JP4830873B2 - 読み取り装置、情報処理システムおよびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、記録媒体に記録された当該記録媒体上の位置を表す位置情報を読み取る読み取り装置等に関する。

物の表面に２次元座標を設定し、この２次元座標の座標値を読み取り装置で読み取ることにより、この物の表面における読み取り装置の位置を認識する技術がある。例えば、用紙等の記録媒体上に２次元座標の座標値を表す位置情報を印刷し、記録媒体上の部分画像をペン型読み取り装置で読み取り、得られた画像から位置情報を取得してペン型読み取り装置の軌跡を取得する従来技術が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

特許文献１は、次のような技術を開示している。複数のマークを備えた符号化パターンを有する製品であって、マークのそれぞれが少なくとも２つの異なる値のうちの１つを表している。符号化パターンが、また、複数の基準位置を備えており、複数のマークのそれぞれが１つの基準位置に関連付けられている。各マークの値がその基準位置に対するその位置によって決定される。

特許文献２は、次のような技術を開示している。表面に対して配置または移動されたときに配向データを生成するための感知デバイスにおいて、配向データは表面に対する感知デバイスの配向を表し、表面はその上に配置されたコード化データを有し、コード化データは感知デバイスにより感知されるときに配向を示す。前記感知デバイスは、ハウジングと、コード化データの少なくともいくつかを使用して配向データを生成するように構成された配向感知手段と、配向データをコンピュータシステムに伝達するように構成された通信手段とを含む。

特表２００３−５１１７６１号公報 特表２００４−５３０９５７号公報

本発明は、物の表面における読み取り装置の位置だけでなく、その物の表面における読み取り装置の向き（角度）を認識する読み取り装置等を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、請求項１に係る発明は、
記録媒体に記録された当該記録媒体上の位置を表す位置情報を読み取る読み取り装置であって、
前記記録媒体から２点の前記位置情報を読み取る読み取り手段と、
前記記録媒体上の前記２点の画像を取得する画像取得手段と、
前記読み取り手段により読み取られた前記位置情報に基づき前記２点の前記記録媒体上の位置関係を抽出する第１の位置関係抽出手段と、
前記画像上の前記２点の位置関係を抽出する第２の位置関係抽出手段と、
前記第１の位置関係抽出手段により抽出された前記２点の前記記録媒体上の位置関係と前記第２の位置関係抽出手段により抽出された前記画像上の前記２点の位置関係を比較することにより、当該第１の位置関係抽出手段により抽出された当該２点のうち１点から他点へと向かう第１の方向と、当該第２の位置関係抽出手段により抽出された当該２点のうち１点から他点へと向かう第２の方向との相対角度を検出する角度検出手段と
を備えることを特徴とする読み取り装置として実現される。
請求項２に係る発明は、
前記画像取得手段は、前記記録媒体上の前記２点を含む範囲の画像を取得し、
前記第２の位置関係抽出手段は、前記画像上における前記２点の位置関係を抽出することを特徴とする。
請求項３に係る発明は、
前記読み取り手段は、第１の座標系に基づく座標値を表す画像パターンが記録された前記記録媒体から前記２点の位置の当該画像パターンを読み取って座標値を取得し、
前記第１の位置関係抽出手段は、前記読み取り手段により取得された座標値に基づき前記２点の位置関係を抽出し、
前記第２の位置関係抽出手段は、前記画像に対して設定された第２の座標系における前記２点の座標値に基づき当該２点の位置関係を抽出することを特徴とする。
請求項４に係る発明は、
前記第１の位置関係抽出手段および前記第２の位置関係抽出手段は、前記２点の位置関係として当該２点を結ぶ線分をそれぞれ定義し、
前記角度検出手段は、前記第１の位置関係抽出手段および前記第２の位置関係抽出手段により定義された２つの前記線分がなす角度を計算することにより、前記相対角度を検出することを特徴とする。
請求項５に係る発明は、
記録媒体に記録された当該記録媒体上の位置を表す位置情報を読み取る読み取り装置であって、
第１の座標系に基づく座標値を表す画像パターンが記録された前記記録媒体から一定領域の画像を取得する画像取得手段と、
前記画像取得手段により取得された画像から前記画像パターンを抽出して複数の座標値を読み取る読み取り手段と、
前記読み取り手段により読み取られた前記複数の座標値に基づいて特定される前記第１の座標系と前記画像に対して設定された第２の座標系とがなす相対角度を検出する角度検出手段と
を備えることを特徴とする読み取り装置として実現される。
請求項６に係る発明は、
前記画像取得手段は、前記記録媒体から２点の座標値を含む範囲の画像を取得し、
前記読み取り手段は、前記２点の座標値を読み取り、
前記角度検出手段は、前記第１の座標系において前記２点を結ぶベクトルと前記第２の座標系において当該２点を結ぶベクトルを生成し、当該２つのベクトル間の相対角度を計算し、計算結果に基づいて当該第１の座標系と当該第２の座標系とがなす相対角度を求めることを特徴とする。
請求項７に係る発明は、
前記読み取り手段は、前記画像から前記２点の各々を中心とする２つの画像領域を切り出し、切り出した２つの当該画像領域に対して、それぞれ中心に位置する前記画像パターンを抽出して座標値を読み取ることを特徴とする。
請求項８に係る発明は、
記録媒体に記録された当該記録媒体上の位置を表す位置情報であって当該位置情報を読み取る読み取り装置により読み取られた当該記録媒体上の２点の位置情報に基づき、当該２点の当該記録媒体上の位置関係を抽出する第１の位置関係抽出手段と、
前記読み取り装置に設けられて前記記録媒体上の前記２点の画像を取得する画像取得手段から取得した当該画像上の当該２点の位置関係を抽出する第２の位置関係抽出手段と、
前記第１の位置関係抽出手段により抽出された前記２点の前記記録媒体上の位置関係と前記第２の位置関係抽出手段により抽出された前記画像上の前記２点の位置関係を比較することにより、当該第１の位置関係抽出手段により抽出された当該２点のうち１点から他点へと向かう第１の方向と、当該第２の位置関係抽出手段により抽出された当該２点のうち１点から他点へと向かう第２の方向との相対角度を検出する角度検出手段と
を備えることを特徴とする情報処理システムとして実現される。
請求項９に係る発明は、
前記第１の位置関係抽出手段および前記第２の位置関係抽出手段は、前記２点の位置関係として当該２点を結ぶ線分をそれぞれ定義し、
前記角度検出手段は、前記第１の位置関係抽出手段および前記第２の位置関係抽出手段により定義された２つの前記線分がなす角度を計算することにより、前記相対角度を検出することを特徴とする。
請求項１０に係る発明は、
第１の座標系に基づく座標値を表す画像パターンが記録された記録媒体における一定領域の画像から当該画像パターンにより表される複数の座標値を読み取る読み取り手段と、
前記読み取り手段により読み取られた前記複数の座標値に基づいて特定される前記第１の座標系と前記画像に対して設定された第２の座標系とがなす相対角度を検出する角度検出手段と
を備えることを特徴とする情報処理システム。
請求項１１に係る発明は、
前記読み取り手段は、前記画像における２点の位置の座標値を読み取り、
前記角度検出手段は、前記第１の座標系において前記２点を結ぶベクトルと前記第２の座標系において当該２点を結ぶベクトルを生成し、当該２つのベクトル間の相対角度を計算し、計算結果に基づいて当該第１の座標系と当該第２の座標系とがなす相対角度を求めることを特徴とする。
請求項１２に係る発明は、
コンピュータを、
記録媒体に記録された当該記録媒体上の位置を表す位置情報であって当該位置情報を読み取る読み取り装置により読み取られた当該記録媒体上の２点の位置情報に基づき、当該２点の当該記録媒体上の位置関係を抽出する第１の位置関係抽出手段と、
前記記録媒体上の前記２点の画像を取得する画像取得手段と、
前記画像上の前記２点の位置関係を抽出する第２の位置関係抽出手段と、
前記第１の位置関係抽出手段により抽出された前記２点の前記記録媒体上の位置関係と前記第２の位置関係抽出手段により抽出された前記画像上の前記２点の位置関係を比較することにより、当該第１の位置関係抽出手段により抽出された当該２点のうち１点から他点へと向かう第１の方向と、当該第２の位置関係抽出手段により抽出された当該２点のうち１点から他点へと向かう第２の方向との相対角度を検出する角度検出手段として
機能させることを特徴とするプログラムとして実現される。
請求項１３に係る発明は、
コンピュータを、
第１の座標系に基づく座標値を表す画像パターンが記録された記録媒体における一定領域の画像から当該画像パターンにより表される複数の座標値を読み取る読み取り手段と、
前記読み取り手段により読み取られた前記複数の座標値に基づいて特定される前記第１の座標系と前記画像に対して設定された第２の座標系とがなす相対角度を検出する角度検出手段
として機能させることを特徴とするプログラムとして実現される。

請求項１に係る発明によれば、記録媒体に対する読み取り装置の向き（角度）を特定することができる。
請求項２に係る発明によれば、１つの画像上で特定された位置関係に基づいて記録媒体に対する読み取り装置の向き（角度）を特定することができる。
請求項３に係る発明によれば、記録媒体上と画像上にそれぞれ設定された座標系を用いて記録媒体に対する読み取り装置の向き（角度）を特定することができる。
請求項４に係る発明によれば、２点の位置関係を線分がなす角度として計算し、これに基づいて記録媒体に対する読み取り装置の向き（角度）を特定することができる。
請求項５に係る発明によれば、記録媒体上と画像上にそれぞれ設定された座標系がなす相対角度を記録媒体に対する読み取り装置の向き（角度）として検出することができる。
請求項６に係る発明によれば、ベクトルを用いた角度計算により記録媒体に対する読み取り装置の向き（角度）を特定することができる。
請求項７に係る発明によれば、画像の中心に位置するパターン画像から座標値を読み取る読み取り手段を用いて、記録媒体に対する読み取り装置の向き（角度）を特定することができる。
請求項８に係る発明によれば、読み取り装置により取得した情報を用いて、記録媒体に対する読み取り装置の向き（角度）を特定することができる。
請求項９に係る発明によれば、２点の位置関係を線分がなす角度として計算し、これに基づいて記録媒体に対する読み取り装置の向き（角度）を特定することができる。
請求項１０に係る発明によれば、読み取り装置により取得した情報を用いて、記録媒体上と画像上にそれぞれ設定された座標系がなす相対角度を記録媒体に対する読み取り装置の向き（角度）として検出することができる。
請求項１１に係る発明によれば、ベクトルを用いた角度計算により記録媒体に対する読み取り装置の向き（角度）を特定することができる。
請求項１２に係る発明によれば、読み取り装置により取得した情報を用いて、記録媒体に対する読み取り装置の向き（角度）を特定する機能をコンピュータにて実現させることができる。
請求項１３に係る発明によれば、読み取り装置により取得した情報を用いて、記録媒体上と画像上にそれぞれ設定された座標系がなす相対角度を記録媒体に対する読み取り装置の向き（角度）として検出する機能をコンピュータにて実現させることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態）について詳細に説明する。
本実施形態は、記録媒体上の特定の複数点に関して記録媒体上で表される位置と読み取り装置における読み取り位置とを抽出し、これらの位置関係を比較することで、記録媒体に対する読み取り装置の向き（角度）を検出する。
以下では、まず、本実施形態が適用されるシステムの例として、記録媒体である用紙に２次元座標による位置情報を印刷し、この位置情報を読み取り装置により読み取って、用紙上における読み取り装置の位置を認識するシステムの構成を説明する。その後、本実施形態により実現される、用紙（２次元座標）に対する読み取り装置の角度を検出する手法について説明する。

図１は、本実施形態が適用されるシステムの全体構成例を示す図である。
図１に示すシステムは、記録媒体１０と、読み取り装置２０と、情報処理装置３０とを備えて構成される。図示のシステムにおいて、読み取り装置２０は、情報処理装置３０にアクセスし、読み取った情報を情報処理装置３０へ転送する。読み取り装置２０と情報処理装置３０との間の情報通信は、有線または無線のいずれによって行っても良い。

図２は、本実施形態で用いられる記録媒体１０を示す図である。
記録媒体１０は、表面に画像を記録可能な媒体であれば、その材質や形状は問わない。代表的な記録媒体１０の例は紙であるが、樹脂製のシートや金属板等であっても良い。また、ある程度なめらかで画像を記録可能な表面を持った物であれば、図１および図２に示すようなシートや板状の形状にも限定されない。

この記録媒体１０の表面には、２次元座標（Ｘ−Ｙ座標）が設定されている。この２次元座標は、個々の記録媒体１０に対して固有に設定された座標系であっても良いし、より広い平面に対して設定された座標系の一部を切り取って記録媒体１０の表面に割り当てたものであっても良い。そして、この２次元座標の座標値が符号化され、各座標値の符号を表すパターン画像が、記録媒体１０の表面の対応位置に記録されている。したがって、記録媒体１０の表面に記録されたパターン画像を検出し、得られたパターンから座標値を表す符号を抽出して復号することにより、記録媒体１０の表面におけるパターン画像が検出された位置が特定されることとなる。すなわち、復号された座標値が位置情報として扱われる。

記録媒体１０の表面にパターン画像を形成するための画像形成材としては、記録媒体１０の材質に応じて適当な材料を任意に用いて良い。代表的な例としては、記録媒体１０として紙を用いる場合、画像形成材としてトナーやインクを用いてパターン画像が印刷される。記録媒体１０と画像形成材との組み合わせに応じて、画像形成材を記録媒体１０の表面に浸透させたり、蒸着や電気的手段、あるいは接着剤を用いて画像形成材を記録媒体１０の表面に接着したりすることにより、パターン画像が形成される。

パターン画像の検出は光学的に行われる。したがって、パターン画像を描画するための画像形成材には、特定の波長の光線に対して特性（吸収、透過または反射）を有する材料が用いられる。パターン画像の検出には、本実施形態の技術の用途に応じて、可視光に限らず種々の波長の光が用いられる。例えば、赤外領域の波長の光線を吸収し、可視光領域の波長の光線を吸収しない画像形成材を用いてパターン画像を描画すると、赤外線による検出ではパターン画像が検出されるが、人間の目ではパターン画像が認識できなくなる（または認識し難くなる）。そこで、記録媒体１０の表面に、赤外線の吸収がなく人間が視認できる画像形成材を用いて所望の画像やテキスト等を、パターン画像に重ねて形成させても良い。

パターン画像により符号を表す手法としては、従来から種々の手法が存在しており、本実施形態では任意の手法を用いて良い。具体的には例えば、所定の図形や記号で数ビットの情報を表現し、この図形や記号を複数個組み合わせることで符号化された座標値を表す手法がある。図形や記号で情報を表現するには、例えば、サイズの異なる２種類のドットを用いることで１ドット当たり１ビットの情報（ビット値０とビット値１）を表現する方法、相互に異なる傾きを有するバックスラッシュ「＼」及びスラッシュ「／」なる記号を用いて１ビットの情報を表現する方法、仮想的な網目を想定してこの網目の交点からＸ方向またはＹ方向に一定距離だけずらしてドットを形成し、ずらした方向により２ビットの情報（ビット値００、０１、１０、１１）を表現する方法等、既存の種々の方法が用いられる。

図３は、符号化された位置情報を表すパターン画像の構成例を示す図である。
まず、パターン画像を構成する単位パターンについて説明する。
図３（ａ）は、単位パターンの一例を示したものである。単位パターンとは、情報埋め込みの最小単位である。図３（ａ）では、黒塗りで示した領域にドットが配置され、斜線で示した領域にはドットが配置されていないことを示している。すなわち、図３（ａ）は、ドットを配置可能な９箇所の中から選択した２箇所にドットを配置することで単位パターンを構成した例を示す。９箇所の中から２箇所を選択する組み合わせは３６（＝_９Ｃ_２）通りなので、この方式によれば３６種類の単位パターンを利用できることになる。

次に、このような単位パターンから構成される符号ブロックについて説明する。
図３（ｂ）に、符号ブロックのレイアウトの一例を示す。符号ブロックとは、符号化された１つの座標値（Ｘ−Ｙ座標値）を情報として含む（すなわち、１つの位置情報に対応付けられた）単位パターンの組である。ただし同図では、画像ではなく、パターン画像によって置き換えられる直前の符号配列で示している。図３（ｂ）における最小の四角（以下、「単位ブロック」という）に、例えば図３（ａ）の単位パターンが配置される。図３（ｂ）のレイアウトでは、符号ブロックの左上の１つの単位ブロックに、符号ブロックの基準となる同期符号が配置されている。また、同期符号が配置された単位ブロックの右側の４つの単位ブロックに２次元座標（Ｘ−Ｙ座標）のＸ方向の座標値を表す位置符号が配置され、同期符号が配置された単位ブロックの下側の４つの単位ブロックにＹ方向の座標値を表す位置符号が配置されている。このようにして、１つの符号ブロックにＸ−Ｙ座標値が記述される。以下、このパターン画像により記録媒体１０の表面に記録されるＸ−Ｙ座標値を（Ｐｘ，Ｐｙ）で表す。なお、図３（ｂ）において、これらの位置符号が配置された単位ブロックに囲まれた１６（＝４×４）個の単位ブロックには、任意の情報を表す符号を配置して良い。

上記の単位パターン（図３（ａ））および符号ブロック（図３（ｂ））は例示に過ぎず、図示した構成に限定されないことは言うまでもない。すなわち、図３（ａ）に示した単位パターンの他に、上述した、サイズの異なる２種類のドットやバックスラッシュ「＼」及びスラッシュ「／」等の記号、仮想された網目の交点に対するドットの位置等で情報を表す単位パターンを用いても良い。また、図３（ｂ）の例では２５（＝５×５）個の単位ブロックを組み合わせて図３（ｂ）に示す符号ブロックを構成したが、１６（＝４×４）個あるいはその他の個数の単位ブロックで符号ブロックを構成するようにしても良い。さらに、符号ブロックにおける同期符号や位置符号の配置も、図３（ｂ）に示した配置に限るものではなく、位置符号のみあるいは同期符号と位置符号のみで符号ブロックを構成しても良い。

次に、読み取り装置２０について説明する。
読み取り装置２０は、記録媒体１０の表面に形成されたパターン画像を検出して、位置情報を読み取る。また、本実施形態の読み取り装置２０は、パターン画像を検出するために取得した記録媒体１０の表面の画像に基づいて、記録媒体１０の表面に設定された座標系に対する読み取り装置２０の向きを識別する。読み取り装置２０の向きは、読み取り装置２０が取得した画像と記録媒体１０の表面の座標系との間の相対角度によって表される。読み取り装置２０により取得された位置および角度の情報は、情報処理装置３０へ送信される。

図４は、本実施形態における読み取り装置２０の構成を示す図である。
図４に示すように、本実施形態の読み取り装置２０は、カメラ部２１と、位置情報復号部２２と、ベクトル抽出部２３と、角度検出部２４と、送受信部２５とを備える。これらの構成のうち、位置情報復号部２２、ベクトル抽出部２３および角度検出部２４は、例えばマイクロプロセッサおよびメモリを搭載した制御回路にて実現される。

カメラ部２１は、記録媒体１０の表面を撮影して画像を取得するための装置である。パターン画像が赤外線等の特定の波長の光線に対して特性を有する材料で形成されている場合、カメラ部２１は、その波長の光を発する発光素子とその波長の光を感知する撮像素子とを用いて構成される。本実施形態のカメラ部２１は、記録媒体１０の表面における一定の広さの範囲を撮影する。撮影される範囲には、符号ブロックが複数含まれる。

位置情報復号部２２は、カメラ部２１により撮影された画像から符号ブロックを検出し、検出された符号ブロックから位置情報の単位パターンを抽出し、抽出された単位パターンによって表される符号化されたＸ−Ｙ座標値（Ｐｘ，Ｐｙ）を復号する。このＸ−Ｙ座標値（Ｐｘ，Ｐｙ）が、記録媒体１０の表面における読み取り装置２０の位置を表す位置情報として扱われる。上述したように、カメラ部２１によって撮影される範囲には、複数の符号ブロックが含まれる。そこで、フィルタリング等の処理を行って、例えば撮影された画像の最も中央に近い１つの符号ブロックを選択し、そのＸ−Ｙ座標値（Ｐｘ，Ｐｙ）を読み取り装置２０の位置情報とする。

また、本実施形態の位置情報復号部２２は、読み取り装置２０の向きの検出に用いるため、２つの符号ブロックについて、Ｘ−Ｙ座標値（Ｐｘ，Ｐｙ）を復号する。カメラ部２１により撮影された画像から読み取り装置２０の向きの検出に用いるための２つの符号ブロックをどのようにして選択するかについての具体的な手法は後述する。読み取り装置２０の位置情報を取得する処理と、読み取り装置２０の向きを検出する処理とは独立の処理なので、それぞれの処理で対象となる符号ブロックは通常は異なる。ただし、それぞれの処理で符号ブロックを選択する手法の如何によっては、読み取り装置２０の向きの検出に用いられる２つの符号ブロックの一方が、読み取り装置２０の位置情報を取得するための符号ブロックと共通となることを妨げない。

ベクトル抽出部２３は、カメラ部２１により撮影された画像から２点を選択し、その２点間を結ぶベクトル（以下、画像上ベクトルと呼ぶ）を抽出する。本実施形態では、カメラ部２１により撮影された画像に対して、記録媒体１０の表面に設定された座標系とは別の画像上の座標系が設定される。この画像上の座標系をピクセル座標と呼び、座標値（Ｉｘ，Ｉｙ）で位置を表す。したがって、２点のピクセル座標をＰ１（Ｉｘ１，Ｉｙ１）、Ｐ２（Ｉｘ２，Ｉｙ２）とすれば、画像上ベクトルＩＶは、（Ｉｘ２−Ｉｘ１，Ｉｙ２−Ｉｙ１）で表されることとなる。なお、位置情報復号部２２により復号される読み取り装置２０の向きの検出に用いるための２つの符号ブロックは、この画像上ベクトルを抽出するための２点に対応する。すなわち、この２点について、ベクトル抽出部２３によってピクセル座標が得られ、位置情報復号部２２によって記録媒体１０の表面上の座標系（以下、この座標系をピクセル座標と区別するために基準座標と呼ぶ）における座標値が得られることとなる。画像上ベクトルを抽出するための２点の選択方法については後述する。

角度検出部２４は、ベクトル抽出部２３によって得られた画像上ベクトルを用いて、読み取り装置２０の向きを検出する。上記のように、画像上ベクトルの始点と終点については、位置情報復号部２２により基準座標における座標値（Ｐ１（Ｐｘ１，Ｐｙ１）およびＰ２（Ｐｘ２，Ｐｙ２））が得られる。したがって、同じ２点を始点と終点とする基準座標上でのベクトル（以下、基準座標ベクトルと呼ぶ）ＰＶ＝（Ｐｘ２−Ｐｘ１，Ｐｙ２−Ｐｙ１）が求まる。そこで、この画像上ベクトルＩＶと基準座標ベクトルＰＶを比較することにより、ピクセル座標と基準座標との間の相対角度が求まる。ピクセル座標はカメラ部２１の撮影画像に設定された座標系であり、記録媒体１０の表面に設定された座標系であるから、この２つの座標系がなす相対角度によって、記録媒体１０の表面におけるカメラ部２１（読み取り装置２０）の向きが表されることとなる。２つの座標系（ベクトル）の相対角度の具体的な求め方については後述する。

送受信部２５は、情報処理装置３０との間でデータ送受信を行うためのインターフェイスである。送受信部２５は、情報処理装置３０にアクセスし、位置情報復号部２２により復号された読み取り装置２０の位置情報および角度検出部２４により検出された読み取り装置２０の向きの情報を送信する。また、後述するように、読み取り装置２０が情報処理装置１０からデータやコマンドを受信して所定の動作を実行するように構成されている場合は、このデータやコマンドの受信を行う。

次に、情報処理装置３０について説明する。
情報処理装置３０は、読み取り装置２０から読み取り装置２０の位置情報および向きの情報を受信し、これらの情報を用いて、本実施形態が適用されるシステムに応じた種々の処理を実行する。この情報処理装置３０は、パーソナルコンピュータやワークステーション、その他のコンピュータ装置を用いて実現される。本実施形態が適用される具体的なシステム例および情報処理装置３０の機能構成については後述する。

図５は、情報処理装置３０を実現するのに好適なコンピュータのハードウェア構成を示す図である。
図５に示すコンピュータ９０は、演算手段であるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）９１と、記憶手段であるメインメモリ９２及び磁気ディスク装置（ＨＤＤ：Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）９３とを備える。ここで、ＣＰＵ９１は、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）やアプリケーション等の各種ソフトウェアを実行し、上述した各機能を実現する。また、メインメモリ９２は、各種ソフトウェアやその実行に用いるデータ等を記憶する記憶領域であり、磁気ディスク装置９３は、各種ソフトウェアに対する入力データや各種ソフトウェアからの出力データ等を記憶する記憶領域である。また、コンピュータ９０は、読み取り装置２０との通信を行うための通信Ｉ／Ｆ９４と、ビデオメモリやディスプレイ等からなる表示機構９５と、キーボードやマウス等の入力デバイス９６とを備える。

次に、本実施形態による読み取り装置２０の向き（記録媒体１０に対する角度）の検出方法について説明する。
上述したように、本実施形態における読み取り装置２０のカメラ部２１は、複数の符号ブロックが含まれる一定の範囲を撮影する。そこで、ベクトル抽出部２３が、カメラ部２１により撮影された画像から２点を選択する。この２点については、画像上のピクセル座標による座標値と記録媒体１０の表面に設定された基準座標による座標値とが得られる。そして、これら２つの座標系において、この２点を結ぶベクトルがそれぞれ求まる。

図６はカメラ部２１により撮影された画像上の２点を結ぶピクセル座標におけるベクトルを示す図、図７は図６と同じ２点を結ぶ基準座標におけるベクトルを示す図である。
図６に示す例では、２点のピクセル座標はＰ１（１２０，９０）、Ｐ２（２００，１５０）である。したがって、画像上ベクトルは、ＩＶ＝（８０，６０）となる。一方、図７を参照すると、同じ２点の基準座標はＰ１（６４３，６７３）、Ｐ２（６５０，６８８）である。したがって、基準座標ベクトルは、ＰＶ＝（７，１５）となる。

ベクトル抽出部２３は、以上のようにして得られた２つのベクトルの内積を計算することにより、２つのベクトルの間の相対角度を求める。具体的には、図６、７に示した例を用いると、

内積Ｘ＝ＩＶ・ＰＶ＝｜ＩＶ｜｜ＰＶ｜ｃｏｓφ

であり、これからｃｏｓφを求めることができる。そして、相対角度φは、

相対角度φ＝ａｃｏｓ（Ｘ）

により求まる（ａｃｏｓはアークコサイン）。

以上の操作では、読み取り装置２０のカメラ部２１によって撮影された画像上の２点について、ピクセル座標上でこの２点を結ぶベクトルである画像上ベクトルと基準座標上でこの２点を結ぶベクトルである基準座標ベクトルとを求めた。言い換えれば、同一の２点を始点および終点とするベクトルを、相異なる２つの座標系上で表した。したがって、画像上ベクトルと基準座標ベクトルとの間の相対角度φは、ピクセル座標と基準座標とがなす相対角度に対応している（ただし、角度が開く向きは逆になる）。ここで、ピクセル座標はカメラ部２１によって得られる画像に設定された座標系であり、基準座標は記録媒体１０に設定された座標系であるから、基準座標に対するピクセル座標の角度によって、記録媒体１０に対するカメラ部２１（読み取り装置２０）の向きが特定される。

図８は、記録媒体１０に対するカメラ部２１の向きを表す図である。
図８において、記録媒体１０には基準座標を表す格子が記載されている。また、カメラ部２１の代わりにカメラ部２１により撮影される画像の範囲を表す領域２１１が記載されている。この領域２１１には上述のようにピクセル座標が設定されているが、図示していない。図８の領域２１１内に記載されたベクトルＶは、図６、７に示した画像上ベクトルＩＶおよび基準座標ベクトルＰＶであるものとする。すなわち、ベクトルＶは、ピクセル座標では画像上ベクトルＩＶとして表され、基準座標では基準座標ベクトルＰＶとして表される。

上述した内積を用いた計算により画像上ベクトルＩＶと基準座標ベクトルＰＶとの間の相対角度を求めた結果、画像上ベクトルＩＶが基準座標ベクトルＰＶに対して右回りに角度φだけずれていたとする。すると、図８に示すように画像上ベクトルＩＶと基準座標ベクトルＰＶとが一致するように各座標系が配置されるとき、ピクセル座標（領域２１１）は基準座標に対して左回りに角度φだけ傾くこととなる。したがって、例えばφ＝０のときのカメラ部２１の向きを基準として、記録媒体１０に対するカメラ部２１の向き（すなわち読み取り装置２０の向き）が角度φで特定されることとなる。

次に、カメラ部２１により撮影された画像から画像上ベクトルＩＶと基準座標ベクトルＰＶとの間の相対角度を求める手順を詳細に説明する。
図９は、ベクトルの相対角度を求める手順を示す図である。
まず、図９（ａ）に示すように、記録媒体１０の一定範囲の画像Ｉがカメラ部２１により取得される。そして、図９（ｂ）に示すように、この画像Ｉ上で２点ａ、ｂが選択される。この画像Ｉを用いて、点ａを始点とし点ｂを終点とする画像上ベクトルＩＶと基準座標ベクトルＰＶとがそれぞれ求められる。

ベクトル抽出部２３は、図９（ｃ）に示すように、ピクセル座標における点ａの座標値（ｘ１ａ，ｙ１ａ）および点ｂの座標値（ｘ１ｂ，ｙ１ｂ）を求め、図９（ｄ）に示すように、画像上ベクトルＩａ→ｂを求める。一方、位置情報復号部２２は、図９（ｅ）に示すように、カメラ部２１により撮影された画像Ｉから点ａ、ｂを中心とする画像領域２１１ａ、２１１ｂを切り出す。そして、図９（ｆ）に示すように、各画像領域２１１ａ、２１１ｂの中心位置のパターン画像を復号して、基準座標における点ａの座標値（ｘ２ａ，ｙ２ａ）および点ｂの座標値（ｘ２ｂ，ｙ２ｂ）を求める。ベクトル抽出部２３は、位置情報復号部２２により復号された基準座標における点ａ、ｂの座標値を用いて、図９（ｇ）に示すように、基準座標ベクトルＰａ→ｂを求める。

角度検出部２４は、ベクトル抽出部２３により求められた画像上ベクトルＩａ→ｂと基準座標ベクトルＰａ→ｂの内積を計算し、図９（ｈ）に示すように、これらのベクトルがなす相対角度φを求める。

上記の手順では、位置情報復号部２２がパターン画像を復号するために、カメラ部２１により撮影された画像Ｉから点ａ、ｂを中心とする画像領域２１１ａ、２１１ｂを切り出す処理を行った。これは、位置情報復号部２２が、記録媒体１０の上での読み取り装置２０自身の位置を認識するために、カメラ部２１が撮影した画像のうちの特定の位置（例えば中心）にあるパターン画像のみを復号して座標値を得るように構成されることを考慮したものである。このような構成の読み取り装置２０であっても、上述のように、画像中の所望の点を中心とする領域を切り出して位置情報復号部２２で処理することで、その点に位置するパターン画像を復号して座標値を得ることができる。これに対し、位置情報復号部２２がカメラ部２１により撮影された画像Ｉの任意の位置からパターン画像を抽出する機能を持つ場合には、上記のように画像領域２１１ａ、２１１ｂを切り出すことなく、点ａ、ｂの基準座標の座標値を直接求めることができる。

画像上ベクトルと基準座標ベクトルとの相対角度を計算する場合、ベクトルの長さをできるだけ長くとる方が、精度良く角度を検出できる。カメラ部２１により撮影され取得される画像が図６〜８に示したように矩形である場合は、ベクトルが画像の対角線方向に一致するように２点を選択することで、ベクトルの長さが最長となる。ただし、上記のようにカメラ部２１により撮影された画像から選択された２点を中心とする画像領域を切り出す場合、切り出す画像領域の面積が大きいと、それだけ２点間の距離（ベクトルの長さ）が短くなってしまう。位置情報復号部２２が確実にパターン画像を検出し基準座標の座標値を復号できる範囲で、できるだけ小さい面積の画像領域を切り出すことにより、抽出可能なベクトルの長さがより長くなる。

また、カメラ部２１により撮影される範囲が広ければ、それだけ長いベクトルを抽出することができる。一方、カメラ部２１により撮影される範囲が広いと、画像自体の情報量が多くなるため、読み取り装置２０の位置や角度を検出するために必要となるパターン画像以外の無駄な情報が増え、不必要に処理が重くなってしまう。したがって、角度検出に要求される精度と位置情報復号部２２等の処理能力とを勘案してカメラ部２１による取得画像のサイズが決まることとなる。

以上説明したように、本実施形態では、読み取り装置２０における読み取り位置を特定するために、カメラ部２１により取得された記録媒体１０の画像にピクセル座標を設定し、特定した点のピクセル座標における座標値を求めた。しかし、記録媒体１０に対する読み取り装置２０の向きを特定するためには、同じ２点について記録媒体１０上の位置関係と読み取り装置２０における読み取り位置の位置関係とを比較できれば良い。したがって、読み取り装置２０における読み取り位置の特定方法は、上述した画像上のピクセル座標に限定するものではない。

例えば、読み取り装置２０の２カ所にカメラ部２１を設け、各カメラ部２１の読み取り装置２０における位置関係を定義しておく。そして、各カメラ部２１で記録媒体１０を撮影し、得られた画像からパターン画像を抽出して基準座標の座標値を復号し、予め定義された各カメラ部２１の位置関係と比較するようにしても良い。この場合、２つのカメラ部２１の距離を長くとることにより、１つの画面から２点を選択する場合に比べて非常に高い精度の角度検出を行うことができる。ただしこの場合、各カメラ部２１の位置関係が変化しない（読み取り装置２０が大きく変形しない）ことと、各カメラ部２１が同時に記録媒体１０を撮影すること（または各カメラ部２１による画像の撮影時における記録媒体１０に対する読み取り装置２０の位置や向きが変わらないこと）が保証されることが必要である。また、カメラ部２１を２つ設けるために、１つの画面から２点を選択する場合に比べて読み取り装置２０が大型化する。

次に、本実施形態の応用例を説明する。
図１０は、本実施形態を応用した手持ち式のプリンタの概要を示す図、図１１は、図１０のプリンタの機能構成を示す図である。
図１０、１１に示すプリンタ２００は、図４に示した本実施形態の読み取り装置２０に発光部２６と発光部２６の発光を制御する発光制御部２７とを備えて構成される。また、この応用例を実施する場合、記録媒体１０の表面一面に、特定の波長の光に反応して発色する画像形成材を塗布しておく。

発光部２６は、図１０に示すように、発光手段である複数個の発光素子２６１を配列したアレイとして構成される。発光素子２６１のアレイは、図示のように１列の配列であっても良いし、マトリクス状の配列であっても良い。発光部２６を構成する発光素子２６１としては、例えばＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を用いることができる。この発光素子２６１は、記録媒体１０に塗布されている画像形成材を発色させる波長の光を発光する。

発光制御部２７は、位置情報復号部２２、ベクトル抽出部２３、角度検出部２４等と同様に、例えばマイクロプロセッサおよびメモリを搭載した制御回路にて実現される。この発光制御部２７は、発光部２６を構成する各発光素子２６１の発光を個別に制御する。また、発光制御部２７は、個々の発光素子２６１とカメラ部２１との位置関係の情報を持っている。したがって、位置情報復号部２２から記録媒体１０上でのカメラ部２１の位置を示す情報を取得し、角度検出部２４から記録媒体１０に対するカメラ部２１の向き（角度）を表す情報を取得すれば、これらの情報に基づいて記録媒体１０上での各発光素子２６１の位置を特定することができる。

このプリンタ２００を用いて記録媒体１０にテキストや画像を出力する場合、まず、出力対象であるテキストや画像の電子マッピング情報が情報処理装置３０からプリンタ２００へ送られる。プリンタ２００では、送受信部２５が電子マッピング情報を受信し、発光制御部２７へ送る。また、位置情報復号部２２により復号されたカメラ部２１の位置情報および角度検出部２４により算出されたカメラ部２１の向きの情報が、発光制御部２７に送られる。

発光制御部２７は、位置情報復号部２２および角度検出部２４から取得した位置情報および向きの情報に基づいて、発光部２６を構成する各発光素子２６１の記録媒体１０上での位置を求める。そして、発光制御部２７は、情報処理装置３０から取得した電子マッピング情報にしたがって、画像を形成すべき位置にある発光素子２６１を発光させる。これにより、記録媒体１０の表面のうち、発光した発光素子２６１の光が照射された部分のみが発色し、電子マッピング情報に基づく画像が記録媒体１０の表面に形成されることとなる。

本実施形態の他の応用例としては、ダイヤルのような回転型のオブジェクトの実現がある。
本実施形態によれば、読み取り装置２０の記録媒体１０に対する向きを特定できる。そのため、記録媒体１０上での読み取り装置２０の位置を変えずに、記録媒体１０に対する読み取り装置２０の向きを連続的に変化させれば、これによる角度の連続的な変化を記録媒体１０に対する読み取り装置２０の回転動作として認識することができる。これを利用し、次のようにしてダイヤルのような回転型のオブジェクトを実現することができる。

まず、情報処理装置３０により保持される電子マッピング情報において、記録媒体１０上の特定位置にダイヤルのような回転するオブジェクトを設定しておく。特定位置には、視認できる画像形成材を用いてダイヤル等の画像を形成しておいても良い。オブジェクトには、回転量や回転速度に応じてボリュームやレベル表示を動的に変化させるような属性を持たせる。そして、情報処理装置３０が、このオブジェクトの上で行われた読み取り装置２０の回転動作を、オブジェクトを回転させる動作として受け付け、電子マッピング情報またはその出力にオブジェクトの属性に応じた変化を与える。

以上のように本実施形態では、記録媒体１０として用紙を用い、読み取り装置２０として人が手に持って記録媒体１０上を移動させるような携帯型のデバイスを想定して説明した。しかし、本実施形態は、位置情報が記録された種々の形態の記録媒体と、この記録媒体から位置情報を読み取る種々の形態の読み取り装置に対して適用することができる。例えば、床や道路を記録媒体１０として基準座標を設定し、この記録媒体１０の上を通る移動体に読み取り装置２０を設置しておけば、移動体の位置および向きに応じて個別の情報やサービスを移動体または読み取り装置２０に対して提供することが可能である。

本実施形態が適用されるシステムの全体構成を示す図である。 本実施形態で用いられる記録媒体を示す図である。 符号化された位置情報を表すパターン画像の構成例を示す図である。 本実施形態における読み取り装置の構成を示す図である。 本実施形態の情報処理装置を実現するのに好適なコンピュータのハードウェア構成を示す図である。 本実施形態のカメラ部により撮影された画像上の２点を結ぶピクセル座標におけるベクトルを示す図である。 図６と同じ２点を結ぶ基準座標におけるベクトルを示す図である。 記録媒体に対するカメラ部の向きを表す図である。 本実施形態におけるベクトルの相対角度を求める手順を示す図である。 本実施形態を応用した手持ち式のプリンタの概要を示す図である。 図１０のプリンタの機能構成を示す図である。

符号の説明

１０…記録媒体、２０…読み取り装置、２１…カメラ部、２２…位置情報復号部、２３…ベクトル抽出部、２４…角度検出部、２５…送受信部、２６…発光部、２７…発光制御部、３０…情報処理装置、２６１…発光素子

Claims (13)

1. 記録媒体に記録された当該記録媒体上の位置を表す位置情報を読み取る読み取り装置であって、
   前記記録媒体から２点の前記位置情報を読み取る読み取り手段と、
   前記記録媒体上の前記２点の画像を取得する画像取得手段と、
   前記読み取り手段により読み取られた前記位置情報に基づき前記２点の前記記録媒体上の位置関係を抽出する第１の位置関係抽出手段と、
   前記画像上の前記２点の位置関係を抽出する第２の位置関係抽出手段と、
   前記第１の位置関係抽出手段により抽出された前記２点の前記記録媒体上の位置関係と前記第２の位置関係抽出手段により抽出された前記画像上の前記２点の位置関係を比較することにより、当該第１の位置関係抽出手段により抽出された当該２点のうち１点から他点へと向かう第１の方向と、当該第２の位置関係抽出手段により抽出された当該２点のうち１点から他点へと向かう第２の方向との相対角度を検出する角度検出手段と
   を備えることを特徴とする読み取り装置。
2. 前記画像取得手段は、前記記録媒体上の前記２点を含む範囲の画像を取得し、
   前記第２の位置関係抽出手段は、前記画像上における前記２点の位置関係を抽出することを特徴とする請求項１に記載の読み取り装置。
3. 前記読み取り手段は、第１の座標系に基づく座標値を表す画像パターンが記録された前記記録媒体から前記２点の位置の当該画像パターンを読み取って座標値を取得し、
   前記第１の位置関係抽出手段は、前記読み取り手段により取得された座標値に基づき前記２点の位置関係を抽出し、
   前記第２の位置関係抽出手段は、前記画像に対して設定された第２の座標系における前記２点の座標値に基づき当該２点の位置関係を抽出することを特徴とする請求項２に記載の読み取り装置。
4. 前記第１の位置関係抽出手段および前記第２の位置関係抽出手段は、前記２点の位置関係として当該２点を結ぶ線分をそれぞれ定義し、
   前記角度検出手段は、前記第１の位置関係抽出手段および前記第２の位置関係抽出手段により定義された２つの前記線分がなす角度を計算することにより、前記相対角度を検出することを特徴とする請求項１に記載の読み取り装置。
5. 記録媒体に記録された当該記録媒体上の位置を表す位置情報を読み取る読み取り装置であって、
   第１の座標系に基づく座標値を表す画像パターンが記録された前記記録媒体から一定領域の画像を取得する画像取得手段と、
   前記画像取得手段により取得された画像から前記画像パターンを抽出して複数の座標値を読み取る読み取り手段と、
   前記読み取り手段により読み取られた前記複数の座標値に基づいて特定される前記第１の座標系と前記画像に対して設定された第２の座標系とがなす相対角度を検出する角度検出手段と
   を備えることを特徴とする読み取り装置。
6. 前記画像取得手段は、前記記録媒体から２点の座標値を含む範囲の画像を取得し、
   前記読み取り手段は、前記２点の座標値を読み取り、
   前記角度検出手段は、前記第１の座標系において前記２点を結ぶベクトルと前記第２の座標系において当該２点を結ぶベクトルを生成し、当該２つのベクトル間の相対角度を計算し、計算結果に基づいて当該第１の座標系と当該第２の座標系とがなす相対角度を求めることを特徴とする請求項５に記載の読み取り装置。
7. 前記読み取り手段は、前記画像から前記２点の各々を中心とする２つの画像領域を切り出し、切り出した２つの当該画像領域に対して、それぞれ中心に位置する前記画像パターンを抽出して座標値を読み取ることを特徴とする請求項６に記載の読み取り装置。
8. 記録媒体に記録された当該記録媒体上の位置を表す位置情報であって当該位置情報を読み取る読み取り装置により読み取られた当該記録媒体上の２点の位置情報に基づき、当該２点の当該記録媒体上の位置関係を抽出する第１の位置関係抽出手段と、
   前記読み取り装置に設けられて前記記録媒体上の前記２点の画像を取得する画像取得手段から取得した当該画像上の当該２点の位置関係を抽出する第２の位置関係抽出手段と、
   前記第１の位置関係抽出手段により抽出された前記２点の前記記録媒体上の位置関係と前記第２の位置関係抽出手段により抽出された前記画像上の前記２点の位置関係を比較することにより、当該第１の位置関係抽出手段により抽出された当該２点のうち１点から他点へと向かう第１の方向と、当該第２の位置関係抽出手段により抽出された当該２点のうち１点から他点へと向かう第２の方向との相対角度を検出する角度検出手段と
   を備えることを特徴とする情報処理システム。
9. 前記第１の位置関係抽出手段および前記第２の位置関係抽出手段は、前記２点の位置関係として当該２点を結ぶ線分をそれぞれ定義し、
   前記角度検出手段は、前記第１の位置関係抽出手段および前記第２の位置関係抽出手段により定義された２つの前記線分がなす角度を計算することにより、前記相対角度を検出することを特徴とする請求項８に記載の情報処理システム。
10. 第１の座標系に基づく座標値を表す画像パターンが記録された記録媒体における一定領域の画像から当該画像パターンにより表される複数の座標値を読み取る読み取り手段と、
    前記読み取り手段により読み取られた前記複数の座標値に基づいて特定される前記第１の座標系と前記画像に対して設定された第２の座標系とがなす相対角度を検出する角度検出手段と
    を備えることを特徴とする情報処理システム。
11. 前記読み取り手段は、前記画像における２点の位置の座標値を読み取り、
    前記角度検出手段は、前記第１の座標系において前記２点を結ぶベクトルと前記第２の座標系において当該２点を結ぶベクトルを生成し、当該２つのベクトル間の相対角度を計算し、計算結果に基づいて当該第１の座標系と当該第２の座標系とがなす相対角度を求めることを特徴とする請求項１０に記載の情報処理システム。
12. コンピュータを、
    記録媒体に記録された当該記録媒体上の位置を表す位置情報であって当該位置情報を読み取る読み取り装置により読み取られた当該記録媒体上の２点の位置情報に基づき、当該２点の当該記録媒体上の位置関係を抽出する第１の位置関係抽出手段と、
    前記記録媒体上の前記２点の画像を取得する画像取得手段と、
    前記画像上の前記２点の位置関係を抽出する第２の位置関係抽出手段と、
    前記第１の位置関係抽出手段により抽出された前記２点の前記記録媒体上の位置関係と前記第２の位置関係抽出手段により抽出された前記画像上の前記２点の位置関係を比較することにより、当該第１の位置関係抽出手段により抽出された当該２点のうち１点から他点へと向かう第１の方向と、当該第２の位置関係抽出手段により抽出された当該２点のうち１点から他点へと向かう第２の方向との相対角度を検出する角度検出手段として
    機能させることを特徴とするプログラム。
13. コンピュータを、
    第１の座標系に基づく座標値を表す画像パターンが記録された記録媒体における一定領域の画像から当該画像パターンにより表される複数の座標値を読み取る読み取り手段と、
    前記読み取り手段により読み取られた前記複数の座標値に基づいて特定される前記第１の座標系と前記画像に対して設定された第２の座標系とがなす相対角度を検出する角度検出手段
    として機能させることを特徴とするプログラム。

Images