を出力することを特徴とする入力装置。 - 請求項1乃至6のいずれか記載の入力装置と、
前記入力装置からの制御情報に基づいて制御処理を行う処理部と、
を含むことを特徴とする情報装置。 - 指紋センサを用いて取り込んだ被検出物の画像を用いて制御情報を生成する制御情報生成方法であって、
前記被検出物は、指紋であり、
前記指紋センサは、複数の電源線と、複数の出力線と、前記複数の電源線及び前記複数の出力の各交点に設けられた複数の静電容量検出素子と、を有し、
前記複数の静電容量検出素子の各々は、指紋の凹凸パターンに依存して変化する変化する可変容量と、信号増幅素子と、を有し、
該制御情報生成方法は、
検出面に接する被検出物の画像の面積を、取り込まれた指紋の凹凸パターンによって特定される出力線の数及び電源線の数によって求め、該面積をフレーム単位で記憶し、
前記被検出物の所定フレームにおける画像の面積と、記憶された、前記所定フレームよりも少なくとも1フレーム以上前の前記被検出物の画像の面積との差分を求め、
前記検出面と垂直な方向の前記被検出物の移動に応じて、前記差分に対応した制御情報を出力することを制御情報生成方法。 - 請求項8において、
検出面に接する被検出物の画像の重心位置を求めると共に前記画像の特徴点を抽出し、
該重心位置と少なくとも1フレーム以上前の前記被検出物の画像の重心位置との差分を求めると共に、該特徴点の位置と少なくとも1フレーム以上前の前記被検出物の画像の特徴点の位置との差分を求め、
前記重心位置の差分と前記特徴点の差分とに基づいて、前記検出面上で互いに直交する第1又は第2の軸回りの回転角度を検出し、
前記回転角度に対応した制御情報を出力することを特徴とする制御情報生成方法。 - 請求項9において、
少なくとも1つ前の前記被検出物の画像の特徴点の位置が、基準点を中心に、抽出された特徴点の位置に回転した角度により、前記検出面の前記第1及び第2の軸と直交する第3の軸回りの回転角度を求めることを特徴とする制御情報生成方法。 - 請求項9又は10において、
前記特徴点の差分と、前記第1又第2の軸回りの回転角度とを用いて、前記第1又は第2の軸方向の移動に対応した制御情報を出力することを特徴とする制御情報生成方法。
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