JPH0668237A

JPH0668237A - ３次元画像表示システム

Info

Publication number: JPH0668237A
Application number: JP5076002A
Authority: JP
Inventors: Robert P Bisey; ピー・ビセイロバート
Original assignee: Grumman Aerospace Corp
Current assignee: Grumman Corp
Priority date: 1992-04-01
Filing date: 1993-04-01
Publication date: 1994-03-11
Anticipated expiration: 2019-07-28
Also published as: US5367614A; JP3547459B2

Abstract

(57)【要約】【目的】人が物体を視る時と同じように、コンピュー
タモニタ上に表示される３次元画像の遠近状態を変化さ
せることができる３次元画像表示システムを実現する。【構成】送信モジュール１０が操作者の頭部に装着さ
れ、所定の時間間隔で所定周波数の超音波信号を送信
し、ディスプレイモニタ１６の周囲に配設される超音波
マイクロフォン１８，２０，２２が超音波信号を受信す
る。インタフェースユニット２８は、超音波マイクロフ
ォン１８，２０，２２が各々受信した信号をディスプレ
イモニタ１６と操作者１４の頭部との瞬時距離を表す複
数のデータに変換する。画像処理コンピュータ３８は、
前記複数のデータに応じてモニタ１６に表示される３次
元画像の遠近表示形態を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】【産業上の利用分野】

【０００１】この発明は、３次元画像の遠近表示形態を
制御する装置に関し、特に、コンピュータモニタ上に表
示された３次元コンピュータ画像を視る操作者の頭部の
動きによってリアルタイムに遠近表示形態を制御する３
次元画像表示システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】今日、コンピュータによって生成される
３次元画像は、科学技術、公告業界あるいは娯楽業界の
各分野でありふれたものとなっている。例えば、科学者
や数学者は、数学的関係式を空間的／視覚的に表現する
ため、３次元空間における数学機能をプロットして像形
成する３次元ワイヤフレームモデルを使用する。また、
技術者は、実際に製品が作られる以前にその製品を研究
するために３次元画像技術を使用する。このような３次
元画像技術では、技術者は実際に製品を製造することな
く、様々な設計態様を考察することが可能になる。ＣＡ
Ｄ／ＣＡＭユーティリティの多くは科学技術分野で用い
られており、比較的低価格な３次元画像を形成する。公
告業界や娯楽業界の分野では、ステーションロゴやテレ
ビコマーシャル等のように高価な３次元画像を用いてい
る。

【０００３】３次元画像を形成するために用いられるプ
ログラムの重要な特徴は、表示された画像の位置を変化
させることができることにある。この特徴は、例えば、
原画面に表示されていない特定物体の下面をユーザ側に
視覚させる。３次元画像は、通常、直交軸Ｘ，Ｙおよび
Ｚのいずれか１軸回りの回転、あるいは各軸回転の組み
合わせによって得られる。このような回転は、予めプロ
グラムされたコンピュータアルゴリズムを用いてなされ
る。コンピュータアルゴリズムは、３次元画像を指定さ
れた周期毎に、指定された回転軸についてゆっくりと回
転させる。この場合、３次元画像は、ジョイスティック
やマウス等の対話型操作子を用いることによってリアル
タイムに手動操作して回転させることが可能になってい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の手法では、次の点について考慮していない。す
なわち、コンピュータによって生成される３次元画像
を、人間の視線の動きに応じてその位置関係をリアルタ
イムに表示制御するものではない。したがって、コンピ
ュータモニタ上に表示される３次元画像を視る操作者の
視線に応じて当該画像の遠近図を表示することが望まれ
ている。本発明は、コンピュータによって生成される３
次元画像の遠近表示を直接的に制御可能とするものであ
り、コンピュータモニタ上に表示される３次元画像を視
る操作者の頭部の動きに比例して遠近表示形態を直接的
に制御し、これによって、人が自然に経験するものと同
じように遠近状態を変化させることを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明は、コンピュー
タモニタ上の画像を視る操作者の頭部の動きに比例して
コンピュータによって生成された画像の遠近表示形態を
制御するための装置において、操作者の頭部に装着さ
れ、所定周期毎に所定周波数の超音波信号を送信する送
信手段と、前記コンピュータモニタに設けられ、前記送
信手段から送信される前記超音波信号を受信する複数の
超音波受信器と、前記複数の超音波受信器のそれぞれに
接続され、各超音波受信器が受信した信号を前記コンピ
ュータモニタと前記操作者の頭部との離間距離を表す信
号に変換する測定手段とを具備することを特徴としてい
る。

【０００６】さらに、詳細に言えば、コンピュータモニ
タ上の画像を視る操作者の頭部の動きに比例してコンピ
ュータによって生成される３次元画像の遠近表示形態を
制御する装置において、操作者の頭部に設けられ、所定
周期毎に所定周波数の超音波オーディオ信号をバースト
送信する送信手段と、前記コンピュータモニタに三角配
置され、前記送信手段から送信される前記超音波オーデ
ィオ信号を受信する３つの超音波受信器と、前記３つの
超音波受信器のそれぞれに接続され、前記超音波オーデ
ィオ信号をバースト送信した時刻から各超音波受信器に
よって前記超音波オーディオ信号を受信した時刻までの
経過時間を測定する測定手段とを備え、前記経過時間
は、前記コンピュータモニタに対する操作者の頭部の向
きに依存すると共に、前記コンピュータモニタと前記操
作者の頭部との瞬時距離に直接比例し、前記測定手段
は、３次元直交座標系で表される前記瞬時距離に対応す
る３つの距離信号を発生する距離信号発生手段を備え、
この３つの距離信号を受信する手段であって、これら距
離信号が表す前記操作者の頭部の動きに応じて前記コン
ピュータによって生成される３次元画像の遠近表示状態
を更新する処理手段を具備することを特徴としている。

【０００７】また、本発明は、コンピュータモニタ上の
画像を視る操作者の頭部の動きに比例してコンピュータ
によって生成される３次元画像の遠近表示形態を制御す
る方法において、前記コンピュータモニタに対向する操
作者の頭部に極めて接近した位置から所定周期毎に所定
周波数の超音波信号を送信するステップと、前記コンピ
ュータモニタに極めて接近した位置に配設される複数の
超音波受信器によって前記超音波信号を受信した時点と
前記超音波信号を送信した時点との経過時間を測定する
ステップと、受信した信号を前記コンピュータモニタと
前記操作者の頭部との間の瞬時距離を表す複数の距離デ
ータに変換するステップと、前記複数の距離データを処
理して前記コンピュータモニタと前記操作者の頭部との
間の瞬時距離に応じて前記コンピュータモニタに表示さ
れる前記３次元画像の遠近状態を変更するステップとか
らなることを特徴としている。

【０００８】本発明は、コンピュータモニタ上の画像を
視る操作者の頭部の動きに比例してコンピュータによっ
て生成される３次元画像の遠近表示形態を制御する方法
および装置からなるシステムを導く。このシステムは、
３つの主要機能を備える。その内、送信機能は、操作者
の頭部に極めて接近した位置あるいは頭部に設けられ
る。この送信機能は、コンピュータモニタに向けて所定
の時間間隔で所定周波数の超音波信号をバースト送信す
る。

【０００９】超音波信号は、コンピュータモニタに極め
て接近した位置に設けられる複数の超音波受信器によっ
て受信あるいは検出される。コンピュータモニタに表示
される３次元画像の遠近図を制御あるいは更新するため
には、コンピュータモニタに表示される画像と操作者の
頭部との位置関係を決定する必要がある。前記超音波信
号がバースト送信されてから前記超音波受信器がそれを
受信するまでの経過時間に基づいてコンピュータモニタ
と操作者の頭部との位置関係が決定される。

【００１０】測定回路は、前記経過時間を決定するため
に用いられる。この測定回路は、超音波受信器によって
生成される信号を受信し、複数の２進カウンタを介して
経過時間を決定する。すなわち、この２進カウンタのカ
ウント値が前記経過時間に対応することによって送信時
刻と受信時刻との間の経過時間を決定する。処理回路
は、上記２進カウンタの値を３次元空間における直交３
軸に対する直線距離に変換する。これら直線距離は、画
像の遠近図を変化させるため、コンピュータ上に常駐す
る画像処理ソフトウェアのＸ軸，Ｙ軸およびＺ軸回りの
回転に作用する。

【００１１】本発明は、３次元コンピュータ画像の遠近
表示をリアルタイムに制御するものであり、コンピュー
タモニタに表示される画像を当該モニタを視る操作者の
頭部の動きに応じて直接的に制御するものである。この
発明は、例えば、軍事上重要な目標物を電子的に認識す
るパターン認識システムなどに適用される。特に、この
ような適用にあっては、頭部の単純な動きによって軍事
的目標体の遠近表示を制御する態様が追加される。この
制御態様では、自然に視るのと同じ感覚で視野内に出入
りする１つ物体、あるいは複数の物体の有無に関する情
報が付加される。

【００１２】本発明は、例えば、フライトシミュレータ
等、パイロットを訓練する際に用いられる遠近強調画像
生成システムにも適用される。現在のフライトシミュレ
ータでは、パイロットの訓練を受ける練習生に実際の飛
行感覚を与えることができない。この発明を適用すれ
ば、風景がパイロットの位置に応じて目標物の遠近感が
常時更新されるよう操作され、これによりパイロットは
実際に近い飛行感を得ることができる。この発明は、各
種商業分野にも適用される。例えば、医学分野では、人
体の各種部分の３次元画像を発生する診断装置、すなわ
ち、磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ）や各種ＣＡＴスキ
ャン等を操作する医者に適用可能である。この場合、医
者は頭部の動きに応じて３次元画像を制御するから、両
手を自由に動かすことができ、したがって、医者は患者
と他の医療器具とを扱いながら診察することができる。

【００１３】さらに、この発明は、ビデオゲームにも適
用できる可能性を持つ。ビデオゲームに適用する場合に
は、３次元のアニメーション画像をリアルタイムに制御
するヘッドムーブメントを付加する。このようにするこ
とで、ビデオゲームの楽しみを広げ、かつ、楽しみを高
めることができる。また、この発明を用いることで身体
障害者に恩恵を与えることも可能である。例えば、両手
が不自由な者の場合、家庭環境や職場環境を３次元画像
で表示しておき、この画像に基づきその環境を維持する
ためのリモート制御装置を制御する。なお、この発明に
ＡＩ（人工知能）を適用すれば、３次元画像の合図およ
び情報がＡＩプログラムとの対話に用いることができ
る。

【００１４】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の実施例につ
いて説明する。本発明は、コンピュータによって生成さ
れる３次元画像の遠近表示を直接的に制御可能とするも
のであり、コンピュータモニタ上に表示される３次元画
像を視る操作者の頭部の動きに比例して遠近表示形態を
制御する。本発明の基本的原理は、自然に視るのと同じ
ように、操作者の頭部の動きに１対１に対応させて３次
元画像を遠近表示するものである。

【００１５】図１は、この発明による３次元画像表示シ
ステムの第１実施例の概要を示す図である。小型化さ
れ、可聴周波数の超音波を送信する送信モジュール１０
は、操作者１４の頭部に装着されるヘッドバンド１２に
設けられる。この送信モジュール１０は、操作者１４が
視認するディスプレイモニタ１６の正面に向って直接的
に超音波音響エネルギーを放射する位置に設けられる。
可聴周波数の超音波を受ける３つの超音波マイクロフォ
ン１８，２０，２２は、それぞれの検出軸が操作者１４
に面する方向に配置される。ここで、操作者１４は、デ
ィスプレイモニタ１６の正面ベゼル２４に対向する位置
となる。

【００１６】超音波マイクロフォン１８は、正面ベゼル
２４の上部中央に配置される。他のマイクロフォン２
０，２２は、各々正面ベゼル２４の下部右隅および左隅
に配置される。こうした配置位置は、厳密なものではな
く、少なくとも三角形状をなすように、互いに離れた位
置にあれば良い。可搬性を目的とするために、この３つ
の超音波マイクロフォン１８，２０，２２は、予め組立
られているフーレム表面の正面に取付けることができ
る。このフレームは、ディスプレイモニタ１６の正面ベ
ゼル２４の周囲に配置されることにより、超音波マイク
ロフォン１８，２０，２２をそれぞれ操作者１４に対向
させることができる。これらマイクロフォン１８，２
０，２２は、周知のベロクロファスナや両面粘着テープ
などの仮設手段を用いて正面ベゼル２４に取付けること
も可能である。

【００１７】細くて軽量な２つの送信信号ワイヤ２６
は、ヘッドバンド１２の後部を横切って送信モジュール
１０とコンピュータインタフェースユニット２８とを接
続する。このインタフェースユニット２８は、アナログ
部とディジタル部とからなり、３つの超音波マイクロフ
ォン１８，２０，２２によって受信されたデータあるい
は情報を処理するために用いられる。また、このユニッ
ト２８は、受信された情報を３次元画像の遠近表示を更
新するためのデータに変換する。

【００１８】各マイクロフォン１８，２０，２２にそれ
ぞれ接続されるワイヤ３０，３２，３４は、適当なコネ
クタを介してインタフェースユニット２８に接続され
る。シリアルデータバスケーブル３６は、インタフェー
スユニット２８と、ディスプレイモニタ１６を備える画
像処理コンピュータ３８との間でデータ授受させる。コ
ンピュータ３８は、標準のビデオケーブル４０を介して
デイスプレイモニタ１６に接続される。

【００１９】送信モジュール１０から放射される音響エ
ネルギーは、古典的な音響理論に従って放射エネルギー
が半球音場をなす。送信モジュール１０から放射される
エネルギーは、図中の直線４０ａ，４０ｂおよび４０ｃ
で示されるように、各超音波マイクロフォンに突き当
る。音響エネルギーは、およそ秒速１，１００フィート
あるいは１ミリ秒当り約１フィート進行する。このよう
な音の伝播速度のために、操作者１４の頭部位置のリア
ルタイムな変化を検出する。すなわち、初期に送信され
る信号の「時刻」と、この信号を超音波マイクロフォン
１８，２０，２２がそれぞれ受信する信号の「時刻」と
に応じてリアルタイムに変化する操作者１４の頭部位置
を検出する。

【００２０】ディジタル回路技術を用いることによっ
て、音響信号の送出から受信までの経過時間に対応する
データに変換される。したがって、信号の伝播速度と同
じように経過時間も既知となる。基本的な物理的原理に
基づき、この経過時間に対応するデータの量的な大きさ
が超音波マイクロフォン１８，２０，２２と送信モジュ
ール１０との間の瞬時距離に直接比例する。超音波マイ
クロフォン１８，２０，２２と送信モジュール１０との
間の瞬時距離は、ディスプレイモニタ１６と操作者１４
との間の瞬時距離に近似できる。これは、送信モジュー
ル１０が操作者１４の頭部に極めて近接している一方、
超音波マイクロフォン１８，２０，２２もそれぞれデイ
スプレイモニタ１６に極めて近接した状態にあるからで
ある。経過時間を表し、瞬時距離に対応するデータを形
成するワードあるいはバイトは、予め定められたシリア
ル伝送方式により画像処理を行うコンピュータ３８に伝
送され、当該コンピュータ３８に常駐する３次元画像処
理ソフトウェアによって処理される。

【００２１】このコンピュータ３８に用いられるプログ
ラムは、超音波マイクロフォン１８，２０，２２から供
給される信号を処理し、かつ、３次元空間における超音
波マイクロフォン１８，２０，２２に対する送信モジュ
ール１０の相対的な瞬時位置を復元する。３次元画像処
理ソフトウェアは、この復元された瞬時位置に従って、
３次元画像の遠近状態を変化させるように元の３次元画
像をＸ軸，Ｙ軸およびＺ軸回りに回転させるアルゴリズ
ムを作用させる。この遠近状態は、自然に３次元物体を
視る時のように正確に操作者１４の頭部の動きに直接対
応させる。

【００２２】コンピュータ３８に用いられるプログラム
は、操作者１４の動きに１対１で対応させるようにする
ため、操作者１４の頭部位置に対する３次元画像の相対
的な回転および動きの変化率を考慮している。コンピュ
ータ３８のキーボードの所定キーあるいは組み合わせた
キーを操作することによって、例えば、水平方向あるい
は垂直方向の大きな頭部の動きに対して３次元物体の位
置変化をわずかなものにすることも可能である。また、
これとは異なる組み合わせのキーを操作した場合、比較
的に小さな頭部の動きに対して３次元画像の位置変化を
より大きくすることも可能である。こうした態様は、例
えば、航空機のコックピット等のように頭部の動きが制
限される状態において有効になる。

【００２３】操作者の頭部が左右および（または）上下
に動かされる場合の応答に加えて、頭部を前後に動かす
際の応答をプログラムすることも可能である。この場合
には、ディスプレイモニタ１６から操作者１４までの離
間距離に応じて３次元画像全体の大きさを直接変化させ
る。これにより、実際に３次元情景を視るのと同じ効果
を真似ることになる。

【００２４】３つの超音波マイクロフォン１８，２０，
２２の使用は、所望の３次元遠近表示を行うのに必要で
ある。各超音波マイクロフォン１８，２０，２２は、３
次元空間における各軸Ｘ，ＹおよびＺの内、指定された
軸に沿った操作者１４の頭部との間の距離を決定するた
めに用いられる。操作者１４の頭部の向きとディスプレ
イモニタ１６との関係は、計算されて回転あるいは移動
した３次元画像として遠近表示される。２次元の画像が
モニタ上に表示されている場合にも、超音波マイクロフ
ォン１８，２０，２２は必要になる。第３のマイクロフ
ォンは、２次元平面における操作者１４の頭部の３次元
動作を分析するために必要となる、この発明において用
いられる原理は、物体の位置を三角測量する技術に類似
する。

【００２５】図２は、３つの超音波マイクロフォン１
８，２０，２２（図１参照）によってそれぞれ受信され
る超音波信号と、送信される超音波信号とのタイミング
関係を示す図である。線１は、インタフェースユニット
２８（図１参照）によって生成されるトリガパルス１０
１を表している。トリガパルス１０１は、線３で図示さ
れる正確な超音波バースト信号１０３の発生に用いられ
る。この超音波バースト信号は、正確な周波数の正弦波
であり、トリガパルス１０１に同期する。超音波バース
ト信号１０３は、インタフェースユニット２８の一部で
ある超音波発振増幅器によって生成される。この超音波
バースト信号１０３は、図１に示すように、操作者１４
に装着された送信モジュール１０から放射される。

【００２６】バースト周波数は、およそ３０〜６０ＫＨ
ｚのものが用いられ、その周波数は使用する超音波マイ
クロフォン１８，２０，２２および送信モジュール１０
の周波数特性および減衰特性に依存する。線５，７，９
は、各超音波マイクロフォン１８，２０，２２によって
それぞれ受信される超音波バースト信号１０３を時間軸
上に表現したものである。データライン１１は、送信さ
れたバースト信号１０３の前縁に対する線５，７および
９の基準時間を表す。バースト信号１０３が送信された
直後に、超音波マイクロフォン１８が有限時間１３を経
過後にバースト信号１０５を受信する。同様に、超音波
マイクロフォン２０が有限時間１５を経過後にバースト
信号１０７を受信し、超音波マイクロフォン２２が有限
時間１７を経過後にバースト信号１０９を受信する。

【００２７】ここで重要なことは、バースト信号１０
５，１０７および１０９は、全て超音波バースト信号１
０３をそれぞれ遅延させたものであり、異なる信号から
分離したものではないことである。これら信号の遅延時
間は、ディスプレイモニタ１６に対する操作者１４の頭
部の位置を計算するために用いられる。超音波マイクロ
フォン１８，２０，２２に対する送信モジュール１０の
動きは絶えず変化するため、期間１３，１５および１７
はこの動きに対して絶えず変化するものとなる。図示さ
れている期間１３，１５および１７は、超音波マイクロ
フォン１８，２０，２２に対する受信状態の一例を示す
ものである。

【００２８】例えば、図２に示すバースト信号１０７
は、他の超音波マイクロフォン１８，２２がバースト信
号１０５，１０９を受信する以前に、超音波マイクロフ
ォン２０に対応して受信される状態を示している。とこ
ろで、操作者１４の頭部の向きは、超音波マイクロフォ
ン１８が他の２つの超音波マイクロフォン２０，２２に
先立って信号１０５を受信する状態に依存する。なお、
図２は本発明の原理を説明するためのものであり、信号
送信と信号受信とのタイミング関係を正確に表現するも
のではない。

【００２９】３つの超音波マイクロフォン１８，２０，
２２に対して絶えず変化する操作者１４の頭部の動きに
よって生成される情報は、上述した手順を所定の時間間
隔で繰返し実行することによって更新される。図２に示
す波形１０１’，１０３’，１０５’，１０７’および
１０９’は、それぞれ波形１０１，１０３，１０５，１
０７および１０９に一致する。これら波形は、上述した
イベントの繰返しを表現するものであり、時間間隔１９
は典型的な場合にトリガパルス１０１のパルス幅の１０
倍以上になる。

【００３０】図３は上述した第１実施例に実際的な改良
を施した第２実施例による３次元画像表示システムの概
略構成を示す図である。この図に示す第２実施例は、イ
ンタフェースユニット２８と送信モジュール１０とを接
続するワイヤ２６（図１参照）を用いることなく、送信
モジュール１０を動作させる。すなわち、この実施例で
は、送信モジュール１０がインタフェースユニット２８
内で発生されるＶＨＦ帯あるいはＵＨＦ帯などの高周波
信号を用いて非常に低電力でトリガされる。この高周波
信号は、短アンテナ４４を経て送信モジュール１０へ送
信される。送信モジュール１０は、小型化され、バッテ
リ駆動される高周波受信器を備えており、その受信器の
入力回路は非常に短く目立たないアンテナ４６に接続さ
れている。

【００３１】ここで、図２に戻り、前述した超音波バー
スト信号のタイミング関係について説明する。なお、こ
こでは、図１に示すインタフェースユニット２８によっ
て最初にトリガパルス１０１が生成され、かつ、インタ
フェースユニット２８が発生する高周波信号に応じて正
確な超音波バースト１０３を生成するものとする。ま
ず、送信モジュール１０の受信器がトリガパルス１０１
を傍受すると、送信モジュール１０内部の超音波発振器
が当該パルス１０１（１０１’）に基づいて超音波バー
スト１０３（１０３’）をトリガ発振する（図２の線３
参照）。

【００３２】こうして超音波バースト信号１０３が送信
されると、３つの超音波マイクロフォン１８，２０，２
２は、信号１０３を送信した後の有限時間を経てバース
ト信号１０５，１０７および１０９を受信する。インタ
フェースユニット２８と送信モジュール１０との間を高
周波でリンクすると、ユニット２８とモジュール１０と
を接続するワイヤを完全に取り去ることができるので、
悩ましく邪魔なワイヤから解放され、この発明によるシ
ステムの有用性および便利さが強調される。

【００３３】図４は、本発明の変形例を示す図である。
この変形例では、赤外光を発光する発光ダイオードとこ
れを検出するフォトダイオードとの組み合わせを用い
て、インタフェースユニット２８と送信モジュール１０
との間を接続するワイヤを完全に取り除いた形態であ
る。発光ダイオードとフォトダイオードとの組み合わせ
は、上述した高周波信号に基づくトリガ手法と同様に扱
うことができる。発光ダイオードとフォトダイオードと
を組み合わせた動作は、ＶＴＲやテレビジョンなどのリ
モートコントロール操作に類似しており、この場合、超
音波を送信する送信モジュール１０は、光の低エネルギ
ーバーストによってトリガされる。

【００３４】この変形例にあっては、図示されていない
小さなフォトダイオードが送信モジュール１０の最大感
度軸に沿って取付けられる。この最大感度軸は、デイス
プレイモニタ１６に対向する位置に置かれる。発光ダイ
オード４８は、最大放射軸が操作者１４に対向するよう
正面ベゼル２４に配置される。この発光ダイオード４８
は、発光ダイオード送信信号ワイヤ５０を介してインタ
フェースユニット２８に接続される。送信モジュール１
０の回路には、フォトダイオードが電子的に集積されて
いる。発光ダイオード４８からの光５１のパルスを受け
ると、フォトダイオードは送信モジュール１０に対して
トリガを駆ける。この結果、超音波バースト信号が送信
され、３つの超音波マイクロフォン１８，２０，２２に
よって受信される。

【００３５】次に、図５は変形例における超音波信号間
のタイミング関係を示す図である。発光ダイオード４８
には、線２１で図示される発光ダイオード駆動信号１１
１が供給される。この信号１１１が供給されると、発光
ダイオード４８は、このパルス１１１に同期して光エネ
ルギーのバーストを生成する。この光エネルギーのバー
ストは、線２３で示すように、フォトダイオードによっ
て受光されて信号１１３が生成される。信号１１３に続
いて、送信モジュール１０は、線２５で示すように、超
音波バースト信号１１５を発生する。図５に示す各信号
波形の関係および相互作用は、図２において説明したも
のと同じである。特に、この変形例にあっては、図２に
示した線５，７および９が図５に示す線２７，２９およ
び３１に各々対応する。以上説明した技術思想により本
発明の表示方法が理解される。

【００３６】次に、図６を参照し、インタフェースユニ
ット２８の詳細について説明する。５０ａ，５０ｂおよ
び５０ｃで指定される３つのチャンネルは各々同一の回
路から構成され、超音波マイクロフォン１８，２０，２
２が受信した信号を処理し、３次元画像の遠近表示状態
を更新するために用いられるデータに変換する。これら
チャンネルは全て同一であることから、一つのチャンネ
ルについての回路動作に関して説明する。しかしなが
ら、インタフェースユニット２８における他の構成要素
は、各チャンネルに関係なく独立した構成であるため、
これらの動作については各チャンネル毎に説明する。

【００３７】インタフェースユニット２８の構成および
その動作の理解を容易にするため、当該ユニット２８の
各部の動作は、３次元画像の遠近表示状態を調整する全
過程として記述される。ロジック制御回路５２は、この
システムの動作を制御する制御信号と各信号のタイミン
グとを発生する。このロジック制御回路５２によって生
成される第１の信号は、図２の線１で示されるように、
送信あるいはバーストを指示するトリガ信号である。当
該回路５２から出力されるトリガ信号は、信号線５１を
介して超音波発振増幅器５４に入力される。これは、図
１に示すように、ヘッドバンド１２に装着される送信モ
ジュール１０に接続されるものとして先に説明されてい
る。

【００３８】超音波発振増幅器５４は、図２の線２で示
されるように、正弦波状の超音波バースト信号を発生す
る。この超音波バースト信号は、送信モジュール１０か
らディスプレイモニタ１６に向けて放射される。また、
ロジック制御回路５２によって生成されたトリガ信号
は、信号線５３を介してエッジ検出器５６に供給され
る。エッジ検出器５６は、トリガ信号が「正」に立上が
る前縁を検出して出力する。この立上がり検出信号は、
２進アップカウンタ５８ａ，５８ｂおよび５８ｃをそれ
ぞれゼロリセットする。立上がり検出信号は、信号線５
５を介して各カウンタ５８ａ，５８ｂおよび５８ｃのリ
セット端子Ｒに入力される。

【００３９】さらに、ロジック制御回路５２によって生
成されるトリガ信号は、３つのＳＲ型フリップフロップ
６０ａ，６０ｂおよび６０ｃをセットするための手段に
用いられ、各フリップフロップ６０ａ，６０ｂおよび６
０ｃの出力状態を「１」の状態にする。超音波バースト
信号を発生する際になされる各アップカウンタ５８ａ，
５８ｂ，５８ｃのリセット、およびフリップフロップ６
０ａ，６０ｂ，６０ｃのセットは、システムの適切な動
作のために必要になる。

【００４０】この時点で、超音波バースト信号がディス
プレイモニタ１６へ向けて送信あるいは放射される。し
たがって、３つの超音波マイクロフォン１８，２０，２
２は、それぞれ操作者１４の頭部の位置に応じた時間間
隔を経て送信されたバースト信号を受信することにな
る。これら超音波マイクロフォン１８，２０，２２は、
それぞれ信号線３０，３２，３４を介してアナログ増幅
器／信号調整器６２ａ，６２ｂ，６２ｃへ入力される。
これらアナログ増幅器／信号調整器６２ａ，６２ｂ，６
２ｃは、演算増幅器により構成されるアクティブフィル
タを備える。アクティブフィルタでは、送信モジュール
１０から送信される超音波バースト信号の周波数と同じ
周波数に同調される。このアクティブフィルタは、シス
テムから放射される低周波成分の不要ノイズを除去ある
いは最小化するために用いられる。

【００４１】アナログ増幅器／信号調整器６２ａ，６２
ｂ，６２ｃは、自動利得制御回路やスレッショルド検出
回路を備える。この自動利得制御回路およびスレッショ
ルド検出回路は、超音波マイクロフォン１８，２０，２
２によって受信される超音波バースト信号をノイズの無
いトリガパルスに変換する。このトリガパルスは、信号
線６３ａ，６３ｂ，６３ｃを介してそれぞれ単安定マル
チバイブレータ回路６４ａ，６４ｂ，６４ｃに供給され
る。単安定マルチバイブレータ６４ａ，６４ｂ，６４ｃ
は、固定されたパルス幅を持つ矩形パルスを発生し、こ
うした矩形パルスは超音波マイクロフォン１８，２０，
２２から出力される信号を処理するディジタル回路に好
適なものとなる。

【００４２】ここで、操作者の頭部の位置に依存して送
信されるバースト信号は、３つの超音波マイクロフォン
１８，２０，２２において同時に受信されないという重
要な点を思い出す。しかしながら、インタフェースユニ
ット２８を平易に記述するという目的のためには、各超
音波マイクロフォン１８，２０，２２において同時にバ
ースト信号が受信されるもとの仮定する。

【００４３】カウンタクロック６８は、クロック出力信
号を２入力アンドゲート６６ａ，６６ｂ，６６ｃの各一
方の入力端へ信号線６５を介して供給する。このカウン
タクロック６８は、連続したクロック周波数信号を生成
する不安定マルチバイブレータからなり、当該クロック
周波数信号をアンドゲート６６ａ，６６ｂ，６６ｃの出
力端を介して２進アップカウンタ５８ａ，５８ｂ，５８
ｃのクロック入力端へ供給する。アンドゲート６６ａ，
６６ｂ，６６ｃの各他方の入力端には、それぞれ信号線
６７ａ，６７ｂ，６７ｃを経てＳＲ型フリップフロップ
６０ａ，６０ｂ，６０ｃの出力が入力される。カウンタ
クロック６８は連続した信号を発生するため、各アンド
ゲート６６ａ，６６ｂ，６６ｃの一方の入力端は常時
「Ｈ（ハイ）」レベル、あるいは論理状態「１」とな
る。

【００４４】ロジック制御回路５２によって生成される
トリガ信号は、フリップフロップ６０ａ，６０ｂ，６０
ｃをセットし、この時点でアンドゲート６６ａ，６６
ｂ，６６ｃの両入力端を「Ｈ」レベルあるいは「１（論
理レベル）」状態にする。したがって、これらアンドゲ
ート６６ａ，６６ｂ，６６ｃは、「Ｈ」レベルあるいは
「１」状態を出力する。アンドゲート６６ａ，６６ｂ，
６６ｃの出力ラインは、２進アップカウンタ５８ａ，５
８ｂ，５８ｃのクロック入力端に接続される。ここで、
アンドゲート６６ａ，６６ｂ，６６ｃの出力が「１」レ
ベルになると、各カウンタ５８ａ，５８ｂ，５８ｃは、
カウントを開始する。

【００４５】２進アップカウンタ５８ａ，５８ｂ，５８
ｃは、アンドゲート６６ａ，６６ｂ，６６ｃの出力が
「１」レベルを持続する間、カウントを継続する。２進
アップカウンタ５８ａ，５８ｂ，５８ｃは、上述したよ
うに、クロック入力端ＣＫとリセット入力端Ｒとを有
し、直列接続されるインターバルカウンタステージＱａ
〜Ｑｍをパラレルに出力する。アンドゲート６６ａ，６
６ｂ，６６ｃからクロック入力端ＣＫに「１」レベルの
出力が供給される間、カウンタステージは直列状態に変
化し、クロックパルスをカウントアップする。一方、ク
ロック入力端ＣＫに「０」レベルになると、カウンタス
テージは、カウンタクロック６８から供給されるクロッ
クパルスを累算した値に等しいバイナリカウント値を変
化させることなく静止させる。

【００４６】このようなカウント動作を行う２進アップ
カウンタ５８ａ，５８ｂ，５８ｃのカウンタ値は、前述
したように、超音波マイクロフォン１８，２０，２２と
操作者１４の頭部との間の相対的な距離を表わす。この
発明においては、超音波マイクロフォン１８，２０，２
２と送信モジュール１０との間の最小距離変化を、ディ
スプレイモニタ１６に表示される３次元画像の識別可能
な分解能としている。このシステムの距離分解能は、２
進アップカウンタ５８ａ，５８ｂ，５８ｃのステージ数
に直接影響される。例えば、８ステージのカウンタで
は、２５６分の１の分解能となり、さらに、１６ステー
ジのカウンタでは６４Ｋ分の１の分解能となる。すなわ
ち、数学的に表現すれば、距離分解能は次式（１）で与
えられる。距離分解能＝２ⁿ ・・・（１）ここで、ｎは２進アップカウンタのステージ数（カウン
タビット数）を表わす。

【００４７】３つの超音波マイクロフォン１８，２０，
２２のいずれか１つによって受信されれる信号は、２進
アップカウンタ５８ａ，５８ｂ，５８ｃのカウント動作
を止めるために用いられる。このような状態に先立っ
て、超音波マイクロフォン１８，２０，２２がバースト
信号を受信すると、この受信された信号が各チャンネル
毎にアナログ増幅器／信号調整器６２ａ，６２ｂ，６２
ｃで処理される。そして、単安定マルチバイブレータ６
４ａ，６４ｂ，６４ｃは、このアナログ増幅器／信号調
整器６２ａ，６２ｂ，６２ｃの出力を、後段のディジタ
ル回路で処理するために矩形パルスとして発生する。こ
れら矩形パルスは、信号線７１ａ，７１ｂ，７１ｃを介
してそれぞれＳＲ型フリップフロップ６０ａ，６０ｂ，
６０ｃのリセット入力端Ｒへ供給される。

【００４８】このリセット入力されるパルスは、フリッ
プフロップ６０ａ，６０ｂ，６０ｃの出力状態を「１」
レベルから「０」レベルに変化させる。フリップフロッ
プ６０ａ，６０ｂ，６０ｃの出力は、２入力アンドゲー
トの各一方の入力端に与えられる。ここで、現在の出力
状態が「０」レベルにあれば、アンドゲート６０ａ，６
０ｂ，６０ｃもまた「０」レベルの出力となり、これに
より２進アップカウンタ５８ａ，５８ｂ，５８ｃのカウ
ント動作が止る。２進アップカウンタ５８ａ，５８ｂ，
５８ｃのカウント動作が止ると、各カウンタ値は、超音
波マイクロフォン１８，２０，２２と送信モジュール１
０との間の実際の距離を表わす。

【００４９】所定時間後に各カウンタ５８ａ，５８ｂ，
５８ｃがカウントを停止すると、ロジック制御回路５２
は信号線７３を介して４つのデータラッチ７０ａ，７０
ｂ，７０ｃおよび７２のストア入力ＳＦに「１」レベル
のストアパルスを供給する。この結果、データラッチ７
０ａ，７０ｂ，７０ｃに各カウンタ５８ａ，５８ｂ，５
８ｃの値が取り込まれ、これらデータラッチ７０ａ，７
０ｂ，７０ｃにストアされるデータが更新される。一
方、データラッチ７２は、ディップスイッチ７６のプリ
セット値に更新される。

【００５０】２進アップカウンタ５８ａ，５８ｂ，５８
ｃの出力は、ぞれそれ信号線５９ａ，５９ｂ，５９ｃを
介してデータラッチ７０ａ，７０ｂ，７０ｃのデータ入
力端に接続される。ディップスイッチ７６は信号線７１
を経てデータラッチ７２と接続される。ロジック制御回
路５２から「１」レベルのストアパルスが出力される以
前には、各データラッチ回路７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，
７２はオープン状態となり、その出力インピーダンスは
無限大となるから、データ入力端Ｄａ〜Ｄｎにデータは
表われない。この時、シフトレジスタ７４は、各データ
ラッチ７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７２のパラレル出力Ｑ
ａ〜Ｑｎを順番に取り込み、これをシリアルデータに変
換して出力する。

【００５１】ところで、ロジック制御回路５２は、スト
ア入力に供給されるストアパルスの後縁に同期してもう
１つの「１」レベルのパルスを発生し、これを信号線７
５を介してデータラッチ７２の３ステート入力端ＳＴに
入力する。データラッチ７２は、これを受けて直ちに低
インピーダンス状態になり、データ出力端に現れる出力
データが信号線７７を介してシフトレジスタ７４に供給
される。この間、ロジック制御回路５２から信号線７９
に供給されるロジック信号に基づき、シストレジスタ７
４はパラレル動作モードにセットされ、データラッチ７
２の出力データワードを取り込む。

【００５２】データラッチ７２の３ステート入力端ＳＴ
に入力されるパルスが「１」レベルから「０」レベルに
遷移する時、シフトレジスタ７４はシリアル伝送モード
に設定される。これにより、シフトレジスタ７４はデー
タラッチ７２から供給されるパラレルの出力データワー
ドをシリアルに変換し、シリアルバス８７を介して次段
の処理手段へ送出する。

【００５３】上述した説明と同様の方法により、残る３
つのデータラッチ７０ａ，７０ｂ，７０ｃも個々の出力
データをシフトレジスタ７４によってシリアル伝送す
る。シフトレジスタ７４から転送される第１のワード
は、予めセッテイングされるディップスイッチ７６の固
定ワードに対応する。シフトレジスタ７４から転送され
る残り３つの第２〜第４ワードは、それぞれ超音波マイ
クロフォン１８，２０，２２が受信した信号に由来す
る。

【００５４】したがって、データラッチ７０ａは、ロジ
ック制御回路５２から信号線８１を介して３ステート入
力端ＳＴに入力されるパルスに応じて出力データをシフ
トレジスタ７４に供給し、当該レジスタ７４によって第
２ワードとしてシリアル転送される。また、データラッ
チ７０ｂは、ロジック制御回路５２から信号線８３を介
して３ステート入力端ＳＴに入力されるパルスに応じて
出力データをシフトレジスタ７４に供給し、当該レジス
タ７４によって第３ワードとしてシリアル転送される。
さらに、データラッチ７０ｃは、ロジック制御回路５２
から信号線８５を介して３ステート入力端ＳＴに入力さ
れるパルスに応じて出力データをシフトレジスタ７４に
供給し、当該レジスタ７４によって第４ワードとしてシ
リアル転送される。これら動作を指示する信号のタイミ
ングについては図７を参照して説明する。

【００５５】３次元画像を制御するソフトウェアに上記
第１〜第４のワードデータの適正な作用を確保するため
に、デイップスイッチ７６は超音波マイクロフォン１
８，２０，２２の受信した信号に由来する第２〜第４の
ワードデータを識別するバイナリデータ、すなわち、第
１のワードデータを出力する。ディップスイッチ７６
は、所定のビットパターンが設定される複数の設定スイ
ッチからなり、超音波マイクロフォン１８，２０，２２
の各々によって生成される連続データの先頭バイトを指
定する。

【００５６】図７は、インタフェースユニット２８（図
６参照）における全入出力信号のタイミング関係を示す
図である。論理レベルおよび状態は、既に図６を参照し
た各構成要素の説明において記述している。ところで、
論理形態はこの発明に関して使用される集積回路の要求
に応じて各種の形態とすることが可能である。

【００５７】図７に示す線２０１は、ロジック制御回路
５２によって生成されるパルス２０２を示す。前述した
ように、このパルス２０２は送信モジュール１０（図１
参照）に供給されて超音波バースト信号を発生させると
共に、図６に示す単安定マルチバイブレータ５６に供給
される。この単安定マルチバイブレータ５６は、スパイ
ク信号２０４を発生する。このスパイク信号２０４は、
線２０３によって図示され、パルス２０２の前縁（立上
がり）に同期して発生するものであり、２進アップカウ
ンタ５８ａ，５８ｂ，５８ｃをリセットさせる。このパ
ルス２０２は、カウンタ５８ａ，５８ｂ，５８ｃに対
し、カウンタクロック信号２０６をカウントさせるた
め、ＳＲ型フリップフロップ６１ａ，６０ｂ，６０ｃを
セットする。

【００５８】２進アップカウンタ５８ａ，５８ｂ，５８
ｃは、指定された超音波マイクロフォン１８，２０，２
２によって信号が受信されるまでカウントを続ける。例
えば、線２０７で示されるパルス２０８ａは、パルス２
０２が送出された後に有限な時間を経て単安定マルチバ
イブレータ６４ａから出力される。このパルス２０８ａ
は、フリップフロップ６０ａのリセット入力に供給さ
れ、該フリップフロップ６０ａをリセットし、出力を
「０」レベルにする。フリップフロップ６０ａが「０」
レベルの出力を発生している場合、アンドゲート６６ａ
の出力は「０」になるので、線２０５で示されるカウン
タクロック信号２０６は２進アップカウンタ５８ａに供
給されず、当該カウンタ５８ａのカウント動作が停止す
る。

【００５９】線２０９で示される時間領域２１０は、単
安定マルチバイブレータ６４ａがパルス２０８ａを発生
する前までの期間であり、この期間中にカウンタ５８ａ
がカウント動作する。時間領域２１２では、このパルス
２０８ａが発生することによってクロック信号２０６が
カウンタ５８ａに供給されず、カウント動作が停止され
る。このように、時間領域２１０はカウンタ５８ａのデ
ータ変化状態を示し、時間領域２１２はカウンタ静止状
態を示す。

【００６０】各超音波マイクロフォン１８，２０，２２
からの情報を処理するために３つのチャンネルが使用さ
れるため、図７に示すタイムチャートの多くは互いに類
似する。線２０７，２１１および２１５は、例えば、単
安定マルチバイブレータ６４ａ，６４ｂ，６４ｃからそ
れぞれ出力されるパルス２０８ａ，２０８ｂ，２０８ｃ
を表す。線２０９，２１３および２１７は、それぞれ２
進アップカウンタ５８ａ，５８ｂ，５８ｃの出力を表
す。こうした類似性に基づき、チャンネル５０ａに関し
て説明し、他のチャンネル５０ｂ，５０ｃは省略する。

【００６１】線２０９，２１３および２１７で図示され
る時間領域２１２，２１４，２１６では、全ての２進ア
ップカウンタ５８ａ，５８ｂ，５８ｃが静止状態にあ
る。このような状態において、線２１９で示され、ロジ
ック制御回路５２から出力される「１」レベルのパルス
信号（ストアパルス）２１８は、４つのデータラッチ７
０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７２のストア入力ＳＦに入力さ
れる。この結果、データラッチ７０ａ，７０ｂ，７０ｃ
は、それぞれ自身ラッチされるカウンタ５８ａ，５８
ｂ，５８ｃの値を更新する。線２２１，２２３，２２５
および２２７は、それぞれデータラッチ７２，７０ａ，
７０ｂ，７０ｃの３ステート入力２２０，２２４，２２
６および２２８の論理状態を示す。

【００６２】パルス２１８の出現に先立つ、線２２１，
２２３，２２５および２２７で示す「０」レベルは、デ
ータラッチ７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７２の出力をオー
プン状態にする。ところで、このパルス２１８が出現し
た直後に、データラッチ７２の３ステート入力へ線２２
１で図示される「１」レベルのパルス２２０が入力され
る。このパルスは、データラッチ７２の出力端を低イン
ピーダンスとし、これによって、シフトレジスタ７４の
入力となるデータが出力に表れる。この期間中、ロジッ
ク制御回路５２から出力されるロジック信号は、シフト
レジスタ７４をパラレル動作モードに設定する。この結
果、シストレジスタ７４はデータラッチ７２の出力をパ
ラレルにロードする。パルス２２０の論理レベルが
「１」から「０」に遷移すると、シフトレジスタ７４は
シリアル転送モードに設定され、線２２９で図示される
時間領域２２２にデータラッチ７２の出力をシリアルデ
ータとして転送する。

【００６３】上述した説明と同様に、データラッチ７０
ａ〜７０ｃにおいても、出力端を低インピーダンスとし
て出力データをシフトレジスタ７４に供給する。続い
て、シフトレジスタ７４は、シリアルデータラインを介
してシリアル転送する。このように、パルス２２４，２
２６および２２８は、各々時間領域２３０，２３２，２
３４で表されるシリアルデータストリームを発生する。
第１の時間領域２２２は、ディップスイッチ７６の所定
のセッティングに対応する固定バイナリワードを表して
おり、他の３つの時間領域２３０，２３２および２３４
はそれぞれ超音波マイクロフォン１８，２０，２２が受
信する信号に由来するデータワードとなる。

【００６４】３つの超音波マイクロフォンに対して連続
的に変化する頭部の動きによって生成する情報を更新す
るためには、所定周期毎に前述した動作過程を繰返し実
行する。周期２３１は、期間２３３毎に繰返される。例
えば、トリガパルス２０８’は、パルス２０８に類似
し、時間領域２１０’および２１２’は各々時間領域２
１０および２１２に類似する。

【００６５】コンピュータプログラムは、各超音波マイ
クロフォンから得られるディジタル情報を処理するため
に用いられ、３次元空間に静止する３つの超音波マイク
ロフォンと送信モジュールとの瞬時距離を復元する。こ
のインタフェースとなるソフトウェアは、画像処理を行
うコンピュータへロードされるか、あるいは常駐され
る。前述した構成によるインタフェースユニット２８
は、画像処理用コンピュータとＲＳ−２３２等のシリア
ルインタフェースを介して接続される。そして、コンピ
ュータは、３次元画像を制御するインタフェース用ソフ
トウェアを介してシフトレジスタ７４によってシリアル
転送される情報を取込む。

【００６６】ソフトウェアは２つの主要な機能ユニット
に分けることができる。第１のユニットは、経過時間を
表すバイナリワードを直線距離に変換する機能を備え
る。この手続きは、次式（２）で表現されるように、比
較的簡単な関係で求められる。ｄ＝ｖ・ｔ・・・（２）ここで、ｄは求める直線距離、ｖは速度、ｔは経過時間
である。音速が一定で経過時間が測定されることから、
距離ｄは容易に算出される。ソフトウェアは、各種行列
計算技術を利用して３次元空間に置かれる３つのマイク
ロフォンの測定値から距離を算出する。このソフトウェ
アにおける第２のユニットは、画像処理ソフトウェアの
回転アルゴリズムに作用させるため、算出した距離を所
定の形式にする。この手法を用いる場合には、画像を生
成するソフトウェアのソースコードを理解し、３次元位
置を効率的に当該ソフトウェアに取込ませる必要があ
る。

【００６７】他の実施例として、インタフェースユニッ
ト２８にマイクロプロセッサ等を搭載し、このマイクロ
プロセッサによって超音波マイクロフォン１８，２０，
２２からの信号をデータ列に変換させる。この場合、Ｒ
Ｓ−２３２等のシリアルバスを介して画像処理コンピュ
ータに接続するのに替えて、画像処理コンピュータが備
えるマウス用ポート、あるいはジョイステック用ポート
に直接接続させる。このようにすれば、マウスやジョイ
スティックなどの操作子と置き換えられ、マウスやジョ
イスティックを用いて３次元画像の遠近表示を手動制御
するのと同じ操作になる。

【００６８】マイクロフォンによって生成されるデータ
列を処理するためのソフトウェアおよび必要となる全て
の回路を一体化した小型コンピュータは、上述した第１
のユニットに類似し、これによって生成される情報をマ
ウスやジョイスティックなどの装置によって生成される
通常形式の信号に変換する。インタフェースユニットを
インテリジェント、かつ、スタンドアロン形式なものと
する際には、３次元画像処理ソフトウェアに付帯する各
種インタフェースソフトウェアに対して完全な整合性を
持つことが必要になる。これまで、最適な実施例を説明
したが、本発明はこれに限定されることなく、特許請求
の範囲で規定される技術思想の下に、当業者であれば理
解し得る範囲の各種態様を含むものである。

【００６９】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、操作者の頭部に装着され、所定の時間間隔で所定周
波数の超音波信号を送信する送信手段と、前記コンピュ
ータモニタの周囲に幾何学的に配設され、前記送信手段
から送信される前記超音波信号を受信する複数の超音波
受信器と、前記複数の超音波受信器のそれぞれに接続さ
れ、各超音波受信器が受信した信号を前記コンピュータ
モニタと前記操作者の頭部との瞬時距離を表す複数のデ
ータに変換する測定手段とを設けたので、コンピュータ
モニタ上に表示される３次元画像を視る操作者の頭部の
動きに比例して遠近表示形態を直接的に制御し、これに
より、人が自然に経験するものと同じように遠近状態を
変化させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例である３次元画像表示シ
ステムの概略構成を示す図。

【図２】同実施例における信号送信と信号受信とのタイ
ミング関係を説明するための図。

【図３】ワイヤレスハンドセットを適用した第２実施例
の概略構成を示す図。

【図４】ワイヤレスハンドセットを適用した変形例の概
略構成を示す図。

【図５】図４に示した変形例における信号送信と信号受
信とのタイミング関係を説明するための図。

【図６】本発明におけるコンピュータインタフェースの
構成を示すブロック図。

【図７】本発明におけるコンピュータインタフェースの
入出力タイミングを説明するための図。

【符号の説明】

１０…送信モジュール（送信手段）、１２…ヘッドバンド、１４…操作者、１６…ディスプレイモニタ（コンピュータモニタ）、１８，２０，２２…超音波マイクロフォン（超音波受信
器）、２８…インタフェースユニット（測定手段）、３８…画像処理コンピュータ（コンピュータ）。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コンピュータモニタ上の画像を視る操作
者の頭部の動きに比例してコンピュータによって生成さ
れた画像の遠近表示形態を制御する３次元画像表示シス
テムにおいて、操作者の頭部に装着され、所定の時間間隔で所定周波数
の超音波信号を送信する送信手段と、前記コンピュータモニタの周囲に幾何学的に配設され、
前記送信手段から送信される前記超音波信号を受信する
複数の超音波受信器と、前記複数の超音波受信器のそれぞれに接続され、各超音
波受信器が受信した信号を前記コンピュータモニタと前
記操作者の頭部との瞬時距離を表す複数のデータに変換
する測定手段とを具備することを特徴とする３次元画像
表示システム。
【請求項２】前記複数のデータを受信し、前記コンピ
ュータモニタと前記操作者の頭部との間の瞬時距離に基
づいて前記コンピュータモニタに表示される画像の遠近
表示形態を変化させる処理手段を具備することを特徴と
する請求項１記載の３次元画像表示システム。
【請求項３】前記送信手段は、前記コンピュータモニ
タに向けて超音波音響エネルギーを直接放射するよう前
記操作者が装着するヘッドバンドに設けられ、可聴周波
数の超音波を送信する送信モジュールを備えることを特
徴とする請求項２記載の３次元画像表示システム。
【請求項４】前記複数の超音波受信器は、前記コンピ
ュータモニタの周囲に３つの超音波マイクロフォンを三
角形状に配置されてなることを特徴とする請求項２記載
の３次元画像表示システム。
【請求項５】前記測定手段は、前記超音波マイクロフ
ォンに対応する３つのチャンネルを有し、各チャンネル
はそれぞれ同一構成によるアナログ部とディジタル部と
からなり、前記アナログ部は、信号調整手段と前記超音波マイクロ
フォンから出力されるアナログ信号を所定のパルス信号
に変換する第１の変換手段とから形成され、前記ディジタル部は、前記パルス信号をバイナリワード
に変換する第２の変換手段からなり、前記バイナリワードは、前記コンピュータモニタと前記
操作者の頭部との間を３次元座標系の一つの軸に沿った
瞬時距離として表現し、前記各チャンネルは、それぞれ前記３次元座標系の各軸
に対応することを特徴とする請求項４記載の３次元画像
表示システム。
【請求項６】前記測定手段は、所定周波数の前記超音
波信号を発生すると共に、前記送信手段へ所定周期毎に
送信指示を与える超音波発振増幅手段を備えることを特
徴とする請求項５記載の３次元画像表示システム。
【請求項７】前記測定手段は、当該測定手段の動作を
制御する制御手段と、前記バイナリワードの連続的な遷
移を補償する前記処理手段とを備えることを特徴とする
請求項６記載の３次元画像表示システム。
【請求項８】前記処理手段は、前記バイナリワードを
受信して３次元空間における前記コンピュータモニタと
前記操作者の頭部との間の瞬時位置に変換するデータ変
換手段を有し、このデータ変換手段は、前記瞬時位置を、前記画像の遠
近表示状態を変化させる画像処理ソフトウェアのＸ軸，
Ｙ軸およびＺ軸回転アルゴリズムに作用する信号に変換
することを特徴とする請求項７記載の３次元画像表示シ
ステム。
【請求項９】コンピュータモニタ上の画像を視る操作
者の頭部の動きに比例してコンピュータによって生成さ
れた画像の遠近表示形態を制御する３次元画像表示シス
テムにおいて、操作者の頭部に設けられ、所定周期毎に所定周波数の超
音波オーディオ信号をバースト送信する送信手段と、前記コンピュータモニタの周囲に三角配置され、前記送
信手段から送信される前記超音波オーディオ信号を受信
する３つの超音波受信器と、前記３つの超音波受信器のそれぞれに接続され、前記超
音波オーディオ信号をバースト送信した時刻から各超音
波受信器によって前記超音波オーディオ信号を受信した
時刻までの経過時間を測定する測定手段とを備え、前記経過時間は、前記コンピュータモニタに対する操作
者の頭部の向きに依存すると共に、前記コンピュータモ
ニタと前記操作者の頭部との瞬時距離に直接比例し、前記測定手段は、３次元直交座標系で表される前記瞬時
距離に対応する３つの距離信号を発生する距離信号発生
手段と、この３つの距離信号を受信する手段であって、
これら距離信号が表す前記操作者の頭部の動きに応じて
前記コンピュータによって生成される３次元画像の遠近
表示形態を更新する処理手段とを具備することを特徴と
する３次元画像表示システム。
【請求項１０】前記送信手段は、前記コンピュータモ
ニタに向けて超音波音響エネルギーを直接放射するよう
前記操作者が装着するヘッドバンドに設けられ、可聴周
波数の超音波を送信する送信モジュールを備えることを
特徴とする請求項９記載の３次元画像表示システム。
【請求項１１】前記送信モジュールは、前記測定手段
と送信信号線を介して接続され、この送信信号線には当
該送信モジュールに前記超音波オーディオ信号の送信を
指示する信号が供給されることを特徴とする請求項１０
記載の３次元画像表示システム。
【請求項１２】前記送信モジュールは、前記超音波オ
ーディオ信号を送信させる高周波トリガ信号を受信する
高周波受信器を備えることを特徴とする請求項１０記載
の３次元画像表示システム。
【請求項１３】前記送信モジュールは、前記超音波オ
ーディオ信号の送信を指示する赤外光を受光する受光手
段を備えることを特徴とする請求項１０記載の３次元画
像表示システム。
【請求項１４】前記３つの超音波受信器は、その指向
軸を前記操作者の頭部に向けた３つの超音波マイクロフ
ォンからなることを特徴とする請求項９記載の３次元画
像表示システム。
【請求項１５】前記３つの超音波マイクロフォンは、
前記コンピュータモニタの正面ベゼル上に配置されるこ
とを特徴とする請求項１４記載の３次元画像表示システ
ム。
【請求項１６】前記３つの超音波マイクロフォンは、
前記コンピュータモニタを取り囲むフレーム上に配置さ
れることを特徴とする請求項９記載の３次元画像表示シ
ステム。
【請求項１７】前記コンピュータは、マウス入力ポー
トあるいはジョイスティック入力ポートを有し、前記測定手段に含まれるインタフェースユニットは、前
記３つの超音波マイクロフォンから出力されるアナログ
信号をそれぞれデータ列に変換する３つのチャンネルを
備え、前記インタフェースユニットは、前記マウス入力ポート
あるいはジョイスティック入力ポートに直接接続され、
マウス操作子あるいはジョイスティック操作子をシミュ
レートするプロセッサを備え、前記プロセッサは、前記マウス操作子あるいはジョイス
ティック操作子が発生するパルス列の形態に合致するよ
う前記データ列を変換することを特徴とする請求項９記
載の３次元画像表示システム。
【請求項１８】前記測定手段は、前記超音波マイクロ
フォンに対応する３つのチャンネルを有し、各チャンネ
ルはそれぞれ同一構成によるアナログ部とディジタル部
とからなり、前記アナログ部は、信号調整手段と前記超音波マイクロ
フォンから出力されるアナログ信号を所定のパルス信号
に変換する第１の変換手段とから形成され、前記ディジタル部は、前記パルス信号を３つのデータ信
号から形成されるバイナリワードに変換する第２の変換
手段からなり、前記３つのデータ信号から形成されるバイナリワード
は、前記コンピュータモニタと前記操作者の頭部との間
を３次元座標系の一つの軸に沿った瞬時距離として表現
し、前記各チャンネルは、それぞれ前記３次元座標系の各軸
に対応することを特徴とする請求項１４記載の３次元画
像表示システム。
【請求項１９】前記測定手段は、所定周波数の前記超
音波信号を発生すると共に、前記送信手段へ所定周期毎
に送信指示を与える超音波発振増幅手段を備えることを
特徴とする請求項１８記載の３次元画像表示システム。
【請求項２０】前記測定手段は、当該測定手段の動作
を制御する制御手段と、前記バイナリワードの連続的な
遷移を補償する前記処理手段とを備えることを特徴とす
る請求項１９記載の３次元画像表示システム。
【請求項２１】前記信号調整手段は、前記送信手段か
ら送信される超音波信号の周波数に同調して前記３つの
超音波マイクロフォンのいずれか１つから出力されるア
ナログ信号に含まれる低周波成分の不要ノイズを最小化
するアクティブフィルタと、前記アクティブフィルタから出力されるアナログ信号を
ノイズの無いトリガパルス信号に変換する自動利得制御
／スレッショルド検出回路とを備えることを特徴とする
請求項１８記載の３次元画像表示システム。
【請求項２２】前記アナログ信号を変換する手段は、
前記トリガパルス信号を受信して前記ディジタル部によ
って処理される信号であって、パルス幅が固定された矩
形パルス信号を出力することを特徴とする請求項２１記
載の３次元画像表示システム。
【請求項２３】前記アナログ信号を変換する手段は、
２入力アンドゲートの第１の入力端にＳＲ型フリップフ
ロップの出力が入力され、当該アンドゲートの第２の入
力端に連続したクロック信号が入力される構成を有し、
前記矩形パルス信号が供給されるまで「０」レベルの出
力を発生し、当該矩形パルス信号が供給された時に
「１」レベルの出力を発生するゲート手段と、制御手段から供給される制御信号に従って初期化される
手段であって、前記ゲート手段から「０」レベルの信号
が供給されるまでカウント動作を継続し、当該「０」レ
ベルの信号を受けた時点でカウント値を一時記憶するカ
ウント手段と、前記制御手段から供給されるストアパルス信号に応じて
前記カウント手段に一時記憶されるカウント値をラッチ
してシフトレジスタに書き込むラッチ手段とを具備する
ことを特徴とする請求項２２記載の３次元画像表示シス
テム。
【請求項２４】前記処理手段は、前記バイナリワード
に基づいて３次元座標系における前記コンピュータモニ
タに対する前記操作者の頭部の瞬時位置を生成すると共
に、画像回転アルゴリズムに作用させるように前記瞬時
位置を変換する手段を備え、前記画像回転アルゴリズムは、前記３次元座標系におけ
るＸ軸，Ｙ軸およびＺ軸回りに画像回転させ、前記コン
ピュータによって生成される画像の遠近表示状態を前記
瞬時位置に応じて変化させることを特徴とする請求項２
３記載の３次元画像表示システム。
【請求項２５】前記処理手段は、前記コンピュータと
入出力ポートを介して接続されるマイクロプロセッサを
備え、このマイクロプロセッサは、予めプログラミング
された動作に基づき、前記３つのチャンネルの各々から
供給される前記カウント値を時間信号に変換し、この時
間信号と音速定数とを乗算して前記Ｘ軸，Ｙ軸およびＺ
軸毎の距離信号を発生することを特徴とする請求項２４
記載の３次元画像表示システム。
【請求項２６】コンピュータモニタ上の画像を視る操
作者の頭部の動きに比例してコンピュータによって生成
される３次元画像の遠近表示形態を制御する３次元画像
表示システムにおいて、（ａ）前記コンピュータモニタ
に対向する操作者の頭部に極めて接近した位置から所定
周期毎に所定周波数の超音波信号を送信する第１のステ
ップと、（ｂ）前記コンピュータモニタに極めて接近し
た位置に配設される複数の超音波受信器によって前記超
音波信号を受信した時点と前記超音波信号を送信した時
点との経過時間を測定する第２のステップと、（ｃ）受
信した信号を前記コンピュータモニタと前記操作者の頭
部との間の瞬時距離を表す複数の距離データに変換する
第３のステップと、（ｄ）前記複数の距離データを処理
して前記コンピュータモニタと前記操作者の頭部との間
の瞬時距離に応じて前記コンピュータモニタに表示され
る前記３次元画像の遠近表示形態を変化させる第４のス
テップとを具備することを特徴とする３次元画像表示シ
ステム。
【請求項２７】前記第１のステップは、前記コンピュ
ータモニタに向けて直接的に超音波音響エネルギーを放
射することを特徴とする請求項２６記載の３次元画像表
示システム。
【請求項２８】前記第２のステップは、前記超音波信
号を検出して当該超音波信号からバックグラウンドノイ
ズを除去するフィルタリングを施すと共に、このフィル
タリングを施した信号をディジタル処理するためのパル
ス信号に変換することを特徴とする請求項２７記載の３
次元画像表示システム。
【請求項２９】前記第３のステップは、前記パルス信
号の発生間隔に対応する経過時間を表すバイナリカウン
トデータを発生すると共に、当該バイナリカウントデー
タをシフトさせて処理手段に供給し、この処理手段は、前記バイナリカウントデータを、前記
画像の遠近表示状態を変化させる画像処理ソフトウェア
のＸ軸，Ｙ軸およびＺ軸回転アルゴリズムに作用する信
号に変換することを特徴とする請求項２８記載の３次元
画像表示システム。
【請求項３０】前記第４のステップは、時間的な測定
値を前記Ｘ軸，Ｙ軸およびＺ軸回転アルゴリズムに作用
するための３次元距離に変換することを特徴とする請求
項２６記載の３次元画像表示システム。