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WO2010086842A1 - Contrôleur de mouvements mobile et ergonomique. - Google Patents

Contrôleur de mouvements mobile et ergonomique. Download PDF

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Publication number
WO2010086842A1
WO2010086842A1 PCT/IB2010/050735 IB2010050735W WO2010086842A1 WO 2010086842 A1 WO2010086842 A1 WO 2010086842A1 IB 2010050735 W IB2010050735 W IB 2010050735W WO 2010086842 A1 WO2010086842 A1 WO 2010086842A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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rotation
user
center
orientation
shoulder
Prior art date
Application number
PCT/IB2010/050735
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English (en)
Inventor
Laurent Nanot
Original Assignee
Laurent Nanot
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Laurent Nanot filed Critical Laurent Nanot
Publication of WO2010086842A1 publication Critical patent/WO2010086842A1/fr

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    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/011Arrangements for interaction with the human body, e.g. for user immersion in virtual reality
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F1/00Details not covered by groups G06F3/00 - G06F13/00 and G06F21/00
    • G06F1/16Constructional details or arrangements
    • G06F1/1613Constructional details or arrangements for portable computers
    • G06F1/163Wearable computers, e.g. on a belt
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
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    • G06F3/011Arrangements for interaction with the human body, e.g. for user immersion in virtual reality
    • G06F3/014Hand-worn input/output arrangements, e.g. data gloves

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method and to estimating the movements of a user (or machine) from
  • a controller attached to one or a few members of said user, it is a device particularly indicated in the construction of navigation assistant / guides focused on 3D visualization of points of interest (POI), the virtual guided tour and interactive sites / historical events or construction projects and
  • POI points of interest
  • controllers / controllers for game consoles and computers It consists of a means of controlling the movements of the user making it possible to measure the attitude and position of the evaluated members, making it possible to deduce the position of said device with respect to
  • the conventional movement control devices are either totally fixed devices of the type of arm position sensor on virtual applications-oriented cylinders, or jackets possessing beacons or magnetic sensors. / optics at each motion-oriented articulation
  • the first solution is unsuited to the movement of the user, the second is bulky (mandatory dress).
  • the innovative devices there are: camera headtracking devices (see EP0874303 & WO9935633 & US6009210), these can be mobile in theory but are imprecise, heavy in calculation and
  • the device according to the invention has means for absolute localization in space (for example GPS in the case of the portable device-possibly doubled by a compass, accelerometers and position fixes of the type DGPS / RTK-; or ultrasonic / magnetic / electrical / optical beacons in the case of a game controller) as well as means for measuring the attitude of the device (inclinometers / gyrometers / torsion sensors, compasses, accelerometers) or deduction of this orientation so in the cases envisaged to locate the relative positioning of the device relative to the eyes of the user (the position of the eyes being estimated or calibrated initially); among the various modes of the invention, there is an innovative arrangement of these sensors on the hand and the forearm to measure the entire arm.
  • absolute localization in space for example GPS in the case of the portable device-possibly doubled by a compass, accelerometers and position fixes of the type DGPS / RTK-; or ultrasonic / magnetic / electrical / optical beacons in the case of
  • the device also has: - a screen that allows the display of the display.
  • a processing unit composed of one or more processors and possibly one or more dedicated graphics chips, memory, storage capacity.
  • the controller / joystick mode it also has possible preprocessing elements and transmission elements measurements. In all cases, all these elements are arranged around one or more forms of data transmission (such as a local data bus in the case of the portable device, and / or a transmission by wire or wireless in the case of the controller) through which the positioning and orientation data of the sensors, which at the end of the transmission channel enter either a storage form or processing and calculation units, which transmit the display information to the screen depending on the position and attitude of the device.
  • data transmission such as a local data bus in the case of the portable device, and / or a transmission by wire or wireless in the case of the controller
  • the screen displays in real time the images to the user, audio outputs take care of reproducing the sound.
  • the device is designed to combine utility / necessity (by placing the sensors at the necessary points) and ergonomics (everything fits in the container / glove / cuff invisibly).
  • a form of glove that can go from the hand to the forearm can carry all the material in hidden form (except the screen, the speakers and a mini-touch interface that must remain visible).
  • the device is designed in such a way as to deduce the position of said device with respect to an area / joint not connected to a limb covered by said device (for example the elbow, the shoulder and / or the head / eye of the device).
  • a comfort position algorithm which from the position of the most anterior covered member (by the device) (for example the forearm), and a fixed angle constraint of another limb covered with respect to the axis passing the articulation of the latter and the center of rotation (for example fixed angle between the hand and the axis shoulder / wrist), deduced the attitude of the missing members (those between said device and the said center) in comfort position: once the position of the forelimb known, the deduction of the center of rotation is then determined as the intersection of the center circle the end of the forelimb (for example the elbow), radius the actual or calculated length of the segment simplifying the missing limbs, and the axis previously determined. For example, in the case of a device on the hand, we will take a fixed comfort angle with respect to the wrist / shoulder axis.
  • the calibration measurement of the position of an upper limb (such as the head / eye) and / or possibly one or more centers of rotation (such as the shoulder) is performed as follows: it is requested the user to approach the device of the zone to be calibrated (like the eye), then to press a button or to make a specific gesture allowing the validation of the position as calibrated position.
  • the position of a center of rotation can be evaluated by asking the user to make a pure rotational movement using the device, the processing unit then automatically calculating the center of the circle or sphere approximated from 3 positions of the device and the intersection of the mediators of the segments linking the said positions, or from the intersection of the axes carried by the vectors of central accelerations due to rotation found at each step (or carried by some normal vectors to the device).
  • the user can be asked to put the device located on a covered member (for example the hand) in one or a set of comfort positions then to validate the positions before putting this device near the center of rotation (shoulder or eye for example) and validate this position.
  • an initial average comfort angle between the covered limb and the center of rotation / member covered axis is determined to make it a constraint for the comfort attitude deduction algorithm.
  • All of the described procedures applicable to the arms are generalizable to the leg of the fingers, eyes, head and neck.
  • -the (or) battery (s) are housed in a pocket or compartment of the glove located at the forearm.
  • the glove is extended to the shoulder, the accelerometers and inclinometers / gyrometers are replaced or aided by torsion sensors attached to the wrist of the elbow and shoulder,
  • -the glove / cuff has sets of buttons scrolling type for example changing the date / chronological moment of the virtual world to display and a validation button and a cancel button
  • -the screen is a touch screen
  • -a glove portion is detachable from the game armband so as to ability to use left-handed gloves or to keep his right hand free. Similarly you must be able to rotate the keyboard for use on right or left arm.
  • a means of communication makes it possible to connect the apparatus to another controller (for example an identical controller on the other hand) in order to return a single set of pre-processed coordinates or not.
  • another controller for example an identical controller on the other hand
  • a simple PDA / PNA / handheld computer can be slipped into a transparent pocket of the glove at the palm of the hand, it is then eventually connected to a central inertia which is fixed to the inside of the glove is on the outside of the hand or at the wrist and / or forearm.
  • a program on the PDA performs the described position, orientation, and calibration procedures.
  • -a thin screen is sewn at the level of the palm or a support is sewn on the same level (or on the other side of the hand) that allows to slide horizontally the screen or PDA / PNA / handheld so it extends the hand and can for example be held in both hands.
  • the support is attached to the back of the hand, it must allow to rear up so that the screen can be seen on the side of the palm of the hand.
  • Fig. 1 Details of the constituent elements of the device in its version of guide / portable assistant
  • Fig. 2 Illustration of the operating mode according to the guidebook / portable assistant version
  • Fig. 3 Illustration of the operating mode according to the console / controller controller / PC version
  • Fig. 4 Illustration of a method of interpreting an elliptical trajectory in a rotation of one or more members of the arm and in a translation of the position of the user centered on
  • the device in its portable form consists of a container here (glove / cuff) (1) to which are joined the following elements: - A screen (2) on which the virtual world where to navigate is displayed
  • a possible touch interface (3) (see Fig.l) consists for example of buttons, an LCD type of display to adjust the desired date of events and places to view. This interface is located on the inner side of the forearm surface of the glove / cuff (1), juxtaposed to a speaker.
  • a battery (5) (main or secondary) is housed on the outer side of the forearm in a dedicated outer pocket of the glove (l). An individual using the invention moving their hand and moving sees these movements taken into account or reproduced on the screen, by displaying for example what is behind the hand on the screen (see Fig.2) or by reproducing the position of the hand relative to the eye on a monitor or television (see Fig.3).
  • the left-hand frame (13) illustrates a case where only a position sensor (21) is used-this is the case of the devices of the current state of the art ( smartphones) -, the position of the sensor (21) is not important in this case because the hand is constrained in its movement as the rest of the arm and in order to estimate the position and orientation parameters of the "member ghost / virtual "(19) (in this case that is to say angle between the forearm and the top of the fixed arm, angle between the hand and the fixed forearm, and in such a way to maintain a fixed distance between the hand and the shoulder). From a certain number of consecutive positions (11) of the position sensor (21), it is possible to apply the elliptical trajectory interpretation algorithm (FIG.
  • the rotation component is then deduced thanks to the deviation of each measured position (11) with respect to said axis (12) and thanks to an inverse trigonometric function (which returns two values, the value most consistent with the history of the positions (11) being chosen), the center of rotation (12) after translation is then defined as the point of intersection of the main axis of the ellipse (10) and the axis passing through the position of the device ( 11) whose orientation corresponds to the rotation component.
  • the position of the user (12) can be found as the most coherent point of the two points of intersection of the center circle the position of the device (11), the diameter of the length of the minor axis / segment of the ellipse, with the main axis of the ellipse (10), the rotation component can then be calculated as the angle between the main axis of the ellipse (10) and the line passing through the position of the center of rotation (12) (which has just been calculated) and by the position of the device (11).
  • the "pure" translation movement of the position sensor (21) is then considered to be applied by the user of the device, the translation of the center of rotation (12) (the shoulder) corresponding to the overall movement of the user.
  • the position of the eye relative to the device is then finally determined from the shoulder (the position of the eye having been calibrated initially).
  • the left frame (15) illustrates different devices, the first using an additional orientation sensor (20), the second two position sensors (21) allowing measuring the angle difference rotation of the segment supported by the two position sensors (21) in question, the third having two position sensors (21) and an orientation sensor (20) to refine the angle overall measured by correction / filtering.
  • These devices all illustrate the same case namely that to deduce the position and the total rotation applied to the member who wears it.
  • the measured orientation By using a virtual limb (19) this time connecting the wrist to the shoulder, and using the wrist positions as consecutive positions of the device (11), the measured orientation then allows an additional possibility of movement: by subtracting the rotation of the wrist calculated by the elliptical trajectory algorithm (FIG. 4) to the global rotation measured (from these orientation measurements), this makes it possible to determine the effective relative rotation of the hand and thus to move it as visible on the frame (16).
  • the hand has a fixed relative attitude, the forearm and the upper arm are free to move.
  • the comfort algorithm has less freedom of movement but has the advantage of being applied from the first position (11) available, of being faster, and of finding a center of rotation (12) undergoing a rotation. may optionally be automatically applied in addition to the elliptical trajectory algorithm according to the user's movement history (if the user does not move his hand almost), or to benefit from an economical battery mode.
  • what has been exposed about the operation of the sensors as a position and orientation controller can also be applied to other members such as the leg, the wrist being replaced by the ankle, the hand by the foot etc.
  • the screen (2) is a retractable screen housed on the front of the hand in the storage position attached to its base (8) , the base of the screen (8) is placed on rails (7) which allow to slide towards the tip of the fingers in the use position. The screen (2) then unfolds from its base (8) and lands on the side of the palm of the hand.
  • An inertia center or equivalent (6) consisting of accelerometers and inclinometers and a GPS is located on the outer face of the hand in an inner pocket of the glove / cuff (1).
  • -A processing module (4) containing the processors and one / or more data buses and possibly what to communicate with an external processing unit (radio / wifi etc.) is located in an inner pocket of the glove / cuff (1) of the inner side of the forearm.
  • An individual using the invention in the portable guide version places the screen (2) in his field of view at a certain distance (9) from his gaze, it allows from the knowledge of the position eyes (calibrated at the beginning) and that of the device (given by the central inertia (6)) to reproduce the corresponding view in the corresponding virtual universe.
  • the device according to the invention is particularly intended for the guided tour and the reconstitution of events in historic places but also for the visualization of construction projects in architecture and real estate or 1 training to a task / scenario, to the current GPS-type navigation, but also to use as a controller for PCs or game consoles.

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Abstract

L' invention consiste en un dispositif et en une méthode d'estimation des positions et attitudes d'un utilisateur (ou machine), le dit dispositif étant fixé à un ou des membres dudit utilisateur. Il permet de déduire la position dudit dispositif par rapport à un ou des points appartenant à des membres supérieurs non couverts par le dispositif, ainsi que la position dudit utilisateur -que ce dernier soit en mouvement ou non-; ces déductions étant faites à partir: de capteurs de position (21) et d' orientation (20) positionnés en des emplacements précis, de l'estimation d'un membre virtuel (19) couvrant les membres intermédiaires non couverts, d'algorithmes d'interprétation de la trajectoire du dispositif, d'éventuelles mesures d'étalonnage. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné aux dispositifs de navigation de type GPS pour la visite guidée virtuelle, mais aussi à l'utilisation en tant que contrôleur/manette pour PC ou console de jeu.

Description

CONTROLEUR DE MOUVEMENTS MOBILE ET ERGONOMIQUE.
La présente invention concerne un dispositif et une méthode et d'estimation des mouvements d'un utilisateur (ou machine) à partir
5 d'un contrôleur fixé à un ou quelques membres dudit utilisateur , c'est un dispositif particulièrement indiqué dans la construction d'assistant de navigation/guides axés sur la visualisation 3D de points d' intérêt (POI) , la visite guidée virtuelle et interactive de sites/événements historiques ou de projets de construction et
]_Q scénarios d'entraînement, mais aussi pour la construction de contrôleurs/manettes pour consoles de jeu et ordinateurs. Il consiste en un moyen de contrôle des mouvements de l'utilisateur permettant de mesurer l'attitude et position des membres évalués, permettant de déduire la position dudit dispositif par rapport à
]_5 l'articulation d'un membre supérieur et/ou à son œil, et dans les cas envisagés, de déduire la position dudit utilisateur. Et cela à partir de simples capteurs de position et d'orientation, que l'utilisateur soit en mouvement ou non (le dispositif étant capable d'exploiter ou d'émettre ces données de repérage).
20 Selon l'état de l'art au dépôt de ce brevet, les dispositifs de contrôle de mouvements conventionnels sont soit des dispositifs totalement fixes de type capteur de position de bras sur vérins axés applications virtuelles, soit des vestes possédant des balises ou capteurs magnétiques/optiques à chaque articulation axés motion
25 capture: la première solution est inadaptée au mouvement de l'utilisateur, la seconde est encombrante (habit obligatoire). Parmi les dispositifs novateurs, il y a : les dispositifs de headtracking par caméra (voir EP0874303 & WO9935633 & US6009210), ceux-ci peuvent être mobiles en théorie mais sont imprécis, lourds en calcul et
30 limités par les occlusions et par le champ de vue de la caméra (utilisation continue efficiente improbable sur PDAs et smartphones) ; il y a aussi les caméras 3D/cameras TOF (US2008261693) qui distinguent mal la profondeur des objets alignés avec la caméra; il y a eu récemment des brassards utilisant des capteurs de tensions
35 et accéléromètres (US2010023314) ou de vestes à capteurs d'orientation et de distance (US2009322763) , ce qui les rend plus mobiles en théorie , mais ceux-ci restent en fait encombrants et peu ergonomiques (tout le bras devant être couvert par le dispositif pour en mesurer les mouvements) ; sur certains GPS/smartphones et PDAs du commerce (WO2008085741 & WO2008030976) , on voit apparaitre la détection du roulis et ce principalement afin de faire basculer le contenu ou circuler dans des menus (ces dispositifs utilisant un accéléromètre) ; sur console de jeu on observe l'arrivée de télécommandes possédant un accéléromètre et un gyromètre ou encore une balise ultrason mêlée à de l'analyse d'images qui permettent de reproduire la plupart des subtilités des mouvements de rotation (US2009325703 & US2008261693) . Néanmoins ces dernières télécommandes se contentent de traiter des trajectoires brutes de la main pour une personne estimée immobile et ne permettent pas de retrouver la position des épaules ou des yeux de l'utilisateur (seule la position de la main est déterminée) : pour y arriver pour un sujet fixe, il faudrait une procédure d'étalonnement de la position de l'œil et de l'épaule (ici seule une longueur de bras moyenne est utilisée lors de l'initialisation et ce pour tous les utilisateurs), il aurait aussi fallu une contrainte de l'ordre de la mécanique statique sur la pose du bras (qui ne devrait pas changer en l'occurrence); pour un utilisateur en mouvement, il faudrait en plus un algorithme d'interprétation de la trajectoire. Ces différentes méthodes
(étalonnage, contraintes et interprétation de trajectoire) sont couvertes par la présente invention, aussi différents modes du dispositif sont couverts afin d'augmenter la liberté de mouvement. Le dispositif selon l'invention possède des moyens de localisation absolue dans l'espace (par exemple GPS dans le cas du dispositif portable -éventuellement doublé d'un compas, d' accéléromètres et de correctifs de position du type DGPS/RTK-; accéléromètres ou balises ultrasons/magnétiques/électriques/optiques dans le cas d'un contrôleur de jeux) ainsi que des moyens de mesure de l'attitude du dispositif (inclinomètres/gyromètres/capteurs de torsion, compas, accéléromètres) ou de déduction de cette orientation afin dans les cas envisagés de situer le positionnement relatif du dispositif par rapport aux yeux de l 'utilisateur (la position des yeux étant estimée ou étalonnée au départ) ; parmi les différents modes de l'invention, il y a un arrangement novateur de ces capteurs sur la main et l'avant-bras afin de mesurer tout le bras. Dans le cas du mode portatif, le dispositif dispose aussi: - d'un écran qui permet la visualisation de l'affichage. - d'une unité de traitement composée d'un ou plusieurs processeurs et éventuellement d'une ou plusieurs puces graphiques dédiées, de mémoire, de capacités de stockage. Dans le cas du mode contrôleur/manette, il dispose aussi d'éventuels éléments de prétraitement et d'éléments de transmission des mesures. Dans tous les cas, tous ces éléments sont agencés autour d'une ou plusieurs formes de transmission de données (comme un bus de données local dans le cas du dispositif portatif, et/ou une transmission par fil ou wireless dans le cas du contrôleur) par le biais desquelles transitent les données de positionnement et d'orientation des capteurs, qui à la fin du canal de transmission rentrent soit sous une forme de stockage, soit par des unités de traitements et de calcul, lesquelles transmettent les informations d'affichage à l'écran en fonction de la position et de l'attitude du dispositif. Dans le cas courant, l'écran affiche en temps réel les images à l'utilisateur, des sorties audio s'occupent de reproduire le son. Le dispositif est conçu afin d'allier utilité/nécessité (en plaçant les capteurs aux points nécessaires) et ergonomie (tout tient dans le conteneur/gant/brassard de manière invisible) . Dans la forme portable du dispositif, une forme de gant qui peut aller de la main à l'avant bras peut transporter l'ensemble du matériel sous forme cachée (à part l'écran , les hauts-parleurs et une mini-interface tactile qui doivent rester visibles) . Le dispositif est conçu de telle manière à déduire la position dudit dispositif par rapport à une zone/articulation non liée à un membre couvert par le dit dispositif ( par exemple le coude, l ' épaule et/ou la tête/l'œil de l'utilisateur) et ce sans contrainte de distance de la dite zone/articulation au dispositif et/ou sans contrainte sur l'attitude du dispositif. Il offre la possibilité de déduire la position globale/absolue dudit utilisateur -et ce que l'utilisateur soit en mouvement ou non par rapport au sol-, toutes ces déductions étant effectuées à partir de ces mêmes simples capteurs (ou balises/marqueurs) de position et d'orientation, ainsi qu'à partir d'éventuelles procédures d'étalonnage initiales de la position d'un ou des membres de l'utilisateur par rapport au dispositif ainsi qu'à partir d'éventuelles contraintes de l'ordre de la mécanique statique posées sur l'attitude de certains membres réels ou fictifs de 1 ' utilisateur ( par exemple interdiction de changer l'angle fait par le coude, ou interdiction de changer l'orientation de la main par rapport au poignet, ou encore distance main/œil ou épaule constante). Des algorithmes de déduction de la rotation effectuée par les membres manquants séparant le centre de rotation global des membres couverts par le dispositif sont utilisés, à savoir:
-un algorithme d'interprétation de la trajectoire elliptique effectuée par le dispositif en un mouvement de translation et un mouvement de rotation (1 ' algorithme est expliqué plus loin) . -un algorithme de position de confort, qui à partir, de la position du membre couvert (par le dispositif) le plus antérieur ( par exemple l'avant-bras), et d'une contrainte d'angle fixe d'un autre membre couvert par rapport à l'axe passant l'articulation de ce dernier et par le centre de rotation (par exemple angle fixe entre la main et l'axe épaule/poignet), déduit l'attitude des membres manquants (ceux entre le dit dispositif et le dit centre) en position de confort: une fois la position du membre antérieur connu, la déduction du centre de rotation se détermine alors comme l'intersection du cercle de centre l'extrémité du membre antérieur (par exemple le coude), de rayon la longueur réelle ou calculée du segment simplifiant les membres manquants, et de l'axe précédemment déterminé. Par exemple, dans le cas d'un dispositif sur la main, on prendra un angle de confort fixe par rapport à l'axe poignet/épaule.
Concernant les contraintes, elles sont appliquées sur les membres non couverts en fonction de l'ampleur de la zone couverte par le dispositif. Par exemple, lorsque que la main est couverte, l'avant- bras et le haut du bras subissent une contrainte d'angle fixe (de distance : main à distance fixe de l'épaule ou des yeux. En revanche si l'avant-bras est couvert par le dispositif, aucune contrainte n'est nécessaire pour mesurer la position de l'épaule et du haut du bras avec l'algorithme par trajectoire elliptique; avec l'algorithme « de confort », seule la main subirait une contrainte d'orientation. On peut aussi utiliser des contraintes pour déduire l'attitude de la tête: on peut imaginer un membre virtuel de longueur variable reliant le dispositif sur la main aux yeux et un autre constant liant les yeux à l'articulation rachis/occiput, on liera alors l'angle fait par les yeux au déplacement du crâne par une fonction linéaire (l'angle fait par les yeux étant égal par exemple à l'angle fait par la tête :1a tête assurant une moitié de la rotation, l 'œil une autre) . La mesure d'étalonnage de la positon d'un membre supérieur (comme la tête/ l'œil) et/ou éventuellement d'un ou plusieurs centres de rotation (comme l'épaule) est effectuée de la manière suivante: il est demandé à l'utilisateur d'approcher le dispositif de la zone à étalonner (comme l'œil), puis d'appuyer sur un bouton ou de faire un geste spécifique permettant la validation de la position comme position étalonnée. Alternativement, la position d'un centre de rotation peut être évaluée en demandant à l'utilisateur de faire un mouvement de rotation pur à l'aide du dispositif, l'unité de traitement calculant alors automatiquement le centre du cercle ou de la sphère approchée à partir de 3 positions du dispositif et de l'intersection des médiatrices des segments liant les dites positions, ou à partir de l'intersection des axes portés par les vecteurs d'accélérations centrales dues à la rotation trouvés à chaque étape (ou encore portés par certains vecteurs normaux au dispositif) . Afin de connaître la pose du membre extrême en position de confort, on peut demander à l'utilisateur de mettre le dispositif situé sur un membre couvert (par exemple la main) en une ou un ensemble de positions de confort puis de valider la ou les positions avant de mettre ce dispositif près du centre de rotation (épaule ou œil par exemple) et de valider cette position. Ainsi un angle initial de confort moyen entre le membre couvert et l'axe centre de rotation/membre couvert est déterminé permettant d'en faire une contrainte pour l'algorithme de déduction d'attitude de confort. Tous les procédés juste décrits applicables aux bras, sont généralisables à la jambe aux doigts, aux yeux, à la tête et au cou.
Selon des modes particuliers de réalisation:
-la (ou les) batterie (s) sont logées dans une poche ou compartiment du gant situé au niveau de l'avant-bras. -le gant est rallongé jusqu'à l'épaule, les accéléromètres et inclinomètres/gyromètres sont remplacés ou aidés par des capteurs de torsion fixés au niveau du poignet du coude et de l'épaule, -le gant/brassard possède des ensembles de boutons de type défilement permettant de changer par exemple la date/moment chronologique du monde virtuel à afficher ainsi qu'un bouton de validation et un bouton d'annulation, -l'écran est un écran tactile, -une partie gant est détachable de la partie brassard de manière à pouvoir utiliser des gants pour gauchers ou pour garder sa main droite libre. De même on doit pouvoir pivoter le clavier pour utilisation sur bras droit ou gauche.
-un moyen de communication permet de relier l'appareil à un autre contrôleur (par exemple un contrôleur identique sur l'autre main) afin de renvoyer un unique jeu de coordonnées pré-traitées ou non.
Modes particuliers de réalisation pour un guide portatif:
- selon l'état de la technique, un simple PDA/PNA/ordinateur de poche peut être glissé dans une poche transparente du gant au niveau de la paume de la main, elle est alors éventuellement reliée à une centrale à inertie qui est fixée à l'intérieur du gant soit sur la face externe de la main soit au niveau du poignet et/ou de l'avant bras. Un programme sur le PDA exécute les procédures de calcul de position, d'orientation et d'étalonnage décrites. -un écran fin est cousu au niveau de la paume ou alors un support est cousu au même niveau (ou de l'autre côté de la main) qui permet de faire glisser horizontalement l'écran ou PDA/PNA/ordinateur de poche de manière à ce qu'il prolonge la main et puisse par exemple être tenu à deux mains. Dans le cas ou le support est attaché au dos de la main, il doit permettre de se cabrer de manière à ce que l'écran puisse être vu du côté de la paume de la main.
-des antennes de réception/transmission logent dans le brassard. Les dessins annexés illustrent l'invention :
Fig. 1 : Détails des éléments constitutifs du dispositif dans sa version de guide/assistant portatif
Fig. 2 : Illustration du mode de fonctionnement selon la version guide/assistant portatif
Fig. 3 : Illustration du mode de fonctionnement selon la version contrôleur/manette pour console/PC Fig. 4 : Illustration d'une méthode d'interprétation d'une trajectoire elliptique en une rotation d'un/des membres du bras et en une translation de la position de l'utilisateur centrée sur
1 ' épaule .
Fig. 5 : Détails des possibles arrangements des capteurs de position et d' orientation (triangle = position/cercle = orientation).
En référence à ces dessins, le dispositif dans sa forme portative consiste en un conteneur ici (gant/brassard) (1) auquel sont joints les éléments suivants : - Un écran (2) sur lequel le monde virtuel où naviguer est affiché
- Une éventuelle interface tactile (3) (voir Fig.l) constituée par exemple de boutons, d'un affichage de type LCD permettant de régler la date désirée des événements et lieux à visualiser. Cette interface étant située du côté intérieur de l'avant bras en surface du gant/brassard (1) , juxtaposée à un haut-parleur. -Une batterie (5) (principale ou secondaire) est logée du côté extérieur de l'avant-bras dans une poche externe dédiée du gant(l). Un individu utilisant l'invention bougeant la main et se déplaçant voit ce mouvements pris en compte ou reproduit à l'écran, en affichant par exemple ce qui se trouve derrière la main à l'écran (voir Fig.2) ou en reproduisant la position de la main par rapport à l'œil sur un moniteur ou télévision (voir Fig.3) . Dans le cas d'une utilisation en temps que contrôleur/manette pour console, on peut envisager que dans un jeu de tir, l'on puisse par exemple approcher une arme fictive 3D progressivement des yeux d'un simple mouvement de la main afin de pouvoir viser, ou encore que l'on puisse par un mouvement panoramique de la main tirer sur les côtés ou par derrière sans avoir à ce que l'œil suive le mouvement de l'arme virtuelle en question (voir Fig.3) . Pour arriver à de tels résultat les capteurs de position (21) et d' orientation (20) du contrôleur doivent couvrir la position et l'orientation de tous les membres du bras ou utiliser des algorithmes permettant l'évaluation de la position et de l'orientation de membres virtuels/fantômes (19) (remplaçant les membres intermédiaires non couverts) qui simplifient la représentation d'un ou de segments de bras réel éventuellement maintenus sous certaines contraintes de mécanique statique (c ' est le cas notamment lorsque plusieurs membres intermédiaires manquent) . Dans la Fig.5, à la première ligne, le cadre à gauche (13) illustre un cas ou seul un capteur de position (21) est utilisé -c'est le cas des appareils de l'état de l'art actuel (smartphones) -, la position du capteur (21) n'est pas importante dans ce cas précis puisque la main est contrainte dans son mouvement comme le reste du bras et ce afin de pouvoir estimer les paramètres de position et d'orientation du « membre fantôme/virtuel » (19) (en l'occurrence c'est-à-dire angle entre l'avant-bras et le haut du bras fixe, angle entre la main et l'avant-bras fixe, et ce de telle manière à conserver une distance fixe entre la main et l'épaule) . A partir d'un certain nombre de positions consécutives (11 ) du capteur de position (21) , on peut appliquer l'algorithme d'interprétation de la trajectoire elliptique (Fig.4) qui permet de séparer la trajectoire elliptique en une composante de rotation par rapport à un centre de rotation (12) prédéterminé (ici l'épaule) et en une composante de translation de ce dit centre de rotation (12) , permettant ainsi de déterminer ce centre (12) malgré son mouvement. Avant d'exécuter cet algorithme, il est possible de transformer l'ellipse selon son petit axe afin que ce dernier corresponde au double de la longueur d'un rayon de rotation souhaité. L'algorithme fonctionne alors comme suit: l'ellipse correspondante est calculée à partir de positions mesurées de sa trajectoire (11), l'axe principal de l ' ellipse (10) fournissant la direction de translation (axe sur lequel se trouve le dit centre de rotation (12) ). La composante de rotation est alors déduite grâce à l'écart de chaque position mesurée (11) par rapport au dit axe (12) et grâce à une fonction trigonométrique inverse (qui renvoie deux valeurs, la valeur la plus cohérente avec l'historique des positions (11) étant choisie), le centre de rotation (12) après translation se définit alors comme le point d'intersection de l'axe principal de 1 ' ellipse (10) et de l'axe passant par la position du dispositif (11) dont l'orientation correspond à la composante de rotation. Alternativement, la position de l ' utilisateur (12) peut être trouvée comme le point le plus cohérent des deux points d'intersection du cercle de centre la position du dispositif (11) , de diamètre la longueur du petit axe/segment de l'ellipse, avec l'axe principal de 1 ' ellipse (10) , la composante de rotation pouvant ensuite être calculée comme l'angle entre l'axe principal de l ' ellipse (10) et la droite passant par la position du centre de rotation (12) (qui vient d'être calculée) et par la position du dispositif (11) . Le mouvement de translation « pur » du capteur de position (21) est alors considéré être appliqué par l'utilisateur du dispositif, la translation du centre de rotation (12) (l'épaule) correspondant alors au mouvement global de l'utilisateur. La position de l'œil par rapport au dispositif est ensuite finalement déterminée à partir de l'épaule (la position de l'œil ayant été étalonnée au départ).
A la deuxième ligne, le cadre de gauche (15) illustre différents dispositifs, le premier utilisant un capteur d' orientation (20) supplémentaire, le second deux capteurs de position (21) permettant de mesurer la rotation par différence d'angle du segment supporté par les deux capteurs de position (21) en question, le troisième possédant deux capteurs de position (21) et un capteur d'orientation (20) afin d'affiner l'angle global mesuré par correction/filtrage. Ces dispositifs illustrent tous un même cas à savoir celui permettant de déduire la position et la rotation totale appliquée au membre qui le porte. En utilisant un membre virtuel (19) reliant cette fois le poignet à l'épaule, et en employant les positions du poignet comme positions consécutives du dispositif ( 11) , l'orientation mesurée permet alors une possibilité de mouvement supplémentaire : en soustrayant la rotation du poignet calculée par l'algorithme de trajectoire elliptique (Fig.4) à la rotation globale mesurée (à partir de ces mesures d'orientation), celle-ci permet de déterminer la rotation relative effective de la main et donc de la bouger comme visible sur le cadre (16) .
Dans la troisième ligne/sous-figure de la Fig.5 à gauche, un cas (17) encore plus enviable est présenté: des capteurs de position (21) et d' orientation (20) sont posés cette fois-ci sur l'avant-bras. Dans le cadre de l'algorithme de trajectoire elliptique (Fig .4) , le cas présenté sur cette ligne (17) est similaires à celui de la ligne précédente ( 15) mais appliqué à l'avant-bras: le dit algorithme est appliqué à la trajectoire poursuivie par le coude (11) pour retrouver la position de l ' épaule (12) , le membre virtuel (19) partant cette fois-ci du coude à l'épaule comme illustré dans le cadre (18). La position du centre de rotation (12) (épaule) étant entièrement déterminée par l'algorithme à partir de l'extrémité interne du dispositif (coude) , la position du membre manquant (le haut du bras) est ainsi entièrement déterminée par ses deux extrémités (coude et épaule), de cette manière il n'y a besoin d'aucune contrainte de mécanique statique et le dispositif est ainsi capable de déterminer la position de chacun des membres du bras . De plus cette disposition du dispositif permet l'usage d'un algorithme alternatif : l'algorithme dit de position de confort. Dans l'algorithme de position de confort, une contrainte est posée sur l'attitude de la main qui doit alors faire un angle constant avec le membre virtuel (19) qui relie dans ce cas le poignet au centre de rotation (12) (à savoir l'épaule) comme représenté sur le cadre (16) à la différence que cette fois ci les possibilités de mouvement sont inversés : la main a une attitude relative fixe, l'avant-bras et le haut du bras sont libres de bouger. L'algorithme de confort possède moins de liberté de mouvement mais a l'avantage de s'appliquer dès la première position (11) disponible, d'être plus rapide, et de retrouver un centre de rotation (12) subissant une rotation, il peut éventuellement être automatiquement appliqué en complément de l'algorithme de trajectoire elliptique suivant l'historique des mouvements de l'utilisateur (si l'utilisateur ne bouge quasiment pas sa main), ou pour bénéficier d'un mode de batterie économique. De manière générale, ce qui a été exposé sur le fonctionnement des capteurs en tant que contrôleur de position et d'orientation peut aussi être appliqué à d'autre membres comme par exemple la jambe, le poignet étant remplacé par la cheville, la main par le pied etc.. Concernant l'utilisation en tant que dispositif portatif (Fig.l&2): -l'écran (2) est un écran rétractable logé sur l'avant de la main en position de rangement attaché à son socle (8), le socle de l'écran (8) est posé sur des rails (7) qui permettent de le faire glisser vers la pointe des doigts en position d'utilisation. L'écran (2) se déplie alors de son socle (8) et se pose du côté de la paume de la main. -Une centrale à inertie ou équivalent ( 6) composée d ' accéléromètres et inclinomètres et d'un GPS est située sur la face extérieure de la main dans une poche interne du gant/brassard (1) . -Un module de traitement (4) contenant les processeurs et un/ou plusieurs bus de données et éventuellement de quoi communiquer avec une unité de traitement externe (radio/wifi etc) se situe dans une poche interne du gant/brassard ( 1) du côté intérieur de l'avant-bras. Un individu utilisant l'invention dans la version guide portatif (voir Fig.2) pose l'écran (2) dans son champ de visée à une certaine distance (9) de son regard, elle permet à partir de la connaissance de la position des yeux (étalonnée au départ) et celle du dispositif (donnée par la centrale à inertie (6)) de reproduire la vue correspondante dans l'univers virtuel correspondant.
Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à la visite guidée et à la reconstitution d'événements dans des lieux historiques mais aussi à la visualisation de projets de construction dans l'architecture et l'immobilier ou encore 1 ' entraînement à une tache/scénario, à la navigation courante de type GPS, mais aussi à l'utilisation en tant que contrôleur pour PC ou consoles de jeu.

Claims

REVENDICATIONS
1) Dispositif d'estimation de la position et de l'attitude des membres d'un utilisateur (ou machine) et éventuellement de la position et orientation de l'utilisateur consistant en une forme de gant ou d'un ensemble de conteneurs (1) fixé aux membres dudit utilisateur contenant des capteurs (ou balises) de position (21) et d' orientation (20) et capable de restituer les positions des membres évalués à partir d'un moyen de communication, de stockage et/ou de calcul et ce afin de pouvoir retranscrire les changements d'affichage liés sur un écran (2), caractérisé en ce qu'il permet de déduire la position dudit dispositif (11) par rapport à une zone/articulation non liée à un membre couvert par le dit dispositif ( par exemple le coude, l ' épaule et/ou la tête/l'œil de l'utilisateur) et ce sans contrainte de distance de la dite zone/articulation au dispositif et/ou sans contrainte sur l'attitude du dispositif, cette déduction étant effectuée à partir de ces même simples capteurs (ou balises) de position(21) et d' orientation (20) , ainsi qu'à partir d'éventuelles procédures d'étalonnage initiales de la position d'un ou des membres de l'utilisateur par rapport au dispositif ainsi qu'à partir d'éventuelles contraintes de mécanique statique posées sur l'attitude de certains membres (19) réels ou fictifs de l'utilisateur lorsque c'est nécessaire ( par exemple interdiction de changer l'angle fait au coude, ou interdiction de changer l'orientation de la main par rapport au poignet, ou encore distance main/œil ou épaule constante) .
2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins soit un ou des inclinomètres/gyromètres/capteurs de torsion, compas, accéléromètres, soit un ou des capteurs ou balises ultrasons/magnétiques/électriques/optiques (20) (21) , permettant de mesurer la position et/ou l'attitude/orientation relative du dispositif, disposés de manière à ce qu'au moins un des éléments cités soient présent par membre couvert par le dispositif.
3) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif couvre la main et l'avant-bras.
4) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte : a) un module de géolocalisation (6) (aidé ou non par un module de correction -externe ou non-) b) un écran (2) fixe ou amovible au niveau de la paume de la main ou au niveau d'un avant-bras. c) une unité centrale (4) assurant le traitement et gérant les entrées et sorties de données.
5) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une disposition des éléments ergonomique liée à la forme de l'invention permet de loger les éléments constitutifs dans une sorte de gant ou brassard (1) ou les éléments de traitement sont cachés et/ou scellés dans des poches (ou dans des conteneurs scellés à leur tour dans ces poches) les protégeant ainsi des chocs/intempéries et du vol.
6) Dispositif selon la revendication 2, possédant des ensembles de boutons de type défilement implantés sur le gant/brassard et permettant de changer la date ou quelconque « moment chronologique » du monde virtuel à afficher, éventuellement secondés par des boutons de validation et/ou d'annulation ainsi que par un affichage dédié (3) .
7) Procédé d'estimation de la position et de l'attitude des membres d'un utilisateur (ou machine) et éventuellement de la position et orientation de l'utilisateur à partir d'une forme de gant ou d'un ensemble de conteneurs (1) fixé aux membres dudit utilisateur contenant des capteurs (ou balises) de position (21) et d' orientation (20) et capable de restituer les positions des membres évalués à partir d'un moyen de communication, de stockage et/ou de calcul et ce afin de pouvoir retranscrire les changements d'affichage liés sur un écran (2), caractérisé en ce qu'il permet de déduire la position dudit dispositif par rapport à une zone/articulation non liée à un membre couvert par le dit dispositif ( par exemple le coude, l ' épaule et/ou la tête/l'œil de l'utilisateur) et ce sans contrainte de distance de la dite zone/articulation au dispositif et/ou sans contrainte sur l'attitude du dispositif, cette déduction étant effectuée à partir de ces même simples capteurs (ou balises) de position (21) et d' orientation (20) , ainsi qu'à partir de procédures d'étalonnage initiales de la position d'un ou des membres de l'utilisateur par rapport au dispositif, ainsi qu'à partir d'éventuelles contraintes de mécanique statique posées sur l'attitude de certains membres (19) réels ou fictifs de l'utilisateur lorsque c'est nécessaire ( par exemple interdiction de changer l'angle fait au coude, ou interdiction de changer l'orientation de la main par rapport au poignet, ou encore distance main/œil ou épaule constante) .
8) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le calcul de la position du membre non couvert voulu passe par le calcul d'un point de rotation (12) attaché (épaule par exemple) qui est séparé du dispositif par un membre virtuel (19) et en ce que ce calcul du point de rotation (12) est effectué grâce à un algorithme permettant d'interpréter une trajectoire elliptique comme une composante de rotation par rapport à un centre de rotation (12) prédéterminé et comme une composante de translation de ce dit centre de rotation (12) , permettant ainsi de retrouver le centre de rotation (12) . Avant d'exécuter cet algorithme, il est possible de transformer l'ellipse selon son petit axe afin que ce dernier corresponde au double de la longueur d'un rayon de rotation souhaité. L'algorithme fonctionne alors comme suit: l'ellipse correspondante est calculée à partir de positions mesurées de sa trajectoire (11), l'axe principal de l ' ellipse (10) fournissant la direction de translation (axe sur lequel se trouve le dit centre de rotation (12) ) . La composante de rotation est alors déduite grâce à l'écart de chaque position mesurée (11) par rapport au dit axe (12) et grâce à une fonction trigonométrique inverse (qui renvoie deux valeurs, la valeur la plus cohérente avec l'historique des positions (11) étant choisie), le centre de rotation (12) après translation se définit alors comme le point d'intersection de l'axe principal de
1 ' ellipse (10) et de l'axe passant par la position du dispositif (11) dont l'orientation correspond à la composante de rotation. Alternativement, la position de l ' utilisateur (12) peut être trouvée comme le point le plus cohérent des deux points d'intersection du cercle de centre la position du dispositif (11) , de diamètre la longueur du petit axe/segment de l'ellipse, avec l'axe principal de 1 ' ellipse (10) ; la composante de rotation pouvant ensuite être calculée comme l'angle entre l'axe principal de l ' ellipse (10) et la droite passant par la position du centre de rotation (12) (qui vient d'être calculée) et par la position du dispositif (11) .
9) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le calcul de la position du membre non couvert voulu passe par le calcul d'un point de rotation (12) attaché (épaule par exemple) qui est séparé du dispositif par un membre virtuel (19) et en ce que ce calcul du point de rotation (12) est effectué de la manière suivante: à partir de la position du membre couvert (par le dispositif) le plus antérieur ( par exemple l'avant-bras) et d'une contrainte d'angle fixe d'un autre membre couvert par rapport à l'axe passant par l'articulation de ce dernier et par le centre de rotation (12) (par exemple angle fixe entre la main et l'axe épaule/poignet), une déduction est faite sur l'attitude des membres manquants (ceux entre le dit dispositif et le dit centre) en position de confort: une fois la position du membre antérieur connu, la déduction du centre de rotation (12) se détermine alors comme l'intersection du cercle de centre l'extrémité du membre antérieur (par exemple le coude), de rayon la longueur réelle ou calculée du membre virtuel (19), et de l'axe précédemment déterminé. La contrainte mentionnée est éventuellement initialement étalonnée pour l'utilisateur.
10) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que une mesure d'étalonnage de la positon d'un membre supérieur (comme la tête/ l'œil) et/ou éventuellement d'un ou plusieurs centres de rotation (12) (comme l'épaule) est effectuée de la manière suivante: il est demandé à l'utilisateur d'approcher le dispositif de la zone à étalonner (comme l'œil), puis d'appuyer sur un bouton ou de faire un geste spécifique permettant la validation de la position comme position étalonnée. Alternativement, la position d'un centre de rotation (12) peut être évaluée en demandant à l'utilisateur de faire un mouvement de rotation pur à l'aide du dispositif, l'unité de traitement calculant alors automatiquement le centre du cercle ou de la sphère approchée (12) à partir de 3 positions du dispositif et de l'intersection des médiatrices des segments séparant les dites positions (11) , ou à partir de l'intersection des axes portés par les vecteurs d'accélérations centrales dues à la rotation trouvés à chaque étape (ou encore portés par certains vecteurs normaux au dispositif) . Afin de connaître la pose du membre extrême en position de confort, on peut demander à l'utilisateur de mettre le dispositif situé sur un membre couvert (par exemple la main) en une ou un ensemble de positions de confort puis de valider la ou les positions avant de mettre ce dispositif près du centre de rotation (épaule ou œil par exemple) et de valider cette position.
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