具有动作快捷方式功能的便携式设备 【技术领域】
本发明涉及诸如便便携式电话终端、便携式信息处理终端等之类的便携式信息设备，具体地说，本发明涉及具有动作检测功能的便携式信息设备。
背景技术
为了增强便携能力，包括便携式电话终端在内的便携式信息设备在尺寸上变得越来越小。然而，这种小型化牺牲了显示可见性和输入操作性。近来，已经提出了数种增强输入操作性而又不降低便携能力的技术。
日本专利申请未审查公开No.2003-5879公开了一种具有旋转操作检测器的便携式信息终端。该旋转操作检测器对绕多个预定轴方向(X、Y和Z轴)中的一个方向旋转的终端体的倾斜进行检测，并且确定终端体是否在屏幕上显示的滚动箭头(一般是向上、向下、向右和向左箭头中的一个)的方向上倾斜。当倾斜与滚动箭头匹配时，就开始在显示屏上滚动。
日本专利申请未审查公开No.2003-114752公开了一种具有倾斜检测器和控制器的便携式信息终端设备，其中所述控制器依赖于检测到的倾斜方向来对图标的两个环的显示进行控制。更具体地说，依赖于倾斜的向右/向左方向，首先显示一个环中的图标，在从所述地一个环中选择了一个图标之后，依赖于倾斜的向上/向下方向，显示另一个环中的图标。
日本专利申请未审查公开No.2002-149616公开了一种具有加速度传感器的信息检索终端，该传感器用来对用户摇动或者倾斜终端体的手势进行检测。依赖于向上、向下、向右或向左方向的倾斜角度，控制显示的图标的移动。当摇动终端体时，终止检索。
然而，上面提到的现有技术只能检测诸如在倾斜的向上/向下方向或向右/向左方向上的旋转操作之类的二维运动，此外，便携式终端自身不能确定相对于地磁场的绝对方位。通过将终端体置于支架上，信息检索终端(公开No.2002-149616)可以确定它的绝对方位。
日本专利申请未审查公开No.2001-033253公开了一种使用陀螺仪、地磁场传感器和加速度传感器来检测设备体的动作的姿态和角度检测器。然而，这种结构并不适于尺寸变得越来越小的便携式设备。另外，陀螺仪对于物理振动是敏感的。因此，当跌落时，因为损坏了陀螺仪，所以很容易破坏姿态和角度检测。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种便携式设备和动作快捷方式方法，实现精确的3维动作识别以完成期望的功能。
本发明的另一个目的是提供一种便携式设备，基于相对于地磁场的绝对方位来实现精确的3维动作识别。
根据本发明，具有动作识别功能的便携式设备包括：动作检测器，用于检测便携式设备的单个3维运动；存储器，用于存储多种参考动作模式，其中各种参考动作模式代表便携式设备的多种预定的单个3维运动；和动作识别装置，用于将便携式设备的输入单个3维运动识别为多种参考动作模式之一。
便携式设备优选地具有多种预定功能，每种预定功能被链接到多种参考动作模式中的一种不同模式。便携式设备还包括：快捷方式激活器，用于将链接到与便携式设备的输入单个3维运动基本匹配的参考动作模式的预定功能激活。
动作识别器可以包括：参考动作模式管理器，用于管理存储在存储器中的多种参考动作模式，以便基于便携式设备的输入单个3维运动来注册、保存或更新多种参考动作模式；和动作比较器，用于将便携式设备的输入单个3维运动与所述多种参考动作模式进行比较，以确定与便携式设备的输入单个3维运动基本匹配的参考动作模式。
存储在存储器中的多种参考动作模式中的每一种都包括多组采样数据，每组采样数据可以包含便携式设备的角加速度矢量、转动角度(rollangle)、俯仰角度(pitch angle)和方位。每组采样数据可以包括代表动作的个人特性的误差参数。
动作检测器可以包括：倾斜检测器，用于检测便携式设备的倾斜；加速度检测器，用于检测作用在便携式设备上的加速度；磁罗盘检测器，用于检测作用在便携式设备上的磁力；和状态计算器，用于基于倾斜、加速度和磁力来计算便携式设备的单个3维运动。此外，动作检测器可以在具有或者不具有绝对罗盘方位的情况下对便携式设备的单个3维运动进行检测。
根据本发明的另一个方面，在具有多种预定功能的便携式设备中的动作快捷方式方法包括以下步骤：在存储器中存储多种参考动作模式，其中各种参考动作模式代表了便携式设备的多种预定的单个3维运动；对便携式设备的单个3维运动进行检测；以及将便携式设备的输入单个3维运动识别为多种参考动作模式之一来确定激活哪种预定功能。
如上所述，根据本发明，通过用户不仅在倾斜和转动方向之一上而且在倾斜和转动的组合方向上移动和转动便携式设备，可以准确地检测这种单个3维运动。此外，可以通过参考分别代表了多种预定的单个3维动作的参考动作模式来识别这种动作。也可以基于相对于地磁场的绝对方位来执行这种精确的3维动作识别。由于可以相对于时间轴来管理便携式设备的时变运动，所以可以分别将设备的预置功能链接到动作快捷方式。因此，只有用户移动便携式设备的动作激活期望的功能。
【附图说明】
图1是示出了根据本发明实施方式的便携式信息设备的功能配置的方框图；
图2是示出了根据本发明实施方式的便携式信息设备的硬件结构的示例的示意方框图；
图3A是示出了在根据本发明实施方式的便携式信息设备中使用的动作快捷方式表的示例的图；
图3B是示出了如图3A所示的动作快捷方式表中的采样数据的格式的图；
图4A是示出了在图1的便携式信息设备中的偏移修正部分的偏移消除操作的图；
图4B是示出了用于解释偏移修正的磁力分量的图；
图5是示出了根据实施方式的便携式信息设备的运动的示例的图；和
图6是示出了用于注册或识别的动作相关矢量的轨迹的示例的图。
【具体实施方式】
参考图1，根据本发明实施方式的便携式信息设备具有2轴倾斜角度(tilt angle)检测器104、2轴加速度检测器106和3轴地磁场方位检测器108，可以将上面的检测器一起提供为便携式信息设备100的硬件部分102。
2轴倾斜角度检测器104是用于相对于由X轴和Y轴定义的水平面感知关于X轴的转动角度和关于Y轴的俯仰角度的倾斜感知装置。2轴加速度检测器106是用于感知转动角度和俯仰角度的变化加速度的加速度感知装置。3轴地磁场方位检测器108是用于感知作用在便携式信息设备100上的总磁力的大小和方向的磁罗盘感知装置。
便携式信息设备100还具有硬件/软件部分110，该部分包括偏移修正部分112、校准部分114、设备体状态计算部分116、日志管理器118、动作快捷方式表120、动作比较器122和快捷方式激活器124。另外，便携式信息设备100具有包括有功能激活器128的硬件/软件部分126。
在相同的模块中提供偏移修正部分112和校准部分114，以便消除周围磁场的偏移，并且对由周围的特性扰动和变化所导致的误差进行补偿。偏移修正部分112和校准部分114将修正过的倾斜角度、加速度和总磁力的测量值输出到设备体状态计算部分116。
设备体状态计算部分116计算相对于水平面的垂直方向(Z轴)，还根据偏移修正部分112和校准部分114所获得的修正测量值，计算所述设备100的设备体相对于所述垂直方向(Z轴)的转动角度和俯仰角度。换句话说，设备体状态计算部分116检测设备100的动作状态，并且产生设备体状态指示数据，该设备体状态指示数据由角加速度数据、转动角度和俯仰角度数据、以及(如果必要的话)方位数据组成。设备体状态指示数据被输出到日志管理器118和动作比较器122。将偏移修正部分112、校准部分114和设备体状态计算部分116组合来形成动作检测装置。
日志管理器118存储设备体状态指示数据的日志，并且学习用户动作的个性以产生用于设备体状态指示数据的个人误差参数。由此，将用户动作的个性转换为考虑了用户的个人动作和模糊动作的误差参数。日志管理器118管理动作快捷方式表120用于保存、更新和删除由设备体状态指示数据和通过学习功能获得的误差参数组成的动作模式数据。
动作快捷方式表120是存储注册的快捷方式和对应的动作模式数据的动作数据库，将在后面对该动作快捷方式表进行详细描述。
日志管理器118和动作快捷方式表120是用于学习并管理作为动作模式的设备体状态指示数据的动作模式管理装置。
动作比较器122将设备体的当前运动(即用户移动设备100的动作)与动作快捷方式表120的注册动作模式进行比较。当当前动作与一个注册动作模式匹配时，动作比较器122就指示快捷方式激活器124将与匹配的动作模式相对应的的动作快捷方式激活，并且通过功能激活器128开始运行对应的功能。
换句话说，动作比较器122是动作识别装置。动作快捷方式表120、动作比较器122和快捷方式激活器124是用于将动作模式链接到设备100将被激活的预定功能的动作快捷方式链接装置。
如图2所示，硬件部分102由加速度传感器130和磁传感器132组成。加速度传感器130用来实现2轴倾斜角度检测器104和2轴加速度检测器106。磁传感器132用来实现3轴地磁方位检测器108。
硬件/软件部分110由微处理单元(MPU)134和存储器(RAM/闪存ROM)138组成。MPU 134实现偏移修正部分112、校准部分114、设备体状态计算部分116、日志管理器118、动作比较器122和快捷方式激活器124的上述功能。存储器138用作动作快捷方式表120、日志管理存储器和用于MPU 134的工作存储器。
MPU 134通过数据总线136，从加速度传感器130和磁传感器132输入感知的加速度数据和磁场数据。在上述MPU 134的控制下，通过总线140将外围设备142的功能激活。
如前所述，MPU 134执行必要的程序来对通过磁传感器132感知的磁场数据执行偏移修正和校准，并且根据修正后的磁场数据来计算作为参考方位的准确地磁方位角。类似地，MPU 134执行必要的程序来对通过加速度传感器130感知的加速度数据执行偏移修正和校准，并且根据修正后的加速度数据来计算倾斜角度数据(转动角度和俯仰角度)和加速度(大小和方向)。
在MPU 134上运行的设备体状态计算程序将准确的磁方位角、倾斜角度数据和加速度数据转换成设备体状态指示数据。设备体状态指示数据用来由日志管理器程序对其进行评估，其中日志管理器程序将设备体状态指示数据和误差参数注册到存储器138的动作快捷方式表中。因此，将注册动作模式数据(如果必要的话可对其进行更新)用作参考数据来确定输入动作数据是否与任何注册动作快捷方式相匹配。
运行在MPU 134上的动作比较器程序将当前输入的设备体状态指示数据与考虑了由误差参数代表的个人模糊动作的动作快捷方式表120中的注册动作模式进行比较。当在可准许的误差内发现匹配时，就将设备100的一个对应的预定功能激活。可以将这种预定功能分配给包括操作硬件设备的功能在内的预置快捷方式功能。
参考图3A和图3B，动作快捷方式表120包含3个字段：快捷方式名称150；功能号152；以及数据154。
快捷方式名称字段150存储下述名称，该名称代表将由先前定义的动作激活的预装功能。在菜单上显示这些快捷方式名称，并且将用户的动作识别为快捷方式名称之一。用户可以自由地注册快捷方式名称。
功能号字段152用来将用户的动作数据与实际软件功能链接起来，并且将激活由功能号指示的处理。
数据字段154存储由用户注册的动作数据，数据字段是一组N片的采样数据156，该采样数据是通过以有规律的采样速率对因用户移动设备100所生成的设备体状态指示数据进行采样而获得的。在这里，将动作数据定义为一组N片采样数据1-N。
此外，每片采样数据156由如图3B所示的角加速度矢量158、转动角度160、俯仰角度162和2轴方位164组成。如果动作识别需要绝对方位，则提供2轴方位164。
角加速度矢量158用该矢量在采样瞬间的方向和大小来表示。换句话说，角加速度矢量158定义了设备100在瞬时的移动方向及其加速度大小。
如图3B所示，角加速度矢量158由采样瞬间的X轴分量166、Y轴分量168、Z轴分量170和角加速度误差参数组成。角加速度误差参数代表在角加速度中用户的个人特性。
转动角度160由采样瞬间的设备100的转动角度174和代表在转动角度中用户的个人特性的转动角度误差参数176组成。
俯仰角度162由采样瞬间的设备100的俯仰角度178和代表在俯仰角度中用户的个人特性的俯仰角度误差参数180组成。
如果需要设备100的绝对方位来识别它的动作，则将2轴方位164添加到采样数据156中。2轴方位164由采样瞬间的设备100的绝对方位角182和代表在绝对方位角度中用户的个人特性的绝对方位角度误差参数184组成。
操作
现在将参考图4A和图4B描述偏移修正操作。如前所述，偏移修正部分112消除便携式信息设备100和携带该设备的个体的固有磁场。在设备100位于交通工具中的情形中，携带便携式信息设备100的个体包括它的用户和该交通工具自身。
如图4A所示，设备100在没有消除偏移的情况下自由移动时的磁矢量轨迹186从中央(X，Y，Z)＝(0，0，0)偏离一段距离，该距离是由固有磁场的扰动所导致的DC分量。由于在这种偏离状态中计算变得困难，所以磁矢量的轨迹186移动到用标号186′指示的中央。检测由于周围磁场变化所引起的从中央的偏离也需要这种偏移处理。
类似地对由加速度传感器感知的加速度数据执行偏移修正和校准。基于修正过的加速度数据，设备体状态计算部分116计算倾斜角度数据(转动角度和俯仰角度)和加速度(大小和方向)。
在MPU 134上运行的设备体状态计算部分116将准确的地磁方位角度、倾斜角度数据和加速度数据转换成设备体状态指示数据。设备体状态指示数据用来由日志管理器118对其进行评估，其中日志管理器将设备体状态指示数据和误差参数注册到动作快捷方式表120中。以此方式，将注册动作模式数据(将对其进行更新)用作参考数据以确定输入动作数据是否与任何注册的动作快捷方式相匹配。
运行在MPU 134上的动作比较器122将当前输入的设备体状态指示数据与考虑了由误差参数所代表的个人模糊动作的动作快捷方式表120的注册动作模式进行比较。当在动作快捷方式表120中发现可容忍的匹配时，就将设备100的一个对应的预定功能激活。这些预定功能可以被分配给包括操作硬件设备的功能在内的预置快捷方式功能。
如图5所示，可以实际地移动和/或转动便携式信息设备100。在本示例中，如标号P1到P6所示地改变便携式信息设备100的姿态。假设已经补偿(offset)了周围磁场，则如图4B所示的总磁力的各自方向和大小保持不变，与便携式信息设备100的姿态无关。换句话说，从便携式信息设备100的视角来看，总磁力的方向随便携式信息设备100的姿态而变。
参考图6，用在动作相关矢量空间中从点P1到P6的总磁矢量轨迹(虚线所示)来代表如图5所示的便携式信息设备100的运动。在这里，动作相关矢量空间中的点P1到P6分别指示采样瞬间。将俯仰角度定义为总磁矢量从X轴开始关于Y轴的旋转角度。转动角度定义为总磁矢量从Y轴开始关于X的旋转角度。因此，转动角度和俯仰角度的组合可以代表三维空间。在图6中，用转动角度和俯仰角度的组合将在从P1到P6每个采样瞬间处的总磁矢量的方位和角加速度矢量的大小和方向链接起来。
如前所述，由加速度传感器所感知的倾斜数据而获得角加速度矢量、转动角度和俯仰角度。如果动作模式识别需要绝对方位，则将从修正过的地磁方位角获得的2轴方位附到在每个采样瞬间处的转动角度和俯仰角度。
在动作快捷方式表120中将从在采样瞬时处的P1到P6的总磁矢量轨迹注册为参考动作模式。例如，当用户通过举高便携式信息设备100来发出呼叫时，以有规律的间隔对摘机动作进行采样，并且通过日志管理器118在动作快捷方式表120中将其注册为链接到摘机功能(图3A中的功能No.1002)的总磁矢量轨迹。在已经将这种动作模式注册为参考动作模式之后，当用户接听便携式信息设备100并且作出基本相同的摘机动作时，对该动作进行采样，并且由动作比较器122将该输入动作模式(即由该动作所生成的总磁矢量的轨迹)与注册的参考动作模式进行比较。当输入动作模式与指示摘机(图3A中的功能No.1002)的注册参考动作模式大约匹配时，快捷方式激活器124就指示设备100的移动电话系统激活摘机功能。
在本示例中，将从修正过的地磁方位角获得的2轴方位附到采样瞬间处的每个点。应用可以使用这种绝对方位。例如，在没有这种方位数据的情况下可以使用简单的动作游戏应用。本实施方式可以应用于要求绝对方位数据的应用，例如方位相关的游戏、寻宝游戏、方向方位相关的书面预言游戏和复杂动作游戏等。
如上所述，可以相对于时间轴来管理便携式信息设备100的时变姿态和方向状态。因此，可以分别将设备100的预置功能链接到动作快捷方式。例如，当用户模仿摘机动作时，就激活链接的摘机功能。当用户模仿挂机动作时，就激活链接的挂机功能(图3A中的功能No.1004)。当用户模仿操作磁罗盘的动作时，就激活电子罗盘功能。以此方式，用户的手势可以轻易地激活相应的功能。本发明可以提供成功使用便携式信息设备100而无需复杂操作的装置，导致显著地增强可操作性。因此，可以将本发明应用到用于向年长者提供各种功能的装置和用于年轻人的动作游戏的输入装置。
在不脱离本发明的精神和本质特性的情况下，可以以其他特定的形式实施本发明。因此，无论从哪方面来看，都应当将实施方式认为是示例性的而不是限制性的，由所附权利要求而不是由前面的描述表示的本发明的范围，并且权利要求的等同物的含义和范围中的所有变化都要被包括在其中。
例如，不仅可以将本发明应用到便携式电话终端，而且可以应用到游戏机的输入设备。更确切地说，可以在显示器上实现弹子迷宫游戏，该游戏充分利用GUI技术在可以向各个方向倾斜的平面上提供真实的弹子滚动运动。将便携式信息设备100倾斜导致弹子根据倾斜的加速度和斜坡的倾角好像在斜坡上向下滚一样移动。在将本发明应用到角色扮演游戏的情形中，可以实现下面的效果：像跳跃一样的加速度突然改变导致游戏的主角跳跃。
另外，如前所述，用户的动作特性可能互不相同，因此注册的参考动作模式也可以支持用户辨别。