自由空間定位裝置和方法

2023-06-04 10:34:31 6

專利名稱：自由空間定位裝置和方法
相關申請
本申請與2004年4月30日遞交的題為「自由空間定位裝置」的第60/566,444號美國臨時專利申請相關並要求其優先權，該申請的內容通過引用併入本文。本申請還與2004年9月23日遞交的題為「自由空間定位裝置和方法」的第60/612,571號美國臨時專利申請相關並要求其優先權，該申請的內容通過引用併入本文。本申請還與2005年1月5日遞交的題為「用於去除自由空間定位裝置的無意運動」的第60/641,383號美國臨時專利申請相關並要求其優先權，該申請的內容通過引用併入本文。本申請還與2005年1月5日遞交的題為「自由空間定位裝置及其使用方法」的第60/641,410號美國臨時專利申請相關並要求其優先權，該申請的內容併入本文作為參考。本申請還與2005年1月5日遞交的題為「手持遙控裝置」的第60/641,405號美國臨時專利申請相關並要求其優先權，該申請的內容通過引用併入本文。本申請還涉及與本申請同時遞交的題為「用於去除自由空間定位裝置的無意運動的方法和裝置」、「具有傾斜補償和改進的可用性的自由空間定位裝置」和「基於抖動識別用戶的方法和裝置」的三個美國專利申請(申請號未知)，上述所有申請的內容通過引用併入本文。
背景技術：
本發明描述自由空間定位技術、系統和裝置，以及一些可用於其他類型手持裝置的技術和裝置。
在最近幾十年內，與信息交換相關的技術已經得到快速發展。電視、蜂窩電話技術、網際網路和光通信技術(僅例舉出幾個)相結合，將消費者淹沒在可用信息和娛樂選擇中。以電視為例，在最近三十年內已經引入了有線電視服務、衛星電視服務、按次計費電影和視頻點播。二十世紀六十年代的電視收看者通常可在其電視機上接收約4個或5個無線電視頻道，然而當今的電視觀眾則有機會從數以百計、數以千計甚至可能數以百萬計的節目和信息頻道中進行選擇。當前主要用於旅館等的視頻點播技術提供了從數以千計的電影標題中進行家庭娛樂選擇的可能性。
為最終用戶提供如此大量信息和內容的技術能力為系統設計者和服務提供商帶來了機遇和挑戰。一個挑戰是，雖然最終用戶通常更希望具有較多選擇而不是較少選擇，但是這通常會與其希望選擇過程又快速又簡單相衝突。不幸的是，最終用戶訪問媒體項目的系統和界面的開發導致選擇過程既不快速又不簡單。再次以電視節目為例。當電視在起步階段時，確定觀看哪個節目是相對簡單的過程，這主要是由於選擇數目較小造成的。人們參考經過編排的印製節目表，例如，具有顯示以下項目的對應信息的行和列(1)附近的電視頻道，(2)這些頻道上傳輸的節目以及(3)日期和時間。通過調節調諧鈕將電視調到期望的頻道，觀看者就能觀看選定的節目。然後，出現了遙控裝置，其使得觀看者能夠在較遠距離外調諧電視頻道。這種對用戶電視界面的增加產生了被稱作「頻道衝浪(channel surfing)」的現象，從而觀看者能夠快速查看在多個頻道上播出的較短片斷，以快速地確定任何給定時間的可看節目。
雖然頻道數目和可看內容的數量急劇增加，但是在最近30年間，用於電視的廣泛可用的用戶界面、控制裝置選項和框架並沒有明顯變化。印製節目表仍然是傳遞節目信息的最盛行方式。具有上下箭頭的多按鈕遙控器仍然是最盛行的頻道/內容選擇方式。那些為增加電視用戶界面的媒體內容選擇的設計及實施人員，對於此問題的反應是直接擴充現有的選擇方式及接口對象。因此，增加印製節目表的行數來容納更多的頻道。增加遙控裝置上的按鈕數目來支持附加的功能和內容操作，例如，如圖1所示。但是，這一方法顯著增加了觀看者查看可用信息所需的時間和執行選擇所需動作的複雜性。由此看來，現有接口複雜的特性妨礙了某些服務的商業實施，比如說視頻點播。消費者會牴觸新的服務因為那樣將會使接口(消費者認為這些接口已經過於緩慢和複雜)更加複雜。
除了帶寬和內容的增加之外，用戶界面瓶頸問題還由於技術的集合而得以加劇。消費者更傾向於選擇購買集成系統而不是多個可分離的組件。這一趨勢的一個示例是電視/VCR/DVD的組合，三個之前獨立的組件在當今經常作為一個集成單元出售。這一趨勢可能會繼續，其最終結果可能是，當今家庭中具有的大多數(如果不是所有的話)通信設備將被包裝到一起作為集成單元，例如，電視VCR/DVD/網際網路接入/收音機/立體音響單元。即使那些繼續購買單獨組件的人們也可能希望得到對於單獨組件的無縫控制及其之間的相互配合。上述集合的增加可能使用戶界面的複雜性進一步增加。例如，當引入所謂的「通用」遙控單元以例如結合電視遙控單元和VCR遙控單元的功能時，這些通用遙控單元上的按鈕數目通常大於單獨的電視遙控單元或者單獨的VCR遙控單元上的按鈕數目。按鈕數目和功能的增加使得如果沒有正確搜尋遙控器上的適當按鈕的話將很難控制除了電視或VCR的最簡單方面之外的任何事。通常，這些通用遙控並沒有提供足夠的按鈕來實現多層控制或某些電視機的特定功能。在這種情況下，由於集合的複雜造成的用戶接口問題，還需要使用原遙控單元，並無法減少原本使用多個遙控的麻煩。為了解決此問題，有些遙控單元增加了能夠用專用命令編程的「軟」按鈕。有時這些軟按鈕會附帶LCD顯示屏以指示軟按鈕的功能。這些遙控單元的缺陷是如果不把視線從電視轉到遙控器將很難進行遙控。這些遙控單元的另一項缺陷表現在這些遙控以「模式」的方法來減少按鈕數量。在這些「模式」通用遙控單元上，存在特定的按鈕以選擇遙控與電視機、DVD機、有線電視機頂盒、VCR還是其他裝置通信。這造成了很多使用問題，包括，把命令傳送給錯誤的裝置，使用戶不得不看著遙控以確保處於正確模式，還有它本身並沒對多裝置集合一體的遙控進行任何簡化。最先進的通用遙控單元通過允許用戶將多種裝置的命令序列編程設置到遙控單元而實現一定的集成。但是，這是一項困難的工作，很多用戶僱請專業安裝人員來設置他們的通用遙控單元。
也進行了一些嘗試來改進終端用戶與媒體系統之間的屏幕界面。但是，除了其它缺點之外，這些嘗試一般都無法在較大的媒體項目集合與較小媒體項目集合之間容易地調節(scale)。例如，基於項目列表的界面適用於小媒體項目集合，但要閱覽大的媒體項目集合時則變得乏味冗長。而基於分級導航(樹型結構)的界面與列表界面相比，能夠更快地遍歷大的媒體項目集合，但並不適用於小媒體項目集合。此外，當選擇的過程需要穿過樹型結構的三層或三層以上時，用戶會對選擇過程失去興趣。對於所有上述例子，現在的遙控單元使用戶不得不反覆的按上下按鈕來操作列表或分級導航，使得選擇過程更加的乏味冗長。儘管提供了跳躍控制如上一頁，下一頁，用戶一般要看著遙控單元或經過訓練才知道它們的存在。因此，於2004年1月30日提交的美國專利申請號為10/768,432，名稱為「帶有用於組織、選擇、啟動媒體項目的可縮放圖形用戶接口的控制框架」的申請提出了這樣一種組織框架、技術和系統，其能夠簡化用戶和媒體系統之間的控制及屏幕界面並加快選擇過程，同時允許服務提供商利用終端用戶裝置的可用帶寬的增長來促進為用戶提供大量的媒體項目和新服務。其公開的內容通過引用併入本申請。
本申請說明書特別關注的是可用來與上述框架以及其它應用和系統進行交互的遙控裝置。如以上併入本文的申請所提及，可以在該框架下使用不同類型的遙控裝置，比如跟蹤球(trackball)，「滑鼠」類型的定位裝置，光筆等。但是，可以在該框架(以及其他應用)下使用的另一種遙控裝置是自由空間定位裝置。短語「自由空間定位」在本說明書中代表輸入裝置在例如顯示屏前的三維(或更多維)空間進行移動的能力，以及相應地用戶界面把那些動作直接轉換成用戶界面命令(例如，光標在顯示屏的移動)的能力。自由空間定位裝置的數據傳遞可以無線地實現、或通過將自由空間定位裝置與其它裝置連接的有線來實現。因此，「自由空間定位」不同於例如需要使用平面(例如，桌面或滑鼠墊，該平面用作代理平面，滑鼠在其上的移動被轉換為電腦顯示屏上的光標移動)的常規電腦滑鼠定位技術。這樣的自由空間定位裝置的實例可以從美國專利5,440,326裡找到。
在美國專利5,440,326專利中描述了將垂直的陀螺儀改裝用來控制計算機顯示屏上光標的位置的定位裝置。位於該陀螺儀核心處的電機通過兩對垂直的萬向接頭而懸掛於手持控制器裝置，並標稱地通過懸垂裝置使該電動機的轉軸垂直。當用戶在操作控制器時電光杆角編碼器感測手持控制器的方位，並且得到的電子輸出被轉換為計算機可用的形式以控制電腦顯示屏上光標的移動。
然而，在手持裝置設計領域，以及更具體地，在自由空間定位器設計領域，存在顯著的改進空間。


發明內容
根據本發明的系統和方法針對上述和其它需求，提供了一種手持裝置，例如，自由空間定位裝置，該裝置使用至少一個傳感器來檢測手持裝置的運動。所檢測的運動然後可被映射為期望的輸出，例如光標運動。
根據本發明的一個示例性實施方案，一種定位裝置包括第一轉動傳感器，用於確定所述定位裝置關於第一軸線的轉動並生成與其相關的第一轉動輸出；第二轉動傳感器，用於確定所述定位裝置關於第二軸線的轉動並生成與其相關的第二轉動輸出；加速度計，用於確定所述定位裝置的加速度並輸出與其相關的加速度輸出；以及處理單元，用於基於所述加速度而修改所述第一和第二轉動輸出，以及基於所述修改的第一和第二轉動輸出而生成輸出。
根據本發明的另一個實施方案，一種用於控制自由空間定位裝置的方法，所述方法包括以下步驟檢測是否不存在與所述自由空間定位裝置相關的運動；以及根據所述檢測步驟的結果，將所述自由空間定位裝置設置為功率降低狀態。
根據本發明的另一個示例性實施方案，一種用於控制系統的方法，所述方法包括以下步驟檢測與裝置相關的運動；確定所述運動是否代表所述裝置目前被用戶所持有；以及基於所述確定步驟的結果，控制所述系統。



附圖描述了本發明的示例性的實施方式，其中 圖1顯示了娛樂系統的常規遙控單元； 圖2顯示了本發明可實施的示例性實施方式的一種示例性的媒體系統； 圖3顯示了根據本發明的示例性實施方式的自由空間定位裝置； 圖4顯示了自由空間定位裝置的剖面圖，包括兩個轉動傳感器及一個加速器； 圖5是說明根據本發明的示例性實施方式的、用於處理與自由空間定位裝置有關的數據的方框圖； 圖6(a)-6(d)顯示了傾斜的影響； 圖7顯示了根據本發明的示例性實施方式的自由空間定位裝置的硬體結構； 圖8是說明本發明的示例性實施方式的靜態檢測機制的狀態圖； 圖9是示出了根據本發明一個示例性實施方案的、基於檢測到的手持裝置的手部抖動來識別用戶的方法的流程圖； 圖10(a)-10(d)是根據本發明一個示例性實施方案的、作為基於手部抖動識別用戶的示例性方法和裝置的測試一部分而收集的頻域抖動數據的曲線圖； 圖11是描繪了根據本發明一個示例性實施方案的、與基於手部抖動識別用戶的方法相關的特徵值的圖； 圖12是示出了根據本發明一個示例性實施方案的、與基於手部抖動識別用戶的示例性方法相關的等級劃分結果的圖； 圖13是示出了根據本發明一個示例性實施方案的、將檢測的運動數據由第一坐標系轉換為第二坐標系的方框圖； 圖14用圖表的方式示出了根據本發明一個示例性實施方案的、將檢測的運動數據由第一坐標系轉換為第二坐標系的過程； 圖15是示出了根據本發明一個示例性實施方案的、用於從檢測到的運動中去除無意運動的系統的方框圖；以及 圖16示出了檢測到的、與精細的按鈕點擊和粗略的按鈕點擊相關的運動的各種實施例。

具體實施例方式 下面將參考附圖對本發明進行詳細描述。相同的附圖標記在不同的附圖裡表示同樣或相似的元件。應當理解，下面詳細的描述不是對本發明的限制。本發明的範圍由所附的權利要求書來限定。
為了為以下討論提供一些背景，先參考圖2描述本發明可實施的一個示例性的集合媒體系統200。本領域技術人員可以理解，本發明並不局限於這類媒體系統的實施，而是可以在其中添加或減少部件。其中，輸入/輸出(I/O)總線210將媒體系統200的各系統部件連接到一起。I/O總線210代表用於對媒體系統部件間的信號進行路由的多種不同機制和技術中的一種。例如，I/O總線210可以包括適當數量的，對音頻信號進行路由的獨立音頻「插接(patch)」電纜，對視頻信號進行路由的同軸線纜，對控制信號進行路由的雙線式串行線或者紅外或射頻收發器，以及對其他類型的信號進行路由的光纖或任何其他路由機制。
在該示例性的實施方式中，媒體系統200包括連接到I/O總線210的電視機/顯示屏212、盒式磁帶錄象機(VCR)214、數據視頻碟(DVD)錄製/重放裝置216、音頻/視頻調諧器218和壓縮光碟播放器220。VCR214、DVD216和壓縮光碟播放器220可為單碟或單磁帶裝置，或多碟或多磁帶裝置。他們可以視為獨立的單元也可以是集成一體的。另外，媒體系統200包括麥克風/揚聲器系統222、攝影機224和無線I/O控制裝置226。根據本發明示例性的實施方式，無線I/O控制裝置226為自由空間定位裝置，其相關的示例性的具體實施方式
將在下文描述。無線I/O控制裝置226可通過紅外線(IR)或射頻(RF)發射器或收發器與娛樂系統200進行通信。作為一種選擇，I/O控制裝置經由電線連接到娛樂系統200。
娛樂系統200還包括系統控制器228。根據本發明示例性的實施方式，系統控制器228操作以儲存並顯示來自多個娛樂系統數據源的可用娛樂系統數據，並控制與各系統部件有關的大量功能。如圖2顯示，系統控制器228通過I/O總線210直接或間接地連接各個系統部件(如果需要)。在一個示例性的實施方式中，除了I/O總線210外(或者作為替代)，系統控制器228還裝備有無線通信發射器(或收發器)，其能夠通過IR信號或RF信號與系統部件進行通信。不管採用何種控制媒體，系統控制器228被配置為通過如下描述的圖形用戶界面來控制對媒體系統200的媒體部件。
如圖2進一步所示，媒體系統200可配置為接收來自不同的媒體源和服務提供商的媒體項目。在本示例性的實施方式中，媒體系統200從以下來源之一或全部接收媒體輸入，以及可選地向以下來源之一或全部發送信息有線廣播230，衛星廣播232(例如，通過圓盤式衛星電視天線)，甚高頻(VHF)或超高頻(UHF)無線電頻率通信(比如，通過天線)的廣播電視網絡234，電話網236和有線調製調解器238(或其他網絡內容的來源)。本領域技術人員應當理解，這些參考圖2說明和描述的媒體部件和媒體來源僅為舉例的作用，媒體系統200可以包括更多或更少的媒體部件和媒體來源。比如，系統的其他輸入種類包括AM/FM收音機和衛星收音機。
關於這個示例性的娛樂系統及其相關的框架的更多細節可以從上面提到的、並通過引用併入本文的美國發明申請「帶有用於組織、選擇、啟動媒體項目的可縮放圖形用戶接口的控制框架」中看出。或者，本發明的遙控裝置可以結合其他系統使用，比如，包括例如顯示器、處理器和存儲系統或其他系統和應用程式計算機系統。
如背景技術中已經提到的，本說明書特別關注可以作為自由空間定位的遙控裝置。這些裝置可以將姿勢類動作為轉換為對用戶界面發出的命令。圖3描述了一個示例性的自由空間定位裝置400。其中自由空間定位的用戶動作可以被定義為自由空間定位裝置400在x-軸高度(滾動)，y-軸仰角(斜度)和/或z-軸去向(偏航)或其結合上的運動。另外，本發明的一些示例性實施方式還可以測量自由空間定位裝置400沿x軸、y軸和z軸上的直線運動，以產生光標的移動或其他用戶界面的命令。在圖3中的示例性實施方式中，自由空間定位裝置400包括兩個按鈕402和404以及滾輪406(其他的示例性實施方式可以包括其他的物理設置)。根據本發明示例性的實施方式，可以預料，使用者將在顯示器408前持握自由空間定位裝置400，並且自由空間定位裝置400將其運動轉換為可用來與顯示在顯示器408上的信息相互作用的輸出(例如在顯示器408上移動光標410)。例如，自由空間定位裝置400感測其關於y軸的轉動並轉換成系統可用的輸出，以沿顯示器408的y2軸移動光標410。同理，自由空間定位裝置400感測其關於z軸的轉動並轉換成系統可用的輸出，以沿著顯示器408的x2軸移動光標410。可以理解，除了移動光標以外(或者作為替代)，自由空間定位裝置400的輸出還可以其他方法與顯示器408進行交互，比如自由空間定位裝置可以控制光標亮度強弱、音量或媒體的傳遞(播放、暫定、快進、倒回)。除光標移動外，輸入命令可以包括例如對顯示器的特定區域進行縮放的操作。光標可以是可見或不可見的。同樣，自由空間定位裝置400感測到的其沿x軸的轉動可被作為y軸和/或z軸以外(或附加於y軸和/或z軸)的轉動，以提供用戶界面的輸入。
根據本發明示例性的一個實施方式，如圖4所示，自由空間定位裝置400採用兩個轉動傳感器502及504和一個加速度計506作為傳感器。轉動傳感器502和504可以例如使用由模擬器件製造的ADXRS150傳感器或ADXRS401傳感器來實現。本領域技術人員可以理解，其他類型的轉動傳感器也可以作為傳感器502和504使用，所提ADXRS150和ADXRS401隻是為了用來說明的實施例。不同於傳統的陀螺儀，這些轉動傳感器使用微型機電系統(MEMS)技術，提供附在框架上的共振物質，以使其只能沿一個方向共振。當附著有傳感器的本體沿傳感器的感測軸線轉動時，該共振物質將會移位。可以通過科裡奧利(Coriolis)加速度效應來測量出該移位，以確定與沿感測軸轉動相關的角速度。如果轉動傳感器502和504有一個感測軸線(如ADXRS150一樣)，那麼他們將被安裝在自由空間定位裝置400上使得他們的感測軸與待測的旋轉對齊。在本發明的示例性的實施方式中，這就意味著轉動傳感器504被安裝以使其感測軸線與y軸平行，轉動傳感器502被安裝以使其感測軸線與z軸平行，如圖4所示。但是，應當注意，由於本發明示例性的實施方式中提供了用於對軸線間偏移進行補償的技術，所與並不是必須要求轉動傳感器502和504的感測軸線與其期望的測量軸線平行。
根據本發明的示例性的自由空間定位裝置400的實施所面臨的挑戰是，使用不太貴的部件(比如，轉動傳感器502和504)，但同時又要提供自由空間定位裝置400的運動、用戶期望用戶界面對自由空間定位裝置的特定動作做出何種反應、以及響應於該動作的實際用戶界面執行之間的高度相關性。例如，如果自由空間定位裝置400沒有移動，用戶將會認為光標不應該在顯示屏上飄移。同樣，如果用戶只沿y軸轉動自由空間定位裝置400，他/她將不期望看見在顯示器408上的光標移動有任何明顯的x2軸分量。為實現這些及其他本發明示例性的實施方式，手持裝置400將執行各種測量和計算，這些測量和計算被用來調整傳感器502，504和506中的一個或多個的輸出，和/或作為處理器的輸入的一部分根據傳感器502，504和506的輸出來確定用戶界面的適當的輸出。這些測量和計算是用來補償以下兩種因素的(1)自由空間定位裝置400的固有因素，例如，與裝置400中使用的特定傳感器502，504和506相關的誤差，或者與傳感器在裝置400中安裝方式相關的誤差，以及(2)自由空間定位裝置400的非固有因素，即與用戶使用自由空間定位裝置400的方式相關的因素，例如，線性加速度、傾斜和抖動。下面將描述用於處理上述各因素的示例性技術。
圖5顯示了根據本發明的示例性實施方式的處理模型600，其描述了自由空間定位裝置的常規操作。轉動傳感器502和504以及加速度計506產生模擬信號，這些模擬信號將被周期性(例如，200採樣/秒)地採樣。為了便於討論，通過符號(x，y，x，αy，αz)來表示一組這樣的輸入，其中，x，y，z是示例性的三軸加速度計506的採樣輸出值(分別與自由空間定位裝置在x軸，y軸和z軸方向的加速度相關)，αy是來自轉動傳感器502的、與自由空間定位裝置關於y軸轉動相關的採樣輸出值，αz是來自轉動傳感器504的、與自由空間定位裝置400關於z軸轉動相關的採樣輸出值。
提供了加速度計506的輸出。如果加速度計506提供的是模擬輸出，則通過模擬/數字(A/D)轉換器(未示出)將該輸出採樣並數位化以產生採樣的加速度計輸出602。如轉換功能模塊604所示，將採樣的輸出值從原始單位轉換為加速度單位，例如，重力(g)。加速度校準模塊606提供轉換功能模塊604所用數值。對加速度計輸出602的校準例如包括，對與加速度計506相關的標度、偏移和軸偏誤差中的一個或多個進行補償。使用以下的公式來執行對於加速度計數據的示例性的轉換 A＝S*((M-P).*G(T)) (1) 其中M為由採樣的輸出值(x，y，z)組成的3x1的列向量，其中，P是3x1的傳感器偏移列向量，S是包括標度、軸偏、以及傳感器轉動補償的3x3的矩陣。G(T)是增益係數，其為溫度的函數。操作符「*」代表矩陣的相乘，操作符「.*」代表元素相乘。示例性的加速度計506具有示例的全部範圍+/-2g。當加速度計的測量值為0g時，傳感器偏移P就是傳感器輸出M。標度是指採樣的單位值與g之間的轉換因數。由於例如製造差異的原因，任何給定加速度計傳感器的實際標度可能會偏離那些標稱的標度值。因此上述公式中的標度因數與該偏離成比例。
加速度計506的標度和偏移的偏離可以通過如下方式測量，例如，沿一個軸施加1g的力並得到測量結果R1。然後，施加一個-1g的力並得到測量結果R2。通過以下的公式可以算出單軸的標度s和單軸的偏移p 在這個簡單的例子中，P是由每個軸的p組成的列向量，S是由每個軸的1/s組成的對角矩陣。
但是，除標度和偏移外，加速度計506生成的讀出值也可能受到交叉軸(cross-axes)的影響。交叉軸影響包括未對齊軸(例如，當將加速度計506安裝在自由空間定位裝置400中時，加速度計506的一個或多個感測軸與相應的參考慣性系中的軸未對齊)或與加速度計506本身的加工相關的機械誤差(例如，即使軸對齊了，但是單純的y軸加速度力有可能造成傳感器沿加速度計506的z軸的讀數)。這兩種影響都可以測量並加入到功能模塊606執行的校準中。
加速度計506在根據本發明的示例性實施方案的示例性自由空間定位裝置中起到多個作用。例如，如果使用如上所述的示例性科裡奧利效應轉動傳感器來實現轉動傳感器502和504，則轉動傳感器502和504的輸出將基於每個轉動傳感器所經歷的線性加速度而變化。因此，加速度計506的一個示例性用途在於對轉動傳感器502和504產生的讀數的波動(其由線性加速度的變化而引起)進行補償。這可通過以下運算來實現對經增益矩陣610變換的加速度計讀數進行乘法操作，然後用相應的採樣轉動傳感器數據612減去上述結果或者將上述結果與相應的採樣轉動傳感器數據612相加。例如，來自轉動傳感器502的採樣轉動數據αy可在模塊614處根據如下公式被線性加速度補償 αy′＝αy-C*A(4) 其中，C是由對於沿每個軸線的線性加速度的、以/g為單位的轉動傳感器敏感度構成的1×3的行向量，而A是經校準的線性加速度。類似地，還可在模塊614處對來自於轉動傳感器504的採樣轉動數據αz的線性加速度進行補償。增益矩陣C由於製造差別而根據轉動傳感器變化。可使用多個轉動傳感器的平均值來計算C，或者可為每個轉動傳感器定製C。
如加速度計數據一樣，然後在功能模塊616處將採樣轉動數據612從採樣單位值變換為與角轉動速率相關的值，例如弧度/秒。這一變換步驟也可包括由功能模塊618提供的校準，以向採樣轉動數據補償例如標度和偏移。例如，可使用以下公式來實現對αy和αz的變換/校準 αrad/s＝(α′-offset(T))*scale+dOffset (5) 其中，α′表示被變換/校準的值，offset(T)表示與溫度相關的偏移值，scale表示採樣單位值與rad/s(弧度/秒)之間的變換因數，dOffset表示動態偏移值。公式(5)可實現為矩陣方程，這種情況下除了scale之外所有變量都是向量。在矩陣方程形式中，scale修正軸線失準和轉動偏移因數。下面將更詳細討論這些變量中的每一個。
偏移值offset(T)和dOffset可通過多種方式來確定。例如，當自由空間定位裝置400沒有在y軸方向上轉動，則傳感器502應該輸出其偏移值。然而，偏移可能很大程度上受到溫度的影響，從而使得該偏移值發生變化。偏移溫度校準可在工廠中執行，這種情況下值offset(T)的值被編程到手持裝置400中，或者作為一種選擇，偏移溫度校準也可在該裝置的使用期限中動態學習。為了實現動態的偏移補償，在轉動校準功能模塊618中使用來自溫度傳感器619的輸入，以計算offset(T)的當前值。offset(T)係數從傳感器讀數中去除了大部分偏移傾向(bias)。然而，取消(negate)幾乎所有的光標漂移的零運動(zeromovement)，有利於形成高性能的定位裝置。因此，當自由空間定位裝置400在使用時，可動態計算另外的因數dOffset。靜態檢測功能模塊608確定手持裝置何時最可能為靜態以及何時應該計算偏移。執行靜態檢測功能模塊608的示例性技術及其其他用途如下所述。
dOffset計算的一種示例性實現採用經過低通濾波的、校準的傳感器輸出。靜態輸出檢測功能模塊608向轉動校準功能模塊618提供指示(indication)，以觸發對例如低通濾波器輸出的平均值的計算。靜態輸出檢測功能模塊608也可控制何時將最新計算的平均值計算在dOffset的現有值內。本領域技術人員應該理解，可使用多種不同技術從dOffset的現有值和新的平均值(包括但不限於簡單平均、低通濾波和卡爾曼濾波)計算dOffset的新值。另外，本領域技術人員應該理解，可使用轉動傳感器502和504的偏移補償的多種變化。例如，offset(T)函數可具有恆定值(例如，不隨溫度變化)，可使用兩個以上偏移補償值，和/或可計算/使用單個的偏移值用於偏移補償。
在模塊616處進行了變換/校準之後，來自轉動傳感器502和504的輸入可在功能模塊620處被進一步處理，以將這些輸入轉動到慣性系中，從而對與用戶握持自由空間定位裝置400的方式相關的傾斜進行補償。傾斜修正是本發明的一些示例性實施方案的另一個顯著的方面，其旨在補償根據本發明的自由空間定位裝置的使用模式(usagepattern)的差別。更具體地，根據本發明示例性實施方案的傾斜修正旨在對以下事實進行補償，即，用戶以不同的x軸轉動位置在其手中持有定位裝置，但是自由空間定位裝置400中的轉動傳感器502和504的傳感軸線卻是固定的。理想的情況是，光標在顯示器408上的平移基本與用戶抓握自由空間定位裝置400的方式無關，例如，以通常對應於顯示器508的水平維度(x2軸)的方式前後轉動自由空間定位裝置400應該導致光標沿x2軸平移，以通常對應於顯示器508的垂直維度(y2軸)的方式上下轉動自由空間定位裝置400應該導致光標沿y2軸平移，而與用戶持有自由空間定位裝置400的方位無關。
為了更好地理解根據本發明示例性實施方案的傾斜補償的必要性，考慮如圖6(a)所示的實施例。其中，用戶在示例性慣性系中持有自由空間定位裝置400，所述慣性系可定義為具有0度的x軸轉動值。慣性系可與如圖6(a)所示的方位相對應(僅作為實施例)，或者可定義為任何其他方位。自由空間定位裝置400在y軸或z軸方向上的轉動將分別由轉動傳感器502和504檢測。例如，如圖6(b)所示，自由空間定位裝置400繞z軸轉動Δz將使光標在顯示器408的x2軸線維度上相應平移Δx2(即，光標410的虛線部分與實線部分之間的距離)。
另一方面，如果用戶以不同方位(例如，相對於慣性系具有一定量的x軸轉動)握持自由空間定位裝置400，則傳感器502和504提供的信息將不會(缺少傾斜補償)對用戶的故意界面動作提供準確的表述。例如，參照圖6(c)，考慮用戶以相對於如圖6(a)所示的示例性慣性系具有45度的x軸轉動而持有自由空間定位裝置400的情況。假設用戶同時繞z軸轉動Δz，則光標410將變為在x2軸方向上和y2軸方向上平移，如圖6(d)所示，這是由於轉動傳感器502的傳感軸線的方位正處於y軸與z軸之間(因為位於用戶手中的裝置的方位而導致)。類似地，轉動傳感器504的傳感軸線的方位也在y軸與z軸之間(雖然在不同象限)。為了向用戶提供在如何持有自由空間定位裝置400方面透明的界面，根據本發明示例性實施方案的傾斜補償將傳感器502和504的讀數輸出轉換回慣性系中，作為將這些傳感器的讀數處理為表示自由空間定位裝置400的旋轉運動的信息的一部分處理。
根據本發明的示例性實施方案，回到圖5，上述處理可通過在功能模塊622處使用從加速度計506接收的輸入y和z確定自由空間定位裝置400的傾斜來實現。更具體地，在如上所述加速度數據進行了變換和校準之後，在LPF 624處進行低通濾波，以向傾斜確定功能模塊622提供平均加速度(重力)值。然後，在功能模塊622中計算傾斜θ 值θ可被數值地計算為atan2(y，z)，以避免除以零並給出正確符號。然後，功能模塊620可使用如下公式對變換的/校準的輸入αy和αz執行轉動R 從而使得變換的/校準的輸入αy和αz轉動以補償傾斜θ。在本示例性實施方案中如上所述的傾斜補償是用於將傳感器讀數從物體參考系轉換為用戶的參考系的較普通技術的子集，該技術在以上併入本文作為參考的名為「具有傾斜補償和改進的可用性的自由空間定位裝置」的專利申請中進一步描述。
在對校準的傳感器讀數進行線性加速度補償、並將其處理為表示自由空間定位裝置400的角轉動的讀數、以及對其進行了傾斜補償之後，可在模塊626和628處執行後處理。示例性的後處理可包括補償各種因數，例如人的抖動。雖然可使用幾種不同方法來去除抖動，但是一種去除抖動的方法是通過使用滯後現象。由轉動功能模塊620產生的角速度被結合以產生角位置。然後，將校準幅度的滯後施加至該角位置。對滯後模塊的輸出求導數，從而再次生成角速度。所生成的輸出然後在功能模塊628處進行標度(例如，基於採樣周期)並用來在界面內產生結果(例如，光標410在顯示器408上的運動)。
在對本發明的示例性自由空間定位裝置的處理進行描述之後，圖7示出了示例性的硬體架構。其中，處理器800與自由空間定位裝置的其它部件通信，包括滾輪802、JTAG 804、LED 806、開關矩陣808、IR光電探測器810、轉動傳感器812、加速度計814以及收發器816。滾輪802是使得用戶能夠通過順時針或逆時針轉動滾輪802來向界面提供輸入的任選的輸入組件。JTAG 804向處理器提供編程和調試接口。LED 806在例如按下按鈕時為用戶提供視覺反饋。開關矩陣808接收輸入(例如在自由空間定位裝置400上的按鈕已被按下或釋放的指示)，然後，將該輸入傳遞至處理器800。可提供IR光電探測器810以使得示例性的自由空間定位裝置能夠從其它遙控裝置學習IR編碼。轉動傳感器812為處理器800提供如上所述的例如涉及自由空間定位裝置的y軸和z軸轉動的讀數。加速度計814為處理器800提供涉及自由空間定位裝置400的線性加速度的讀數，以如上所述地用來(例如)執行傾斜補償、以及對線性加速度給轉動傳感器812產生的轉動讀數引入的誤差進行補償。收發器816用來將信息傳送至自由空間定位裝置400以及將從自由空間定位裝置400接收的信息傳送至系統控制器228或與計算機相關的處理器。收發器816可為無線收發器(例如按照用於短程無線通信的藍牙標準來工作)或者紅外收發器。作為一種選擇，自由空間定位裝置400可通過有線線路連接與系統通信。
在圖4的示例性實施方案中，自由空間定位裝置400包括兩個轉動傳感器502和504以及加速度計506。然而作為一種選擇，根據本發明的另一個示例性實施方案，自由空間定位裝置可僅包括一個轉動傳感器(例如，用於測量z軸方向上的角速度)以及加速度計。對於這種示例性實施方案而言，可通過使用加速度計確定沿著軸線的角速度(其不由轉動傳感器檢測)而提供如上所述相似的功能。例如，繞y軸的轉動速度可使用加速度計所產生的數據以及以下公式來計算 另外，還應該去除轉動傳感器未測量到的寄生加速度效應。這些效應包括實際的線性加速度、由於轉動速度和轉動加速度而測量到的加速度、以及由於人的抖動而測量到的加速度。
上面簡要提及的靜態檢測功能模塊608可操作用來確定自由空間定位裝置400是否為例如靜態或動態(運動)。這一分類可通過多種不同方法來進行。根據本發明的示例性實施方案，一種方法是(例如)每四分之一秒計算一次在預定窗口的所有輸入(x，y，z，αy，αz)的採樣輸入數據的變化。然後將該變化與閾值進行比較，從而將自由空間定位裝置劃分為靜態或動態。
根據本發明示例性實施方案的另一靜態檢測技術包括通過例如對輸入數據執行快速傅立葉變換(FFT)而將輸入轉換到頻域中。然後，可例如使用峰值檢測方法來分析數據，以確定自由空間定位裝置400是否為例如靜態或動態。另外，可區分出第三種類，具體而言是用戶持有自由空間定位裝置400但卻並未移動該裝置的情況(本文中也稱之為「穩定」狀態)。當自由空間定位裝置400被用戶持有時，可通過檢測由用戶的手部抖動引入自由空間定位裝置400的細微運動來從靜態(未持有)和動態中區分出這一第三種類。峰值檢測也可被靜態檢測功能模塊608使用來進行這一確定。人的抖動頻率範圍內的峰值(例如，標稱為8-12Hz)通常超出裝置的噪聲水平(當裝置處於靜態和未被持有時所經歷的噪聲)約20dB。
在前述實施例中，頻域中的變化在特定頻率範圍內被檢測，然而，待監測和用來對自由空間定位裝置400的狀態進行特徵化的實際頻率範圍可能變化。例如，標稱抖動頻率範圍可例如基於自由空間定位裝置400的人類工程學和重量從8-12Hz轉移至例如4-7Hz。
根據本發明的另一個示例性實施方案，靜態檢測機構608可包括狀態機。圖8示出了示例性的狀態機。其中，在該實施例中，「活動」狀態是默認狀態，自由空間定位裝置400在該狀態下是運動的，並用來例如為用戶界面提供輸入。自由空間定位裝置400可在該裝置上電(如復位輸入所示)後進入「活動」狀態。如果自由空間定位裝置400停止運動，則其可隨之進入「非活動」狀態。如圖8所示的各種狀態轉換可通過多種不同準則中的任一種來觸發，所述準則包括但不限於轉動傳感器502和504的一個或兩個數據輸出，加速度計506的數據輸出，時域數據，頻域數據或以上數據的任意組合。本文中一般性地使用常規的「條件狀態A→狀態B」來表示狀態轉換條件。例如，當「條件活動→非活動」發生時，自由空間定位裝置400將從「活動」狀態轉換為「非活動」狀態。為了單純的說明目的，考慮在示例性的自由空間定位裝置400中，「條件活動→非活動」可在轉動傳感器和加速度計二者的平均和/或標準偏差值在第一預定時期內降到第一預定閾值之下時發生。當處於「活動」狀態時，可使用一個或多個處理技術(例如線性濾波、卡爾曼濾波、卡爾曼平滑、狀態空間估算、預期-最大化(Expectation-Maximization)或者其它基於模式的技術)，將從運動傳感器(例如轉動傳感器和/或加速度計)接收到的數據分為與用戶引入的故意運動相關的第一數據以及與用戶引入的無意運動(抖動)相關的第二數據。然後可對第一數據進行進一步處理，以生成與手持裝置的故意運動相關的輸出，而可將第二數據作為用於例如用戶識別的抖動輸入來使用，下面將更詳細描述。
狀態轉換可基於解釋(interpret)的傳感器輸出，通過多個不同條件來確定。示例性的條件規則包括使用以下的值來觸發狀態轉換解釋的指定信號在時間窗口上的變化，基準值與解釋的信號之間在時間窗口上的閾值，基準值與濾波後的解釋的信號之間在時間窗口上的閾值，以及基準值與開始時的指定信號之間的閾值。這些條件規則的所有或者其中任意組合可用來觸發狀態轉換。作為一種選擇，也可使用其它規則。根據本發明的一個示例性實施方案，從「非活動」狀態向「活動」狀態的轉換在滿足以下條件之一時發生(1)傳感器輸出的在時間窗口上的平均值大於預定的閾值；(2)傳感器輸出在時間窗口上的變化大於預定的閾值；(3)傳感器值之間的瞬時增量大於預定值。
「非活動」狀態使得靜態檢測機構608能夠在短暫停頓之間區分出自由空間定位裝置400仍然被使用(例如大約十分之一秒)還是實際轉換到穩定或靜態狀態。這避免了在使用自由空間定位裝置時無意地執行在「穩定」和「靜態」狀態下執行的功能(如下所述)。當「條件活動→非活動」發生時(例如，如果在「非活動」狀態下的第二預定時期過去之前，自由空間定位裝置400再次開始運動，從而使得由轉動傳感器和加速度計測量的輸出超過了第一閾值)，自由空間定位裝置400將轉換回到「活動」狀態。
在第二預定時期過去之後，自由空間定位裝置400將轉換至「穩定」狀態或者「靜態」狀態。如上所述，「穩定」狀態反映了自由空間定位裝置400由用戶持有但卻未運動的特性，而「靜態」狀態則反映了自由空間定位裝置未被用戶持有的特性。因此，根據本發明示例性的狀態機可提供在第二預定時期過去之後，如果出現與手部抖動相關的最小運動，則轉換至「穩定」狀態，否則轉換至「靜態」狀態。
「穩定」和「靜態」狀態限定了自由空間定位裝置400可在其間 執行各種功能的時間。例如，由於「穩定」狀態旨在反映用戶持有自由空間定位裝置400但未使其運動的時間，因此該裝置在處於「穩定」狀態時可例如通過在該狀態時存儲轉動傳感器和/或加速度計的輸出來記錄自由空間定位裝置400的運動。這些存儲的測量值可用來確定與一個或多個特定用戶相關的抖動模式，如下所述。同樣，在處於「靜態」狀態時，自由空間定位裝置400可從轉動傳感器和/或加速度計獲取讀數，用於進行如上所述的偏移補償。
如果自由空間定位裝置400在處於「穩定」或「靜態」狀態下開始運動，則可觸發回到「活動」狀態。否則，在進行測量之後，該裝置可轉換到「睡眠」狀態。在處於睡眠狀態時，裝置可進入省電(powerdown)模式，這時，自由空間定位裝置的功率消耗降低，並且例如轉動傳感器和/或加速度計的採樣速率也降低。也可通過外部命令進入「睡眠」狀態，使得用戶或其他裝置能夠控制自由空間定位裝置400進入「睡眠」狀態。
在收到另一命令時，或者如果自由空間定位裝置400開始運動時，該裝置可從「睡眠」狀態轉換至「甦醒」狀態。與「非活動」狀態類似，「甦醒」狀態為裝置提供了能對向「活動」狀態的轉換是否適當的確認機會，例如，自由空間定位裝置400未受到無意的推擠。
狀態轉換的條件可以是對稱的，也可以是不同的。因此，與「條件活動→非活動」相關的閾值可以同與「條件非活動→活動」相關的閾值相同(或不同)。這使得根據本發明的自由空間定位裝置能夠更精確地捕獲用戶輸入。例如，包括了狀態機實施的示例性實施方案尤其使得轉換至靜態狀態的閾值與從靜態狀態轉換出的閾值不同。
進入或離開一個狀態也可用來觸發其他的裝置功能。例如，可基於從任何狀態轉換至「活動」狀態而對用戶界面上電。相反，當自由空間定位裝置從「活動」或「穩定」向「靜態」或「非活動」轉換時，自由空間定位裝置和/或用戶界面可被關閉(或進入睡眠模式)。作為一種選擇，光標410可基於自由空間定位裝置400從靜態狀態轉換出或者轉換至靜態狀態而顯示在屏幕上或從屏幕上消失。
抖動 如上所述，手持裝置處於「穩定」狀態的持續時間可例如用來記憶與特定用戶相關的抖動數據。通常，每個用戶會表現出不同的抖動模式。根據本發明的示例性實施方案，用戶抖動的這一性質可用來識別當前哪個用戶正在持有該手持裝置，而無需用戶部分執行任何其它動作(例如，輸入口令)。例如，在用戶被要求儘可能穩定地持有自由空間定位裝置例如10秒的初始化期間，用戶的抖動模式可被手持裝置或系統記憶(例如，存儲於自由空間定位裝置400中或傳輸至系統)。
這一模式可被用作用戶執行多種用戶界面功能的唯一(或準唯一)籤名。例如，用戶界面和/或手持裝置可通過將當前抖動模式與存儲於存儲器中的抖動模式進行比較而從一組用戶(例如，家庭)中識別用戶。該識別可隨後用來例如檢索與被識別的用戶相關的偏好設置。例如，如果自由空間定位裝置與以上通過引用併入本申請作的媒體系統一起使用，則可在系統經由抖動模式比較而辨別出用戶之後，啟動與用戶相關的媒體選擇項目顯示偏好。也可使用抖動辨別而實現系統安全，例如，可在用戶拾取自由空間定位裝置400之後執行的用戶識別基礎上，禁止或限制對系統的訪問。
可採取多個不同方法來實現根據本發明的抖動模式檢測、分類和存儲的方案。現在將參照圖9-12描述一個示例性的實施方案。劃分抖動模式的完整方法在圖9的流程圖中示出。其中，在步驟900收集來自多個用戶的數據集。數據集的收集可以是訓練/初始化處理(其中，要求用戶在預定時間內(例如5-15秒)以不引入故意運動的方式持有定位裝置)的一部分，或者可在手持裝置的使用期間同步地(on-the-fly)執行數據集的收集。此外，數據收集可在以預定方位持有手持裝置時執行。圖10(a)-10(d)中示出的純示例性的頻譜數據是從以四個不同方位持有自由空間定位裝置400的特定用戶收集到的。
回到圖9，收集的數據可隨後進行處理，以識別各自與手持裝置400的不同用戶相關的類別。例如，可從各個收集的數據集合中提取出一個或多個特徵集合，以在步驟902的分類處理中使用。一個或多個特定的特徵集合(被選擇出來以在步驟902中使用)被選擇用來對抖動數據進行良好的類別劃分，並且可根據與經由抖動過程的用戶識別相關的實施參數(例如包括分類池中待辨別的用戶數目，在步驟900中收集的訓練數據的數量和類型，裝置特性，例如參照圖8所述的狀態信息以及相關的貝葉斯用戶信息(例如時刻))而變化。可在步驟902中採用的特徵集合的一個示例性列表在表1中提供。
表1 關於這些特徵集合的信息和相應的測試可在J.Jakubowski、K.Kwiatos、A.Chwaleba和S.Osowski的文章「用於抖動識別的較高級別的統計和神經網絡(Higher Order Statistics and Neural Network ForTremor Recognition)」(IEEE生物醫學工程學報(IEEE Transactionson Biomedical Engineering)，2002年2月第2期第49卷152-159頁)中找到，該文章的內容通過引用併入本文。根據下面將更加詳細描述的本發明一個純示例性的實施方案，收集的數據的功率譜密度(PSD)的低頻頻譜在步驟902中被用作特徵集合。除了以上列出的域、變換等之外，特徵集合也可基於在要進行抖動檢測/識別的手持裝置中可用的傳感器的數目和類型而變化。例如，在先前的示例性實施方案中描述的手持的自由空間定位裝置400中，可從一個或兩個轉動傳感器、加速度計或其任意組合處收集抖動數據。
在從收集的數據提取了特徵集合之後，可在步驟904中減小特徵集合。更具體地，可在步驟904中將特徵集合減小為能夠最佳地表述用於區分類別(用戶)的特徵集合。例如，可從減小的特徵集合中省略用戶抖動數據的DC值，而該減小的特徵集合可包括9Hz的用戶抖動數據值，這是由於後者可用於區分不同用戶的手部抖動。該減小的特徵集合例如可以是採用主成分分析(PCA)算法確定的最富表現力的特徵(MEF，Most Expressive Feature)集合。PCA算法對特徵集合進行奇異值分解，以自動找出能最佳表達特徵向量的適當基向量集合(以最小均方差(MMSE)的方式)。應用PCA技術的示例可在P.Navarrete和J.Ruiz-del Solar所著的「人臉的基於本徵空間的識別比較和新方法(Eigenspace-Based Recognition of FacesComparisons and aNew Approach)」(圖像分析和處理(Image Analysis and Processing)，2001)中找到，該文章的全部內容通過引用併入本文。
然後，在步驟908用減小的特徵集合識別群集(cluster)，這一處理可採用監督學習(其中，該處理基於那個用戶貢獻了那些數據集的先驗知識進行操作)或者無監督學習(其中，處理不具有任何先驗信息)來執行。可應用各種技術來確定與根據本發明的示例性實施方案的抖動數據相關的群集，這些技術例如包括K-平均聚類(K-meansclustering)和RBF神經網絡分類。在識別了群集後，在步驟910，與被識別的群集相關的估算統計(例如，平均和/或協方差)可用來將新的特徵向量區別為位於某些群集內或某些群集外，即，基於當前的傳感器輸出對當前持有手持裝置400的用戶進行識別。可通過在最初的用戶/群集實例化之後，在傳感器工作期間提煉群集中心，使得所述通過使用傳感器狀態信息(例如，如上參照圖8所述)的學習方法得以改進。通過這種方式，最大數量的可用數據被用來(以監督的方式)提煉群集，以支持進一步的非監督學習。
為了測試上述基於檢測的手部抖動來識別用戶的示例性技術，利用如上參照圖9的流程圖所述的一般方式，對與四個其他用戶相關的數據集合(除了圖10(a)-10(d)中所述的數據之外)進行收集和分析，以證明手部抖動分析可用來區別/識別不同用戶。這些數據集合中的兩個從持有手持裝置的同一個人處收集，而另外三個數據集合從持有手持裝置的不同人處收集。在該測試中，在步驟900中，從兩個轉動傳感器812處收集用於五個數據集合中每一個的數據。每個數據集合被處理為均值為0和單位方差(unit variance)。為了這一示例性測試，在步驟902中，來自PSD估算的低頻頻譜(例如峰值頻率)被用於特徵集合提取，並在數據收集時間上進行平均。更具體地，使用256點FFT，並且在0-30Hz的頻率範圍內，在N＝2048點上平均具有75％的交疊。被提取的特徵集合使用PCA算法從38×20矩陣減小為20×20矩陣，PCA算法適當地辨別與提取的特徵集合相關的某些特徵向量與其它特徵向量相比表現力較弱，因此可將其丟棄。圖11示出了在本實施例中作為步驟904一部分生成的特徵向量。其中，線1100表示與特徵集合2(從轉動傳感器504收集的數據，z軸轉動)相關的特徵向量，而線1102表示與特徵集合1(從轉動傳感器502收集的數據，y軸轉動)相關的特徵向量。
在這一測試情況下，群集步驟是基於那個用戶產生那些數據集合的先驗知識(監督學習)來執行的。在實際的實施中，在步驟906，可能採用如上所述的其中之一的自動群集技術。對於這一純粹示例性的測試，為從轉動傳感器502和504接收到的數據單獨識別群集，以限定出與每個數據集合相關的兩類質心(centroid)。然後，計算兩類質心和數據集合中的每個向量之間的距離(在本實施例中為歐幾裡得距離)總和。這一過程的結果如圖12所示。其中，x軸表示減小的數據集合向量，y軸表示到不同類別(用戶)質心的距離以及垂線分區距離(partition distance)。可以看出，在每個分區內，相關類別的向量到質心的距離明顯小於其它類別的向量到質心的距離，這顯示了良好的類別分隔和在用戶引入手持裝置的手部抖動基礎上區分/識別用戶的能力。進行一些特定的選擇(例如，選擇特徵集合等)，以執行上述示例性測試，但是本文中所述的這些選擇僅作為示例。
可根據本發明的示例性實施方案採用多種變形。例如，在步驟908中識別群集之後，可執行群集辨別步驟以強調每個群集的區別特徵。群集判別式操作用以向提供集合內的最小分組以及集合間具有最大距離的數據應用變換矩陣。給定一個描述了總協方差的集合的矩陣，和另一個描述了每個群集的協方差總和的矩陣，線性判別式的任務在於推導出能夠同時最大化類別之間距離和最小化類別內散布(scatter)的線性變換。雖然在模式識別的一般領域中具有多種眾所周知的判別式，例如費希爾線性判別式(FLD)，但是並非所有都適合於本文描述的基於手部抖動來識別用戶的具體問題。在前述實施例中使用的一個具體判別式稱作EFM-1判別式，其在C.Liu和H.Wechsler所著的題為「用於人臉識別的增強費希爾線性判別式模型」的文章(第14屆模式識別國際會議論文集(Proc.14th International Conference onPattern Recognition)，澳大利亞昆世蘭州，1998年8月17-20日)中進行描述，該文章的內容通過引用併入本文。
此外，雖然上述測試是採用根據本發明的上述示例性實施方案描述的手持定位裝置來執行的，但是基於抖動的用戶識別並不受此限制。實際上，基於抖動的識別可在具有能夠生成抖動數據的任何類型的運動傳感器(包括陀螺儀)的任何其他類型的自由空間定位裝置中使用。此外，根據本發明的基於抖動的識別也並不局限於定位裝置，而是可在併入了一個或多個運動傳感器或具有測量與之相關的手部抖動的其它機制的任何手持裝置(例如，蜂窩電話、PDA等)中使用。可使用並執行訓練過程，例如步驟900-908，隨後，手持裝置可執行這樣的方法，即簡單地收集與當前用戶的手部抖動相關的數據，將該數據與之前設立的用戶類別相比較，以識別當前用戶。這一身份信息可隨後在多種不同應用中使用，上面已經描述了這些應用的示例。
例如，(通過基於抖動的識別或另一識別技術辨別的)用戶的身份可用來解釋用戶做出的姿勢，從而向用戶界面發送命令，例如以上通過引用併入本文的專利申請所述。例如，在基於姿勢的命令系統中，時間上的運動模式與特定的界面命令相關聯，不同的用戶可採用手持裝置在時間上稍微不同的運動模式，以發啟相同的界面命令(與不同人具有不同的筆跡式樣非常類似)。提供用戶識別的能力可隨後映射為不同的姿勢模式，例如，存儲於手持裝置中或系統中，從而系統作為整體能夠適當地將每一時間上的運動模式識別為用戶發起的命令姿勢。
參考系映射 如上所述，本發明的示例性實施方案處理從自由空間定位裝置中的傳感器接收到的運動數據，以將該數據從自由空間定位裝置本體的參考系轉換到另一參考系(例如用戶的參考系)中。在用於控制在屏幕(例如電視)上顯示的用戶界面的自由空間定位裝置的示例性應用中，用戶的參考系可以是與電視屏幕相關的坐標系。無論如何，通過形成來自用戶角度而不是空間定位裝置角度的操作，將數據從本體參考系轉換到另一參考系中將會改進手持裝置的可用性。因此，當用戶在持有自由空間定位裝置時使其手部在顯示器前方從左向右移動時，不論自由空間裝置的方位如何，左邊的光標均會將向右運動。
為了簡化這一討論，圖13中示出了與自由空間定位裝置(例如，如上所述)相關的示例性處理系統。其中，手持系統使用一個或多個傳感器1301(例如，轉動傳感器、陀螺儀、加速度計、磁強計、光學傳感器、照相機或它們的任意組合)來檢測運動。然後，在模塊1302中對傳感器進行解釋，以對發生的運動進行估算。處理模塊1303然後將測量的運動從自然(本體)參考系轉換至用戶的參考系中。該運動然後被映射1304為預期義的動作，該動作在模塊1305處進行解釋並發送至系統，以形成預期義的響應，例如移動屏幕上的光標。
模塊1303將檢測的運動轉換到用戶的參考系中而不是裝置的參考系中。可通過多種不同的數學上類似的方法來表述方位，這些方法包括歐拉角、方向餘弦矩陣(DCM)或單位四元數(unit quaternion)。位置通常被表述為以一致單位表示的相對於坐標系原點的偏移，所述一致單位包括但不限於米、釐米、英尺、英寸和英裡。在上述的一個示例性實施方案中，自由空間定位裝置測量包括加速度和轉動速度的慣性力。這些力被安裝在裝置中的傳感器相對於裝置的本體而測量。為了將測量的數據轉換到用戶參考系中，定位裝置估算其位置和方位。
在該示例性實施方案中，假設用戶參考系是靜止的並且具有固定的方位，但是本領域技術人員可以理解，根據本發明的這種技術可容易地擴展到用戶參考系是非靜止的情況(通過直接變換到時變系，或者首先變換到靜止系然後變化到運動系)。對於靜止、固定方位的用戶參考系的示例，從本體參考繫到用戶參考系的變換可通過使用以下公式來計算 Pu＝Rotate(Pb，Q)+Pdelta Pu』＝Rotate(Pb』，Q) Pu」＝Rotate(Pb」，Q) Wu＝Rotate(Wb，Q) Wu』＝Rotate(Wb』，Q) 其中 Rotate表示四元數轉動算子，Rotate(A，Q)等於Q*AQ，其中，Q*是四元數共軛，向量A是複數分量等於A而實數分量等於0的四元數； Pu是在用戶參考系中的位置； Pb是在裝置參考系中的位置； 』表示求導。因此，Pu』是用戶參考系中的位置的導數，即，用戶參考系中的速度； Wu是在用戶參考系中的、裝置的本體角的角速度； Wb是在裝置的本體參考系中的、裝置的本體角的角速度； Pdelta是在用戶參考坐標系中的、用戶參考系的原點與本體參考系的原點之間的差值； Q是規一化的轉動四元數，其表示從本體參考繫到用戶參考系的轉動。由於從用戶參考繫到本體參考系轉動的轉動四元數為Q*，因此我們可以用R*代替Q，其中，R是從用戶參考繫到本體參考系的轉動。注意，可使用多種等價形式(包括歐拉角和方向餘弦矩陣(DCM))來表示Q，上面的公式可根據Q的不同表述而在其等價形式上略有變化。圖14圖解示出了從本體參考繫到用戶的參考系的轉換。
在操作過程中，定位裝置以實施獨立的方式估算Q，以執行這一轉換。上述的一個示例性實施包括補償傾斜(即，自由空間定位裝置基於其被用戶持有的方式在x軸滾動上的變化)。通過首先估算由於本體參考系中的重力Ab引起的加速度分量來計算方位。根據定義，由於用戶參考系中的重力Ag而引起的加速度向量被設置為
。由於重力不能估算方向(heading)(繞z軸的轉動)，所以使用本體參考系來估算方向。因此，轉動四元數具有在z＝0平面上的轉動軸線。下面是計算轉動四元數的幾個數學等價方法中的一種 V＝‖Ab‖x‖Ag‖(單位向量的叉積) qV＝‖V‖ α＝四元數[qV，α/2]＝[qV*sin(α/2)，cos(α/2)] 然後計算位置作為用戶參考系中加速度的二重積分。用戶參考系中的加速度是通過以上的Q轉動到用戶參考系中的本體參考系的加速度。通常，在裝置第一次啟動時假設原點為0，但在正常的人工或自動操作期間可將原點復位。
通常，當裝置未運動時，Pu』、Pu」、Wu』和Wu」都為0。在該示例性實施方案中，測量Pb」和Wb。雖然存在無限多個轉動Q，但可基於Wb來從可用集合中選擇最小轉動並用該最小轉動來估算Wu。作為一種選擇，可使用假設的啟動偏移方位Qo，通過在時間上對Wb積分來計算Q，所述積分使用如下的離散時間積分來進行 WbAngle＝|Wb|*時期 QDELTA＝[‖Wb‖sin(WbAngle)，cos(WbAngle)] QNEXT＝Q0**QDELTA其中，*表示乘法，**表示四元數乘法。通過恆定場向量(包括重力和地球磁場)可提供附加的穩定性，該附加穩定性可與上述結果相結合。所述結合可通過使用幾種數值和濾波方法(包括但不限於卡爾曼濾波)來獲得。
可採用多個不同傳感器，只要它們能夠測量相對於裝置本體的運動即可。示例性的傳感器包括加速度計、轉動傳感器、陀螺儀、磁力計和攝像機。用戶參考系並非必須是靜止的。例如，如果將用戶的參考系選為用戶的前臂，則定位裝置將僅對腕部和手指運動進行響應。
本領域技術人員可以理解，本發明描述的參考系變換具有交換性。因此，數學運算的順序可被改變，而不會對本文描述的本發明造成實質影響。另外，尤其是在用戶參考系被選為以恆定方位保持靜止時，可等價地對參考系運用許多運動處理算法。
除了提供使用方便性之外，根據本發明這一示例性實施方案的參考系變換也可用來針對手持裝置實施中的其它挑戰。例如，如果傳感器(例如加速度計)沒有精確位於本體參考系的轉動中心處，則測量的加速度將包括該參考系的加速度以及由參考系的轉動而引起的加速度。因此，測量的加速度可首先使用以下關係被轉換為裝置的本體參考系內的不同目標位置 Abody＝Aaccelerometer+ω』xR+ωx(ωxR) 其中，R是從加速度計到目標位置的向量，ω是本體參考系的角速度，而ω』是本體參考系的角加速度。如果裝置的本體參考系被構建為位於距離加速度計R處，則其應該具有零角加速度效應，並且可更容易地用來計算裝置在用戶參考系中的運動。這將對加速度計與本體參考系中心之間的預期或無意的失準進行補償。另外，對重力向量的估算將變得簡單得多，這是因為在轉動中心處施加的力非常小。因此， Auser＝Rotate(Abody，Q) 其中，Q是從本體參考繫到加速度計參考系的轉動。
不幸的是，不同的用戶具有不同的R值。例如，一個用戶可通過轉動其肘部而使用手持裝置，而另一個用戶可通過轉動其腕部而使用該裝置。另外，人們具有不同大小的腕部和前臂。為了改進可用性，該手持裝置的示例性實施方案動態地計算R，並移動本體原點以使其由於角運動而引起的加速度分量最小。該示例性實施方案將R定義為[Rx，0，0]，使用並最小化Abody-Rotate[Ag，Q]來求出Rx，從而估算R。注意，存在許多數值方法可執行最小化以計算Rx，包括遞歸最小二乘方和卡爾曼濾波。
根據以上所述可以理解，本發明描述了將檢測的手持裝置的運動從一個參考系(例如，本體參考系)映射到另一個參考系(例如，用戶參考系)的多種技術。這些映射可獨立於其它與手持裝置的使用相關的映射(例如，將檢測到的運動映射為光標運動)或者可以其相結合。此外，可執行根據本發明的變換，以從運動方程的輸入端或輸出端的角度，對在所有三個維度上檢測的運動(平移運動和轉動運動或其任意子集)進行變換。另外，可通過多種不同方法來選擇將檢測的運動映射或轉換到其中的參考系。以上提供一個實施例示出了第二參考系是與裝置的傾斜相關的用戶的參考系，但是，許多其它變化也是可能的。例如，用戶可選擇其期望的參考系，這一設定可存儲在手持裝置中作為多個用戶偏好的其中之一，並被用來執行變換。其他實施例包括用戶識別和顯式命令(例如，按鈕或用戶界面選擇)作為選擇第二參考系的技術。
另外，雖然一些示例性實施方案描述了對速度域中數據的以上運算，但本發明並不受限於此。作為一種選擇或者附加地，可對例如位置或加速度數據執行根據本發明的映射或變換，或者可將根據本發明的映射或變換用於平移運動和/或轉動運動。同樣，處理的順序並不重要。例如，如果手持裝置用來輸出姿勢命令，可首先執行映射然後確定姿勢，或者也可首先確定姿勢，然後執行映射。
去除無意運動 根據本發明的示例性實施方案，用於對檢測的運動進行處理的技術去除由於例如其它用戶裝置的交互(例如按鈕啟動，和/或抖動)而引起的不期望的效應。通常，如圖15所示，系統的輸入是握持手持自由空間定位裝置的人的運動。該運動由自由空間定位裝置檢測(模塊1510)並被處理為代表性運動(例如在模塊1512)，其詳細實施例已在上面描述。但是應該注意，本發明的這些示例性實施方案並未局限於以上描述的示例性的手持自由空間定位裝置400，而是可明顯地包括其它手持裝置，例如，使用其它類型運動傳感器的自由空間定位裝置。然後，所述代表性運動被轉換為預期義的表述(模塊1514)，該表述在模塊1516由根據本發明的示例性實施方案的「人為因數(humanfactor)」技術處理。在本文描述的示例性實施方案中，人為因數處理1516的輸出隨後被映射為例如2D定位器(pointer)運動。被處理的運動然後由手持裝置輸出，該輸出的一個實施例是能夠用來控制屏幕上定位器運動的數據。
本發明的這一示例性實施方案包括用於在用戶啟動的事件(包括按鈕點擊)期間處理運動的多種不同技術。根據第一示例性實施方案，在用戶動作(例如按鈕點擊)發生之後，採用距離閾值和時間閾值來處理運動傳感器(例如，轉動傳感器、磁力計、攝像機及其組合等)生成的運動信息。僅有距離可能不足以在按鈕點擊期間形成穩定和響應性的定位器。當手持裝置檢測出按鈕按壓時，來自1516的輸出定位器運動被抑止，直到距離超過距離閾值或者經受的時間超過時間閾值。對於例如按鈕按壓動作和按鈕釋放動作，距離和時間閾值的一個或兩個可以是不同的。可隨意地通過向手持裝置發送命令來使示例性的按鈕處理無效。
不同的按鈕還可具有彼此不同的閾值。手持裝置在按鈕點擊期間所經歷的運動量取決於多個因數，包括但不限於用戶、按鈕啟動力、按鈕移動以及按鈕相對於手持裝置的支撐中心(通常位於用戶手部)的位置。按鈕運動處理參數可單獨進行設置，以優化每個按鈕的性能。另外，可基於會話歷史學習參數，或者如果系統能夠識別用戶的話，基於該用戶進行學習。
另外，人為因數處理功能模塊1516可存儲和追蹤手持裝置的以往運動歷史。例如，當手持裝置檢測到已經按壓按鈕時，則該手持裝置中的處理單元可倒退到用戶啟動該按鈕的事件之前的時刻。實際上啟動按鈕花費了非限定(non-finite)的大小可測量的時間，該時間可由心理測試和動態裝置測量來確定。當按鈕被啟動時，通過刪除在按鈕啟動發生期間/之後由運動傳感器獲取的數據樣本，裝置可回復到發生按鈕啟動之前的狀態。因此，在按鈕按壓期間發生的錯誤運動可被忽略和「擦除」。例如，響應於檢測的按鈕按壓，模塊1516的輸出可由檢測位置P1(在按鈕按壓動作之後)改變為回想(recalled)位置P2，位置P2已由模塊1516在按鈕按壓動作檢測之前的預定時間內被預先輸出。如果裝置已在處理一個按鈕動作並仍然抑止另一按鈕動作發生時的運動時，人為因數處理功能模塊1516可不必反覆進行倒退處理過程。
在用戶界面中，可發生至少兩種典型的按鈕啟動。在如圖16中所示的第一類型(精確模式點擊)中，用戶想要在較小目標上進行精確啟動，仔細對準該裝置，停止運動，然後按壓按鈕。在第二類型(粗略模式點擊)中，目標較大，用戶期待進行下一次動作，即，用戶可僅使得定位器減速而並未停止或懸停在目標上方，可在運動過程中對目標進行點擊。對於精確模式點擊，運用上述的處理技術以從來自手持裝置中的運動傳感器的組合數據輸出流中精確去除無意運動。但是，對於第二類型的運動，可能需要進一步的增強來改進性能。
為了針對粗略模式點擊所造成的附加挑戰，人為因數處理單元1516可採用第二種選擇性或補充性的技術。根據第二示例性實施方案，從運動傳感器接收的運動數據被處理為運動向量，並假設用戶可在按鈕啟動期間光標或與定位裝置的輸出相關的其他裝置進行某些運動改變。如根據牛頓第一定律所知，「運動中的物理傾向於保持運動」。因此，當手持裝置上的按鈕被按壓時，手持裝置產生偏離路徑的高頻運動。使用運動向量和經濾波的運動信息，定位裝置的輸出可以通過與之前運動歷史相一致的方式在用戶啟動時間期間和之後繼續保持。這可通過為處理鏈增加濾波器來實現。該濾波器被設計為在用戶啟動的事件期間或之後允許預期運動，同時排除與該事件本身相關的高頻運動。諸如低通濾波的許多處理方法能夠去除高頻分量，但卻增加了等待時間。由於等待時間(裝置的運動與定位器運動時刻之間的時間)對於用戶而言可能很重要，因此本發明的示例性實施方案可使用自適應濾波器，該自適應濾波器在檢測到用戶啟動的事件時切換到信號處理路徑中(例如基於手持裝置將用戶事件傳送到用戶界面所使用的相同信號)。該自適應濾波器被配置為低通濾波器，其衰減迅速的(sharp)高頻按鈕按壓。到自適應濾波模塊的另一輸入是任選的預先按鈕活動警告，其在按鈕被完全防反跳(debounce)之前發生。預先按鈕活動警告使得能夠比沒有該警告的情況下更早地向處理通知按鈕事件，從而降低了濾波器等待時間需求。具有預先按鈕活動警告的自適應濾波器使得預期運動與等待時間之間的工程折衷最小化。
根據本發明的另一個示例性實施方案，由於自由空間定位裝置的設計者通常在設計時就知道不期望的運動方向，因此，可基於人類工程學和裝置的預期使用而獲知運動擾動的方向。例如，設計者知道相對於裝置的按鈕啟動方向。主要的運動包括平行於按鈕移動向量的線性運動、或由於繞用戶把手(grip)的轉矩而形成的轉動運動。這一知識使得能夠實施方向偏好濾波器(其包括按鈕啟動運動的知識)。例如，濾波器設計可包括狀態空間濾波器，例如卡爾曼濾波器和自適應濾波器。這種濾波器在按鈕啟動期間從公知方向的預期路徑中檢測到不期望的偏離，然後在按鈕啟動期間加入期望的運動路徑。這種優先的濾波使得能夠獲得在預期的方向變化期間具有更好響應(同時仍然能去除無意的按鈕運動)的定位器。本領域技術人員可以理解，狀態空間濾波器可被擴展為在正常使用期間對設計參數進行學習。
根據本發明示例性實施方案的人為因數處理功能模塊916可以實施以上描述的一種或兩種技術，如果使用兩種技術，則提供分類器來在兩種技術之間切換。例如，當檢測到第一種精確類型的按鈕點擊時，可是用第一技術。當檢測到第二種、較不精確類型的按鈕點擊時，則可使用第二技術。在兩種技術之間切換的一個分類器可使用手持裝置在按鈕啟動時刻(或恰好在按鈕啟動之前的時刻)時的速度。例如，如果(a)手持裝置的速度低於預定的速度閾值時，則採用第一技術，拋棄檢測事件之後生成的運動數據，直到運動傳感器檢測的運動表示手持裝置已經運動超過了預定的距離閾值或經過了預定的時間；或者(b)如果手持裝置的速度高於預定的速度，則採用第二技術，對檢測事件之後生成的運動數據進行濾波。
如在以上的示例性實施方案中所提及的按鈕點擊或按壓包括但不限於按鈕按壓和按鈕釋放。所有的上述技術可應用於形成不期望運動的任何公知的裝置交互作用，而並不局限於按鈕點擊。例如，上述技術可應用於滾輪啟動、觸摸板使用或者電容帶使用。因此，本發明的示例性實施方案描述了用於消除在啟動或無效另一事件基礎上發生的無用運動的方法和裝置。
用於以上描述的方法的參數可適於支持事件的期望運動特性。在該示例性實施方案中，用於按鈕按壓的參數可不同於用於按鈕釋放的參數。除了運動消除之外，用戶界面可在根據本發明的用戶事件操縱上應用或建議附加的約束條件。例如，在Microsoft WindowsTM作業系統中，如果光標在按鈕按下時運動，則會啟動「拖(drag)」動作。因此，與響應於用戶的按鈕按壓動作的運動數據處理相關的參數可具有這樣的值，該值傾向於在按鈕啟動期間約束定位器的運動，以避免無用的拖事件。相反，在Microsoft WindowsTM作業系統中的按鈕釋放之後的光標運動對用戶界面中的對象影響較小，因此，根據本發明的示例性運動數據處理可採用這樣的參數(例如事件和/或距離閾值，濾波器係數等)，該參數同與在按鈕按壓之後的運動數據處理相關的相應參數相比，對定位器運動的響應較弱。
運動可通過多種不同方式在速度或位置域中進行處理，以幫助去除無用的按鈕運動。可使用速度域中的簡單濾波。濾波器可以是FIR或IIR濾波器，但是這些濾波器可引入不期望的處理延遲量。可成功使用自適應濾波器而不會引入太多延遲。
本發明的示例性實施方案也可實施為卡爾曼濾波器(或擴展的卡爾曼濾波器)。卡爾曼濾波器可選擇最有可能的使用情況(靜止的或運動的)，並應用適當的運動。還可以用神經網絡來獲得相同效果。因此可以理解，本發明進一步提供了這樣一種方法，用於(a)檢測事件已經發生，(b)推斷用戶的預期運動以及(c)解釋用戶的預期運動而不是手持裝置的實際運動。運動可在6DOF自由空間域中或者在映射的2DOF定位域中。6DOF自由空間域可以是裝置的本體參考系，也可以是用戶的參考系。
根據本發明的另一示例性實施方案，與用戶啟動的事件相關的運動可被模型化並顯式地包含在運動方程中，該運動方程在從運動傳感器收集的運動數據基礎上提供了來自手持裝置的輸出。更具體地，使用用戶啟動事件的按鈕按壓的實施例，由按鈕按壓導致的運動可被模型化為先驗知識，以確定一個或多個示例性的運動幅度和與按鈕按壓動作相關的方向，這些值可隨後被存儲在手持裝置的存儲單元中。然後，當檢測到按鈕按壓時，手持裝置的處理單元可在運動方程中使用上述模型化的運動，以得出能夠反映出用戶預期運動而不是由運動傳感器檢測到的、與按鈕按壓相關的運動的輸出。處理單元可通過多種不同方式來使用模型化的值，例如，從檢測的運動值中減去這些值，在與特定用戶啟動事件相關的模型化值的基礎上衰減檢測的運動值，調節與手持裝置的輸出相關的語義圖等。
因此可以看出，本發明的示例性實施方案描述了實施用於多種用途(包括控制電視)的手持遙控的創新方法。該裝置還可用於其它應用，例如，作為個人計算機的輸入裝置以及對象控制。
遙控器不再必須與小型按鈕鍵盤(當今典型的IR遙控器具有40個按鈕)類似。相反地，根據本發明的遙控裝置與滑鼠非常類似，即，定位行動還傳送除了按壓按鈕之外的信息。結果是形成了用於遙控裝置和應用的非常強大的用戶環境。現在，設想向電視添加類似滑鼠的功能，其結果是大大地改進了用戶經驗。所有必需的是能夠允許定位以及按鈕啟動的無線手持裝置。本發明恰好描述了這種裝置。這一設計相對於傳統遙控器的一個有益效果在於，其除了使得用戶能夠檢測按鈕啟動之外，還使得用戶能夠對屏幕上的光標進行位置設置。其結果是除了使得姿勢識別成為可能之外，還使得屏幕敏感的按鈕和控制成為可能。從而相比於增加功能需要增加新的按鈕的傳統遙控器而言，形成了非常強大、靈活和可擴展的用戶界面。本發明的示例性實施方案通過採用例如基於MEMS轉動傳感器(其測量裝置的角速度)的手持遙控裝置來提供這些能力。另外，示例性實施方案提供了對本體參考系調節、校準和後處理的教導，以去除無意運動。其結果是提供了完全獨一無二的實施，該實施與傳統手持遙控裝置相比，能更好地執行，並較便宜以及較小。
這些示例性技術使用MEMS傳感器來測量轉動角速度和線性加速度。然後，使用校準並結合靜態檢測，以調節和縮放原始讀數。之後，整合線性加速度並將其用來確定手持裝置本體參考系的方位。這一方位數據然後用來將轉動速度讀數映射到適當的參考系中。最後的步驟是對所有運動的讀數進行後處理，從而過濾掉例如人為抖動的無意運動。
根據本發明的示例性實施方案的用戶處理數據的系統和方法可通過一個或多個處理器運行包含在存儲裝置中的指令序列來執行。所述指令可從其它計算機可讀介質(例如輔助數據存儲裝置)讀到存儲裝置中。包含在存儲裝置中的指令序列的執行使得處理器能夠如上所述操作。在可選的實施方案中，硬布線電路可用來代替軟體指令或與軟體指令相結合，以實現本發明。
上述的示意性實施方案在各個方面都是示意性而非限定性的。因此本領域技術人員能從本文包含的說明書推導出本發明在具體實現方面的多種變化。例如，雖然前述示例性實施方案尤其描述了使用慣性傳感器來檢測裝置的運動，但是也可使用其他類型的傳感器(例如，超聲傳感器、磁性傳感器或光學傳感器)來代替結合有前述信號處理的慣性傳感器或附加到結合有前述信號處理的慣性傳感器。所有這些變化和修改都被視為位於由隨後的權利要求所限定的本發明的範圍和精神之內。若無明確說明，本申請說明書中使用的元素、動作或指令對本發明而言並非不可缺少。此外，如本文中使用的那樣，冠詞「一(a)」旨在包括一個或多個項目。
權利要求
1.一種定位裝置，包括
第一轉動傳感器，用於確定所述定位裝置關於第一軸線的轉動並生成與其相關的第一轉動輸出；
第二轉動傳感器，用於確定所述定位裝置關於第二軸線的轉動並生成與其相關的第二轉動輸出；
加速度計，用於確定所述定位裝置的加速度並輸出與其相關的加速度輸出；以及
處理單元，用於基於所述加速度而修改所述第一和第二轉動輸出，以及基於經過修改的所述第一和第二轉動輸出而生成輸出。
2.如權利要求1所述的定位裝置，其中，所述第一轉動傳感器進一步包括
第一諧振塊，其附接至第一框架，其中所述第一轉動傳感器中的所述第一諧振塊沿著所述第一軸線諧振；
其中，所述第一轉動傳感器利用科裡奧利加速度效應來測量所述第一諧振塊沿所述第一軸線的位移，以生成所述第一轉動輸出。
3.如權利要求2所述的定位裝置，其中，所述第二轉動傳感器進一步包括
第二諧振塊，其附接至第二框架，其中所述第二轉動傳感器中的所述第二諧振塊沿著所述第二軸線諧振；
其中，所述第二轉動傳感器利用科裡奧利加速度效應來測量所述第二諧振塊沿所述第二軸線的位移，以生成所述第二轉動輸出。
4.如權利要求1所述的定位裝置，其中，所述處理單元修改所述第一和第二轉動輸出，以補償所述定位裝置的線性加速度。
5.如權利要求4所述的定位裝置，其中，所述處理單元將所述加速度計沿所述第一軸線檢測的第一加速度與第一增益矩陣相乘，並將第一結果與所述第一轉動輸出相結合；以及
所述處理單元將所述加速度計沿所述第二軸線檢測的第二加速度與第二增益矩陣相乘，並將第二結果與所述第二轉動輸出相結合。
6.如權利要求1所述的定位裝置，其中，所述處理單元修改所述第一和第二轉動輸出，以補償所述定位裝置的傾斜。
7.如權利要求6所述的定位裝置，其中，所述處理單元通過將所述第一和第二轉動輸出轉動到所述定位裝置的慣性參考系中來補償所述傾斜。
8.如權利要求7所述的定位裝置，其中，所述處理單元通過以下公式的計算來將所述第一和第二轉動輸出轉動到所述慣性參考系中
其中，θ是所述傾斜，αy是所述第一轉動輸出，αz是所述第二轉動輸出。
9.如權利要求4所述的定位裝置，其中，所述處理單元還修改所述第一和第二轉動輸出，以補償所述定位裝置的傾斜。
10.如權利要求9所述的定位裝置，其中，在對所述第一和第二轉動輸出進行了線性加速度補償之後，所述處理單元通過將所述第一和第二轉動輸出轉動到所述定位裝置的慣性參考系中而補償所述傾斜。
11.如權利要求10所述的定位裝置，其中，在對所述第一和第二轉動輸出進行了線性加速度補償之後，所述處理單元通過以下公式的計算來將所述第一和第二轉動輸出轉動到所述慣性參考系中
其中，θ是所述傾斜，αy是進行了線性加速度補償的所述第一轉動輸出，αz是進行了線性加速度補償的所述第二轉動輸出。
12.如權利要求1所述的定位裝置，其中，所述加速度計沿著至少兩個不同軸線測量所述定位裝置的加速度。
13.一種定位裝置，包括
至少一個傳感器，用於檢測所述定位裝置的運動；以及
處理單元，用於將所述定位裝置的運動轉換為表示所述運動的輸出，並基於所述至少一個傳感器的輸出來確定所述定位裝置是否為靜態。
14.如權利要求13所述的定位裝置，其中，所述至少一個傳感器進一步包括
第一轉動傳感器，用於確定所述定位裝置關於第一軸線的轉動，並生成與其相關的第一轉動輸出；
第二轉動傳感器，用於確定所述定位裝置關於第二軸線的轉動，並生成與其相關的第二轉動輸出；以及
加速度計，用於確定所述定位裝置的加速度，並輸出與其相關的加速度輸出。
15.如權利要求13所述的定位裝置，其中，所述處理單元將所述至少一個傳感器的所述輸出變換到頻域中，並在預定的頻率範圍內分析頻率響應的振幅，以確定所述定位裝置是否為靜態。
16.如權利要求15所述的定位裝置，其中，所述處理單元基於在所述預定的頻率範圍內對所述頻率響應的分析，將所述定位裝置分類為處於靜態、穩定和活動的其中之一。
17.如權利要求13所述的定位裝置，其中，當所述定位裝置已被確定為在預定時期內處於靜態時，所述處理單元更新與所述至少一個傳感器相關的校準信息。
18.如權利要求17所述的定位裝置，其中，當所述定位裝置已被確定為在預定時期內處於靜態時，所述處理單元對與一個或多個轉動傳感器相關的偏移值進行更新。
19.一種用於控制自由空間定位裝置的方法，所述方法包括以下步驟
檢測是否不存在與所述自由空間定位裝置相關的運動；以及
根據所述檢測步驟的結果，將所述自由空間定位裝置設置為功率降低狀態。
20.如權利要求19所述的方法，進一步包括以下步驟
檢測與所述自由空間定位裝置相關的運動；以及
退出所述功率降低狀態。
21.一種用於控制系統的方法，所述方法包括以下步驟
檢測與裝置相關的運動；
確定所述運動是否代表所述裝置目前被用戶所持有；以及
基於所述確定步驟的結果，控制所述系統。
22.如權利要求21所述的方法，進一步包括以下步驟
基於與所述運動相關的抖動模式識別所述用戶。
23.如權利要求22所述的方法，進一步包括以下步驟
基於所述識別步驟，選擇性地啟動所述系統。
24.如權利要求21所述的方法，進一步包括以下步驟
如果所述裝置目前被用戶所持有，則啟動所述系統。
25.如權利要求22所述的方法，進一步包括以下步驟
基於所述用戶的身份，限制對所述系統的訪問。
26.如權利要求25所述的方法，其中，所述系統是媒體系統，所述的限制對所述系統的訪問進一步包括
基於所述身份，選擇性地允許所述用戶訪問媒體項目。
27.如權利要求22所述的方法，進一步包括以下步驟
通過將所述抖動模式與多個存儲的抖動模式進行比較，確定所述用戶的身份。
28.如權利要求27所述的方法，其中，所述抖動模式和所述多個存儲的抖動模式是頻域的形式。
29.如權利要求27所述的方法，其中，所述抖動模式和所述多個存儲的抖動模式是時域的形式。
30.如權利要求27所述的方法，其中，如果所述抖動模式與所述多個存儲的抖動模式不匹配，則存儲所述抖動模式。
31.如權利要求27所述的方法，其中，如果所述抖動模式與所述多個存儲的抖動模式不匹配，則為所述用戶分配默認的系統訪問許可集合。
32.如權利要求22所述的方法，進一步包括以下步驟
響應於所述識別步驟，檢索與所述用戶相關的偏愛設置。
33.一種定位裝置，包括
至少一個傳感器，用於輸出與所述裝置關於至少一個相應軸線的角速度相關的數據；以及
處理單元，用於將所述數據映射為光標運動。
34.如權利要求33所述的定位裝置，其中，所述至少一個傳感器是MEMS傳感器。
35.一種用於自由空間定位裝置的方法，所述方法包括以下步驟
檢測自由空間定位裝置關於至少一個軸線的角速度；
輸出與所述角速度相關的數據；以及
處理所述數據，以提供相關的光標運動輸出。
36.如權利要求35所述的方法，其中，通過使用MEMS傳感器來執行所述檢測步驟。
全文摘要
根據本發明的系統和方法針對需求，提供了一種例如自由空間定位裝置的手持裝置，其使用至少一個傳感器來檢測該手持裝置的運動。然後，可將被檢測的運動映射為期望的輸出，例如，光標運動。
文檔編號H04N7/025GK101427570SQ200580021162
公開日2009年5月6日 申請日期2005年5月2日 優先權日2004年4月30日
發明者馬修·G·利伯蒂, 丹尼爾·S·辛普金斯, 查爾斯·W·K·格裡東, 馬克·特納, 弗蘭克·A·亨萊特 申請人:希爾克瑞斯特實驗室公司