高速マルチタッチ後処理

 

低レイテンシタッチ感知式装置において、後処理は、信号強度の二次元マップを使用可能なタッチ事象に変換するために行なわれる。4つのこうした後処理手順が開示されており:それは、フィールド平坦化、タッチ点検出、補間、およびフレーム間のタッチ点の一致である。フィールド平坦化手順は、行と列の間のクロストークを取り除くためにオフセット値を引き、減衰による特定の行/列の組み合わせの間の振幅の差を補償する。タッチ点検出手順は、平坦化した信号内の極大値を見つけることによって粗いタッチ点を計算する。補間手順は、粗いタッチ点から細かいタッチ点を計算する。実施形態において、こうした補間は、放物面に粗いタッチ点を適合させることで行われる。フレーム整合手順は、フレーム全体で互いに対して計算されたタッチ点を一致させる。
【選択図】図1

 

 

本出願は、2013年11月1日に出願された米国特許出願第14/069,609号の優先権を主張し、および、2013年7月12日に出願された米国仮特許出願第61/845892号の優先権も主張する。本出願は、著作権保護下にある題材を含む。特許情報開示が特許商標庁のファイル又は記録で見られるので、版権所有者は、第三者による特許情報開示のファックスによる複製に異存は無いが、さもなくば所有者がそれ以外の方法で全ての著作権を保有するものとする。
<発明の分野>
開示されたシステム及び方法は、ユーザー入力の分野に概略的に関し、特に、高速マルチタッチ後処理を提供するユーザー入力システムに関する。
本開示の前述及び他の物体、特徴、及び利点は、添付図面に示されるような実施形態の、以下のより詳細な記載より明らかとなり、図中、参照文字は様々な視点を通じて同じ部分を指す。図面は、必ずしも正確な縮尺ではなく、その代わりに重点は、開示された実施形態の原理を概説することに置かれている。
低レイテンシタッチセンサー装置の実施形態を示す、ハイレベル・ブロック図を提供する。 低レイテンシタッチセンサー装置の実施形態に使用され得る導電路を渡るためのレイアウトの実施形態を示す。 フィールド平坦化手順を示すブロック図を示す。 局大値(local maximum)の周囲にある4つの接続された近傍部を示す略図を示す。 局大値の周囲にある8つの接続された近傍部を示す略図を示す。 非対称のタッチ点に対する楕円の当てはめを示す幾何学的な図を示す。
本出願は、次のものに開示されるものなど、高速マルチタッチセンサーに関するものである:2013年3月15日出願の米国特許出願第13/841,436号の表題「Low−LatencyTouchSensitiveDevice」、2013年3月15日出願の米国仮特許出願第61/798,948号の表題「FastMulti−TouchStylus」、2013年3月15日出願の米国仮特許出願第61/799,035号の表題「FastMulti−TouchSensorWithUser−IdentificationTechniques」、2013年3月15日出願の米国仮特許出願第61/798,828号の表題「FastMulti−TouchNoiseReduction」、2013年3月15日出願の米国仮特許出願第61/798,708号の表題「ActiveOpticalStylus」、2013年3月15日出願の米国仮特許出願第61/798,948号の表題「FastMulti−TouchStylus」、2013年7月12日出願の米国仮特許出願第61/845,892号の表題「FastMulti−TouchPostProcessing」、2013年7月12日出願の米国仮特許出願第61/845,879号の表題「ReducingControlResponseLatencyWithDefinedCross−ControlBehavior」、2013年9月18日出願の米国仮特許出願第61/879,245号の表題「SystemsAndMethodsForProvidingResponseToUserInputUsingInformationAboutStateChangesAndPredictingFutureUserInput」、および、2012年10月5日出願の米国仮特許出願第61/710,256号の表題「HybridSystemsAndMethodsForLow−LatencyUserInputProcessingAndFeedback」。 これら出願の全体の開示は、この参照によって本明細書に組み込まれる。
本開示は、現在の事後処理が記載され得る、迅速なマルチタッチセンサーの操作について最初に記載する。しかし、現在開示されたシステム及び方法は、下記の迅速なマルチタッチセンサーに関連する事後処理には限定されないが、むしろ、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、他のセンサーに広く適用されることもある。
一実施形態において、本明細書に開示される事後処理の技術を用いる、迅速なマルチタッチセンサーは、二次元の多様体に対するヒトの指(又は他の物体)によるタッチ事象(又は他のジェスチャ)の検出を提供し、且つ、互いに検出され且つ区別される、タッチ事象又は複数の同時のタッチ事象の性能を持つ。(本明細書中に使用されるように、タッチ事象という語句は、近くのタッチ事象またはセンサを使用して認識され得る他のジェスチャーを含む。)一実施形態に従い、タッチ事象は、非常に低いレイテンシ(例えば、約10ミリセカンド以下、又は約1ミリセカンド未満)を備えたダウンストリームの計算プロセスに検出され、処理され、供給されることもある。
一実施形態において、開示された迅速なマルチタッチセンサーは、タッチ事象の高い更新率及び低レイテンシが増強された、投影された(projected)容量方式を利用する。この技術は、上記の利点を得るためにハードウェア及びより高周波数の波形を平行して使用することができる。また、感度が良くてロバストな測定を行なうための方法も開示され、該方法は、透明なディスプレイ表面上で使用されてもよく、且つ、この技術を使用する製品の安価な製造を可能にすることもある。この点において、本明細書に使用されるような「容量性の物体」は、指、他の人体体部、スタイラス、又は、センサーの感度がよい任意の物体であり得る。本明細書に開示されたセンサー及び方法は、静電容量に依存する必要はない。以下に開示される光学センサーの実施形態に関して、このような実施形態は、タッチ事象を感知するために光トンネリング及び光漏出(photon tunneling and leaking)を利用し、本明細書に使用されるような「容量性の物体」は、そのような感知に適合可能な、スタイラス又は指等の任意の物体を含む。同様に、本明細書に使用されるような「タッチ位置」及び「接触感知式装置」は、容量性の物体と開示されたセンサーとの間に実際のタッチ接触を必要としない。
図1は、一実施形態に係る迅速なマルチタッチセンサー(100)の特定の原理を示す。参照番号(200)では、異なる信号が表面の行の各々に送信される。信号は、「直交」(即ち、互いに分離可能且つ区別可能)となるように設計される。参照番号(300)では、受信機は各列に付けられている。受信機は、送信信号、又はそれらの恣意的な組み合わせを受信するように、及び、列に存在する直交の送信信号の各々の量を個々に測定するように、設計される。センサーのタッチ表面(400)は、一連の行と列(全て図示されず)を含み、それに沿って直交信号は伝搬することができる。一実施形態において、行と列は、それらがタッチ事象に曝されると、より少量の又は些細な(negligible)量の信号がその間で繋がり、一方で、行と列がタッチ事象にさらされると、より多量の又は些細でない量の信号がその間で繋がるように、設計される。(一実施形態において、その反対も可能である。より少量の信号がタッチ事象を表わし、より多量の信号がタッチの不足を表わす。)上記で議論されたように、タッチ、又はタッチ事象は、物理的なタッチではなく、むしろ、繋がれた信号のレベルに影響を及ぼす事象を必要とする。
図1を引き続き参照すると、一実施形態において、概略的に、行と列の両方の近接したタッチ事象の容量性の結果は、列の上に存在する些細な量の信号を行に繋げることもある。 更に概略的に、タッチ事象は、列の上で受信信号を引き起こし、及び故にそれに対応する。 行の上の信号が直交であるので、多数の行信号は列に繋がれ、受信機によって区別され得る。 同様に、各行の上の信号は多数の列に繋がれ得る。与えられた行に繋がれた各行について、列に見出される信号は、どの行が列と同時にタッチしているかを示す情報を包含している。受信された各信号の量は一般的に、対応する信号を運ぶ列と行の間の結合の量に関係し、及び故に、表面までのタッチ物体の距離、タッチ及び/又はタッチの圧力によって覆われる表面の領域を示すこともある。
行と列が同時にタッチすると、行の上に存在する信号の幾つかが、対応する列に繋がれる。(上記で議論したように、用語「タッチ」又は「タッチした」は、実際の物理的な接触ではなく、相対的な接近を要求する。)実際に、タッチ装置の様々な実施において、行及び/又は列と、指又は他のタッチの物体との間に保護壁があるため、行及び/又は列との物理的な接触は、起こりそうもない。更に、一般的に、行と列自体は互いにタッチしておらず、むしろ、その間に繋がれる些細な量の信号よりも多くを保護するように近接して配される。一般的に、行と列の結合は、その間での実際の接触によるものでも、指又は他のタッチの物体からの実際の接触によるものではなく、むしろ、指(又は他の物体)を接近させることによる容量性の効果によってもたらされるものであり、容量性の効果をもたらす近接は、タッチとして本明細書で言及される。
行と列の性質は恣意的であり、特定の配向は関連性がない。実際、用語「行」と「列」は、正方形のグリッド(grid)よりもむしろ、信号が送信される導体のセット(行)、及び、信号が繋がれ得る導体のセット(列)を指すように意図される。行と列がグリッド中にある必要は全くない。タッチ事象が「行」の一部及び「列」の一部にタッチする限り、他の形状が可能であり、且つカップリングの幾つかの形態を生じさせる。例えば、「行」は同心円にあり、「列」は中心から外に放射するスポーク(spokes)であり得る。更に、信号の伝搬チャネルが2種類のみである必要はない:行と列の代わりに、一実施形態において、チャネル「A」、「B」、及び「C」を設けてもよく、そこでは、「A」に送信された信号は「B」及び「C」で受信され、又は、一実施形態において、「A」及び「B」に送信された信号は「C」で受信され得る。信号の伝搬チャネルが機能を交互に行い、時に送信機を支援し且つ時に受信機を支援し得ることも、可能である。 多くの代替的な実施形態が可能であり、本開示を考慮した後、当業者に明白となるであろう。
上記で注目されるように、一実施形態において、タッチ表面(400)は、一連の行と列とで構成され、信号はそれに沿って伝搬され得る。上記で議論されるように、行と列は、接触させられない場合に、些細な量の信号がその間で繋がれるように設計される。更に、異なる信号が行の各々に送信される。一実施形態において、これら異なる信号の各々は、互いに直交している(即ち、分離可能且つ区別可能である)。行と列が同時にタッチされると、行の上にある些細でない量の信号が、対応する列に繋がれる。列に繋がれる信号の量は、接触の圧力又は領域に関係する場合もある。
受信機(300)が各列に付けられる。受信機は、些細でない量の直交信号の何れか、又は直交信号の恣意的な組み合わせを受信するように、且つ、些細でない量の信号を提供する列を識別するように設計される。一実施形態において、受信機は、その列にある直交の送信信号の各々の量を測定する場合もある。このように、各列にタッチした行の識別に加えて、受信機は、接触に関する付加的な(例えば、質的な)情報を提供することができる。概して、タッチ事象は、列の上で受信信号に対応する場合もある。各列について、その上で受信された異なる信号は、どの対応する行が、その列と同時に接触させられるのかを示す。一実施形態において、受信された各信号の些細でない量は、対応する行と列の間に繋がれる量に関係し、且つ、接触によって覆われる表面の領域、接触の圧力などを示すこともある。
<単純なシヌソイドの実施形態>一実施形態において、行に送信される直交信号は、未変調のシヌソイドであり得、その各々が異なる周波数を有しており、該周波数は、それらが受信機中で互いに容易に区別され得るように選択される。一実施形態において、周波数は、それらが受信機中で互いに容易に区別され得るように、間に十分な間隔を設けるように選択される。一実施形態において、単純な調波関係は、選択された周波数間には存在しない。単純な調波関係の欠如は、1つの信号に別の信号を模倣させ得る、非線形のアーチファクト(non−linear artifacts)を緩和し得る。
一般的に、隣接周波数間の間隔が一定であり、且つ最も高い周波数が最小のものの2倍未満である、周波数の「コム(comb)」は、周波数間の間隔、Δfが、測定期間τの少なくとも逆数である場合に、これらの基準を満たすことになる。例えば、どの行信号が1ミリセカンド(τ)につき1回存在するかを定めるために、(例えば、列からの)信号の組み合わせを測定することが好ましい場合、その後、周波数間隔(Δf)は1キロヘルツより大きく(即ち、Δf>1/τ)なくてはならない。この計算に従い、わずか10行しかない例の場合において、以下の周波数を使用することが可能である:

周波数間隔が、ロバストな設計を可能にするためにこの最小よりも十分に大きくてもよいことが、当業者に明白となるであろう。一例として、0.5cmの行/列の間隔を持つ20cm×20cmのタッチ表面は、40の行と40の列を必要とし、40の異なる周波数でシヌソイドを必要とする。一方、1ミリセカンドにつき1の分析速度は、1kHzの間隔しか必要とせず、恣意的に大きな間隔は、より多くのロバストな実施のために利用される。恣意的に大きな間隔は、最高周波数が最小のものよりも2倍より大きくてはならない(即ち、fmax<2(fmin))という制約に従う。この例において、5MHzで設定される最小周波数を持つ100kHzの周波数間隔が使用されてもよく、これにより、5.0MHz、5.1MHz、5.2MHzなどの、8.9MHzまでの周波数リストを得る。
一実施形態において、リスト上のシヌソイドの各々は、信号発生器によって生成され、送信機によって別個の行の上に送信されてもよい。同時にタッチさせられる行と列を識別するために、受信機は、列に存在する任意の信号を受信し、信号プロセッサーは、もしあれば、リスト上にどの周波数が現れるかを定めるために信号を分析する。一実施形態において、識別は、周波数分析技術(例えば、フーリエ変換)により、又はフィルターバンクの使用により支援され得る。
一実施形態において、各列の信号から、受信機は、その列の上の信号に見出される周波数のリストから各周波数の強度を定めることができる。周波数の強度が幾つかの閾値よりも大きい実施形態において、信号プロセッサーは、列と、その周波数に対応する行との間にタッチ事象が存在することを識別する。一実施形態において、行/列の交点からのタッチの距離、タッチ物体の大きさ、物体が押し下がる圧力、接触される行/列の交点の画分等を含む、様々な物理現象に対応し得る信号強度情報が、タッチ事象の領域を局在化するための支援として使用され得る。
一旦信号の強度が(行に対応する)少なくとも2つの周波数、又は少なくとも2つの列について計算されると、二次元マップが生成され得、信号強度は、その行/列の交点でのマップの値である。一実施形態において、信号の強度は、各列の上にある各周波数について計算される。一旦信号強度が計算されると、二次元マップが生成され得る。一実施形態において、信号強度は、その行/列の交点でのマップの値である。一実施形態において、異なる周波数でのタッチ表面の物理的相違により、信号強度は、与えられた接触のために正規化、或いは較正される必要がある。同様に、一実施形態において、タッチ表面を渡る又は交点間にある物理的相違により、信号強度は、与えられたタッチのために標準化、或いは較正される必要がある。
一実施形態において、二次元マップのデータは、タッチ事象をより良く識別、測定、又は分離するために閾値処理(thresholded)され得る。一実施形態において、二次元マップのデータは、表面にタッチする物体の形状や配向などに関する情報を推測するために使用されてもよい。
行に送信される信号の議論に戻り、シヌソイドは、上述の構成において使用され得る唯一の直交信号ではない。実際に、上記で議論されるように、互いに区別され得る信号の任意のセットが、機能することになる。それにもかかわらず、シヌソイドは、より単純な工学技術、及び、この技術を使用する装置の更にコスト効率の良い製造を可能にし得る、幾つかの都合のよい特性を有し得る。例えば、シヌソイドは、(定義による)非常に狭い周波数特性を有しており、DCの付近で低周波に下に拡大する(extend down)必要はない。更に、シヌソイドは、1/fのノイズによる影響を比較的受けず、このノイズは、より低い周波数にまで及ぶ、より広い信号に影響を及ぼし得る。
一実施形態において、シヌソイドはフィルターバンクによって検出されてもよい。一実施形態において、シヌソイドは周波数分析技術(例えばフーリエ変換)によって検出されてもよい。周波数分析技術は比較的効率的な方式で実施されてもよく、及び、優れたダイナミックレンジの特徴を有する傾向があり、それらが大多数の同時のシヌソイド間で検出及び区別することを可能にする。広い信号処理期間において、受信機の複数のシヌソイドのデコーディングは、周波数分割多重化の形態として考慮されてもよい。一実施形態において、時分割及び符号分割多重化などの他の調節技術も使用され得る。時分割多重化は、優れたダイナミックレンジの特徴を有しているが、限定された時間がタッチ表面への送信(又は、そこからの受信信号の分析)に費やされることを典型的には必要とする。符号分割多重化は、周波数分割多重化と同様の同時の性質を有しているが、ダイナミックレンジの問題に遭遇することもあり、且つ容易に複数の同時信号の間で区別されないこともある。
<変調されたシヌソイドの実施形態> 一実施形態において、変調されたシヌソイドは、上述のシヌソイドの実施形態の代わりとして、それと組み合わせて、及び/又は、それを改良したものとして(as an enhancement of)、使用され得る。 未変調のシヌソイドの使用は、タッチ表面付近の他の装置に無線周波干渉を引き起こし、故に、それらを使用する装置は、規定上の試験(例えばFCC、CE)を通過するという問題に遭遇することもある。加えて、未変調のシヌソイドの使用は、精密な(deliberate)送信機又は他の干渉装置(恐らく、別の同一のタッチ表面)の何れかから、環境における他のシヌソイドからの干渉を受けやすい場合もある。一実施形態において、そのような干渉は、記載の装置において、誤った又は劣化したタッチ測定を引き起こし得る。
一実施形態において、干渉を回避するために、シヌソイドは、信号が受信機に達すると復調され得る(撹拌されない(unstirred))方式で、送信機によって送信される前に変調されるか、又は「撹拌され(stirred)」得る。一実施形態において、可逆的な変換(又は、ほぼ可逆的な変換)は、変換が補われ、且つ信号が受信機に達すると実質的に回復され得るように、信号を変調するために使用され得る。当業者にも明白となるように、本明細書に記載されるような接触装置において変調技術を使用して放出又は受信される信号は、他のものとはあまり関連付けられず、故に、環境中にある他の信号に類似する、及び/又は他の信号からの干渉に曝されるように思われるよりは、むしろ単なるノイズのように作用する。
一実施形態において、利用される変調技術は、装置操作の環境において、送信されたデータに、かなり無作為に又は少なくとも異常に姿を現わさせる。2つの変調スキームが以下に議論される:周波数変調及び直接シーケンススペクトラム拡散変調。
<周波数変調>
シヌソイドの全体のセットの周波数変調は、「それらを不鮮明にする(smearing them out)」ことにより同じ周波数でそれらが現われることを回避する。」 規定上の試験は通常、固定周波数に関係があるので、変調された周波数である送信されたシヌソイドは低い振幅で現われ、故に、懸念の対象であるようには思われない。 受信機がそれに対する任意のシヌソイド入力を「不鮮明にしない(un−smear)」ので、等しい且つ対称的な様式において、精密に変調され送信されたシヌソイドは、復調され得、その後、それらが変調前に行われるように実質的に現れる。 しかし、環境から進入する(例えば、干渉する)任意の固定周波数シヌソイドは、「不鮮明にしない」操作によって「不鮮明にされ」、故に、意図した信号に対する減少した又は排除された効果を持つ。 従って、さもなくばセンサーに引き起こされ得る干渉は、例えば、一実施形態においてタッチセンサーに使用される周波数のコムに対し、周波数変調を使用することにより和らげられる。
一実施形態において、シヌソイドの全体のセットは、それ自体が変調される単一基準周波数から全てを生成することにより、変調された周波数であり得る。例えば、100kHzの間隔を持つ1セットのシヌソイドは、同じ100kHzの基準周波数に異なる整数を掛けることにより生成され得る。一実施形態において、この技術は位相ロックループを使用して遂行することができる。最初の5.0MHzのシヌソイドを生成するために、基準に50を掛ける、5.1MHzのシヌソイドを生成するために、基準に51を掛けるといったことが可能である。受信機は、検出と復調の機能を行なうために、同じ変調された基準を使用することができる。
<直接シーケンス・スペクトラム拡散変調>
一実施形態において、シヌソイドは、送信機と受信機の両方に既知である、偽似ランダムな(又は真のランダムな)スケジュール上で定期的にそれらを反転することにより、復調され得る。故に、一実施形態において、各シヌソイドがその対応する行に送信される前に、各シヌソイドは、選択可能な反転回路を通過し、その出力は、「反転選択」入力の状態に依存して、+1又は−1を掛けた受信信号である。一実施形態において、これら「反転選択」入力は全て、同じ信号から駆動され、それにより、各行のシヌソイドは全て、同時に+1又は−1を掛けられる。一実施形態において、「反転選択」入力を駆動する信号は、任意の信号から独立した疑似ランダム機能、又は、環境に存在し得る機能であってもよい。シヌソイドの擬似ランダムな反転は、周波数においてそれらを広げて、それらが接触し得る任意の装置を無視できるほどにしか干渉しないように、ランダムノイズのように見えるようになる。
受信機側で、列からの信号は、行の上の信号と同じ擬似ランダム信号によって駆動される、選択可能な反転回路を通過し得る。結果は、たとえ送信信号が周波数において拡散されたとしても、送信信号は+1又は−1を2回掛けられ、それらを未修正状態にし、又はその状態に戻すので、送信信号は受信機の前に逆拡散される(despread)、ことである。直接シーケンス・スペクトラム拡散変調の適用により、列の上にある任意の妨害信号が拡散され得、それにより、妨害信号はノイズとしてのみ作用し、故意のシヌソイドのセットの何れかを模倣することはない。
一実施形態において、選択可能なインバーターは、少数の単純な構成要素から作られ得、及び/又は、VLSIプロセスにおける送信機によって実施され得る。
多くの変調技術が互いから独立しているので、一実施形態において、複数の変調技術(例えば、周波数変調、及びシヌソイドセットの直接シーケンス・スペクトラム拡散変調)が同時に利用され得る。潜在的に実施するのは更に複雑であるが、そのような複数の変調された実施は、より優れた干渉抵抗性を達成し得る。環境中で特定の疑似ランダム変調に遭遇することは非常に稀であるので、本明細書に記載されるマルチタッチセンサーは、真のランダム変調スケジュールを必要としない可能性がある。1つの例外は、同じ実施による1より多くのタッチ表面が、同じ人物によってタッチされているということもある。そのような場合において、表面が、非常に複雑な疑似ランダムスケジュールを使用しても、互いに干渉することが、可能な場合もある。故に、一実施形態において、不一致(conflict)が起こりそうにない疑似ランダムスケジュールを設計することに、注意を払う。一実施形態において、真のランダムの中には、変調スケジュールに導入されるものもある。一実施形態において、ランダムは、真のランダムソースから疑似ランダム発生器を取り除くこと(seeding)により、及び、(繰り返しの前に)ランダムが十分に長い出力を持つことを確実にすることにより、導入される。そのような実施形態は、2つのタッチ表面が同時にシーケンスの同じ部分を使用しているということが、あまりないようにする。一実施形態において、ランダムは、真のランダムシーケンスで擬似ランダムシーケンスを排他的論理和する(XOR)ことにより、導入される。XOR機能は、その出力のエントロピーが何れかの入力よりも決して少なくならないように、その入力のエントロピーを組み合わせる。
<低コストの実施の実施形態>
前述の技術を使用するタッチ表面は、他の方法と比較して、シヌソイドの生成及び検出にかかるコストが比較的高い場合がある。以下に、よりコスト効率が良く、及び/又は、大量生産により適した、シヌソイドの生成及び検出の方法を議論する。
<シヌソイド検出>一実施形態において、シヌソイドは、フーリエ変換検出スキームを備える完全な無線受信機を使用して、受信機において検出され得る。そのような検出は、高速RF波形をデジタル化し、その後にデジタル信号処理を行なうことを必要とする場合がある。別々のデジタル化及び信号処理は、表面の全ての列について実施されてもよい。これにより、信号プロセッサーが、どの行の信号が列とタッチ状態にあるのかを発見することを可能にする。上述の例において、タッチ表面に40の行と40の列を備えさせるには、この信号チェーンの40のコピーを必要とする。今日、デジタル化とデジタル信号処理は、ハードウェア、コスト、及び電力に関して、比較的高価な操作である。シヌソイドを検出する、よりコスト効率の良い方法、特に、容易に複製することができ且つ電力をほとんど必要としないものを利用することが、有用である。
一実施形態において、シヌソイドはフィルターバンクを使用して検出され得る。フィルターバンクは、入力信号を取り上げ、それを各フィルターに関連した周波数構成要素に分割することができる、バンドパスフィルターのアレイを含む。離散フーリエ変換(DFT、そのFFTは効率的な実施である)は、周波数分析に共通して使用される、均一に間隔を置いたバンドパスフィルターを備えるフィルターバンクの形態である。DFTはデジタルで実施され得るが、デジタル化工程は高価な場合がある。パッシブなLC(インダクタとコンデンサ)又はRCアクティブフィルターなどの個々のフィルターから、フィルターバンクを実施することが可能である。インダクタはVLSIプロセス上で十分に実施するのが難しく、個別のインダクタは大きく且つ高価なものであり、そのため、フィルターバンクにおいてインダクタを使用することはコスト効率が良くないこともある。
より低い周波数(約10MHz、及びそれ未満)にて、VLSI上でRCアクティブフィルターのバンクを作ることが可能である。そのようなアクティブフィルターは十分に動作するが、多くのダイスペース(die space)を取り上げ、必要とされるよりも多くの電力を必要とすることもある。
より高い周波数にて、表面超音波(SAW)フィルター技術によりフィルターバンクを作ることが可能である。これにより、ほぼ恣意的なFIRフィルター形状を可能にする。SAWフィルター技術は、直線のCMOSVLSIよりも高価な圧電材料を必要とする。更に、SAWフィルター技術は、単一のパッケージに十分多くのフィルターを統合し、それにより製造原価を上げるほど十分な同時のタップを可能にしないこともある。
一実施形態において、シヌソイドは、FFTのような「バタフライ」トポロジー(butterfly topology)を利用する標準CMOS VLSIプロセス上でスイッチキャパシター技術により実施されるアナログフィルターバンクを使用して、検出され得る。そのような実施に必要なダイ領域は典型的にチャネルの数の二乗の機能であり、これは、同じ技術を使用する64のチャネルのフィルターバンクが1024のチャネル版のダイ領域の1/256のみを必要とすることを意味する。一実施形態において、低レイテンシタッチセンサーのための完全な受信システムは、フィルターバンク及び適切な増幅器、スイッチ、エネルギー検出器等の適切なセットを含む、複数のVLSIダイの上で実施される。一実施形態において、低レイテンシタッチセンサーのための完全な受信システムは、フィルターバンク及び適切な増幅器、スイッチ、エネルギー検出器等の適切なセットを含む、単一のVLSIダイの上で実施される。一実施形態において、低レイテンシタッチセンサーのための完全な受信システムは、n−チャネルのフィルターバンクのn個の例を含み、且つ、適切な増幅器、スイッチ、エネルギー検出器等のための空間を残す、単一のVLSIダイの上で実施される。
<シヌソイド生成>
主に、各々の行が1つの信号の生成を必要とする一方で、列の受信機は多くの信号間で検出し且つ区別しなければならないので、低レイテンシタッチセンサーにおける送信信号(例えばシヌソイド)の生成は通常、検出よりもあまり複雑ではない。一実施形態において、シヌソイドは、一連の位相ロックループ(PLL)により生成することができ、その各々は共通の基準周波数に異なる倍数を掛ける。
一実施形態において、低レイテンシタッチセンサーの設計は、送信されたシヌソイドが非常に高品質であることを必要としないが、むしろ、より多くの位相ノイズ、周波数変動(経時的、温度等)、高調波歪、及びラジオ回路において通常は可能であるか又は望ましい他の欠点を持つ、送信されたシヌソイドを収容する。一実施形態において、大多数の周波数はデジタル手段によって生成され、その後、比較的粗いアナログ−デジタル変換プロセスを使用し得る。上記で議論されるように、一実施形態において、生成された行の周波数は、互いとの単純な調和の関係がなく、記載された生成プロセスにおける任意の非線形性は、セットにおける1つの信号に「エイリアスを生じさせ(alias)」ないか又は別のものを模倣させない。
一実施形態において、周波数コムは、フィルターバンクによってフィルター処理される、連続した狭いパルスを持つことによって生成され、バンク中の各フィルターは、行の上の送信のために信号を出力する。周波数「コム」は、受信機によって使用され得るフィルターバンクと同一かもしれないフィルターバンクによって作られる。一例として、一実施形態において、100kHzの比率で反復される10ナノ秒のパルスが、5MHzで開始する周波数構成要素のコムを分離するように設計されるフィルターバンクに通され、そして100kHzごとに分離される。定義されるようなパルス列は、100kHzから何十MHzまでの周波数構成要素を有し、故に、送信機において全ての行のための信号を有する。故に、パルス列が同一のフィルターバンクを通って上述したものへと進み、それにより受信した列の信号のシヌソイドを検出する場合、フィルターバンク出力はそれぞれ、その後、行の上に送信され得る1つのシヌソイドを包含する。
<透明なディスプレイ表面>
タッチ表面がコンピューターディスプレイに統合され、それにより個人がコンピュータグラフィックスと画像(imagery)を相互に作用させることができることが、望ましい場合もある。正面投影が不透明なタッチ表面に使用され、背面投影が透明のものに使用され得る一方で、現代の平面パネルディスプレイ(LCD、プラズマ、OLED等)は一般的に、タッチ表面が透明であることを必要とする。一実施形態において、現在の技術の行及び列(信号がそれらに沿って伝搬することを可能にするもの)は、それらの信号に対して伝導性である必要がある。一実施形態において、現在の技術の行及び列(無線周波数信号がそれらに沿って伝搬することを可能にするもの)は、電気的に伝導性である必要がある。
行と列が不十分な伝導性である場合、行/列に沿った単位長さ当たりの抵抗性は、低域フィルターを形成するために単位長さ当たりの静電容量と組み合わさり:一端に適用される任意の高周波信号は、不良導体に沿って伝搬するにつれて十分に減じられる。
視覚的に透明な導体は、市販で入手可能である(例えばインジウムスズ酸化物又はITO)が、透明度と伝導性の間の釣り合いは、本明細書に記載される低レイテンシタッチセンサーの幾つかの実施形態には望ましい場合がある周波数にて問題となる。ITOが特定の長さにわたって特定の望ましい周波数を支援するほどの十分な厚みであれば、ITOは、幾つかの用途には不十分に透明な場合もある。一実施形態において、行及び/又は列は、非常に伝導性であり且つ光学的に透明である、グラフェン及び/又はカーボンナノチューブから、完全に、又は少なくとも部分的に形成され得る。
一実施形態において、行及び/又は列は、それらの後ろにある些細な量のディスプレイを遮断する、1以上の細いワイヤーから形成され得る。一実施形態において、細いワイヤーは小さすぎると確認することができず、又は少なくとも小さすぎると、その後ろのディスプレイを見る際に視覚的な妨げを提示することができない。一実施形態において、透明なガラス又はプラスチック上に付けられる(patterned)細い銀のワイヤーは、行及び/又は列を作り上げるために使用され得る。そのような細いワイヤーは、行/列に沿った優れた導体を作り出すほど十分な断面を有する必要があるが、そのようなワイヤーは、十分に細く、且つ、用途に適切であるように僅かな根本的なディスプレイを遮断するほど十分に拡散することが(後部ディスプレイには)望ましい。一実施形態において、細いワイヤーの太さは、根本的なディスプレイのピクセルサイズ及び/又はピッチに基づいて選択される。
一例として、新規のAppleRetinaディスプレイは、1インチ当たり約300ピクセルを含み、それは、1つの側で約80ミクロンのピクセルサイズをもたらす。一実施形態において、約10オームの抵抗性を有している、長さ20センチメートル(iPadディスプレイの長さ)の20ミクロンの直径の銀のワイヤーは、行及び/又は列として、及び/又は、本明細書に記載されるような低レイテンシタッチセンサーにおける行及び/又は列の一部として、使用される。そのような20ミクロンの直径の銀のワイヤーは、しかしながら、網膜ディスプレイにわたって引き伸ばされる場合、ピクセルの全体のラインの25%までを遮断し得る。従って、一実施形態において、複数の更に細い直径の銀のワイヤーは、列又は行として使用され得、それは、適切な抵抗性を維持し、且つ、無線周波数の浸透厚さの問題に関して許容可能な応答を提供することができる。そのような複数の更に細い直径の銀のワイヤーは、直線ではなく、むしろ幾らか不揃いのパターンで置くことができる。更に細いワイヤーのランダム又は凹凸のパターンは恐らく、あまり視覚的に侵入的なものではない。一実施形態において、細いワイヤーのメッシュが使用される。メッシュの使用は、製造に対するパターニングの欠陥を含む、ロバスト性を改善させる。一実施形態において、更に細いワイヤーが、適正値の抵抗性、及び、無線周波数の浸透厚さの問題に対する許容可能な応答を維持するほど十分に伝導性であると仮定して、1つの更に細い直径のワイヤーは、列又は行として使用され得る。
図2は、ダイヤモンド形状の行/列メッシュを有する行/列のタッチ表面の実施形態を示す。このメッシュパターンは行と列に対して最大かつ等しい表面積を提供しつつ、それらの間の重複を最小限に抑えるように設計されている。
ダイヤモンドの1つよりも大きな面積によるタッチ事象は、1つの行と1つの列の少なくとも一部を覆い、これにより、1行の信号が結合して重複した列になることが可能となる。一実施形態において、ダイヤモンドはタッチ用道具(指、針など)よりも小さくなるような大きさにする。一実施形態では、行と列の間が0.5cmの間隔でヒトの指に好適に機能する。
一実施形態において、ワイヤーの単純なグリッドは行と列として使用される。こうしたグリッドにより行と列に与えられる表面積は小さくなるが、無線周波数信号には十分で有り得、レシーバによって検出することができる十分な無視できない結合を提供することができる。
一実施形態において、行と列の「ダイヤモンドパターン」は、図2に示されるように、示された形状の空間を満たす細いワイヤーのランダムに接続されたメッシュを使用することで、あるいはワイヤーメッシュとITOなどの別の透明な導体を組み合わせることで作り出すことができる。一実施形態において、細いワイヤーは長い伝導性範囲、例えばスクリーン全体にわたって使用されることもあり、ITOは、ダイヤモンド形の領域など伝導性の局所的な領域に使用されることもある。
(光学的な実施形態)
記載された高速マルチタッチ技術を実施する無線周波数および電気的な方法が上で議論されてきたが、他の媒体も同様に使用することができる。例えば、信号は、導波路または行と列向けの他の手段を有する光学信号(すなわち光)であり得る。一実施形態では、光学信号に使用される光は、可視領域、赤外線、および/または、紫外線内であってもよい。
一実施形態において、無線周波数信号を運ぶ導電性の行と列の代わりに、行と列は、直交信号を生成し、光カプラーによって導波路に結合される1つ以上の光源から供給される光ファイバーなどの光導波路を含み得る。例えば、光の異なる別の波長を各行のファイバーに注入することができる。ヒトの指がある行のファイバーに触れると、その中の光のいくらかは内部全反射の失敗により指に漏れる(すなわち、結合する)であろう。指からの光はその後、相互のプロセスにより列のファイバーの1つに入り、ファイバーの端部で検出器に伝わることもある。
一実施形態において、光信号は異なる波長のLEDで、または光学フィルタを用いることによって生成されることもある。一実施形態では、カスタム干渉フィルタが使用される。一実施形態では、ファイバーの列に存在する光の異なる波長は、光フィルタバンクを使用して検出することができる。一実施形態では、こうした光フィルタバンクはカスタム干渉フィルタを使用して実施されることもある。一実施形態では、可視スペクトル(例えば、赤外線および/または紫外線光)の外側の光の波長は、ディスプレイに余分な可視光線を加えないようにするために使用されることもある。
一実施形態において、行と列のファイバーは、指がそれらに同時に触れることができるように一緒に織られることもある。一実施形態では、織られた構築物はディスプレイを曇らせないようにするために必要に応じて視覚的に透明にされることもある。
(高速マルチタッチ後処理)各列の各行からの信号強度が例えば、上記の手順を用いて計算された後、結果として生じた2Dの「ヒートマップ」を使用可能なタッチ事象に変換するために後処理が行なわれる。一実施形態では、こうした後処理は、以下の4つの手順:フィールド平坦化、タッチ点検出、補間、およびフレーム間のタッチ点の一致、の少なくともいくつかを含んでいる。フィールド平坦化手順は、行と列の間のクロストークを取り除くためにオフセット値を引き、減衰による特定の行/列の組み合わせの振幅の差を補う。タッチ点検出手順は、平坦化した信号内の極大値を位置づけることによって目の粗いタッチ点を計算する。補間手順は、粗いタッチ点に関連するデータを放物面にフィットさせることによってきめの細かいタッチ点を計算する。フレーム整合手順は、フレーム全体で互いに対して計算されたタッチ点を一致させる。以下に、4つの手順の各々について順に記載している。同様に、それぞれの処理工程に関する実施、起こりうる故障モード、および結果の例を開示している。待ち時間が非常に低いことが要求されるため、処理工程は最適化かつ並列化されなければならない。
我々はまずフィールド平坦化手順について記載する。タッチ表面とセンサー電子機器の設計ゆえの体系的な問題により、各列の受信した信号の強度にアーチファクトが生じることもある。このアーチファクトを以下のように以下のように取り除くことができる。まず、行と列の間にクロストークが生じることから、各行/列の組み合わせの受信した信号の強度はオフセット値を経験するであろう。良い近似値に近づくと、このオフセット値は一定になり、控除することができる。
次に、所定の行および列の交点における較正されたタッチによりある行で受信される信号の振幅は、ほとんどは信号が行と列に沿って伝わる際の信号の減衰によって、その特定の行と列に依存するであろう。信号が遠くに移動すればするほど、より多くの減衰が生じることになるため、送信機から遠く離れた列と受信機から遠く離れた行は、それらの同等物よりも「ヒートマップ」における信号の強度が低くなるであろう。行と列のRF減衰が低い場合、信号強度の差は無視できることもあれば、補償がほとんど必要ないかまったく必要ないこともある。減衰が高い場合、補正が必要とされることもあれば、タッチ検出の感度または質を向上させることもある。一般に、受信機で測定された信号強度は、列に送信される信号の量に対して直線的であることが予想される。したがって、一実施形態では、補償は、ヒートマップ内のそれぞれの場所に、その特定の行/列の組み合わせに関する較正定数を掛けることを含む。一実施形態では、測定または評価を用いてヒートマップ補償テーブルを決定することもあり、こうしたテーブルを使用することで乗算による補償を同じように与えることができる。一実施形態では、較正演算を用いて、ヒートマップ補償テーブルを作る。本明細書で使用されるような「ヒートマップ」との用語は、実際のヒートマップを必要とするわけではなく、こうした用語はむしろ位置に対応する少なくとも2次元の任意のアレイを意味し得る。
典型的な実施形態では、全体的なフィールド平坦化手順は以下のとおりである。何も表面にタッチしない状態では、まず各行の受信機で各列の信号の信号強度を測定する。接触がないため、受信した信号のほぼすべてがクロス・トークによるものである。測定された値(例えば、各列で見られる各行の信号の量)は、ヒートマップ中のその位置から減じられる必要のあるオフセット値である。その後、一定のオフセットが減じられると、各行/列の交点に較正された接触物体を置いて、その列の受信機でその行の信号の信号強度を測定する。信号プロセッサはタッチ表面上の1つの場所の値に対してタッチ事象を正規化するように構成されることもある。我々は、最も強い信号を有している可能性が高い場所(減衰を経験したことが最も少ないため)、すなわち、送信機と受信機に最も近い行/列の交点を任意に選ぶことができる。この場所での較正されたタッチ信号の強度がSNであり、各行および列の較正されたタッチ信号の強度がSR,Cであれば、ここで我々がヒートマップ中の各場所に(SN/SR,C)をかけると、すべてのタッチ値は正規化される。較正されたタッチに関して、ヒートマップ中の任意の行/列の正規化された信号強度は1に等しくなる。
フィールド平坦化手順は十分に並列処理される。いったんオフセットと正規化のパラメータが測定され保存されると−一度(あるいは、場合によってはメンテナンス間隔でもう一度しか実行されてはならないものがどれなのか)−、各信号の強度が測定されるとすぐに修正を施すことができる。図3はフィールド平坦化手順の実施形態を示す。
一実施形態では、各行/列の交点の較正は通常のまたは選択されたメンテナンス間隔で必要とされることもある。一実施形態では、各行/列の交点の較正はユニット当たりに一度必要とされることもある。一実施形態では、各行/列の交点の較正は設計当たりに一度必要とされることもある。一実施形態では、とりわけ、例えば、行と列のRF減衰が低い場合に、各行/列の交点の較正はまったく必要とされないこともある。さらに、行と列に沿った信号の減衰をかなり予測することが可能な実施形態では、ほんのわずかな交差を測定することで表面全体を較正することが可能なこともある。
タッチ表面が多くの減衰を経ると、フィールド平坦化手順は、少なくともある程度、測定値を正規化するが、いくつかの副作用があることもある。例えば、各測定時の雑音はその正規化定数が大きくなるほどとともに大きくなっていく。低信号強度と高減衰に関しては、これがタッチ点の検出と補間プロセスにおけるエラーや不安定さを引き起こし得ることは当業者には明らかであろう。これに応じて、一実施形態では、最大の減衰(例えば、最も遠く離れた行/列の交差)に十分な信号強度を提供するために注意が払われる。
ここでタッチ点の検出に着目する。いったんヒートマップが生成され、フィールドが平坦化されると、1以上の粗いタッチ点を識別することができる。1以上の粗いタッチ点の識別は、正規化された(すなわち、平坦化された)信号強度中の極大値を位置づけることにより行われる。1以上のタッチ点を位置づけるための迅速かつ並列化可能な方法は、正規化されたヒートマップの各要素をその近傍と比較して、それが他のすべてよりも真に大きい場合に極大値として分類することを含む。一実施形態では、ある点がその近傍のすべてよりも真に大きく、かつ所定の閾値よりも大きい場合に、極大値と識別される。
様々な方法で近傍のセットを定義することは本開示の範囲内である。一実施形態では、最も近い近傍はフォン・ノイマンの近傍によって定義される。一実施形態では、最も近い近傍はムーアの近傍によって定義される。フォン・ノイマンの近傍は、中心の要素に垂直かつ水平に隣接している4つの要素(すなわち、その北、南、東、および西にある要素)からなる。これは「4つの連結した(four‐connected)」近傍とも呼ばれる。さらに複雑な(すなわち、さらに大きな)フォン・ノイマンの近傍も利用可能であり、使用されることもある。ムーアの近傍は、中心の要素に垂直、水平、および斜めに隣接している8つの要素(すなわち、その北、南、東、西、北東、北西、南東、および南西にある要素)からなる。これは「8つの連結した(eight‐connected)」近傍とも呼ばれる。
選ばれた近傍は、目の細かいタッチ点を計算するために使用される補間スキームに依存するであろう。これは以下にさらに詳細に示している。
所定の近傍の比較において、要素の正規化された信号強度がその近傍の1つ以上と等しいか、あるいはノイズレベルを許容する許容範囲内にあるといった特殊なケースが存在することもある。一実施形態では、こうした対のいかなる点も、閾値よりも高い値を有していても、タッチ点であるとはみなされない。一実施形態では、こうした対の両方の点がタッチ点であるとみなされる。一実施形態では、2つ以上の近傍の点がほぼ同じ値を有している領域は、ワンタッチ事象として処理される。一実施形態では、2つ以上の近傍の点がほぼ同じ値を有している領域は、1つの極大値が見られる領域からの異なるタイプのタッチ事象(例えば、誰かが手首をタッチ表面に接触させている可能性がある)として処理される。
ここで、補間手順に目を向ける。いったん粗いタッチ点が決定される(つまり、識別される)と、補間を使用して細かいタッチ点を計算することができる。一実施形態では、分配されたタッチの容量接触は最大値を有するモデル関数にフィットしている。一実施形態では、モデル関数は2次元以上の二次関数である。一実施形態では、二次関数は放物面である。一実施形態では、放物面モデルは、指かスタイラスなどのタッチ表面にタッチするために使用され得る様々な物体に関する許容可能な近似値である。さらに、以下に議論するように、放物面モデルは計算上、比較的膨大ではない(Non−intensive)。一実施形態では、より複雑な、または計算がより膨大なモデルを用いて、平坦化したヒートマップからタッチをより正確に評価し得る。以下の議論のために、放物面は実例として用いられるが、当業者には明白であるように、さらに複雑なまたは複雑ではないモデルを含む他のモデルを補間の目的で使用することもある。図4は、典型的な極大値のまわりのフォン・ノイマンの近傍を例証している。こうした4つの連結した、またはフォン・ノイマンの近傍のため、適切な点は示された点に似ているようにみえることになり、中心の要素は極大値であり、下付き文字はそれに関連する特別の要素の座標である。5つの要素の位置と信号強度により、これらを放物面を定義する次の方程式にフィットさせることができる。

このとき、xとyはある要素の位置であり、zはその要素の信号強度であり、A、C、D、E、およびFは二次多項式の係数である。 中心点に対して、要素x、yの位置はすべて一定である。 z値は各要素での測定された信号強度であり、したがって公知のものである。 一実施形態では、5つの連立方程式を用いて5つの未知の多項式係数を解くことができる。 それぞれの方程式は、中心点とその4つの近傍を含む5つの点の1つを表す。 一実施形態では、ヴァンデルモンドのような行列を用いて、以下のように多項式係数を解くことができる。

要素の位置を求めるために値に代入して以下を得る:

その後、定数ヴァンデルモンド行列の逆行列を求めることにって多項式係数を解く:

これにより以下が得られる:

一実施形態では、多項式係数は信号強度の一次結合であり、否定を含む簡単な掛け算のみと単一のシフトがこれらを計算するために必要とされる。 したがって、これらを効率的にFPGAまたはASICで計算することができる。
最高放物面では、両方の偏導関数は0である。

これは点xf、yfでで生じる。このとき:

近傍データが放物面にフィットした一実施形態では、放物面は1つの最大値を有しているため、最大値は細かいタッチ点の位置として使用される。4つの連結した近傍を用いる一実施形態では、値xfとyfは互いに独立したものであり、xfは、中心点の左右の要素の信号強度にのみ依存し、yfは中心点の上下の要素の信号強度にのみ依存する。
図5はムーアの近傍または極大値のまわりの8つの連結した近傍を近傍を例証している。こうした8つの連結したまたはムーアの近傍に関して、適切な点は示したように現れ、中心要素は極大値であり、下付き文字はそれに対する特別な要素の座標である。9つの要素の位置と信号強度は放物面の方程式にフィットさせることができる。この例では先に記載した例よりも多くの入力データを利用することが可能であることから、放物面に関する幾分複雑な方程式を使用することができる:

この方程式は、追加されたxy交差項と、モデルがxまたはy以外の方向への伸びを補償することを可能にする新しいB係数とを有する。再度、中心点に対して、要素x、yの位置はすべて一定であり、z値は既知のものである。9つの連立方程式(1つの要素当たり1つ)を用いて、6つの未知の多項式係数を決定する(つまり、複数の要因によって決定づける)ことができる。最小二乗手法を用いて6つの未知の多項式係数を解くこともある。
ヴァンデルモンドのような行列を用いて、多項式にフィットさせることもある。 上に記載された実施形態とは異なり、行列は9行と6列の非正方形である。

ヴァンデルモンドのような行列内の全体はすべて定数であり、z値は知られているため、一定の値を代入することで以下を得る。

ヴァンデルモンドのような行列は非正方形であるため、その逆行列を求めて多項式係数を解くことはできない。しかしながら、そのムーア=ペンローズの偽の逆行列を使用して、多項式係数にフィットした最小二乗を行うことで、解くことができる。 一実施形態では、偽の逆行列は以下のように定義される:

これにより、以下が得られる。

多項式係数は信号強度の一次結合である。その乗法はわずかながらより複雑であるが、被乗数の多くは因数分解して、計算の最後のほうで単一回で利用することができる。この工程の目的は最大放物面を位置づけることである。ゆえに、スケール係数(scalefactors)全体は無関係であり、関数を最大化する相対的な値と独立変数に焦点を合わせる必要がある。一実施形態では、演算の多くを相殺することもあり、実行の効率は改善される。
上記のように、細かいタッチ点は最大放物面で推定され、このとき両方の偏導関数が0である:

これは点xf、yfでで生じる。このとき:

8つの連結した近傍について、値xfとyfは互いに独立してはいない。双方とも8つのすべての近傍の信号強度に依存する。したがって、この手法では、計算上の負担が増え、信号強度の特定の組み合わせが細かいタッチ点に対する特異値を生成する可能性が高まるかもしれない。8つのムーアの近傍で最小二乗アプローチを使用する一実施形態では、上記のように実行することは騒々しい信号強度値に対してはよりロバストである。言い換えれば、一実施形態では、1つの信号強度における小さな誤差は、計算で使用されるデータの増加とそのデータの首尾一貫性によって補われるであろう。
さらに、8つの連結された近傍は、ユーザ・インターフェースの一部として有用であると分かるかもしれないB係数−追加の情報−を供給する。xy交差項のB係数を用いて、タッチが生じている角度をソフトウェアに決定させることを可能にするAとCの係数に固有な縦横比情報と共に、フィットした放物面中の非対称性を特徴づけることができる。
図6は、特定のz値で放物面の上部を切ることによって得られる楕円形状の横断面を備えたタッチ点の一例を示す。aとbの値は多項式のAとCの係数から得ることができ、こうした値は表面に触れる物体の縦横比に関する情報を提供する。例えば、指またはスタイラスは必ずしも環状に対称である必要はなくなり、bに対するaの比はその形状に関する情報を提供することができる。
角度Φについての知識により楕円の方向に関する情報が得られ、例えば、指またはスタイラスが指している方角を示すこともある。Φは以下から与えられる2×2行列Mの固有値と固有ベクトル(eignevectors)から計算することができる:

この行列は2つの固有値と2つの固有ベクトルを有する。 最大の固有値に関連した固有ベクトルは、楕円の長軸の方向を指すであろう。 別の固有ベクトルは短軸の方向を指すであろう。固有値、λ1とλ2は以下のように計算することができる:

tr(M)が行列Mの跡であり(ACと等しい)、「det(M)は行列Mの行列式であり、これはAC−B2/4と等しい。
いったん固有値が得られると、ケイリー・ハミルトンの定理を用いて、固有ベクトルを計算することができる。λ1に関連する固有ベクトルは、行列M−λ2Iの行のいずれかであり、λ2に関連する固有ベクトルは行列Mλ1Iのカラムのいずれかである。固有値の添え字の反転に留意する。楕円の長軸が我々の座標系のx軸に対して作る角度Φは、固有ベクトルの傾斜のアークタンジェントである。固有ベクトルの傾斜は単にΔy/Δxである。
上に議論されるように、補間工程は、例えば、平坦化したヒートマップから獲得したデータを使用して、細かなタッチ点を決定することを要求するが、上に議論された実例的な放物面モデルに限定されない。細かなタッチ点を決定する目的は、後処理装置がタッチ点のすぐれた粒状度を与えることができるようにすること、とりわけ、センサーの交点を超える粒状度を与えることができるようにすることである。別の方法を記載すると、モデル化され補間された細かなタッチ点は直接、行/列の交差位置に、または交差位置の間の任意の場所に降りることができる。モデルの精度とその計算上の要件との間にはトレードオフがあることもある。同様に、モデルの精度と、実際のタッチに一致する補間された細かなタッチ点を提供するその能力との間にトレードオフがあることもある。したがって、一実施形態では、モデルは最小の計算負荷を要求しつつ、補間されたタッチ点と実際のタッチとの間で十分な一致を提供するように選択される。一実施形態では、モデルは、補間されたタッチ点と実際のタッチとの間に十分な一致を要求するように選択され、処理ハードウェアはモデルの計算負荷を与えるように選択される。一実施形態では、あらかじめ選択されたハードウェアおよび/またはタッチインタフェースを操作する他のソフトウェアの計算能力を超えないモデルが選択される。
フレーム整合手順に目を向けると、時間とともにタッチ表面を移動する物体を適切に追跡するために、計算されたタッチ点をフレーム境界全体で互いに整合させることが、したがって、例えば、物体が移動している際にタッチ表面を移動する物体を追跡することが重要である。別の方法を記載すると、1つのフレーム中の計算されたタッチ点は、次のフレーム中で識別されなければならず、あるいは次のフレームで別の傾向を有して(例えば、除去される)いなければならない。これは一般的な場合では解決不可能なこともある基本的に難問であるが、一実施形態は幾何学と物理的法則の双方を駆使して実施可能であり得る。タッチ表面に接したアイテムはサイズに限りがあり、特定の物理的原則に従って移動するため、妥当な範囲外の特別なケースは無視することができる。さらに、一実施形態では、フレーム率は、合理的な確実性をもって物体の追跡(すなわち、フレームからフレームへのタッチ点の追跡)を可能にするほど十分なものでなければならない。したがって、例えば、追跡される物体がタッチ表面全体で最大率で移動することが知られているか、あるいは、追跡が最大率で物体のみを追跡するよう設計されている場合、合理的な確実性を備えた追跡を可能にするフレーム率を選択することができる。例えば、タッチ表面の行または列を通る移動の最大速度が例えば、毎秒1000の行または列である場合、1000Hzのフレーム率は、せいぜい1フレーム当たり1行または1列の物体の動きを「見る」ことになる。一実施形態では、タッチ点の補間(上に議論されたような)は、タッチ点位置のより正確な測定値を与えることができるため、行内および列内の位置は本明細書で十分に記載されるように容易に識別可能である。
指やスタイラスは最小限の大きさであり、曖昧なケースが生じるほど互いに近接して近づくことはない。これらは人間の腕やその一部(例えば、手首、肘、指など)の動作に特徴的な速度で動くが、このことが問題を制限する。目下開示されているセンサーのタッチ表面は比較的高い更新速度(一実施形態では、約1キロヘルツ以上であることもある)を備えているため、表面に触れる指やスタイラスは、1つのフレームから次のフレームへの更新期間中にあまり遠くにまたは極端な角度で移動することができない。距離と角度が制限されるため、追跡は本開示に従ってある程度簡略化され得る。
一実施形態では、経時的にタッチ表面を移動する物体の追跡は、1つのフレーム乃至1つ以上の過去のフレームからのデータを比較することによって行われる。一実施形態では、過去のフレーム(例えば、ヒートマップ)に関するデータは一時的なバッファ中で維持されることもある。一実施形態では、過去のフレーム(例えば、フィールド平坦化したヒートマップやフィットした多項式係数)に関する処理済みデータは、一時的なバッファ中で維持されることもある。一実施形態では、一時的なバッファ中で維持される過去のフレームに関するデータは、以前のフレーム中の個々の細かなタッチ点に関する補間された細かなタッチ点の座標と、こうした座標が存在する程度で上記のような細かなタッチ点の以前の動作に関するベクトルとを含む、またはこれらからなることもある。一時的なバッファは、1つ以上の過去のフレームに関するデータを保持することもあり、データが後の計算にもはや関連しない場合にはデータを保持することをやめてもよい。
一実施形態では、フレーム整合プロセスは、現在のフレームi中のタッチ点がそれに幾何学的に近い以前のフレーム(つまり、i−1)中のタッチ点であると最初は推定する。
一実施形態では、タッチ点の動きに関するデータ(例えば、速度と方向)は、1つ以上のフレームに関連して決定および保存される。一実施形態では、タッチ点の動きに関するデータは、次のフレーム中のそのタッチ点の見込みのある位置を予測するために使用される。タッチ点の動きに関するデータは、例えば、速度または位置の変化を含むこともあり、1つ以上の以前のフレームからもたらされるものであってもよい。一実施形態では、あるフレーム中の見込みのある位置の予測は、2つのフレーム間での動きを考慮することによってなされ、フレームごとの変位とその方向が得られる。一実施形態では、フレーム中の見込みのある位置の予測は3つ以上のフレーム中の運動を考慮することで行れる。フレームごとの変位と方向に加えて、加速と方向転換を考慮に入れることができるため、3つ以上のフレームからの細かなタッチ点の位置情報を用いてより正確な予測がなされ得る。一実施形態では、古いフレームデータよりも最近のフレームデータの方により多くの重みが置かれる。フレーム整合プロセスは、最新のフレームi中のタッチ点が、最新のフレーム中のタッチ点にもっとも近い見込みがあると予測された位置に関連する以前のフレーム(つまりi−1)中のタッチ点に一致する可能性が高いということを最初に推定することもある。
一実施形態では、タッチ点の大きさ(規模)に関するデータ(例えば、放物面のAとCの係数)は、1つ以上のフレームに関連して決定および保存される。フレーム整合プロセスは、最新のフレームi中の所定の物体のサイズが以前のフレーム(つまり、i−1)中のその物体のサイズに一致する可能性が高いと最初は推定することもある。
一実施形態では、経時的なタッチ点のサイズ(規模)の変化に関するデータは、1つ以上のフレームに関連して決定および保存される。一実施形態では、フレーム中の(例えば、最後のフレーム以降の、あるいは複数のフレーム上の)タッチ点のサイズの変化に関するデータは、次のフレーム中のそのタッチ点のありそうなサイズを予測するために使用される。フレーム整合プロセスは、最新のフレームi中の物体が最新のフレーム中のタッチ点のサイズに最も近い予測されたありそうなサイズに関連した以前のフレーム(つまりi−1)中の物体に一致する可能性が高いと最初は推定することもある。
一実施形態では、経時的なタッチ点の回転方向の変化に関するデータ(例えば放物面のB係数)は、1つ以上のフレームに関連して決定され保存される。一実施形態では、フレーム中の(例えば、最後のフレーム以降の、あるいは複数のフレーム上の)タッチ点の回転方向に関するデータは、次のフレーム中のそのタッチ点の回転方向を予測するために使用される。フレーム整合プロセスは、最新のフレームi中の物体が最新のフレーム中のタッチ点の回転方向に最も近い予測されたありそうな回転方向に関連した以前のフレーム(つまりi−1)中の物体に一致する可能性が高いと最初は推定することもある。一実施形態では、タッチ点の回転方向によって、回転の単一のタッチ点制御(例えば、一本指での制御)が可能となり、したがって、例えば、スクリーン上での1本の指を回転させることで、例えば、従来ではタッチ表面との2つの接点を必要とする機能である、視界を回転させるための十分な情報が提供可能である。経時的な回転方向を記載するデータを使用して、回転速度を計算することができる。同様に、回転方向または回転速度に関するデータを用いて、回転加速度を計算することができる。したがって、回転速度と回転加速度は両方とも回転方向を利用する。タッチ点に関して回転方向、回転速度および/または回転加速度を計算して、フレーム整合プロセスで出力または使用することもある。
一実施形態では、フレーム整合のためのヒューリスティックスは、タッチ点の距離と速度ベクトルの変化を含んでいる。一実施形態では、フレーム整合のためのヒューリスティックスは以下の1つ以上を含んでいる:a.フレームi+1中の物体のタッチ点はそれに幾何学的に最も近いフレームi中のタッチ点である可能性が高い;b.フレームi+1中の物体のタッチ点は、物体の速度の変遷を与えられると予測される点に最も近いフレームi中のタッチ点である可能性が高い;および、c.フレームi+1中の物体のタッチ点はフレームi中のそのタッチ点に似たサイズになるであろう。
過去のデータの他の組み合わせを本開示の範囲から逸脱することなく使用してもよい。一実施形態では、以前の位置と速度のヒューリスティックスの両方を、ヒューリスティックなフレーム整合プロセスで使用してもよい。一実施形態では、以前の位置、速度のヒューリスティックス、および大きさのヒューリスティックスを、ヒューリスティックなフレーム整合プロセスで使用してもよい。一実施形態では、以前の位置と他の過去の情報を、ヒューリスティックなフレーム整合プロセスで使用してもよい。一実施形態では、複数のフレームに関する過去の情報をヒューリスティックなフレーム整合プロセスで使用する。他の組み合わせは前述の開示を考慮して当業者には明らかとなるであろう。
本発明のシステムおよび方法は、ユーザーのインプットを受信し反応するコンピュータシステムを有する方法および装置の、ブロック図および動作説明図を参照して、上述される。ブロック図または動作説明図の各ブロック、およびブロック図または動作説明図内のブロックの組み合わせは、アナログまたはデジタルのハードウェア及びコンピュータープログラムの命令によって実施され得ることが、理解される。これらのコンピュータープログラムの命令は、汎用コンピューター、専用コンピューター、ASIC、または他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサーに提供され得、これによりコンピューターまたは他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサーを介して実行する命令は、ブロック図または操作ブロックで指定される機能/動作を実行する。いくつかの代替的な実装において、ブロック図で述べられる機能/動作は、動作説明図で述べられる順序から外れて生じ得る。例えば、連続して示される2つのブロックは、実際には実質的にほぼ同時に実行され、またはブロックは時折、関係する機能/動作に応じて逆の順序で実行されてもよい。本発明が特にその好ましい実施形態を参照して示され及び記載されたが、形体および詳細における様々な変更が本発明の精神および範囲から逸脱することなくなされ得ることは、当業者によって理解されよう。



  1. 低レイテンシタッチ感知式装置であって、該低レイテンシタッチ感知式装置は、
    第一および第二の複数導体であって、
    第一複数導体の導体経路の各々が、第二複数導体の導体経路の各々と交差するように配置され、
    ここで前記タッチ感知式装置がタッチされていないとき、些細な量の信号が間に結合され、
    前記タッチ感知式装置がタッチされているとき、些細でない量の信号が間に結合される、
    第一および第二の複数導体、
    第二複数導体の各々に存在する信号を処理するために、且つ第二複数導体の各々に存在する信号の各々についてどの信号がその些細でない部分を形成するのか決定するために適合される、少なくとも1つの信号プロセッサであって、該少なくとも1つの信号プロセッサは、
    行と列の間のクロストークを取り除くためにオフセット値を引き、減衰による特定の行/列の組み合わせの間の振幅の差を補って、それによりフィールド平坦化された信号をつくる、フィールド平坦化手順、
    平坦化した信号内の極大値を位置づけることによって粗いタッチ点を計算する、タッチ点検出手順
    粗いタッチ点から細かいタッチ点を計算する補間手順
    フレーム全体で互いに対して計算されたタッチ点を互いに一致させる、フレーム整合手順
    の適用により、信号強度を表す二次元マップを使用可能なタッチ事象に変換するために適合される、少なくとも1つの信号プロセッサ
    を含む、低レイテンシタッチ感知式装置。

  2. 少なくとも1つの信号プロセッサは、二次元マップの複数の位置の各々に、特定の行/列の組み合わせに関する較正定数を掛けることにより、行/列の組み合わせの間の振幅の差を補うために適合される、ことを特徴とする請求項1に記載の低レイテンシタッチ感知式装置。

  3. 少なくとも1つの信号プロセッサは、複数の列の受信機の各々において各行の信号の信号強度を測定し、且つ特定の列の受信機の位置において二次元マップの位置から引かれるオフセット値として、特定の列の受信機から測定した値を使用する、フィールド平坦化手順を適用するために適合される、ことを特徴とする、請求項1に記載の低レイテンシタッチ感知式装置。

  4. 少なくとも1つの信号プロセッサは、タッチ感知式装置のタッチ表面の位置でタッチ事象を測定値まで正規化することにより、特定の行/列の組み合わせの間の振幅の差を補うフィールド平坦化手順を適用するためにさらに適合される、
    ことを特徴とする、請求項1に記載の低レイテンシタッチ感知式装置。

  5. 位置は、送信機および受信機に近接する行/列の交点を含む、ことを特徴とする請求項4に記載の低レイテンシタッチ感知式装置。

  6. 少なくとも1つの信号プロセッサは、二次元マップの複数の位置の各々における信号強度をその複数の近傍と比較し、位置がそれらの各々よりも大きくかつ所定の閾値よりも大きい場合に極大値として分類する、タッチ点検出手順を適用するためにさらに適合される、ことを特徴とする請求項1に記載の低レイテンシタッチ感知式装置。

  7. 少なくとも1つの信号プロセッサは、二次元の二次関数として分配されたタッチの容量接触をつくる、補間手順を適用するために適合される、ことを特徴とする請求項1に記載の低レイテンシタッチ感知式装置。

  8. 少なくとも1つの信号プロセッサは、粗いタッチ点に関連したデータを放物面にフィットさせる補間手順を適用するために適合される、ことを特徴とする請求項1に記載の低レイテンシタッチ感知式装置。

  9. 少なくとも1つの信号プロセッサは、放物面を記載する多項式の係数を解くためにヴァンデルモンドのような行列を使用する、補間手順を適用するために適合される、ことを特徴とする請求項8に記載の低レイテンシタッチ感知式装置。

  10. ヴァンデルモンドのような行列は、列の数と等しい行の数を有する正方形である、ことを特徴とする請求項9に記載の低レイテンシタッチ感知式装置。

  11. ヴァンデルモンドのような行列は、列の数と等しくなく、且つ複数の要因によって決定づけられる行の数を有する非正方形である、ことを特徴とする請求項9に記載の低レイテンシタッチ感知式装置。

  12. 少なくとも1つの信号プロセッサは、最小二乗法を使用する補間手順を適用するために適合される、ことを特徴とする請求項8に記載の低レイテンシタッチ感知式装置。

  13. 放物面を記述する多項式は
    であることを特徴とする請求項9に記載の低レイテンシタッチ感知式装置。

  14. 放物面を記述する多項式は
    であることを特徴とする請求項9に記載の低レイテンシタッチ感知式装置。

  15. 少なくとも1つの信号プロセッサは、第一のフレームのタッチ点のサイズおよび第二のフレームのタッチ点のサイズに少なくとも部分的に基づいて、第一のフレームの計算されたタッチ点を第二のフレームの計算されたタッチ点に一致させる、フレーム整合手順を適用するために適合される、ことを特徴とする請求項1に記載の低レイテンシタッチ感知式装置。

  16. 少なくとも1つの信号プロセッサは、第一のフレームのタッチ点の位置と第二のフレームのタッチ点の位置との間の距離の、少なくとも1つの変化に少なくとも部分的に基づいて、第一のフレームの計算されたタッチ点を第二のフレームの計算されたタッチ点に一致させる、フレーム整合手順を適用するためにさらに適合される、
    ことを特徴とする請求項1に記載の低レイテンシタッチ感知式装置。

  17. フレーム整合手順は、第一のフレームの計算されたタッチ点の速度ベクトルおよび第二のフレームの計算されたタッチ点の位置に少なくとも部分的に基づいて、第一のフレームの計算されたタッチ点を第二のフレームの計算されたタッチ点に一致させる、ことを特徴とする請求項16に記載の低レイテンシタッチ感知式装置。

  18. タッチ感知式装置上で1つ以上容量性の物体の1以上のタッチ位置を決定する方法であって、
    該タッチ感知式装置は、受信機に連結した少なくとも1つの受信ワイヤー、および直交信号の送信機に連結した複数の送信ワイヤーを含み、各送信ワイヤーは少なくとも1つの受信ワイヤーと交差し、および送信ワイヤーの各々は他の送信ワイヤーと直交する信号を運び、および、1つ以上の交点に近接する容量性の物体の存在は、些細でない量の信号を少なくとも1つの受信ワイヤーに繋げ、
    前記方法は、
    各送信ワイヤーの行および少なくとも1つの受信ワイヤーの各々の列を含み、およびゆえに各行/列の交点の要素を含むヒートマップをつくる工程、
    少なくとも1つの受信ワイヤー上に存在する直交信号の各々の量を同定する工程;
    各対応する交点に繋がれた直交信号の量を反映する値により、ヒートマップ要素を生追加する工程;
    ヒートマップ中の1つ以上の極大値を位置づける工程;
    各極大値の周囲のヒートマップのデータを、最大値を有するモデル関数にフィットさせる工程;および
    モデル関数に対する各フィッティングに関して、モデル関数の最大値を、およびゆえにタッチ感知式装置上の1つ以上のタッチ位置を計算する工程、
    を含む、方法。

  19. 位置づける工程の前にヒートマップを補う工程
    をさらに含む、請求項18に記載の方法。

  20. 補う工程は、
    各送信ワイヤーが少なくとも1つの受信ワイヤーの各々と繋がれる時、直交信号の送信機と受信機の間の、直交信号の振幅の差に実質的に対応する値を有する補償マップをつくる工程、および
    補償マップを使用して、ヒートマップを補う工程
    を含むことを特徴とする、請求項19に記載の方法。

  21. 補う工程は、
    送信ワイヤーが少なくとも1つの受信ワイヤーの各々と繋がれる時、直交信号の送信機と受信機との間の、直交信号の振幅の差を評価できる補償関数をつくる工程、および
    補償関数を使用して、ヒートマップを補う工程
    を含むことを特徴とする、請求項19に記載の方法。

  22. オフセット値を決定する工程、およびオフセット値を使用して、ヒートマップを補う工程、を含むことを特徴とする、請求項19に記載の方法。

  23. オフセット値を使用してヒートマップを補う工程は、ヒートマップの各要素からオフセット値を引く工程を含む、ことを特徴とする、請求項22に記載の方法。

  24. 補う工程は、
    1つ以上の交点に近接する容量性の物体が存在しない各交点に存在するクロストークの量に実質的に対応する値を有する、オフセット値のマップを作る工程、および
    オフセット値のマップを使用して、ヒートマップを補う工程
    を含むことを特徴とする、請求項19に記載の方法。

  25. オフセット値のマップを使用してヒートマップを補う工程は、ヒートマップの各要素から、オフセット値のマップの対応する値を引く工程を含むことを特徴とする、請求項24に記載の方法。

  26. モデル関数は放物面であることを特徴とする、請求項18に記載の方法。

  27. モデル関数は放物面であることを特徴とする、請求項19に記載の方法。

  28. モデル関数は放物面であることを特徴とする、請求項22に記載の方法。

  29. モデル関数は放物面であることを特徴とする、請求項24に記載の方法。

  30. 一時記憶装置に、タッチ感知式装置上の各タッチ位置を表わすデータを保存する工程であって、該データは、位置、サイズ、回転方向からなる群から選択される少なくとも1つを含む、工程
    をさらに含む、請求項18に記載の方法。

  31. タッチ感知式装置上で1つ以上の容量性の物体の1以上のタッチ位置を追跡する方法であって、
    該タッチ感知式装置は、受信機に連結した少なくとも1つの受信ワイヤー、および直交信号の送信機に連結した複数の送信ワイヤーを含み、各送信ワイヤーは少なくとも1つの受信ワイヤーと交差し、および送信ワイヤーの各々は他の送信ワイヤーの各々と直交する信号を運び、および、1つ以上の交点に近接する容量性の物体の存在は、些細でない量の信号を少なくとも1つの受信ワイヤーに繋げ、
    前記方法は、
    i)各送信ワイヤーの行および少なくとも1つの受信ワイヤーの各々を含み、およびゆえに各行/列の交点の要素を含むアレイをつくる工程、
    ii)フレームを、
    (1)少なくとも1つの受信ワイヤー上に存在する直交信号の各々の量を同定する工こと;
    (2)アレイの要素に、各対応する交点に繋がれた直交信号の量を反映する値を、追加すること;
    によってつくる工程
    iii)フレームを、
    (1)アレイ中の1つ以上の極大値を位置づけること;
    (2)各極大値の周囲のアレイのデータを、最大値を有するモデル関数にフィットさせること;
    によって処理する工程、
    iv)タッチ感知式装置上で1つ以上のタッチ位置を、
    (1)モデル関数に対する各フィッティングに関して、モデル関数の最大値を、およびゆえにタッチ感知式装置上の1つ以上を計算すること、
    によってフレームにおいて同定する工程、
    v)一時記憶装置に、フレーム、およびフレームで同定されたタッチ感知式装置上の1つ以上のタッチ位置の少なくとも1つに対応するデータを、保存する工程
    vi)一時記憶装置中のデータを用いてフレーム整合する工程であって、それによって、フレームで同定されたタッチ感知式装置上の1つ以上のタッチ位置の少なくとも1つを、他のフレームで同定されたタッチ感知式装置上の1つ以上のタッチ位置の少なくとも1つと関連させる、工程
    vii)関連についての、1つ以上のタッチ位置および情報を出力する工程;
    viii)タッチ位置が追跡されなくなるまで、工程(ii)から(vii)を繰り返す工程、
    を含む、方法。

  32. フレーム、およびフレームで同定されたタッチ感知式装置上の1つ以上のタッチ位置の少なくとも1つに対応するデータは、フレーム;処理されたフレーム;1つ以上のタッチ位置の少なくとも1つに対応する座標;1つ以上のタッチ位置の少なくとも1つに対応するサイズ;1つ以上のタッチ位置の少なくとも1つに対応する回転方向;からなる群から選択される少なくとも1つを含む、ことを特徴とする請求項31に記載の方法。

  33. フレームをつくる工程は少なくとも100Hzのレートで生じることを特徴とする、請求項31に記載の方法。

  34. フレームをつくる工程は少なくとも約1000Hzのレートで生じることを特徴とする、請求項31に記載の方法。

  35. 少なくとも2つのフレームからのデータは、なくとも2つのフレームの各々の1つ以上のタッチ位置の1つの間の距離;少なくとも2つのフレームの各々の1つ以上のタッチ位置の1つに対応する速さのレート;および少なくとも2つのフレームの各々の1つ以上のタッチ位置の1つに対応する回転速度、から成る群から選択される少なくとも1つの時間をベースの指標を計算するために使用される、ことを特徴とする請求項32に記載の方法。

  36. 少なくとも1つの時間ベースの指標は、後の反復でのフレーム整合の工程に関連して使用される、ことを特徴とする請求項35に記載の方法。

  37. 関連についての情報は、回転方向、回転速度および回転加速から成る群から選択される少なくとも1つを含む、ことを特徴とする請求項31に記載の方法。

 

 

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【選択図】 図2
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【選択図】図1
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