JP2000306121A - ネットワークによって接続された複数のオブジェクト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 仮想世界を構築して人を居住させるアクセス
可能なモデリングツールを開発し、ユーザが物理的構造
体を構築するだけで仮想オブジェクトモデルの作成およ
び操作を行うことができるネットワークによって接続さ
れたえ複数のオブジェクトを提供する。 【解決手段】 通信ネットワークが複数のオブジェクト
を接続している。オブジェクトは、現実物理的世界オブ
ジェクトと、この現実物理的世界オブジェクトを表す仮
想世界オブジェクトと、現実物理的世界オブジェクトを
表すモデル世界オブジェクトとを含む。ネットワークは
オブジェクトを接続して、いずれか１つのオブジェクト
の状態の変化を他のいずれのオブジェクトにも反映す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、包括的には仮想
現実システムに関し、特に現実オブジェクト、オブジェ
クトのモデルおよび仮想オブジェクト間の対話に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】米国特許第４，２７５，４４９号の「モ
デリング配置（Modeling Arrangement）」において、ア
ーイッシュ（Aish）は、建築用のコンピュータ入力装置
としてビルディングブロックセットを記載している。ブ
ロックは、一部の面にコネクタを付けた幾何学的立体で
あり、変更可能に相互連結して様々なモデリング配置を
形成し、その幾何学的構造をコンピュータで読み取るこ
とができる。各ブロックに識別子が設けられており、こ
れをブロックに関する情報ファイルにインデックスとし
て使用して入れた時、物理的モデルの三次元表現を行う
ことができる。アーイッシュは、各ブロック内の回路を
最小限に抑えるモデリング配置の構造を読み取る方法を
考案した。ホストコンピュータが一度に１つのブロック
を選択して構造の探索を命令し、そのブロックの識別子
を読み取り、次に隣接のものを検出して、その構造の全
体的探索が完了するまで、制御をそのブロックから隣接
のものへ順に進めた。

【０００３】１９８５年１月３０日の建築家ジャーナル
（Architect's Journal）の４７〜５４頁の「インテリ
ジェントビルディングブロック（Intelligent Building
Blocks）」において、エバンス（Evans）は、材料特性
およびコストなどの他の情報もブロックに関連させるこ
とによって、コンピュータがモデル構造に関する様々な
建築分析および報告を作成することができると述べてい
る。

【０００４】１９９５年の建築協会（Architectural As
sociation）の「進化的建築（Evolutionary Architectu
re）」において、フレーザ（Frazer）は、機械読み取り
可能なモデリングツールのより野心的な一連のプロトタ
イプを記載している。モデリング構造を読み取る彼らの
方法は、一般的に、幾つかの異なった種類のビルディン
グエレメントを試みてそれらを様々な用途に使用してい
るが、アーイッシュの方法を踏襲していたものである。
１つの実施の形態では、フレーザのブロックの各々がホ
ストコンピュータによって制御できる８個のＬＥＤに反
映される８ビットの状態を有していた。また、モデル全
体の向きを決定するために、ブロックの１つに６個の水
銀傾斜スイッチが設けられ、別のブロックの外部被覆パ
ネルに磁気感知リードスイッチが埋め込まれていたもの
で、コンピュータがそのブロックに識別子を問い合わせ
始めると、これらのスイッチの状態がその結果に影響を
与え、したがって仮想モデルの表現外観に影響を与える
ことができる。

【０００５】フレーザはまた、実際のモジュラー住宅を
建てるためのキットに使用される構成部品に対応したエ
レメントを有するモデリングキットを開発した。ミニチ
ュアモデリングキットは、壁パネル、ドアおよび窓など
の様々なエレメントを含み、コンピュータのソフトウェ
アが設計図を描き、設計誤差、予想コストおよびエネル
ギ消費量などに関するフィードバックを行った。

【０００６】１９８８年のアカデミックプレス（Academ
ic Press）のＢ．Ｊ．アルダー（Alder）（編集）の
「専用コンピュータ（Special Purpose Computers）」
の６７〜９６頁の「偏微分方程式用の形状定義プロセッ
サ（Geometry-Defining Processors for Partial Diffe
rential Equations）」において、デューイ（Dewey）他
は、意図する用途は異なっているがフレーザのグループ
が構築したものの一部と同様の三次元ブロックセットを
記載している。彼らの形状定義プロセッサの動機付け
は、機械工学で研究されているシステムの有限要素シミ
ュレーション用の再構成可能な並列コンピュータの構築
であった。このため、並列処理エレメントの接続形状
は、モデル化された潜在的な物理的システムの形状と一
致することができ、したがって利用可能な通信帯域幅を
より有効に使用することができる。主要目的は工学的計
算であるため、各ビルディングエレメントは市販のマイ
クロプロセッサを含んでいた。

【０００７】他の関連研究が、１９９７年８月の対話式
システム設計：処理、実行方法および技術（Designing
Interactive Systems: Processes, Practices Mehtods
andTechniques）の会議録の１２５〜１２８頁の「三角
形：物理的デジタル構造キット（Triangles: A Physica
l-Digital Construction Kit）」、および１９９８年４
月のＣＨＩ９８の会議録の４９〜６頁の「三角形：デジ
タル情報トポグラフィの操作および開発用の実体的なイ
ンターフェース（Triangles:Tangible Interface for M
anipulation and Exploration of Digital Information
Topography）」にゴーベット（Gorbet）他によって記
載されている。各三角形は、埋め込み式マイクロプロセ
ッサを備えた平面的なプラスチックの正三角形である。
三角形は、磁気導電性コネクタで互いに物理的およびデ
ジタル式に連結する。互いに連結した時、三角形は平坦
面上にタイル状に並べられるか、もっと複雑な表面位相
に折り曲げられることができる。三角形を連結した時、
それらの識別子に関する情報を交換して、メッセージを
ホストコンピュータに中継することができる。このよう
に、ホストコンピュータで実行中のアプリケーションが
連結ピース間の関係を決定することができ、特定の連結
が特定のデジタル事象を引き起こすことができる。典型
的なアプリケーションには、ビジュアルプログラミン
グ、ビジュアルスクリプトおよびパターン形成が含まれ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】自己記述型構造キット
に所望される主要属性には、拡張性すなわち数百のビル
ディングエレメントを含む大型構造体を構築する能力
と、構成可能性すなわち豊富で多様な方法でビルディン
グエレメントを連結する能力と、対話可能性すなわち構
造物と物理的および電気的に対話する能力と、呈示すな
わち構造物のカスタマイズおよび定形化された視覚およ
び物理的解釈を設計する能力とが含まれる。従来のビル
ディングブロックシステムは、これらの主要属性に取り
組む統合的な解決策に欠けている。

【０００９】専門家にしかＣＡＤ／ＣＡＭなどのグラフ
ィックスモデリングパッケージの使い方がわからない
が、誰でもブロックでものを構築することができる。

【００１０】この発明は、このような前提から始まっ
て、仮想世界を構築して人を居住させるアクセス可能な
モデリングツールを開発することを目的として、新規な
オブジェクトモデリングシステムを提供することができ
るネットワークによって接続された複数のオブジェクト
を得るものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明に係るネットワ
ークによって接続された複数のオブジェクトは、現実物
理的世界オブジェクトと、上記現実物理的世界オブジェ
クトを表す仮想世界オブジェクトと、上記現実物理的世
界オブジェクトを表すモデル世界オブジェクトと、上記
複数のオブジェクトを接続して、いずれか１つのオブジ
ェクトの状態の変化を他のいずれのオブジェクトにも反
映するネットワークとを有するものである。

【００１２】また、上記モデルオブジェクトは、複数の
自己記述型ビルディングブロックを有しており、各ビル
ディングブロックは、上表面および下表面を有する格納
容器と、上記格納容器の上表面および下表面上にｍ×ｎ
に配列され、半径方向に対称的なコネクタとを備えてお
り、ｍおよびｎは共に１より大きく、さらに、メモリを
含み、上記格納容器内に取り付けられたマイクロコント
ローラを備えており、該マイクロコントローラは各コネ
クタに接続され、上記マイクロコントローラはコネクタ
のいずれかを使用してデータメッセージを交換する通信
手段を含み、上記コネクタは複数のブロックを、現実物
理的世界オブジェクトを表す剛直な三次元構造に配置す
ることができるものである。

【００１３】さらに、上記仮想世界オブジェクトは、複
数の自己記述型ブロックによって生成された連結情報か
ら得られるものである。

【００１４】

【発明の実施の形態】この発明において、新規なオブジ
ェクトモデリングシステムは、組み合わせて形成できる
幾何学的構造を自己記述するビルディングブロックを含
む。各ビルディングブロックはマイクロコンピュータを
含み、それと物理的に連結している他のブロックと通信
することができる。

【００１５】また、この発明は、埋め込み式マイクロプ
ロセッサ（マイクロコントローラ）を備えた自己記述型
ビルディングブロックを有する分散型コンピュータシス
テム用の新規なアーキテクチャを提供している。各自己
記述型ビルディングブロックは、上表面および下表面を
有する格納容器で形成されている。ｍ×ｎ配列の半径方
向に対称的なコネクタが格納容器の上表面および下表面
上に配置されており、剛直な構造体が必要な場合、ｍお
よびｎは共に１より大きい。コネクタは電力およびデー
タ信号を伝送するように構成されている。メモリを含む
マイクロコントローラが格納容器内に取り付けられてい
る。マイクロコントローラは各コネクタに接続されてい
る。マイクロコントローラは、コネクタのいずれかを使
用してデータメッセージを交換する通信手段を含む。

【００１６】コネクタは、複数のブロックを三次元構造
に配置することができる。この構造は、ブロックによっ
て実行される分散型計算によって再生してホストコンピ
ュータに送ることができる。ホストコンピュータは、そ
の構造を仮想現実コンピュータゲーム、建物の情報管理
および芸術的表現を含めた様々な用途に利用できるよう
にすることができる。

【００１７】収集されたブロック連結データと、事前分
類済みまたは編集可能なブロック属性から、ホストコン
ピュータは集合ブロックの幾何学的構造を再生すること
ができる。その時、構造をそのままの表現から、構造エ
レメントを自動的に識別して適当に拡大する装飾的解釈
までの様々なスタイルで表現することができる。表現さ
れた後の仮想モデルをユーザが見たり操作することがで
きる。自動的に装飾されたモデルは、三次元ステレオリ
トグラフィを用いて「複写」することもできる。

【００１８】ブロック連結データを収集した後、各ブロ
ックをホストコンピュータおよび他のブロックと通信さ
せることができる。ブロック内のセンサがそれらの状態
を報告し、ライト、スピーカ、モータなどの変換器を制
御することができる。たとえば、ブロックを組み合わせ
て実際の建物のモデルを形成し、モデル内のセンサを使
用して建物内の照明を制御することができると共に、建
物内のセンサを使用してモデル内の対応のライトを制御
することができる。

【００１９】センサのデータおよび変換器の制御と共に
ブロックの幾何学的配置をインターネットなどのネット
ワークで共用して、たとえば共同設計や、遠隔モニタリ
ングや、多人数でゲームを行うことも可能になる。

【００２０】従来の技術とは異なって、この発明のシス
テムは、自動インテリジェント装飾によって構造物を高
める独自の可能性と共に、拡張性、構成可能性および対
話可能性を同時に達成する。これは、ビルディングエレ
メントの豊富で多様な連結を可能にする物理的形状要
素、連結の効果的で頑強な計算を容易にするマイクロプ
ロセッサベースの分散型パケット交換アーキテクチャ、
対話に使用中のビルディングエレメントの自律作動、お
よび視覚および物理的装飾のための構造物の自動解釈を
使用して達成される。

【００２１】以下、具体的な実施の形態について説明す
る。 ブロック構造 図１および図２は、この発明に従った構造エレメント１
００を示している。図１は上面図であり、図２は底面図
である。エレメント１００は２×４×２ビルディングブ
ロックの形をとっている。ここで、２×４×２とは、各
ブロックの上部および底部に１６個のコネクタが配置さ
れていることを表している。一般的に、この発明は、ブ
ロックの上部および底部にいずれのｍ×ｎ配列のコネク
タを設けることもできる。しかし、剛直な構造を形成す
るためには、ｍおよびｎは共に１より大きくなければな
らない。

【００２２】各ブロックは固有のブロック識別番号（Ｂ
ＩＤ）を有しており、各コネクタは関連のコネクタ識別
番号（ＣＩＮ₁・・・ＣＩＮ₁₆）を有している。

【００２３】ブロック１００は、上部材１０１および取
り外し可能な下部材１０２を有する２部材形プラスチッ
ク格納容器である。これらの部材はねじで互いに固定す
ることができる。コネクタ１０３、１０４を取り付ける
ために上部および底部に穴が設けられている。

【００２４】８個の上部穴はプラグ１０３（ＣＩＮ₁・
・・ＣＩＮ₈）用であり、８個の底部穴にはジャック１
０４（ＣＩＮ₉・・・ＣＩＮ₁₆）が取り付けられる。ブ
ロックを様々な向きに連結できるようにするために、コ
ネクタを半径方向に対称的に、たとえば円形に形成して
いる。

【００２５】ブロック（ｍ×ｎ）の寸法および半径方向
に対称的なプラグおよびジャックの位置は、多数のブロ
ックをレゴ（LEGO：商標）ビルディングブロックで形成
できるような三次元構造と同様に配置することができる
ように定められている。

【００２６】コネクタ１０３、１０４の各々は２つの導
体（線）を有している。しかし、直流電力コネクタでは
通常の使い方である電力用および接地用に個別のコネク
タを使用する代わりに、この発明は双方向データ通信用
の信号線１０５として内側導体を、配電用に外側導体す
なわちスリーブ１０６を使用している。後述する変更実
施例では、単一の導体を電力およびデータ信号の両方に
使用している。この場合、電力信号を変調して信号を搬
送する。

【００２７】外側導体１０６は、ボリ（Bolli）に発行
された「ジグザグ電流搬送構造を有する電動おもちゃビ
ルディングブロック」と題する米国特許第４，８８３，
４４０号に記載されているものと同様なパターンで、隣
接コネクタでその外側スリーブの電力および接地信号が
交互するように配線されている。このため、ブロックで
構築されたいずれの典型的な構造においても、すべての
ブロックが少なくとも１つの電源接続部と少なくとも１
つの接地部とを有するであろう。

【００２８】ブロックを連結した時、どのスリーブが電
源に接続され、どのスリーブが接地されているかを推測
的に言うことができない。この発明では、この問題を図
１２に示されているようにして解決している。一方の極
性１１０１のすべてのスリーブを図３に示されている全
波ブリッジ整流器３２０の入力部の一方に接続し、他方
の極性１１０２のすべてのスリーブを整流器３２０の他
方の入力部に接続する。ブリッジ整流器の出力は、電力
および接地極性が既知の供給電圧である。電力が全波ブ
リッジ整流器３２０を通過する時、および電力がコネク
タ１０３および１０４を通過する時、電圧降下が生じる
ことに注意されたい。

【００２９】この供給電圧は次に電圧調整器３３０へ送
られ、これはブロックの回路内に使用されている集積回
路用に適正に調整された電力を出力する。電圧調整器
は、電圧が充分に高い限り、調整器に送られる電圧に関
係なく適正な電圧を回路に供給することができる。これ
によって、高電圧未調整電力をブロック間に配電するこ
とができる。これによって、電源から電力消費装置まで
の距離を大きくすることができ、したがって大型構造を
構成することが可能になる。

【００３０】詳細に後述するこの発明にしたがったデー
タ通信は、広域通信バスを使用しないで行われる。代わ
りに、この発明は信号線１０５を介したメッセージ送達
プロトコルを使用している。

【００３１】２つの穴１０７がブロックの各側部に設け
られている。各穴の背後に発光ダイオード（ＬＥＤ）が
取り付けられ、ブロックの作動が視覚表示される。

【００３２】図３の側面図に示されているように、回路
板３００がブロック１００内に取り付けられている。コ
ネクタ１０３、１０４がＬＥＤ３０１と同様に回路板に
固定されている。コネクタは、回路板用の物理的取り付
けベースを形成している。マイクロコントローラ３１
０、整流器３２０および電圧調整器３３０が回路板上に
取り付けられている。この発明では、マイクロチップ
（商標）テクノロジー社（Microchip Technology In
c.）のＰＩＣ１６Ｃ７７型マイクロコントローラを使用
している。このマイクロコントローラはランダムアクセ
スメモリを含む。回路板３００は、コネクタプラグおよ
びジャック用のパッドや、各種アナログ素子、すなわち
抵抗器、コンデンサ、およびマイクロコントローラ用の
クロックを発生する水晶も含む。

【００３３】回路板の周囲の幾つかのパッドは空いたま
まにされて、ブロック内部に追加の変換器およびセンサ
を、たとえば図２に示されているスピーカ１１０や、モ
ータや、無線、赤外線、超音波およびマイクロ波送信器
や、ＬＥＤ、ＬＣＤ、ＣＲＴおよび他の表示装置や、カ
メラや、マイクロフォンや、近接、存在、運動およびタ
ッチセンサ１２０や、無線、赤外線、超音波およびマイ
クロ波受信器などを収容できるようにしている。あるい
は、回路板をその基本機能に影響を与えることなく２×
２×２ビルディングブロックの内部にはまるようにトリ
ミングすることができる。

【００３４】マイクロコントローラ３１０は３３本の入
出力ピンを有し、そのうちの１６本はコネクタの信号線
を介してデータ通信に使用される。マイクロコントロー
ラは、８ビットＲＩＳＣのＣＰＵと、８Ｋワード（１４
ビット／ワード）の読み取り専用プログラムメモリ（Ｐ
ＲＯＭ）と、３６８バイト（８ビット）のデータメモリ
（ＲＡＭ）と、ハードウェア汎用同期／非同期受信器送
信器（ＵＳＡＲＴ）と、割り込み処理部とを含む。デー
タメモリは、作動中の一時データおよび連結情報を記憶
するために使用される。

【００３５】この発明では、実行効率を高めると共にコ
ードスペースを節約するために、コントローラをアセン
ブリ言語でプログラムしている。最初、各ブロックのマ
イクロコントローラ内のプログラムおよびデータはブロ
ックの固有識別番号（ＢＩＤ）を除いて同一である。

【００３６】組み立て構造の作動図４を参照しながらこ
の発明の作動を説明する。任意数のブロックを互いに連
結して、ある三次元構造体４００を形成する。ｍ×ｎ配
列の半径方向に対称的なコネクタを有するブロックの構
成融通性のため、１対の２×４×２ブロックは１８４通
りの形状に連結でき、１つの２×４×２ブロックを１２
個のブロックと連結させることができる。

【００３７】三次元構造体の幾何学的形状は、メッセー
ジ経路指定プロトコルを使用して決定される。プロトコ
ルの低レベル詳細を以下に示す。高レベルでは、プロト
コルは３段階で作動する。段階１は連結性を決定し、段
階２はプラグ−ジャック接続関係を決定し、段階３では
連結データベースがたとえばホストコンピュータ４８０
に送信すなわち「ドレイン」される。３段階を有する手
続きは４９９において様々なブロック内で同時に作動す
る。ホストコンピュータはＰＣやワークステーション等
にすることができる。

【００３８】これらの３段階が完了した後、ブロックは
段階Ｒ（経路指定を表すＲ）として知られる最終段階に
入る。この段階で、ブロックは互いに、またはホストコ
ンピュータと通信することができ、また、ホストコンピ
ュータはブロックと通信することができる。ブロック
は、汎用ネットワークルータとして機能し、また、この
段階中にセンサの状態を自律的に決定すると共に変換器
の状態を変更することができる。

【００３９】段階１ 後述するように、電力および接地信号を線４０１、４０
２でドレインブロック４０３に供給した時にオペレーシ
ョンが開始される。ドレインブロックからすべてのブロ
ックに配電される。ブロックに電力が供給されると、そ
れらは直ちに段階１（４１０）に入る。段階１におい
て、ブロックは４１１でその連結を同時に決定する。広
域通信バスがないため、電力のスイッチングが唯一の同
期源であり、電力が構造体全体に伝播する際のわずかな
遅れのために同期は必然的におおまかになる。

【００４０】各ブロックの１６本の信号線、すなわち上
部の８個のコネクタ１０３と底部の８個のコネクタ１０
４）のすべてがプルアップ抵抗器によって常時高レベル
に保持されている。段階１は、電力信号に応じて各ブロ
ックがその上部信号線（プラグ内の線）を引き下げる
（pull low）ことによって開始される。

【００４１】次に、各ブロックは、その底部信号線（ジ
ャック１０４内の線１０５）を試験して、どれが他の連
結ブロックによってすでに引き下げられているかを決定
して記憶する。短い遅れの後、ほぼ同期したブロックが
共用信号線を同時に両方向にドライブしていないことを
確認するために、上部および底部信号線の役割を逆にし
てこの試験を繰り返す。

【００４２】このようにして、段階１が完了した時、各
ブロックはその信号線のどれが接続されているか、すな
わちどのコネクタが他のブロックに取り付けられている
かを同時に識別しているが、どの特定ブロックまたはコ
ネクタに取り付けられているかは識別していない。

【００４３】段階２ 短い遅れの後、各ブロックは段階２（４２０）に入る。
この段階は、底部から上部の前半と、上部から底部の後
半とを有する。この段階で、ブロックは段階１で識別さ
れた接続信号線で隣接ブロックと通信して、プラグ−ジ
ャック通信情報４２１を決定する。段階２の前半の開始
時に、各ブロックは、まず、その接続底部信号線で送信
中のブロックのＢＩＤ（ＢＩＤ_T）を含む送信メッセー
ジと、そのブロックが送信に使用しているコネクタのコ
ネクタ番号（ＣＩＮ）ＣＩＮ_Tを聞く。

【００４４】送信が開始された時、受信ブロックが使用
中であると送信メッセージが受信され損なうことに注意
されたい。電気的干渉またはノイズもメッセージにエラ
ーを持ち込む。したがって、すべてのメッセージは検査
合計肯定応答済みプロトコルを使用して送信され、肯定
応答なしの送信は適当なタイムアウト後に所定回数だけ
再送される。

【００４５】受信ブロックは、そのＢＩＤ番号ＢＩＤ_R
およびそれが送信を受け取るコネクタ番号ＣＩＮ_Rと共
にメッセージ内容をメモリに、たとえば（ＢＩＤ_T、Ｃ
ＩＮ_T、ＢＩＤ_R、ＣＩＮ_R）と記憶する。このデータセ
ットは、２つのブロック間の単一連結の完全な記録を形
成する。これらの記録のデータベース４５０が各ブロッ
ク内で局部連結情報を記憶する。

【００４６】ブロックがその接続底部線のすべてで送信
をうまく受け取った後、それは上部接続線の各々で送信
を開始し、そのコネクタ番号の順に繰り返す。したがっ
て、連結情報は、最初、有効な並列通信の可能性を有
し、底部から上部の方向にブロック構造体内を流れる。
この並列手続きが完了すると、各ブロックはその底部コ
ネクタがそれぞれどのブロックのどのコネクタに取り付
けられているかを知る。

【００４７】後半でその手続きを繰り返すが、ブロック
はその上部接続線で聞き、底部接続線で送信する。この
ため、段階２の終了時には、各ブロックがその接続線の
すべてに関する完全な知識、すなわち連結ブロック対の
ＢＩＤおよびそれらを取り付けている対応のコネクタ番
号を取得してメモリに記憶している。

【００４８】段階２でうまく処理された各接続線を「有
効」と呼び、不接続の線を「無効」と見なす。

【００４９】段階３ 段階３（４３０）において、連結情報（ＢＩＤおよびＣ
ＩＮ）がホストコンピュータに対する直列通信接続部を
含むドレインブロック４０３を介してホストコンピュー
タに送られる。ドレインブロックは、ブロック構造体と
ホストコンピュータとの間の通信を仲介するのに加え
て、連結ブロックに電力を供給し、ブロック構造体のい
ずれの部分にも取り付けられる。言い換えると、ドレイ
ンブロックは、直列接続部を有するブロック１００とし
て構成することができる。

【００５０】段階３において、すべてのブロックがその
有効線のすべてでメッセージを聞く。ドレイン要求メッ
セージをブロックが特定コネクタで受け取ると、そのコ
ネクタが「ドレイン」コネクタに指定される。ドレイン
要求メッセージはドレインブロック４０３で生成され
て、まずはそれに連結されているいずれかのブロックに
送られるか、ドレイン要求メッセージはホストコンピュ
ータで生成されて、まずはドレインブロック４０３に送
られる。段階３で始動して、ドレインブロックはそれに
連結されたブロックにメッセージを確実に転送する働き
をし、それの存在はアルゴリズムに対してトランスペア
レントである。ドレイン要求メッセージの受信に応じ
て、ブロックはすべての記憶されているプラグ−ジャッ
ク接続関係情報４２１を含む連結メッセージを、そのブ
ロックがドレイン要求メッセージを受け取ったコネクタ
である「ドレイン」コネクタで送る。

【００５１】ブロックが連結メッセージの送信をうまく
完了した後、ブロックは最も小さいコネクタ番号の有効
線でドレイン要求メッセージを転送し、ブロックはメッ
セージ転送モードに入る。

【００５２】ブロックがドレイン要求メッセージの転送
に応じて連結メッセージを受け取った場合、ブロックは
そのメッセージをドレインコネクタで転送する。ブロッ
クが後続のドレイン要求メッセージを受け取った場合、
ブロックは完了メッセージで返答する。ブロックが完了
メッセージを受け取った場合、ブロックは大きいコネク
タ番号の有効線でドレイン要求メッセージを転送する。
すべての有効線の処理が完了すると、ブロックは完了メ
ッセージをドレインコネクタで送る。

【００５３】前述したように、第１ドレイン要求メッセ
ージをドレインブロック４０３で構造体４００内に送り
込むことができる。その要求はブロック構造体内を予め
定まった順序で深さ優先探査で伝播する。この探査は順
次実行される、すなわち、ある時にどの点でも１つのブ
ロックだけがドレインし、ドレインへのメッセージの転
送はパイプライン化され、したがってこの段階でも並列
性が得られる。

【００５４】段階３の終了時に、ホストコンピュータ４
８０はブロック構造体について完全な連結情報を有して
いる。実際に、各連結は２つの連結ブロックの各々によ
って一度ずつ、すなわち２度報告されているため、ホス
トコンピュータは冗長連結情報を有している。この冗長
性はシステムの頑強性に役立つが、段階２の後半を省略
することによってそれをなくして効率を高めることもで
きる。ブロック構造体は剛直であるため、それの幾何学
的形状を完全な連結データから決定論的に推測すること
ができる。そのように推測された幾何学的データを使用
して、ブロック構造体の様々な表現を以下のように計算
することができる。

【００５５】段階Ｒ 段階Ｒ（４４０）は、対話性を与えるための拡張性のあ
る応答方法を実行する。ブロックは状態変化を問い合わ
せられるのではなく、事象を自律的に報告する。段階３
で調べたドレインへの経路を使用して、事象に関するメ
ッセージを蓄積転送方式で一連のブロックを経てドレイ
ンブロックに、また、ホストコンピュータに送る。

【００５６】段階Ｒ４４０で、ブロックは汎用メッセー
ジを聞く。各メッセージは検査合計され、うまく受信さ
れたメッセージが肯定応答される。タイムアウト後、肯
定応答なしのメッセージはうまく肯定応答されるまで再
送される。

【００５７】図５に示されているように、メッセージ４
６０は一連のパケット４６１で構成されている。各パケ
ットは、パケット順序番号４６６とオプションのドレイ
ンへの経路表示４６７とを含むプレフィックス４６２を
備えている。パケット順序番号は、パケットが適正な順
序でうまく受信されいることを保証するために使用され
る。ドレインへの経路表示がある場合、パケットは受信
ブロックのドレインコネクタへ転送され、それ以上の処
理が行われない。各パケットはヘッダ４６３、内容４６
４および検査合計４６５も含む。

【００５８】段階Ｒのパケットは、ヘッダのパケット形
式４６８によって識別される。ヘッダはパケットの長さ
４６９を記憶する。認められているパケット形式には、
（１）読み取り／書き込み−ＲＡＭ／レジスターパケッ
トと、（２）ＲＡＭ／レジスタ−内容パケットと、
（３）ＬＥＤ変更（Alter-LED）パケットと、（４）音
楽演奏パケットと、（５）特定路を通るパケット経路パ
ケットとが含まれる。この最後のパケット形式は他のパ
ケットをいずれかの他のブロックに送ることができる。

【００５９】パケットを転送すべき一連のコネクタ識別
番号（ＣＩＮ）を一覧表にすることによって特定路が決
定される。虫食い穴（worm-hole）経路指定の形を利用
して、各ブロックが一覧表に指定された第１ＣＩＮへの
転送路を設定し、それから次のブロックに転送されたそ
のＣＩＮを一覧表から除去する。

【００６０】段階Ｒは、取り付けられているセンサの状
態を監視し、変化を決定した時、自律的にＲＡＭ／レジ
スタ−内容パケットをドレインへの経路指示を使用して
ホストコンピュータに送って、ホストコンピュータにそ
の変化を知らせる。このため、ホストコンピュータは常
にすべてのブロックのすべてのセンサの状態を知ること
ができる。ホストコンピュータは経路パケット（Route-
packet）形式を使用して指定ブロックにパケットを送っ
て、そのブロックに取り付けられている変換器の状態を
変化させることができる。このため、ホストコンピュー
タはブロックに取り付けられている付属品を制御するこ
とができる。

【００６１】図５に示されているように、メッセージ４
６０は１つまたは複数のパケット４６１で構成されてい
る。パケットは、一連の個別に同期されたバイトで構成
されている。各パケットは、選択プレフィックスバイト
４６２と、メッセージヘッダ４６３と、メッセージ内容
バイト４６４と、検査合計４６５とを含む。プレフィッ
クスは順序番号４６６とドレインへの経路表示を記憶す
る。ヘッダはパケット形式４６８とパケット長さ４６９
とを記憶する。内容４６４は経路指定情報（ＣＩＮ）ま
たは実際のメッセージ指定データでよい。

【００６２】パケットは肯定応答され、肯定応答なしの
パケットは適応タイムアウトアルゴリズムを使用して再
送される。パケットはパイプライン式に送信される。こ
のため、ここに記載されているようなプロトコルを使用
したシステムは、自己記述型記憶および転送コンピュー
タネットワークに匹敵する。この形式のアーキテクチャ
は、スピーカまたはモータなどの能動制御を必要とする
変換器や、マイクロフォンおよびカメラなどのデータバ
ッファリングを必要とする送信器を簡易化する。

【００６３】構造体のグラフィック表現 図４に示されているように、ホストコンピュータ４８０
はデータベース（ＤＢ）４９０にアクセスする。データ
ベースは、構造体４００内の各ブロックのＢＩＤ４９１
および属性４９２を記憶している。属性には、識別ブロ
ックに関連した形状、寸法、色、質感および他の物理的
またはグラフィック情報を含むことができる。言い換え
ると、属性４９２はブロックに追加特徴を与えることが
できる。ブロックに固有のＢＩＤが与えられた時、属性
を割り当てることができる。データベースは編集するこ
とができる。この処理が図１２に記載されている。

【００６４】図１３において、データベース１２００は
ブロック固有情報を記憶する。前述したように、段階３
から連結情報１２１０を受け取る。段階１２２０は、個
々のブロックの場所を推測する。この点で、構造体４０
０を説明する様々な標準フォーマットのファイル１２３
１〜１２３３が生成される。

【００６５】ホストコンピュータで実行されるグラフィ
ック表現アプリケーション４８１が１２４０で構造体の
三次元形状５００を出力装置４８５にグラフィック表現
することができ、ユーザはユーザインターフェースを使
用して段階Ｒの対話１２５０を実行することができる。
アプリケーション４８１はいずれの一般的な三次元モデ
リングシステムでもよい。たとえば、図７は、図６に示
されている物理的ブロック構造体５００からホストコン
ピュータによって生成されたグラフィック６００を示し
ている。ブロックの表現形状をブロック１００の物理的
形状と異なったものにすることができることに注意され
たい。たとえば、図７では、ブロックがレゴ（商標）ブ
ロックに見えるように形成されている。

【００６６】図１１では、同じ構造体５００が周知のク
ェーク（Quake）（商標）ゲームの建物１０００として
組み込まれている。この表現では、仮想−現実環境で構
造体内を「ナビゲート」することが実際に可能になる。
この場合、ブロックに与えられた属性は、爆発性の壁、
落とし戸、電動壁などのゲーム効果を含む。

【００６７】装飾的表現 また、図４のデータベース４９０に記憶されている論理
公理４９３セットとしてブロック構造体の説明を行い、
それぞれの公理が１つのブロックの位置、向きおよび識
別番号（４９４）を断定する。これらの公理は、たとえ
ばプロログ言語で書かれた論理プログラムアプリケーシ
ョンへの入力として機能して、たとえば構造体を建物と
して解釈する時、構造体５００の壁や屋根などのユニフ
ィケーションドライブ式（unification-driven）パター
ンマッチングによるブロック構造体の大型構造エレメン
トを識別することができ、詳細な例として付録Ａおよび
Ｂを参照されたい。

【００６８】

【表１】

【００６９】

【表２】

【００７０】識別される他の構造エレメントには、窓、
ドア、コーナー部、屋根の先端などが含まれる。次に、
認識された構造エレメントのそれぞれの色づけおよび質
感決めを行い、追加装飾形状で装飾することによって表
現モデルの視覚的外観を向上させる。

【００７１】図８では、グラフィック７００は草葺き屋
根のコテージとして表現された同一の物理的構造体を示
しており、煉瓦の質感、なだらかに傾斜するように変更
されると共にモザイク的な質感で表現された屋根ブロッ
ク、および屋根の基部を取り囲む追加幕面に注意さた
い。

【００７２】図９では、同一のブロックが城８００とし
て表現されている。銃眼を付けた壁が任意の形状および
色の石ブロックで形成されて、手作り的外観を生じてい
る。窓にバーが設けられている。屋根の先端に旗竿が配
置され、外側のコーナー部に赤色の小塔が追加されてい
る。

【００７３】図１０では、同一ブロック４００または５
００が木造の城塞９００になっている。

【００７４】パターンマッチングルールを発展させて、
建物のさらなる構造エレメントの認識や、さらなる表現
スタイルの支援を行うことができる。また、自動車や生
物体などの他のモデル用の解釈および装飾ルールを考案
することもできる。

【００７５】装飾的に表現された後、構造の拡大形状
（geometry）をステレオリトグラフィなどによる三次元
印刷用の適当なフォーマットに変換することができる。
このため、ブロック構造体の多数の装飾形式を物理的に
実現することができる。

【００７６】多重世界対話性（Multi-World Interactiv
ity） ユーザがリアルタイムでブロックと対話できるように、
ブロック１００は近接およびタッチセンサを備えること
ができる。センサデータは前述の段階Ｒのプロトコルに
よってホストコンピュータに転送される。ブロック内の
変換器も段階Ｒのメッセージで制御される。

【００７７】図１４に示されているように、これらの機
構は、ネットワーク１３０４で接続された現実の物理的
世界１３０１、モデル世界１３０２および仮想世界１３
０３を関連づける幾つかの可能な監視および制御アプリ
ケーションを形成する。たとえば、ブロック構造体モデ
ルを現実世界の建物用に形成することができる。建物の
仮想表示をコンピュータディスプレイで見ることができ
る。ブロック構造体のスイッチまたはセンサを操作する
ことによって、照明およびサーモスタットなどの現実世
界建造物の様相を制御することができる。現実世界のセ
ンサの状態を、たとえばＬＥＤの点灯またはスピーカの
作動によってブロックモデルに反映させることができ
る。両方の場合で、状態および挙動データも仮想モデル
内に表すことができる。さらに一般的に言うと、いずれ
か１つの世界の状態の変化を他のいずれの世界にも反映
させることができる。

【００７８】要約 要約すると、この発明は、ユーザが物理的構造体を構築
するだけで仮想オブジェクトモデルの作成および操作を
行うことができるようにする実体的なインターフェース
を提供している。オブジェクト認識によって、ホストコ
ンピュータはユーザが構築した構造体を知的に操作また
は拡大することができる。

【００７９】この発明の精神および範囲内において様々
な他の応用および変更を加えることができることを理解
されたい。したがって、発明の真の精神および範囲に入
るそのような修正および変更をすべてカバーすること
が、添付の請求項の目的である。

【００８０】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、仮想
世界を構築して人を居住させるアクセス可能なモデリン
グツールを開発して、ユーザが物理的構造体を構築する
だけで仮想オブジェクトモデルの作成および操作を行う
ことができるネットワークによって接続された複数のオ
ブジェクトを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明に従った構造エレメントまたはビル
ディングブロックの上部斜視図である。

【図２】 図１のブロックの底部斜視図である。

【図３】 図１および図２のブロック内に取り付けられ
た回路板の側面図である。

【図４】 ブロック配置の連結を決定するためにビルデ
ィングブロックによって使用される処理の流れ図であ
る。

【図５】 ブロック間で送られるメッセージのブロック
図である。

【図６】 この発明に従ったビルディングブロックの任
意の剛直構造（rigid arrangement）の斜視図である。

【図７】 図６の構造のリテラルグラフィック表現を示
す図である。

【図８】 図７の構造の変更形グラフィック表現を示す
図である。

【図９】 図７の構造の変更形グラフィック表現を示す
図である。

【図１０】 図７の構造の変更形グラフィック表現を示
す図である。

【図１１】 図７の構造の変更形グラフィック表現を示
す図である。

【図１２】 チェッカーボードシグナリングパターンを
示す図である。

【図１３】 ブロック構造の連結を決定する処理流れ図
である。

【図１４】 構造エレメントから形成されたモデル世界
と、モデル世界のグラフィック仮想世界と、モデルおよ
び仮想世界に表された物理的工作物（work）との間の対
話を説明する図である。

【符号の説明】

１００ ブロック、１０１ 格納容器上部材、１０２
格納容器下部材、１０３、１０４ コネクタ、 ３１０
マイクロコントローラ、４１０ 段階１（連結決
定）、４１１ タグ連結されたＰＩＮ、４２０ 段階２
（データベース記入）、４３０ 段階３（データベース
をホストに送信）、４４０ 段階Ｒ（汎用経路指定）、
４５０ 各ブロック内のデータベース、４８０ ホス
ト、１３０１現実世界オブジェクト、１３０２ ブロッ
クでできた物理的モデル、１３０３コンピュータにおけ
る仮想モデル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 597067574 201 ＢＲＯＡＤＷＡＹ， ＣＡＭＢＲＩ ＤＧＥ， ＭＡＳＳＡＣＨＵＳＥＴＴＳ 02139， Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者 デイビット・ビー・アンダーソン アメリカ合衆国、マサチューセッツ州、ベ ルモント、フェアビュー・アベニュー 70 (72)発明者 ジェイムズ・エル・フランケル アメリカ合衆国、マサチューセッツ州、レ キシントン、メイソン・ストリート 29 (72)発明者 ジョゼフ・ダブリュウ・マークス アメリカ合衆国、マサチューセッツ州、ベ ルモント、ダルトン・ロード 61

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 現実物理的世界オブジェクトと、 上記現実物理的世界オブジェクトを表す仮想世界オブジ
   ェクトと、 上記現実物理的世界オブジェクトを表すモデル世界オブ
   ジェクトと、 上記複数のオブジェクトを接続して、いずれか１つのオ
   ブジェクトの状態の変化を他のいずれのオブジェクトに
   も反映するネットワークとを有するネットワークによっ
   て接続された複数のオブジェクト。
2. 【請求項２】 上記モデルオブジェクトは、複数の自己
   記述型ビルディングブロックを有しており、 各ビルディングブロックは、 上表面および下表面を有する格納容器と、 上記格納容器の上表面および下表面上にｍ×ｎに配列さ
   れ、半径方向に対称的なコネクタとを備えており、ｍお
   よびｎは共に１より大きく、 さらに、メモリを含み、上記格納容器内に取り付けられ
   たマイクロコントローラを備えており、該マイクロコン
   トローラは各コネクタに接続され、上記マイクロコント
   ローラはコネクタのいずれかを使用してデータメッセー
   ジを交換する通信手段を含み、上記コネクタは複数のブ
   ロックを、現実物理的世界オブジェクトを表す剛直な三
   次元構造に配置することができる請求項１記載のネット
   ワークによって接続された複数のオブジェクト。
3. 【請求項３】 上記仮想世界オブジェクトは、複数の自
   己記述型ブロックによって生成された連結情報から得ら
   れる請求項２記載のネットワークによって接続された複
   数のオブジェクト。