(57)【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１つのみの送信機と、
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１つの送信機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
を具備し、
操作者が頭部を動かすと、その動きに対応して回転された前記遠近表示形態を操作者へ表示する
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し、かつ、前記バイナリワードの前記処理手段への連続的な転送を補償する制御手段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１つのみの送信機と、
前記コンピュータモニタの周囲に三角配置され、前記１つの送信機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し、
本システムは、操作者が頭部を動かすと、その動きに対応して回転された前記遠近表示形態を操作者へ表示する
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し、かつ、前記バイナリワードの前記処理手段への連続的な転送を補償する制御手段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位置に応じて変化させることを特徴とする請求項２３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にある１つのみの送信機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、その際、操作者が頭部を動かすと、その動きに対応して回転された前記遠近表示形態を操作者へ表示する第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。
【請求項３１】
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
を具備し、
頭部の動きと画像の位置変化との比率が各方向毎に変更可能である
ことを特徴とする３次元画像表示システム。
【請求項３２】
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し、
頭部の動きと画像の位置変化との比率が各方向毎に変更可能である
ことを特徴とする３次元画像表示システム。
【請求項３３】
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
を具備し、
頭部の動きと画像の位置変化との比率が各方向毎に変更可能である
ことを特徴とする３次元画像表示システム。
【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。ＣＡＤ／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２０，２２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１８，２０，２２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１８，２０，２２（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１０１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３０〜６０ＫＨｚ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１０５，１０７および１０９は、全て超音波バースト信号１０３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１０１，１０３，１０５，１０７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１８，２０，２２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１０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１１１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１８，２０，２２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５５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６０ｃ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６０ａ，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１８，２０，２２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，６２ｃ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，６２ｂ，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１８，２０，２２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，５８ｃ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，６０ｃをセットし、この時点でアンドゲート６６ａ，６６ｂ，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，５８ｂ，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，５８ｃ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，６６ｂ，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１８，２０，２２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，６２ｃで処理される。そして、単安定マルチバイブレータ６４ａ，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，６０ｂ，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１０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，７０ｂ，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７０ａ，７０ｂ，７０ｃに各カウンタ５８ａ，５８ｂ，５８ｃの値が取り込まれ、これらデータラッチ７０ａ，７０ｂ，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，５８ｃ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Ｑａ〜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７５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７４はパラレル動作モードにセットされ、データラッチ７２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１８，２０，２２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，５８ｃは、指定された超音波マイクロフォン１８，２０，２２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２０２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７０ａ，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，５８ｂ，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２２０，２２４，２２６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２２１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７０ａ〜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２２４，２２６および２２８は、各々時間領域２３０，２３２，２３４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２１０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、ＲＳ−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）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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