JP5091591B2 - 情報処理装置、プログラム及び情報処理方法 - Google Patents

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Description

本発明は一般に、情報処理装置、プログラム及び情報処理方法に関し、特に、ユーザのジェスチャを認識し、認識されたジェスチャに基づいた制御を行うことができる情報処理装置、プログラム及び情報処理方法に関する。
従来から、テレビ又はパーソナルコンピュータ等の情報処理装置をユーザがジェスチャにより指示を与えることで操作する方法が提案されている。このような方法によれば、マウス、キーボード、又はリモートコントローラといった入力装置を使用せずに、情報処理装置を遠隔操作することができる。
ジェスチャなどの動きを捕らえる技術として、例えば、カメラでの撮像画像を解析して、操作者の手の動きから手の円軌道の動きを検出・認識できるアルゴリズム技術を開示している(特許文献1参照)。
特開2007−172577公報
しかしながら、特許文献1に記載された、円運動の真円度を数個の座標点から求める方法では、手の早さによって円運動の検出が出来なくなる恐れがある。また、操作中か否かを意識せずに通常状態と操作状態をシームレスに切り替えるには、手の動きが円運動か否かだけで判定するのは難しい。
そこで、本発明は精度良く円運動を検出でき、かつ、操作の切り替えをシームレスに行うことが可能な情報処理装置、プログラム及び情報処理方法を提供することを目的とする。
実施形態によれば、情報処理装置は、手が写った入力画像から、画像内の手の位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段によって検出した前記手の位置のデータを記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶された前記手の位置のデータを用いて、n番目のフレームから過去kフレームの手の位置の中心座標を求め、前記過去kフレームそれぞれについて、前記中心座標と手の位置との角度および距離と、n−(k−1)番目のフレームの撮影時刻を基準とした撮影時刻とを求め、前記過去kフレームについての前記角度と前記撮影時刻との相関関係の強さを表す決定係数および前記距離と前記撮影時刻との相関関係の強さを表す決定係数とを最小2乗法による線形回帰分析により求め、(1)前記過去kフレーム間に回転した角度が、回転角度の閾値を越え、(2)前記角度と前記撮影時刻との相関関係の強さを表す決定係数が、角度と時間が線形回帰していることを確認するための閾値を越え、(3)前記距離と前記撮影時刻との相関関係の強さを表す決定係数が、中心からの距離と時間が線形回帰していることを確認するための閾値を越えている場合に、回転操作を行っていると判定する回転判定手段と、前記回転判定手段により回転操作を行っていると判定された場合、あらかじめ定めた処理を実行する実行手段と、を具備する。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
まず、図1を参照しつつ、本発明の第1の実施形態に係る情報処理装置について説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る情報処理装置の構成を概略的に示すブロック図である。この情報処理装置は、例えば、ノートブック型のパーソナルコンピュータとして実現されている。
図1に示されるように、パーソナルコンピュータ100は、CPU111、主メモリ112、ノースブリッジ113、グラフィクスコントローラ(画面表示部)114、ディスプレイ115、サウスブリッジ116、ハードディスクドライブ(HDD)117、副プロセッサ118、BIOS−ROM119、エンベデッドコントローラ/キーボードコントローラIC(EC/KBC)120、電源回路121、バッテリ122、ACアダプタ123、タッチパッド124、キーボード(KB)125、カメラ126、及び電源ボタン21等を備える。
CPU111は、パーソナルコンピュータ100の動作を制御するプロセッサである。CPU111は、HDD117から主メモリ112にロードされる、オペレーティングシステム(OS)及び各種のアプリケーションプログラムを実行する。また、CPU111は、BIOS−ROM119に格納されたBIOS(Basic Input/Output System)も実行する。BIOSは、周辺デバイスを制御するためのプログラムである。BIOSは、パーソナルコンピュータ100の電源投入時に最初に実行される。
ノースブリッジ113は、CPU111のローカルバスとサウスブリッジ116との間を接続するブリッジデバイスである。ノースブリッジ113は、AGP(Accelerated Graphics Port)バスなどを介してグラフィクスコントローラ114との通信を実行する機能を有している。
グラフィクスコントローラ114は、パーソナルコンピュータ100のディスプレイ115を制御する表示コントローラである。グラフィクスコントローラ114は、OS又はアプリケーションプログラムによってVRAM(図示せず)に書き込まれた表示データから、ディスプレイ115に出力すべき表示信号を生成する。ディスプレイ115は、例えば、液晶ディスプレイ(LCD)である。
サウスブリッジ116には、HDD117、副プロセッサ118、BIOS−ROM119、カメラ126、及びEC/KBC120が接続されている。また、サウスブリッジ116は、HDD117及び副プロセッサ118を制御するためのIDE(Integrated Drive Electronics)コントローラも備えている。
EC/KBC120は、電力管理のためのエンベデッドコントローラ(EC)と、タッチパッド124及びキーボード(KB)125を制御するためのキーボードコントローラ(KBC)とが集積された、1チップマイクロコンピュータである。EC/KBC120は、例えば、電源ボタン21が操作されたときに、電源回路121と共同してパーソナルコンピュータ100の電源をオンにする。パーソナルコンピュータ100は、ACアダプタ123を介して外部電源が供給される場合、外部電源によって駆動される。外部電源が供給されない場合、パーソナルコンピュータ100は、バッテリ124によって駆動される。
カメラ126は、例えばUSBカメラである。カメラ126のUSBコネクタは、パーソナルコンピュータ100の本体に設けられたUSBポート(図示せず)に接続される。カメラ126によって撮影された画像(手の動き等)は、パーソナルコンピュータ100のディスプレイ115に表示することができる。カメラ126によって供給される画像のフレームレートは、例えば、15フレーム/秒である。カメラ126は、外付けのカメラであっても、パーソナルコンピュータ100の内蔵カメラであってもよい。
副プロセッサ118は、カメラ26から取り込まれた動画の処理を行う。
図2は、パーソナルコンピュータ100の機能構成の一部を、より詳細に示すブロック図である。
図2に示されるように、パーソナルコンピュータ100は、制御部11、記憶部12、検出部13、および表示部14を備えている。制御部11は、カメラ126から取り込まれた動画像の処理を行う。記憶部12は、動画像の判別(手の動きかどうか)や、動画像の動作の判定(どのような手の動作か)に用いる各種の閾値等を記憶する。検出部13は、カメラ126から取り込まれた動画像の動作の検出(回転開始動作、回転動作、回転終了動作等)を行う。表示部14は、検出部13で検出された動作に応じた画面のスクロール等の処理を表示する。
次に、図3は、本発明の第1の実施形態に係る情報処理装置を適用した情報処理方法の概要を示したフローチャートである。
まず、パーソナルコンピュータ100の制御部11は、カメラ125から動画像を取り込んで画像処理を行う。画像処理が行われた動画像に対して、検出部13は、手の動画像であるかを検証し、手の動画像であると判別されると、手の動画像が回転動作をしているかを判別する(ステップS101)、手の動画像が回転動作をしていると判別されると(ステップS101のYES:回転開始検出)、制御部11は、回転角を計算する(ステップS102)。計算された回転角に応じて、表示部14は、画面のスクロール等の処理を表示する。例えば、右(左)回転の回転動作が検出された場合は、画面を下(上)方向にスクロールする。
そして、回転の終了動作が検出された場合は(ステップS103のYES)、画面のスクロール等を停止する。
次に、上述した回転開始動作の検出、回転動作の検出、回転終了動作の検出等について図4〜図9を参照して詳細に説明する。
(1)回転開始動作の検出について
入力された動画像を動画像フレームとして考える。入力された動画像は、記憶部12に蓄積されており、過去の動画像フレームを参照することができる。
まず、回転方向を示すフラグsを初期化する(ステップS201:図6)。
次に、n番目のフレームから、過去kフレームの出力20(図4参照)が、手が回転していたかどうかを以下のように判断する。そして、過去kフレームの手位置の中心座標xc(n,k)、yc(n,k)22(図4参照)を以下のように求める。
Figure 0005091591
n番目のフレームからi-k+1(0≦i<k)フレーム前の手の位置の、上述した中心座標からの角度θnk(i)と距離dnk(i)、n-(k-1)番目のフレームの撮影時刻を基準とした撮影時刻tnk(n,k,i)を以下を以下のように求める。
Figure 0005091591
aは以下の条件を満たす整数値を選択する(ステップS202:図6)。
Figure 0005091591
Figure 0005091591
θnk(i)とtnk(n,k,i)、dnk(i)とtnk(n,k,i)に対してそれぞれ最小2乗法による線形回帰分析を行い、θnk(i)の予測値Θnk(i)とdnk(i)の予測値Dnk(i)を求めるための相関係数Aθnk、Bθnk、Adnk、Bdnkと、相関関係の強さを表す決定係数を求める。
θnk(i)とtnk(n,k,i)との相関の決定係数をCDθnk、dnk(i)とtnk(n,k,i) との相関の決定係数をCDdnkとおく。
Θnk(i)、Dnk(i)は、相関係数Aθnk、Bθnk、Adnk、Bdnkを用いて以下のように表される(図5参照)。
Figure 0005091591
開始角度θSnk(i)と終了角度θEnk(i)を、実測値θnk(i)と予測値Θnk(i)を比較して開始から終了までの角度範囲が狭くなるように求める。(これは必須ではなく、無くても動作する)
0<Aθnkのとき
Figure 0005091591
それ以外のとき
Figure 0005091591
以下の条件を満たすとき、nフレーム目から過去kフレームにおいて、xc(n,k)、yc(n,k)を中心として回転運動が行われていたとみなし、回転操作を開始する。
Figure 0005091591
Angle_Thresholdは回転角度の閾値で、過去kフレーム間に回転した角度がこの値以上のときに回転操作を行っているとみなす。2π〜4π程度の値を使用する。
CD_θ_Thresholdは角度が時間が線形回帰していることを確認するための閾値。角度と時間は強い相関を持つ必要があるので、1に近い値(0.9など)を使用する。
CD_d_Thresholdは中心からの距離と時間が線形回帰していることを確認するための閾値。距離は角度ほどの相関を持つ必要はないため、CD_θ_Thresholdよりも小さい値を使用する。
一定フレームの検出結果を受信する毎に、複数範囲の過去フレームに対して上述した処理を実行することにより、様々な速度で行われた回転操作を検出することが可能となる。
また、回転操作を開始したときに、中心座標xc(n,k)、yc(n,k)と中心座標からの距離の平均dm(n,k)
Figure 0005091591
を記憶部12に記憶する。
(2)回転動作の検出について
回転動作を検出すると、手による回転操作開始後は、回転の中心と現在の手の位置を画面上に表示し、回転の中心と現在の手の位置との角度と距離に応じた回転量変化を算出し、スクロールなどの操作を行う。
回転操作中の回転の中心をxc、yc、回転の中心から手の位置の平均距離をdmとして保持する。回転開始時は、xc、yc はそれぞれxc(n,k)、yc(n,k) 、dmはdm(n,k)となる。
また、回転方向を示す符号sを保持する。回転開始時はsはAθnkの符号に等しい。
n番目のフレームにおける、回転の中心と手の位置との角度をθc(n)、距離をdc(n)とおく。
Figure 0005091591
まず、前フレームからの角度変化dθ(n)を以下のように求める。
Figure 0005091591
dθ(n)の符号がsと等しい場合、前フレームからの角度変化の大きさを示す値θMを以下ステップで求める。
1)θM= dθ(n)とする。
2)dc(n)< dmのとき、θMをdc(n)/ dm倍する。
回転の中心近くを通るように手を動かすと、少ない手の移動量でも角度変化は大きくなり、誤って大量の操作を行ってしまう可能性があるので、操作量を減らす。(任意オプションとする:ステップS203のYES、ステップS204:図6、図7参照)
dθ(n)の符号がsと異なる場合(ステップS205のYES:図6)、θMは0とし(ステップS206:図6)、最後にsと同じ方向に回転させたときのθcよりも一定角度(π/2など)以上sと異なる方向に移動させたとき(ステップS207のYES:図6)、sの符号を反転する(ステップS208:図6)。
3)dθ_Threshold <abs(dθ(n))のとき(ステップS209のYES:図6)、θMを(π- abs(dθ(n)))/(π-dθ_Threshold)倍する(ステップS210:図6)。
dθがπに近いときは、どちらの方向に回転させたかの判断が難しいので操作量を減らす。(任意のオプションとする)
上述した方法で求めたθMを操作量とし、(ステップS211:図6)画面スクロールなどの操作を行う。
たとえば、θMが-π以下だと上に1画面スクロールし、π以上だと下に一画面スクロールする等である。
回転操作開始後も、(1)回転開始と同じように回転開始検出処理を行い、回転を検出したときは、xc、yc、dmを新しく検出した回転の中心・平均距離に近づくように更新する(ステップS212:図6)。
(3)回転終了動作の検出について
通常の回転動作中(図8参照)は、上述したの処理により回転操作量を求める。また、以下の処理により回転終了の判断を行う(ステップS214:図6)。
前フレームとの手の位置の差分dx(n)、dy(n)を以下で求める。
Figure 0005091591
回転操作の円周方向への移動量をc(n)、円周と直交方向への移動量をr(n)とおく。
Figure 0005091591
外周方向への移動量o(n)を以下で求める。
Figure 0005091591
o(n)の累積値をoh(n)とおく。
Figure 0005091591
以下のいずれかの条件を満たすとき回転操作を終了する(ステップS213:図6、図9参照))。
1つ目の条件は外周方向への移動量が大きいことを表し、2つ目の条件は中心から大きく離れていることを表す。
Figure 0005091591
回転の開始を手の動きだけで判断することにより、通常はカーソル操作などの他の操作を行いながら、手を回転させたときのみ回転による操作を行うことができる。
回転中に、中心位置と現在の手の位置を画面に表示し、中心と現在の手の位置との角度に応じて操作を行うことにより、ユーザーが回転量の調節や回転方向の反転を行うことが容易になる。
回転の終了を手の動きだけで判断することにより、回転操作を行いながら手の回転を止めたときに、通常のカーソル操作を行うことが可能となる。
以上、本実施形態によれば、容易な構成で精度良く円運動を検出でき、また、検出された円運動に応じてカーソルを移動させたることができる。さらに、容易に円運動の終了も行うことができる。
なお、本発明は、上述した実施形態そのままに限定されるものではない。本発明は、実施段階では、その要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変更して具現化できる。
また、上述した実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜に組み合わせることで、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
本発明の一実施形態に係る情報処理装置の構成例を概略的に示すブロック図。 本発明の一実施形態に係る情報処理装置の機能構成を示すブロック図。 本発明の一実施形態に係る情報処理方法を説明するためのフローチャート。 中心座標を算出するための方法を示した概念図。 線形回帰分析を用いて回転角を算出するための方法を示した概念図。 本発明の一実施形態に係る情報処理方法を詳細に説明するためのフローチャート。 ユーザが手で小さい円を描いたときの概念図。 ユーザが手で通常の円を描いたときの概念図。 ユーザが手で円よりも外側に手を移動させたときの概念図。
符号の説明
11…制御部、12…記憶部、13…検出部、14…表示部、21…電源ボタン、100…ポータブルコンピュータ、111…CPU,112…主メモリ、113…ノースブリッジ、114…グラフィクスコントローラ、115…ディスプレイ、116…サウスブリッジ、117…ハードディスクドライブ(HDD)、118…副プロセッサ、119…BIOS−ROM、120…エンベデッドコントローラ/キーボードコントローラIC(EC/KBC)、121…電源回路、122…バッテリ、123…ACアダプタ、124…タッチパッド、125…キーボード(KB)、126…カメラ

Claims (12)

  1. 手が写った入力画像から、画像内の手の位置を検出する位置検出手段と、
    前記位置検出手段によって検出した前記手の位置のデータを記憶する記憶手段と、
    前記記憶手段に記憶された前記手の位置のデータを用いて、n番目のフレームから過去kフレームの手の位置の中心座標を求め、前記過去kフレームそれぞれについて、前記中心座標と手の位置との角度および距離と、n−(k−1)番目のフレームの撮影時刻を基準とした撮影時刻とを求め、前記過去kフレームについての前記角度と前記撮影時刻との相関関係の強さを表す決定係数および前記距離と前記撮影時刻との相関関係の強さを表す決定係数とを最小2乗法による線形回帰分析により求め、(1)前記過去kフレーム間に回転した角度が、回転角度の閾値を越え、(2)前記角度と前記撮影時刻との相関関係の強さを表す決定係数が、角度と時間が線形回帰していることを確認するための閾値を越え、(3)前記距離と前記撮影時刻との相関関係の強さを表す決定係数が、中心からの距離と時間が線形回帰していることを確認するための閾値を越えている場合に、回転操作を行っていると判定する回転判定手段と、
    前記回転判定手段により回転操作を行っていると判定された場合、あらかじめ定めた処理を実行する実行手段と、
    を具備する情報処理装置。
  2. 前記回転判定手段は、前記中心座標と手の位置との角度および距離とから前記n番目のフレームにおける前フレームからの前記中心座標に対する手の位置の角度変化の大きさを示す値を求め、
    前記実行手段は、前記角度変化の大きさを示す値を操作量として、前記あらかじめ定めた処理を実行する請求項1に記載の情報処理装置。
  3. 前記中心座標と前記n番目のフレームにおける手の位置とを画面に表示する表示手段を具備する請求項2に記載の情報処理装置。
  4. 前記回転判定手段は、前記n番目における前フレームとの手の位置の差分を求め、前記手の位置の差分から、前記手の位置の移動量を表すベクトルを前記回転操作の円周上の前フレームにおける手の位置での接線に投射した第1の方向への移動量と前記ベクトルを前記接線と直交する方向に投射した第2の方向への移動量とを求め、前記第2の方向の移動量から前記第1の方向への移動量の絶対値を減じた値を、手の動きが前記回転操作の円周方向に沿っているか否かを判断するためのメトリクスであって、手が円周より外側へ移動した場合に正の値となるメトリクスとして求め、負の値となった場合には0にリセットされながら累積される前記メトリクスの累積値が第1の閾値を越えた場合に、前記回転操作が終了したと判定し、または、前記中心座標と手の位置との距離が第2の閾値を越え場合に、前記回転操作が終了したと判定する請求項1に記載の情報処理装置。
  5. 手が写った入力画像から、画像内の手の位置を検出する手順と、
    前記位置を検出する手順によって検出した前記手の位置のデータを記憶する手順と、
    前記記憶する手順で記憶した前記手の位置のデータを用いて、n番目のフレームから過去kフレームの手の位置の中心座標を求め、前記過去kフレームそれぞれについて、前記中心座標と手の位置との角度および距離と、n−(k−1)番目のフレームの撮影時刻を基準とした撮影時刻とを求め、前記過去kフレームについての前記角度と前記撮影時刻との相関関係の強さを表す決定係数および前記距離と前記撮影時刻との相関関係の強さを表す決定係数とを最小2乗法による線形回帰分析により求め、(1)前記過去kフレーム間に回転した角度が、回転角度の閾値を越え、(2)前記角度と前記撮影時刻との相関関係の強さを表す決定係数が、角度と時間が線形回帰していることを確認するための閾値を越え、(3)前記距離と前記撮影時刻との相関関係の強さを表す決定係数が、中心からの距離と時間が線形回帰していることを確認するための閾値を越えている場合に、回転操作を行っていると判定する手順と、
    前記判定する手順により回転操作を行っていると判定された場合、あらかじめ定めた処理を実行する手順と、
    を計算機に実行させるプログラム。
  6. 前記判定する手順は、前記中心座標と手の位置との角度および距離とから前記n番目のフレームにおける前フレームからの前記中心座標に対する手の位置の角度変化の大きさを示す値を求め、
    前記実行する手順は、前記角度変化の大きさを示す値を操作量として、前記あらかじめ定めた処理を実行する請求項5に記載のプログラム。
  7. 前記中心座標と前記n番目のフレームにおける手の位置とを画面に表示する手順を計算機に実行させる請求項6に記載のプログラム。
  8. 前記判定する手順は、前記n番目における前フレームとの手の位置の差分を求め、前記手の位置の差分から、前記手の位置の移動量を表すベクトルを前記回転操作の円周上の前フレームにおける手の位置での接線に投射した第1の方向への移動量と前記ベクトルを前記接線と直交する方向に投射した第2の方向への移動量とを求め、前記第2の方向の移動量から前記第1の方向への移動量の絶対値を減じた値を、手の動きが前記回転操作の円周方向に沿っているか否かを判断するためのメトリクスであって、手が円周より外側へ移動した場合に正の値となるメトリクスとして求め、負の値となった場合には0にリセットされながら累積される前記メトリクスの累積値が第1の閾値を越えた場合に、前記回転操作が終了したと判定し、または、前記中心座標と手の位置との距離が第2の閾値を越え場合に、前記回転操作が終了したと判定する請求項5に記載のプログラム。
  9. 手が写った入力画像から、画像内の手の位置を検出し、
    前記手の位置のデータを用いて、n番目のフレームから過去kフレームの手の位置の中心座標を求め、前記過去kフレームそれぞれについて、前記中心座標と手の位置との角度および距離と、n−(k−1)番目のフレームの撮影時刻を基準とした撮影時刻とを求め、前記過去kフレームについての前記角度と前記撮影時刻との相関関係の強さを表す決定係数および前記距離と前記撮影時刻との相関関係の強さを表す決定係数とを最小2乗法による線形回帰分析により求め、(1)前記過去kフレーム間に回転した角度が、回転角度の閾値を越え、(2)前記角度と前記撮影時刻との相関関係の強さを表す決定係数が、角度と時間が線形回帰していることを確認するための閾値を越え、(3)前記距離と前記撮影時刻との相関関係の強さを表す決定係数が、中心からの距離と時間が線形回帰していることを確認するための閾値を越えている場合に、回転操作を行っていると判定し、
    回転操作を行っていると判定された場合、あらかじめ定めた処理を実行する、
    情報処理方法。
  10. 前記中心座標と手の位置との角度および距離とから前記n番目のフレームにおける前フレームからの前記中心座標に対する手の位置の角度変化の大きさを示す値を求め、
    前記角度変化の大きさを示す値を操作量として、前記あらかじめ定めた処理を実行する請求項9に記載の情報処理方法。
  11. 前記中心座標と前記n番目のフレームにおける手の位置とを画面に表示する請求項10に記載の情報処理方法。
  12. 前記n番目における前フレームとの手の位置の差分を求め、前記手の位置の差分から、前記手の位置の移動量を表すベクトルを前記回転操作の円周上の前フレームにおける手の位置での接線に投射した第1の方向への移動量と前記ベクトルを前記接線と直交する方向に投射した第2の方向への移動量とを求め、前記第2の方向の移動量から前記第1の方向への移動量の絶対値を減じた値を、手の動きが前記回転操作の円周方向に沿っているか否かを判断するためのメトリクスであって、手が円周より外側へ移動した場合に正の値となるメトリクスとして求め、負の値となった場合には0にリセットされながら累積される前記メトリクスの累積値が第1の閾値を越えた場合に、前記回転操作が終了したと判定し、または、前記中心座標と手の位置との距離が第2の閾値を越え場合に、前記回転操作が終了したと判定する請求項9に記載の情報処理方法。
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