３次元形状化装置及び同装置用砂盤装置
【課題】 入力されるデータに基づいて、３Ｄ表面を砂盤に形成し得る３Ｄ形状化装置を提供する。
【解決手段】 ３Ｄ形状化装置は、データ処理装置と砂盤装置とからなる。データ処理装置は、入力される地形データから３次元マップデータを作成し、その３次元マップデータに基づいて砂盤に３次元的表面を形成するための３次元砂盤データに変換し、その３次元砂盤データに基づいて後記砂盤駆動部を駆動させる制御信号をその砂盤駆動部に与える。砂盤装置は、砂盤と、その下側に設けられた砂盤駆動部とを有し、砂盤は、一定長を有する多数のロッドを縦長状態で一定の形状・面積を有する平面に沿ってマトリックス状に配置し、昇降自在に保持してなり、砂盤駆動部は、データ処理装置からの制御信号に基づいて砂盤の選択されたロッドを高さ方向の指定された位置まで移動させ、又は原位置に復帰させる。
【解決手段】 ３Ｄ形状化装置は、データ処理装置と砂盤装置とからなる。データ処理装置は、入力される地形データから３次元マップデータを作成し、その３次元マップデータに基づいて砂盤に３次元的表面を形成するための３次元砂盤データに変換し、その３次元砂盤データに基づいて後記砂盤駆動部を駆動させる制御信号をその砂盤駆動部に与える。砂盤装置は、砂盤と、その下側に設けられた砂盤駆動部とを有し、砂盤は、一定長を有する多数のロッドを縦長状態で一定の形状・面積を有する平面に沿ってマトリックス状に配置し、昇降自在に保持してなり、砂盤駆動部は、データ処理装置からの制御信号に基づいて砂盤の選択されたロッドを高さ方向の指定された位置まで移動させ、又は原位置に復帰させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元画像データに基づいて３次元表面を形成する３次元形状化装置及び同装置に用いられる砂盤装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
起伏を付けたジオラマを作り、そこに模型戦車などを置いて、図上演習を行うことがある。そのジオラマを作るには、従来、砂を盛り上げて模擬地形を作成する、砂盤と称されるものが用いられてきた。
【特許文献１】特になし。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の砂盤は、底板の周囲に枠板を接続してなる箱の中に砂を収容して構成され、その砂を手や手動利器で移動して、地表面の自然形態とほぼ近似する凹凸面や傾斜面などを形成して模擬地形を作成するものであった。場合によってはその砂盤の上面に建物や橋梁や車両などに見立てた小道具を置いて、実環境に近づける努力が払われている。
従って、模擬地形の作成に手間がかかる割には、実地形を忠実に反映する模擬地形の作成は容易でなかった。そのため、砂盤上での演習が迫真性に乏しいという難点があった。まして、従来の砂盤に形成した模擬地形から実際の地形や環境を正しく認識することは、困難であった。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする第１の課題は、入力される３次元画像データ（以下、３次元を３Ｄという場合がある。）に基づいて、その３Ｄ画像に忠実に近似する形状を有する３Ｄ表面を砂盤に形成することができる３Ｄ形状化装置を提供することにある。
【０００５】
本発明の第２の課題は、入力される３Ｄ地形データに基づいて、表示装置（以下、モニタという場合がある。）に２次元的に表示される３Ｄ画像に忠実に近似する凹凸面を有する３Ｄ模擬地形を砂盤に作成することができる３Ｄ形状化装置を提供することにある。
【０００６】
本発明の第３の課題は、上記第１の発明及び第２の発明に係る３Ｄ形状化装置を実現するための砂盤装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記第１の課題を解決するため、本発明に係る３Ｄ形状化装置は、（１）データ処理装置と砂盤装置とからなる。（２）前記データ処理装置は、外から入力する地形データから３次元マップデータを作成するとともに、その３次元マップデータに基づいて前記砂盤に３次元的表面を形成するための３次元砂盤データに変換し、その３次元砂盤データに基づいて前記砂盤駆動部を駆動させる制御信号をその砂盤駆動部に与えるものである。（３）前記砂盤装置は、砂盤と、その下側に設けられた砂盤駆動部とを有し、（ａ）前記砂盤は、一定長を有する多数のロッドを縦長状態で一定の形状・面積を有する平面に沿ってマトリックス状に配置し、昇降自在に保持してなるものである。（ｂ）前記砂盤駆動部は、前記データ処理装置からの制御信号に基づいて前記砂盤の選択されたロッドを高さ方向の指定された位置まで移動させ、又は原位置に復帰させるものである。以上を特徴としている（請求項１）。
【０００８】
上記構成により、入力する地形データに基づき３Ｄマップデータが作成され、その３Ｄマップデータから砂盤駆動部を制御駆動するための３Ｄ砂盤データに変換され、これに基づいて砂盤駆動部が駆動されて地形データの原地形とほぼ同じ模擬地形が砂盤に形成される。
【０００９】
上記第２の課題を解決するため、本発明は、請求項１に記載の３次元形状化装置において、データ処理装置が、入力される地形データから３次元マップデータを作成するとともに、その３次元マップデータに基づいて砂盤に３次元的表面を形成するためのを表示装置による２次元表示のための２次元データに変換し、さらに、前記３次元マップデータを表示装置による２次元表示のための２次元データに変換し、前記３次元砂盤データに基づいて砂盤駆動部を駆動させる制御信号を前記砂盤駆動部に与え、かつ、前記２次元データに基づいて前記表示装置に地形画像を表示させる制御信号を与えるものであることを特徴としている（請求項４）。
【００１０】
上記構成により、入力する地形データに基づき３Ｄマップデータが作成され、その３Ｄマップデータから２次元表示のための２次元データと砂盤駆動のための３Ｄ砂盤データに変換され、前者に基づいて表示画面に所定の地形が３次元的な表示方法で表示され、後者に基づいて表示された地形と同じ模擬地形が砂盤駆動部を介して砂盤に形成される。
【００１１】
本発明の３Ｄ形状化装置は、データ処理装置が、外から入力される地形データを格納する地形データ格納部と、その地形データ格納部から地形データを読み出す地形データ読み出し部と、その地形データ格納部から読み出した地形データから３次元マップデータを作成する３次元グラフィック・エンジン部と、前記３次元マップデータを格納する３次元マップデータ格納部と、前記３次元マップデータを砂盤に３次元的表面を形成するための３次元砂盤データに変換するデータ変換部と、変換された３次元砂盤データを格納する砂盤データ格納部と、前記３次元マップデータを表示装置による２次元表示のための２次元データに変換するグラフィック・エンジン部と、変換された２次元データを格納する表示データ格納部と、前記３次元砂盤データに基づいて砂盤駆動部を駆動させる制御信号を与える砂盤制御部と、前記２次元データに基づいて前記表示装置に地形画像を表示させる制御信号を与える表示制御部とを有することを特徴としている（請求項７）。
【００１２】
３Ｄ形状化装置は、砂盤が、上面に開放された筐体の中に、一定長を有する多数のロッドを縦長状態で一定の形状・面積を有する平面に沿ってマトリックス状に配置し、昇降自在に保持して構成されているほかに、前記ロッド群の上側に載せて周縁が前記筐体に固着されている可撓性と弾性を有するカバーシートを備えていることが好ましい（請求項２，５）。
このようなカバーシートを備えた場合は、砂盤のロッドの上端部のみで表示される表面よりも滑かな表面が形成され、実際の地形環境に近似する。
【００１３】
上記カバーシートを備えた３Ｄ形状化装置は、データ処理装置に、外から入力される地形データ又は表示装置による２次元表示のための２次元データに基づいて、砂盤のカバーシートに映像を投射するプロジェクタが接続されていることが望ましい（請求項３，６）。
このようなプロジェクタを備えた場合は、砂盤のロッド群により形成された３次元的表面を滑かに表出するカバーシートの上面に、地形画像その他の画像を投射することができる。
【００１４】
請求項７の地形データ読み出し部は、データ処理装置に付属する操作部を表示装置に表示されている地形画像を見ながらの操作により、地形データの読み出し範囲を指定することができるものであることが望ましい（請求項８）。
上記構成により、一定の地形の内、表示画面に表示させ又は砂盤に形成させたい領域を操作により広狭任意に設定することができる。
【００１５】
請求項７の発明のデータ変換部は、３Ｄマップデータ格納部から読み出された３Ｄマップデータに含まれる位置データを、それぞれ前記砂盤を構成するロッド群の各ロッドを指定するためのロッド位置データと、当該ロッド位置データにより指定されたロッドの高さ方向の移動量を設定するためのロッド高さデータとに変換して、各ロッドに１対１に対応するロッド位置データとロッド高さデータとを内容とする３Ｄ模擬地形データを作成するものであり、砂盤制御部は、前記データ変換部から入力する３Ｄ模擬地形データのロッド位置データに基づいて、前記砂盤駆動部の所定位置のロッドに対応するアクチュエータを選択する選択信号及び前記３Ｄ模擬地形データのロッド高さデータに対応する高さ制御信号を前記砂盤駆動部に与えるものであることが望ましい（請求項９）。
上記構成により、砂盤には、地形の各地点の地理的特徴を備えた模擬地形を形成することができる。
【００１６】
データ処理装置に外から地形データを入力する手段は、地形データを記録した記録媒体から地形データを読み取る地形データ読取機、地形を撮像して地形データを取得する撮像機、又はソフトウエアにより３Ｄ地形データを作成するコンピュータ・グラフィックのいずれであってもよい（請求項１０）。
【００１７】
請求項７の発明の砂盤制御部は、ロッド高さデータに対応する高さ制御信号として、出力すべきパルス数を指定する信号を出力するものであり、砂盤駆動部は、アクチュエータとして各ロッドに対応して設けられたステッピングモータを用い、前記制御部から与えられるパルス指定信号に基づいて所定数のパルスを前記ステッピングモータに与え、前記各ロッドは前記パルス数に対応する当該ステッピングモータの回転量により移動量が規定されるものであることを特徴としている（請求項１１）。
【００１８】
第３の課題を解決するため、本発明の砂盤装置は、砂盤と砂盤駆動装置からなり、前記砂盤は、一定の長さを有し、軸心にねじ孔が設けられた多数のロッドを縦長状態で一定の形状・面積を有する平面に沿ってマトリックス状に配置し、かつ昇降自在に、しかし、回転不能に保持してなり、前記砂盤駆動装置は、前記各ロッドの下側に前記ロッドのねじ孔にねじ合わせてた状態で回転自在に支持されたねじ棒と、外部から入力するパルス信号により回転され、前記ねじ棒に回転力を与えるステッピングモータとから構成されていることを特徴としている（請求項１２）。
【００１９】
本発明の砂盤装置は、砂盤と砂盤駆動装置からなり、前記砂盤は、一定の長さを有し、下端部に永久磁石又は磁性材料を有する多数のロッドを縦長状態で一定の形状・面積を有する平面に沿ってマトリックス状に配置し、かつ昇降自在に保持してなり、前記砂盤駆動装置は、前記各ロッドに対応して設けられ、そのロッドの落下収容が可能な筒状のガイド部材と、そのガイドの外周面に所定間隔をもって配置され、砂盤制御部からの制御信号により所定位置まで順次通電される電磁コイルと、当該ロッドが所定位置まで移動されたときに、ロッドを押し付けて停止させるストッパとで構成することもできる（請求項１３）。
【００２０】
そのストッパは、電磁ソレノイドのプランジャの先端に摩擦係数の大きいクッションを設けてなり、クッションがロッド側に向けて取付けられていることが望ましい（請求項１４）。
【００２１】
ロッド群の各ロッドは、上昇されたロッドと、これに隣接する上昇されていないロッドとで、物体の偶角を表現できる距離に近接して配設されていることが望ましい（請求項１５）。
【００２２】
ロッドの先端に電気的に発光する発光体が設けられ、各発光体はロッド位置データに基づいてコンピュータにより発光されることが望ましい（請求項１６）。
【００２３】
その発光体は、データ処理装置のコンピュータに制御により発光位置が制御されるようにしても良い（請求項１７）。
【発明の効果】
【００２４】
請求項１の発明によれば、砂盤を構成するロッド群の内、地形画像の所定の画素に対応するロッドが、その画像の凹凸に対応する高さに移動されるので、砂盤には、地形画像に忠実な形態（凹凸面）を有する表面が形成される。
【００２５】
請求項４の発明によれば、一つの地形データを処理して、表示画面に地形を３次元的表示方法で表示するとともに、その表示された地形と同じ形態の３Ｄ模擬地形を砂盤に形成することができる。
【００２６】
請求項２及び請求項５の発明によれば、砂盤に滑らかで自然な外観を有する３Ｄ表面が形成される。
【００２７】
請求項３及び請求項６によれば、滑らかで自然な外観を有する３Ｄ表面に地形画像又はそれに関連する画像を投射して、一層迫真性に富んだ表面又は模擬地形を形成することができる。
【００２８】
請求項８の発明によれば、地形データで表される地形の中から、表示画面に表示させ又は砂盤に形成させたい領域を任意に広くしたり、狭くしたりすることができる。
【００２９】
請求項１０の発明によれば、地形データの入力は、３Ｄ地形データを記録した記録媒体から３Ｄ地形データを読み取る地形データ読取機、地形を撮像して３Ｄ地形データを取得する撮像機、又はソフトウエアにより３Ｄ地形データを作成するＣＧのいずれからでも良いので、発生源を問わず３Ｄ地形データを得て、砂盤にその３Ｄ地形データにより表示される３Ｄ地形画像に忠実に近似する地形を有する３Ｄ模擬地形を作成することができる。従って、従来の砂盤と異なり、極めて短時間に実地形に近似する模擬地形を形成することができる。しかも、３Ｄ地形データさえあれば、何の苦労もなく、模擬地形を反復的に又は交換的に形成することができる。
【００３０】
請求項１１の発明によれば、小型のステッピングモータを用いて正確迅速にロッドの昇降制御を行うことができる。
【００３１】
請求項１２，１３の発明によれば、比較的簡単な構成で、砂盤のロッドの選択及びその駆動を行うことができる。
【００３２】
請求項１５の発明によれば、従来の砂盤では不可能であった、建物、造型物、車両等の角部を有するものに類似する立体物を、ロッドのみで砂盤に形成することができるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
次に、本発明の好ましい実施の形態について図面に基づいて説明する。
本発明の３Ｄ形状化装置は、３Ｄ画像データから広く３Ｄ表面を有する立体物を形成することに応用することができるが、この明細書では、理解を容易にするため、地形データから３Ｄ模擬地形を形成する装置に応用した例について説明する。
【００３４】
図１は、本発明の３Ｄ形状化装置の使用状態を示す斜視図、図２は同装置の構成を概括的に示すブロック図、図３は図２のデータ処理装置の詳細な構成を示すブロック図、図４は表示装置の表示内容の一例及びその変化例を示す正面図、図５は図３（ｂ）の表示内容に対応して砂盤に形成された３Ｄ模擬地形の一例を示す斜視図である。
【００３５】
本発明の３Ｄ形状化装置は、図１及び図２に示すように、パーソナルコンピュータ（以下、パソコンという。）Ａと、砂盤装置Ｂとで構成されている。パソコンＡは、ＣＰＵを中心に構成されているデータ処理装置１と、その操作部２と、画像データ入力装置３と、表示装置（モニタ）４とを有する。
【００３６】
砂盤装置Ｂについては、後に詳述するが、概念を簡単に説明しておくと、砂盤装置Ｂは、砂盤駆動部５と、砂盤６とから構成されていて、砂盤６は、矩形又は円形の外周壁の内側底板に、多数のロッド（全体をロッド群といい、単一のロッドを単にロッド、又はコントロールロッドいう場合がある。）を一定の形状・面積を有する平面に沿ってｘ軸方向及びｙ軸方向に一定のピッチでマトリックス状に配置し、ｚ軸方向（高さ方向）に移動自在に保持して構成されている。そして、その砂盤６の下側にそれぞれのロッドを独立して、制御に従い所定の高さまで移動させ、再び原位置まで復帰させる砂盤駆動部５が備えてある。
【００３７】
データ処理装置１は、外部から入力される地形データを所定のプログラムにより処理して、モニタ４に前記地形データに対応する地形画像を表示するためのデータを生成するとともに、前記砂盤６に前記地形データに対応する３Ｄ模擬地形を形成するためのデータ及び制御信号を生成するものである。
【００３８】
外部からデータ処理装置１に地形データを入力する手段は、一定範囲の地形の各地点の位置情報（ｘ１，ｙ１，ｚ１〜ｘｎ，ｙｎ，ｚｎ）を含む３Ｄ地形データをデータ処理装置１に入力するものである。このような入力手段を例示すると、次の３種類の既知の機械又は装置を用いることができる。
【００３９】
すなわち、その一は、ＣＤ−ＲＯＭ、メモリカード等の記録媒体に記録された特定の地形の３Ｄ地形データを読み取って地形データ格納部２０１に与える地形データ読取機。この地形データ読取機は、図１に例示するように、パソコン本体１の中に備えられたＣＤドライバ３により構成することができる。地形データ読取機から読み取られた３Ｄ地形データは、パソコン本体１内の半導体メモリその他の記憶部２００のワーキングエリアで構成される地形データ格納部２０１に記憶される。
【００４０】
その二は、任意の地形を撮像してその地形データをデータ処理装置１に入力するＣＣＤカメラなどの周知のデジタル撮像機。これを用いる場合は、そのデジタル撮像機がケーブルなどでパソコン本体１に接続され、デジタル撮像機からパソコン本体１に与えられる画像の中から、パソコン本体１に設けられているビデオキャプチャーなどの処理ソフトにより一つの地形画像データが取り込まれ、パソコン本体１内の記憶部２００の地形データ格納部２０１に記憶される。デジタル撮像機には、航空機から地上にレーザービームを発射し、その反射波を用いて位置データ（ｘ，ｙ）と測距結果に基づく高さデータ（ｚ）を取得する航空撮影機も含まれる。
【００４１】
その三は、周知の図形作成・処理用ＣＧ（コンピュータ・グラフィック）である。この場合も、そのＣＧはパソコン本体１に接続され、ＣＧで作成された特定の地形の３Ｄ地形データが取り込まれ、パソコン本体１内の記憶部２００の地形データ格納部２０１に記憶される。
【００４２】
データ処理装置１は、図２に示すように、制御部１００と記憶部２００を有する。
制御部１００は、いずれもソフトウェアにより構成される、３Ｄグラフィック・エンジン部１０１と、グラフィック・エンジン部１０２と、データ読み出し部１０３と、データ変換部１０４と、表示制御部１０５と、砂盤制御部１０６と、演算部１０７とを有する。
【００４３】
また、記憶部２００は、この３Ｄ形状化装置の機能を実現するためのシステムプログラムを格納しているほかに、外部から入力される地形データを格納する地形データ格納部２０１と、３Ｄマップデータ格納部２０２と、表示データ格納部２０３と、砂盤データ格納部２０４とを含む。
【００４４】
制御部１００は、地形データが入力されると、これを地形データ格納部２０１に格納し、３Ｄグラフィック・エンジン部１０１に与える。３Ｄグラフィック・エンジン部１０１は、地形データを用いて地形を表すための３Ｄマップ作成処理を行い、処理結果である３Ｄマップデータを３Ｄマップデータ格納部２０２に格納するようになっている。
【００４５】
グラフィック・エンジン部１０２は、３Ｄグラフィック・エンジン部１０１に接続されていて、３Ｄグラフィック・エンジン部１０１が作成した地形の３次元画像を表示装置４の表示画面上に表示するため、２次元表示用コンピュータ画像データに変換する処理を行う。その処理結果は、表示データ格納部２０３に格納されるようになっている。
【００４６】
制御部１００の表示制御部１０５は、地形データに基づく３次元地形画像を表示する表示装置４に接続されている。グラフィック・エンジン部１０２より得られた２次元表示用コンピュータ画像データは、この表示制御部１０５による制御に基づいて表示装置４に与えられて、画面表示をするようになっている。
【００４７】
制御部１００のデータ読み出し部１０３は、要求に基づき３Ｄマップデータ格納部２０２に格納されている３Ｄマップデータを読み出して、グラフィック・エンジン部１０２とデータ変換部１０３に与える。そして、操作部２のキーボード２ａ又はマウス２ｂなどの操作により、読み出し範囲を拡大又は縮小することができる。これに従い、モニタ４に表示される地形の領域又は砂盤６に形成される３Ｄ模擬地形の領域が拡縮されるようになっている。このモニタ４は、砂盤６のロッド群により形成される３Ｄ模擬地形により表示される領域（面積）の大小の程度を確認するためのものである。
【００４８】
すなわち、アイコンをマウス４でクリックした後、又は、キーボード３から３Ｄ形状化対象領域を特定するための指令を入力した後、カーソルを移動して、図４（ａ）に鎖線Ｗで示すように、原地形画像の中の領域指定のための始点と終点を指示すると、その指定された領域の３Ｄマップデータがグラフィック・エンジン部１０２により２次元表示用コンピュータ画像データに変換され、表示データ格納部２０３に格納されて、図４（ｂ）に示すように、拡大されて（又は縮小されて）、モニタ４に表示されるようになっている。このように３Ｄ形状化対象領域を特定された３Ｄマップデータは、データ変換部１０４にも与えられる。
【００４９】
データ変換部１０４は、表示画像に対応する３Ｄ地形データを、砂盤Ｄを構成するロッド群の中の特定のロッドをその高さ方向の所定位置まで移動させるための、３Ｄ模擬地形データ（砂盤データともいう。）に変換するためのものである。
【００５０】
そして、データ変換部１０４が３Ｄ地形データに基づいて砂盤６の所定のロッドを選択して、そのロッドに高さ方向の所定位置まで移動させるための３Ｄ模擬地形データに変換する際は、モニタ４に表示される地形の画素数と砂盤のロッド群により表される画素数（ロッド数）との対応関係が１対１である場合と、非１対１である場合とで、その変換方式が異なる。
【００５１】
地形の画素数とロッド数との対応関係が１対１である場合は、データ変換部１０３は、データ読み出し部により３Ｄマップデータ格納部２０２から読み出して与えられた３Ｄマップデータのうち、ｘ，ｙ座標値をそのまま砂盤のロッド群の各ロッドのＸＹ座標値に変換するように構成される。しかし、３Ｄマップデータのうち、高さ情報であるｚ座標値は数千（ｍ）に達することもあるので、そのまま用いることは不可能である。そこで、３Ｄマップデータのｚ座標値は、立体化対象領域の標高の大小により選択決定される一定の縮尺率、例えば、１／１０００、あるいは１／１００００を乗じて、当該ＸＹ座標のロッドの高さデータＺに変換するように構成される。縮尺率は表示画面に表示されているものの中から、操作部２により選択することができるようになっている。
このようにして、表示画面に表示された地形の各地点（画素）に対応する砂盤データ（Ｘ1 ，Ｙ1 ，Ｚ1 〜Ｘn ，Ｙn ，Ｚn ）が得られて、砂盤データ格納部２０４に格納される。
【００５２】
地形の画素数とロッド数との対応関係が非１対１である場合は、データ変換部１０３は、演算部１０７を用いて、地形のｘ軸方向及びｙ軸方向の所定距離の間の領域、すなわち、３Ｄマップデータのｘ軸方向及びｙ軸方向に一定間隔ずつ離間されたｘ，ｙ座標値の互いに隣接する４個の間を単位エリアとして、それぞれ順次隣接する単位エリアに対して新たに位置データ（Ｘ1 ，Ｙ1 ）〜（Ｘk ，Ｙk ）を作成するとともに、当該単位エリア内のそれぞれの高さデータの平均値を求め、その平均値に選択された一定の縮尺率を乗じて当該エリアの高さデータ（Ｚ）とするように、変換処理を行う。こうして、表示画面に表示される地形について、それぞれ等しい面積に分割された各単位エリアに対応する砂盤のロッド群の新たな位置データ（Ｘ1 ，Ｙ1 ，Ｚ1 ）〜（Ｘk ，Ｙk ，Ｚk ）が付与され、砂盤データ格納部２０４に格納されることとなる。
【００５３】
砂盤制御部１０６は、データ変換部１０４から砂盤データを入力すると、砂盤駆動部５に、砂盤６のロッド群のロッドの内、その砂盤データに含まれるＸＹ座標値により駆動対象ロッドを決定し、そのロッドに結合してあるアクチュエータ（移動手段）に対して、そのロッドをその砂盤データに含まれる高さデータ（Ｚ）に基づいて、それで表される高さまで上昇させるために、アクチュエータを制御するように構成されている。
【００５４】
砂盤駆動部５は、各ロッドに対応して配置され、砂盤制御部１０６から与えられる制御信号に基づいて動作するアクチュエータを有し、そのアクチュエータの動作量に応じて、当該ロッドが所定高さまで上昇されるようになっている。
【００５５】
上記構成に基づく本発明の動作を説明する。今、例えば、Ｄ地形データ読取機から入力され、地形データ格納部２０１に格納された地形データに基づいて３Ｄグラフィック・エンジン部１０１により３Ｄマップデータが作成され、３Ｄマップデータ格納部２０２に格納される。引き続き、データ読み出し部１０３により指定された立体化対象領域の３Ｄマップデータが読み出され、一つには、グラフィック・エンジン部１０２の作用によりモニタ４による画面表示用のデータに変換され、表示データ格納部２０３に格納され、その表示データに基づいてその地形画像がモニタ４に表示される。他方、立体化対象領域の３Ｄマップデータは、データ変換部１０４により、砂盤６のロッド群のを各ロッドを選択的に駆動するための砂盤データに変換され、その砂盤データは砂盤データ格納部２０４に格納される。
【００５６】
モニタ４に、図４（ａ）に例示するように、ある地域の地形画像が３次元的表示方法により表示されている場合に、操作部２のマウス２ｂの操作により、同図（ａ）に矩形鎖線で囲んで示すように、立体化対象領域を特定すると、同図（ｂ）に示すように、その特定された範囲がモニタ４に表示される。そして、キーボード２ａから又はマウス操作により立体化指令を入力すると、砂盤制御部２０６が動作し、砂盤データ格納部２０４から砂盤データを読み出して制御信号を砂盤駆動部５に与えるので、砂盤駆動部の選択されたロッドに対応するアクチュエータが制御的に動作され、ロッド群の当該位置に存在するロッドは、図５に例示するように、それぞれ高さデータにより規定された高さに移動されて、図４（ｂ）に示されている地形画像に対応する３Ｄ模擬地形が形成される。
【００５７】
図５に示す例は、ロッド群の上面が露出されているので、地形の凹凸面はロッドの先端のみで表現されており、表面の連続性に欠ける嫌いがあり、作成された模擬地形のどの部分が平野、山脈、河川、海原であるかが明確でない。また、光の反射具合によっては、地形の形状が不明瞭になる場合もある。
そこで、本発明の好ましい実施の形態においては、ロッド群の上面に地形が滑らかに連続する、自然な立体地形感が得られるように、工夫が施されている。すなわち、その一つには、図１に示すように、ロッド群の上面を被覆する、可撓性と弾性を有するカバーシート（符合省略）を備えるとともに、そのカバーシート（以下、シートという。）の周辺をロッド群を保持している筐体の周壁端部に固定し、下側に設けたバキューム装置により、そのシートと筐体の間の空気を吸引して、シートをロッド群の上面に密着させることにより、シートにロッド群の上端部に沿って連続させている。そして、そのシートの上面に、上方に設置したプロジェクター７から３Ｄ地形データ読取機から得られた地形画像を投影している。これにより、図１に示すように、連続するシートの上面には地形画像が投影されるため、ロッド群の上面には、凹凸面や傾斜面が滑らかに連続する実地形と同一の外観を有する模擬地形が形成される。
【００５８】
続いて、砂盤装置の幾つかの実施例について、図６以下の図面に基づいて説明する。
［第１実施例］
図６は、砂盤装置の第１の実施例の一部を示す斜視図、図７は同砂盤装置の作用説明図、図８は砂盤駆動装置の一部の斜視図、図９はロッドの選択、停止の動作原理の説明図、図１０は適用例を示す斜視図、図１１は、第１実施例の全体を示す概念図である。
【００５９】
この機構は、３Ｄマップデータ（１セットの数値データ）から３Ｄ表面形状を形成するように設計されている。その表面は他の数値データにより反復的に形状を変えることができる。可撓性の弾性シート１２が一揃いのコントロールロッド１４の上に載せられ、その端縁が筐体１１に固定されている。筐体１１は気密性を有し、これにバキュームポンプ（図示せず）が取り付けられている。筐体の中をそのバキュームポンプにより減圧すると、シート１２が引き下げられ、コントロールロッドの上端部に密着し、その結果、各ロッドに下向きの力を加えるようになっている。
【００６０】
筐体１１の中には、砂盤駆動装置の一構成要素としてエレベータ１３が取り付けられている。このエレベータ１３は、コンピュータ制御による液圧駆動システム又は電気的駆動システム（図示せず）による指令に基づいて上下移動可能である。２セットの流体チューブ１５，１６のいずれか又は全ては、コントロールロッドのいずれか又は全てを一定の位置に停止するために、膨張させることができる。
【００６１】
図７は、この実施例の砂盤の作用を示す一連の動きを示している。コントロールロッドの停止と停止解除の一連の制御及びエレベータ１３の昇降制御により、弾性シート１２を望みどおりの面形状にすることができる。形状化された表面を形成するには、図７に示すように、まず全ての流体チューブ１５，１６が収縮され、エレベータ１３が上方のスタート位置に移動される。その後、ポート３３を経てエアを吸引することにより、筐体１１内が減圧される。次に、選択された流体チューブを膨張させて、選択されたロッドをその位置にロックする。この例では、チューブ２６と３１が膨張され、ロッド２０と２５を移動不能にする。次いで、エレベータが下方に移動され、ロックされていないロッドはエレベータ１３とともに移動する。この位置決めは図７（ｂ）に示されている。この時点で、流体チューブ２７，２９及び３０は膨張され、それにより、コントロールロッド２１，２３及び２４がロックされる。その後、エレベータはさらに下方に移動され、ロックされていないロッド２２が、図７（ｃ）に示すように、さらに低い位置に移動する。この時、所望の形状が得られ、全ての流体チューブが膨張されて、立体化された表面がその位置に固定される。
【００６２】
全てのチューブの流体圧力を抜いて全てのロッドを解放することにより、立体化された表面が消去され、新たな形状を作成することができる。そのときは、エレベータが全てのロッドとともにスタート位置に上昇復帰される。その後、新しいプログラムが実行される。
【００６３】
図８は、コントロールロッドを保持する方法の一例を示す。ガイド３４に数セットの孔３７が設けられ、各セットの孔の中にコントロールロッド３６が挿通されている。各セットのコントロールロッドに近接して、膨張されていない流体チューブ３５が備えられている。その流体チューブ３５に流体が流し込まれると、チューブが膨張し、その直径が拡大するため、コントロールロッドの側面を押圧する。そのロッドはガイドの側面に押圧され、その結果、摩擦が増大するためガイド内を上下することが阻止される。チューブ内の圧力が一旦下がると、そのチューブは収縮してそのチューブに接触していた全てのロッドが再び解放され、ガイド内の上下移動が可能になる。
【００６４】
Ｘ−Ｙマトリックスに配置されたロッド群の個々のロッドの特定を可能にするため、図９に示すように、２セットの直交する流体チューブ４１，４２が用いられている。図９には、ロッド４３のマトリックスが示されている。チューブ４２はＸデータに従って膨張され、ロッド４１はＹデータに従って膨張される。個々のロッドを解放するには、それに対応するＸチューブとＹチューブを収縮させなければならない。一旦解放されると、そのロッドの縦方向の位置Ｚはエレベータ１３の位置によって決定される。
【００６５】
コントロールロッドの位置を指定する一方法は、一度に１列を「書き込む」ことである。列がＸで、行がＹで指定されるとして、特定の行Ｙｎが収縮された場合は、全列のロッドが移動される。そして、例えば、Ｘ2 ，Ｘ7 ，Ｘ20，Ｘ25…は同時に収縮可能である。これにより、全ロッドがエレベータの位置により決定される新しい位置に降下することができる。全ロッドは再びロックされることができ、プロセスが他の行のために、さらに他の行のために次々と繰り返される。
【００６６】
エレベータの位置は、３Ｄマップデータの中のＺの値により決定される。マトリックスの全体が一旦、エレベータの位置により定められるＺの特定値に指定されると、エレベータは再び下方移動が可能になり、一連のＺ位置に関する処理が繰り返される。一度、表面が書き込まれると、ロッド群はその最終位置にロックされる。
【００６７】
上記実施例の適用範囲は広い。その一つは、等高線を３次元的に有する地図である。図１０は、コンピュータ制御による調整可能な表面と結合された投影システムの基本的構成を示す。この場合、プロジェクタ５１は、調整可能な表面５５の上に地形的特徴を有する画像を投射する。一例として、砂盤の表面に山５７や湖５３を形成するようにプログラムを作成することができ、また、建物５４や飛行場５６などをその砂盤の表面の上に投影することができる。
【００６８】
図１１は、上記構成の形状再生可能な砂盤用の砂盤駆動装置５の構成を概略的に示すブロック図である。表面特性とともに形成されるべき輪郭を表す入力データ（３Ｄ画像データ）がデータ処理装置を構成するパソコン（パーソナルコンピュータ）６２に入力される。パソコンには与えられたイメージデータを３Ｄマップデータに変換した後、プロジェクタ６１及びモニタ６３に展開するプログラムが装備されている。パソコン６２は、さらに３Ｄマップデータに基づいて形状再生可能な表面に与える位置決めデータ（砂盤データ）を生成し、そのデータを砂盤駆動装置５のプログラマブル・ロジック・コントローラ６４に与える。砂盤駆動装置は、前記プログラマブル・ロジック・コントローラ６４のほか、エレベータ制御部６５、真空ポンプ６６及びエアコンプレッサ６７などを有する。プログラマブル・ロジック・コントローラ６４は、その位置決めデータをエレベータ制御部６５、真空ポンプ６６及びエアコンプレッサ６７に送る。エアコンプレッサ６７は、図示されていない貯蔵タンクを経て圧縮空気をマニホールド６８と６９に与える。電磁弁（のセット）７３と７４はパイプ（のセット）７５と７０を経て前記マニホールド６８と６９に接続されている。パイプ７６と７７はラテックスゴムなどの可撓性を有する弾性材料で作られており、コントロールロッドのロック機構の一部を構成している。プログラマブル・ロジック・コントローラ６４は、コネクタ７２と７１を介して電磁弁７３と７４に電気信号を与えるようになっている。
【００６９】
上記砂盤の概念を部品の鋳造又は射出形成に適用する場合は、形状再生可能な砂盤は、図１２に例示するようなカニ甲殻の形態に製造される。この例では、二つの形状再生可能な表面７８，７９がハウジング７６と７７に取り付けられている。ハウジングは突き合わせられ、その間の空間に液体状又はペースト状の適当な材料を満たして、硬化させることにより、所望の形状を有する部品を成形することができる。
【００７０】
［第２実施例］
図１３は、砂盤装置の第２の実施例の一部を示す斜視図である。この砂盤装置を構成する砂盤は、筐体１１の中の上側に配置された一揃いのメモリロッド１４と、その下側に配置された一揃いのコントロールロッド１９とを有し、メモリロッド１４の上にシート１２が載置され、そのシートは筐体１１の上端部に密着固定されている。筐体内が減圧されると、シート１２はメモリロッド１４の上端部に引き下げられて、所定の３Ｄ形状を形成するようになっている。メモリロッド１４は、直交する流体チューブ１７と１８により高さ方向の所定の位置にロック可能である。コントロールロッド１９は、直交する流体チューブ１５と１６により高さ方向の所定の位置にロック可能である。筐体１１の中に取り付けられたエレベータ１３は、砂盤制御部１０６からの制御信号に基づき、コンピュータ制御による流体駆動システム又は電気的駆動システムにより昇降可能である。エレベータ１３は、流体圧による締め付けチューブ１５と１６を昇降させる。コントロールロッド１９を選択的に締め付け、エレベータを移動することにより、パターンが書き込まれる。このパターンは、エレベータを上昇させ、かつ、メモリロッドのロックを解除することにより、コントロールロッドからメモリロッドに転写される。メモリロッドは再びロックされる。その後、エレベータを下げると、コントロールロッド１９に別のパターンを書き込むことができる。その第２のパターンはメモリロッドに転写され、シート１２のパターンが更新される。
コンロトールロッド１９のロック機構は、先の実施例の場合と同じである。
【００７１】
図１４は、コントロールロッド１９にパターンを形成する機構の一実施態様を示す。ラテックス・ゴム製のシート３１がハウジング３２の端部に固着されていて、そのハウジングはポート３３を介して吸気されることができる。コントロールロッド３４は固定板３５の孔と可動板３６の孔の中を通されて一定の位置に保持されている。可動板３６には、直交する２セットの流体チューブ３７が備えられている。１セットは断面で示され、他のセットは可動板３６の下側部分に直交するように配置されている。
【００７２】
可動板３６は、昇降機構３８により上げ下げが可能である。その昇降機構は、流体駆動方式でも電気駆動方式でも構わない。
【００７３】
図１５は、二つのパターンを連続的に書き込む場合の一連の動きを示す。コントロールロッドのロック及びロック解除の一連の制御を行い、エレベータ（３６と３８）の動きを制御することによりシート３１に所望の形状を形成することができる。
【００７４】
ある形状化された表面を形成するには、まず全ての流体チューブから空気が抜かれ、全てのコントロールロッドのロックが解除されるとともに、エレベータが図１５（ａ）に示すように最下位のスタート位置に移動される。その後、筐体から適量のエアを吸引して減圧される。次に、流体チューブが膨張されて、ロッドがその位置にロックされる。次いで、エレベータが高い位置に移動されて、ロックされたロッドがエレベータとともに上昇し、シートが高い位置に押される。図１５（ｂ）はこの時の状態を示す。このとき、選択された流体チューブが収縮され、それにより、選択されたロッドのロックが解除され、そのロックを解除されたロッドは、重力とシートから加わる力との結合力により筐体の床まで落下することができる。続いて、全てのコントロールロッドが再びロックされる。この状態は、図１５（ｃ）に示されている。
【００７５】
その後、エレベータが図１５（ｄ）に示す位置までさらに上昇される。次に、選択されたコントロールロッドが解放され、筐体の床に落下する。この状態は、図１５（ｅ）に示されている。この選択されたロッドのロック、上昇及び解放のための処理は、所望のパターンが得られるまで、繰り返される。
【００７６】
全てのチューブ内の圧力を解放し、ロッドを解放することにより、新しい形状を書き込むことができる。続いて、エレベータがスタート位置まで下方に移動され、新しいプログラムの実行が可能になる。
【００７７】
図１６は、第２の実施例の他の実施態様を示す。この場合は、第２のパターンの書き込み中に一つのパターンを検討することができる。シート５９は筐体５５の上端部に固着されている。コントロールロッド５７はロック機構５３に保持されている。ロック機構は持ち上げ機構５４により上げ下げ可能である。１セットのメモリロッド５６がコントロールロッド５７の上側に整列して設けてある。メモリロッドは直交するロック機構５０と５１により所定の位置に保持される。
【００７８】
下側のコントロールロッド５７に一旦パターンが書き込まれた後、持ち上げ機構５４により上昇させ、かつ、上側のメモリロッド５６を一時的に解放することにより、そのパターンをメモリロッドに転写することができる。メモリロッドはコントロールロッドの上に落下して、同じ形状を再現する。その後、メモリロッドはその場にロックされ、コントロールロッドは下方に移動されて、他の書き込みのサイクルに供される。
【００７９】
図１７は、二つの形状を連続的に書き込むために用いられる場合の一連の動きを示す。同図（ａ）は全てのロッドがロックを解除されているときの下側のコントロールロッド及び上側のメモリロッドの位置を示す。コントロールロッドの選択的ロック及びロック解除と、エレベータの上昇により、図１５に順次示すように、コントロールロッドにパターンが書き込まれる。この段階で、ロッド群は図１７（ｂ）に示す位置にある。その後、コントロールロッドは、全体で上昇され、メモリロッドと接触する。メモリロッドはロックを解除されて、弾性シートを押し上げ、所望の形状を形成することができる。その後、メモリロッドはもう一度ロックされる。この状態は、図１７（ｃ）に示されている。次に、コントロールロッドがロックを解除され、図１７（ｄ）に示すように、最下位まで下げられる。続いて、図１７（ｅ）に示すように、コントロールロッドに新しいパターンが書き込まれる。その後、上側のメモリロッドのロックが解除されて最下位の位置に復帰することかできる。続いて、エレベータが上昇されて、図１７（ｇ）に示すように、その新規パターンがメモリロッドに転写される。その後、コントロールロッドは解放され、図１７（ｈ）に示すように、最下位に下げられる。この時点で、コントロールロッドに他のパターンの書き込みが可能であり、サイクルが繰り返される。
【００８０】
図１８は、砂盤の第２の実施例により３Ｄ表面を形成するために用いられる砂盤駆動装置の概略的な構成を示すブロック図である。表面形状を規定する３Ｄマップデータ、等高線地図が書き込まれる場合の高さデータがパソコン７２にロードされる。このデータは正視画像を含み、成形された表面の上にプロジェクタ７１により投影可能なものであり、モニタ７３でも見ることができる。その３Ｄマップデータから変換された砂盤データは、砂盤駆動装置のプログラマブル・コントローラ７４に与えられる。プログラマブル・コントローラ７４はエアコンプレッサ７７，真空ポンプ７６、そして、エレベータコントローラ７５に適当な信号を与える。その信号は電磁弁７８にも送られ、コンプレッサからマニホールド９７を介して流体ラインへの圧縮空気の通路を制御するようになっている。これらのラインは、コントロールロッドとメモリロッドの位置指定をするために用いられる、ロック機構の一部を構成する直交する２セットのゴムチューブに結合されている。
【００８１】
流体駆動方式のロックは、ここでは、ロッドの締め付け機能を実現するものとして既述されたが、機械的ロック、磁気的ロックなど他の多くの代替物がある。図示の例では、コントロールロッド及びメモリロッドが垂直状態に配設されたが、他の配置例が可能である。また、等高線表面を形成するゴムシートは、ロッドを保持するので、この砂盤は、水平に設置したり、例えば、壁掛けにすることもできる。
【００８２】
次に、砂盤装置（砂盤及び砂盤駆動装置）の第３の実施例について図１９ないし図２３を参照しながら説明する。図１９は砂盤の一部の横断面図、図２０は１つのロッドに対応する断続装置の側面図、図２１はロッド指定手段の一部を示す回路図である。図１９において、砂盤６Ｅは、筐体に上下に離間して設けられた支持板８１の、水平方向に一定の等間隔を持って形成された上下に貫通する多数の孔に角形の軸受８２を設け、その上下一対の軸受に、横断面ほほぼ角形に形成されているロッド８３を昇降自在に、しかし、回転不能に支持してなっている。各ロッドは、Ｘ−Ｙマトリックスに配設され、かつ各ロッドは、上端部を除くほかの外周に雄ねじが切られている。
【００８３】
砂盤駆動装置は、一つのモータ８４と、そのモータの回転軸に固着されたタイミングプーリ８５と、図示されていないもう一つプーリの間に掛け回されたタイミングベルト８６とを有する。また、各行又は各列に沿って延びる伝動軸８７が図示されていない軸受けにより回転自在に支持され、その一端部にはタイミングプーリ８８が固着されていて、タイミングベルト８６と噛み合わされている。そして、各伝動軸８７には、各ロッド８３に近い位置においてウォームギヤ８９が固着され、そのウォームギヤに断続装置８１０を構成するウォーホイール８１１が噛み合わされている。断続装置８１０は、そのウォームホイール８１１を回転自在に支持するハウジング（図示せず）と、同じハウジング内に回転自在に支持された遊星歯車８１２と、ハウジング内に設けられ、ウォームホイール８１１の回転力を遊星歯車８１２に伝達させる状態と、伝達させない状態とに選択的に動作する電磁クラッチ８１３とで構成されている。そして、各ロッド８３には、上下の支持板８１の間においてナット状の駆動歯車８１４が、一定の高さで回転自在に支持されている。この駆動歯車８１４は、内周に雌ねじを、外周に歯車を有するものであり、雌ねじにロッド８３の雄ねじが螺合され、外周の歯車は遊星歯車８１２に噛み合わされている。
【００８４】
従って、モータ８４が回転されている間に、一つのロッドに対応する電磁クラッチ８１３が通電されて、ウォームホイール８１１と遊星歯車８１２が動力的に結合されると、駆動歯車８１４が一定方向に回転されるため、ロッド８３が駆動歯車８１４の回転数に応じて高さ方向の所定の位置まで移動される。モータ８４が一方向に回転されるときはロッドは上昇し、モータが反射方向に回転されるときはロッドは下降する。その移動量は、電磁クラッチ８１３への通電時間により決定される。従って、この実施例の場合のデータ処理装置１の砂盤制御部１０６は、与えられる砂盤データの中の高さデータに基づいて、電磁クラッチ８１３の通電時間を規定するように構成される。
【００８５】
そして、各ロッド８３に対応する電磁クラッチ８１３は、図２１に示すように、Ｘ軸方向の導線Ｌx1，Ｌx2，Ｌx3と、Ｙ軸方向の導線Ｌy1，Ｌy2，Ｌy3…の各交点に対応して設けられるので、凹凸表面を形成するために移動されるべきロッド８３の位置を特定するには、先の実施例の砂盤の場合と同様に、位置データに基づいて所定のＸＹ導線に通電すればよい。
【００８６】
先の実施例は、ロッドの駆動源として一つのモータを用い、電磁クラッチにより駆動力供与先を選択した例である。この場合は、駆動源を最小数にすることができるが、ロッドの数と等しい数の断続装置８１０を必要とする。これに対して、図２２は、各ロッドに対して一つの小型ステッピングモータを備え、電磁クラッチを不要にした例である。図２２は一つのロッドの駆動ユニットを示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ断面図ある。この場合は、モータ９０により回転されるウォームギヤ９１を、上下の支持板９２ａ，９２ｂに貫通して一定の位置で回転自在に支持されたねじ棒９３の下端部に固着されたウォーホイール９４に噛み合わせ、ねじ棒９３の上部を、ロッド９５の軸芯に設けてあるねじ孔９５ａに螺合させるとともに、そのロッドの外側断面形状を角形にし、かつ、各上側支持板９２ａの貫通孔９６も同様の角形とすることにより、ロッドは回転不能にかつ昇降自在に支持されている。各ロッド９５の下端部には、抜け防止用の外向きフランジ９７が設けてある。
【００８７】
上記構成により、砂盤制御部１０６から砂盤データの中の位置データに基づいてプログラマブル・コントローラが所定のロッド９５を選択し、そのロッドに対応するモータ９０に砂盤データの中の高さデータに対応する数のパルスを与えることにより、その選択されたロッドを所定の高さまで移動させることができる。また、与えられるパルスの位相によりモータ９０の回転方向が規定されるので、ロッドの上昇と下降を制御することができる。
【００８８】
さらに、図２２の実施例は、ロッドを移動させるエネルギーとして、モータ及びねじ対偶による電気機械エネルギーを利用するものであったが、図２３に示すように、電磁エネルギーを利用するものを用いることもできる。すなわち、Ｘ−Ｙマトリックスに配設される各ロッド９８の下端部付近に永久磁石（又は磁性材料。以下、同じ。）９９を固着して支持板９１０に昇降自在に支持するとともに、そのロッドの下方に、落下するロッドが収容される筒状のガイド９１１を設け、そのガイドの外周面に複数のコイル９１２を一定間隔を持って固定してある。砂盤駆動装置が稼働する前は、全てのロッドが最下位に落下されていて、そのロッドの上端部は支持板９１０の上面とほぼ等しい位置にある。凹凸表面を形成する場合は、選択されたロッドに対応するコイルには、砂盤データの中の高さデータに基づいて、最下位のコイル９１２1 からその高さに対応する所定の位置にあるコイル９１２k まで、順次通電されるようになっている。通電されたコイルの内側には磁界が発生し、ロッドの磁石９９に磁気的吸引力を作用して、そのロッドを持ち上げる。従って、ロッド９８は所定の高さまで移動される。同時に通電されるコイルの数は、ロッドの重量に打ち勝つ吸引力が発生するように適宜設定される。
【００８９】
ロッドが所定の位置まで上昇されたときは、支持板９１０とガイド９１１との間に設けた電磁ソレノイドなどで構成されたストッパ９１３を動作させて、ロッドが重力により落下することが防止されている。ソレノイドのプランジャの先端にゴムなどの摩擦係数の大きいクッションを設けておくと、止めた時にロッドが保護され、小さい力で落下防止できる。そのストッパの先端に設けた弾性部材で押して止めることにより、また、このようなストッパを用いることにより、ロッドが所定位置まで上昇された後は、コイルへの通電を止めて、電力消費を節約することができる。
【００９０】
本発明をカバーシートを用いない状態で使用する場合は、メモリロッドを有しない場合はコントロールロッド、メモリロッドを有する場合はメモリロッドの相互間隔を可及的に小さくすることが望ましい。例えば、ロッドの支持板から上方に突出する部分の径を大きくしたり、あるいは各駆動手段をミニ化するなどして、間隔を小さくすることができる。こうすることにより、ロッドのみで緻密な凹凸形状の表現が可能になるから、従来の砂盤では表現不可能であった、例えば、建物、山岳、河川、海岸等の急峻な地形を砂盤に識別しやすく表示することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
この３Ｄ形状化形成装置は、ジオラマ作成や、製品模型の作成、都市計画又は都市再構築計画、道路建設計画又は道路変更計画、環境設計などに利用することができる。さらに、机上演習や机上戦術のための陸上地形のほか、海底資源探査のための海底地形、災害救助訓練のための山岳その他各種の地形、津波波形、宇宙天体の表面形状などの模擬製作にも応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の３Ｄ形状化装置の使用状態を示す斜視図。
【図２】同装置の構成を概括的に示すブロック図。
【図３】図２のデータ処理装置の詳細な構成を示すブロック図。
【図４】表示装置の表示内容の一例及びその変化例を示す正面図。
【図５】図３（ｂ）の表示内容に対応して砂盤に形成された３Ｄ模擬地形の一例を示す斜視図。
【図６】砂盤装置の第１の実施例の一部を示す斜視図。
【図７】同砂盤装置の作用説明図。
【図８】砂盤駆動装置の一部の斜視図。
【図９】ロッドの選択、停止の動作原理の説明図。
【図１０】適用例を示す斜視図。
【図１１】第１実施例の全体を示す概念図。
【図１２】砂盤の概念を部品の鋳造又は射出形成に適用する場合の形状再生可能な砂盤の例示。
【図１３】砂盤装置の第２の実施例の一部を示す斜視図。
【図１４】コントロールロッドにパターンを形成する機構の一実施態様を示す。
【図１５】二つのパターンを連続的に書き込む場合の一連の動きを示す。
【図１６】第２の実施例の他の実施態様を示す。
【図１７】二つの形状を連続的に書き込むために用いられる場合の一連の動きを示す。
【図１８】砂盤の第２の実施例により３Ｄ表面を形成するために用いられる砂盤駆動装置の概略的な構成を示すブロック図。
【図１９】砂盤の一部の横断面図。
【図２０】１つのロッドに対応する断続装置の側面図。
【図２１】ロッド指定手段の一部を示す回路図。
【図２２】一つのロッドの駆動ユニットを示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ断面図。
【図２３】電磁エネルギーを利用する砂盤駆動装置の一つのロッドに対応する駆動ユニットの断面図。
【符号の説明】
【００９３】
図１〜図５において
Ａ パソコン
１ データ処理装置
２ 操作部
３ 画像データ入力装置
４ 表示装置（モニタ）
Ｂ 砂盤装置
５ 砂盤駆動装置
６ 砂盤
７ プロジェクタ
図６〜図１２において
１１ 筐体
１２ シート（カバーシート）
１３ エレベータ
１４ ロッド（コントロールロッド）
１５，１６ 流体チューブ
３５ 流体チューブ
３６ ロッド
４１，４２ 流体チューブ
４３ ロッド
５１，６１ プロジェクタ
６２ パソコン（データ処理装置）
６３ モニタ
図１３〜図１８において
１１ 筐体
１２ シート
１３ エレベータ
１４ メモリロッド
１９ コントロールロッド
１５，１６，１７，１８ 流体チューブ
３１ シート
５１，５２ 流体チューブ
５６ メモリロッド
５７ コントロールロッド
５９ シート
７１ プロジェクタ
７３ モニタ
図２２，図２３において
９０ ステッピングモータ
９１ ウォームギヤ
９２ａ，９２ｂ 支持板
９３ ねじ棒
９４ ウォームホイール
９５ ロッド
９８ ロッド
９９ 永久磁石
９１０ 支持板
９１１ ガイド
９１２1 〜９１２n コイル
９１３ ストッパ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元画像データに基づいて３次元表面を形成する３次元形状化装置及び同装置に用いられる砂盤装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
起伏を付けたジオラマを作り、そこに模型戦車などを置いて、図上演習を行うことがある。そのジオラマを作るには、従来、砂を盛り上げて模擬地形を作成する、砂盤と称されるものが用いられてきた。
【特許文献１】特になし。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の砂盤は、底板の周囲に枠板を接続してなる箱の中に砂を収容して構成され、その砂を手や手動利器で移動して、地表面の自然形態とほぼ近似する凹凸面や傾斜面などを形成して模擬地形を作成するものであった。場合によってはその砂盤の上面に建物や橋梁や車両などに見立てた小道具を置いて、実環境に近づける努力が払われている。
従って、模擬地形の作成に手間がかかる割には、実地形を忠実に反映する模擬地形の作成は容易でなかった。そのため、砂盤上での演習が迫真性に乏しいという難点があった。まして、従来の砂盤に形成した模擬地形から実際の地形や環境を正しく認識することは、困難であった。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする第１の課題は、入力される３次元画像データ（以下、３次元を３Ｄという場合がある。）に基づいて、その３Ｄ画像に忠実に近似する形状を有する３Ｄ表面を砂盤に形成することができる３Ｄ形状化装置を提供することにある。
【０００５】
本発明の第２の課題は、入力される３Ｄ地形データに基づいて、表示装置（以下、モニタという場合がある。）に２次元的に表示される３Ｄ画像に忠実に近似する凹凸面を有する３Ｄ模擬地形を砂盤に作成することができる３Ｄ形状化装置を提供することにある。
【０００６】
本発明の第３の課題は、上記第１の発明及び第２の発明に係る３Ｄ形状化装置を実現するための砂盤装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記第１の課題を解決するため、本発明に係る３Ｄ形状化装置は、（１）データ処理装置と砂盤装置とからなる。（２）前記データ処理装置は、外から入力する地形データから３次元マップデータを作成するとともに、その３次元マップデータに基づいて前記砂盤に３次元的表面を形成するための３次元砂盤データに変換し、その３次元砂盤データに基づいて前記砂盤駆動部を駆動させる制御信号をその砂盤駆動部に与えるものである。（３）前記砂盤装置は、砂盤と、その下側に設けられた砂盤駆動部とを有し、（ａ）前記砂盤は、一定長を有する多数のロッドを縦長状態で一定の形状・面積を有する平面に沿ってマトリックス状に配置し、昇降自在に保持してなるものである。（ｂ）前記砂盤駆動部は、前記データ処理装置からの制御信号に基づいて前記砂盤の選択されたロッドを高さ方向の指定された位置まで移動させ、又は原位置に復帰させるものである。以上を特徴としている（請求項１）。
【０００８】
上記構成により、入力する地形データに基づき３Ｄマップデータが作成され、その３Ｄマップデータから砂盤駆動部を制御駆動するための３Ｄ砂盤データに変換され、これに基づいて砂盤駆動部が駆動されて地形データの原地形とほぼ同じ模擬地形が砂盤に形成される。
【０００９】
上記第２の課題を解決するため、本発明は、請求項１に記載の３次元形状化装置において、データ処理装置が、入力される地形データから３次元マップデータを作成するとともに、その３次元マップデータに基づいて砂盤に３次元的表面を形成するためのを表示装置による２次元表示のための２次元データに変換し、さらに、前記３次元マップデータを表示装置による２次元表示のための２次元データに変換し、前記３次元砂盤データに基づいて砂盤駆動部を駆動させる制御信号を前記砂盤駆動部に与え、かつ、前記２次元データに基づいて前記表示装置に地形画像を表示させる制御信号を与えるものであることを特徴としている（請求項４）。
【００１０】
上記構成により、入力する地形データに基づき３Ｄマップデータが作成され、その３Ｄマップデータから２次元表示のための２次元データと砂盤駆動のための３Ｄ砂盤データに変換され、前者に基づいて表示画面に所定の地形が３次元的な表示方法で表示され、後者に基づいて表示された地形と同じ模擬地形が砂盤駆動部を介して砂盤に形成される。
【００１１】
本発明の３Ｄ形状化装置は、データ処理装置が、外から入力される地形データを格納する地形データ格納部と、その地形データ格納部から地形データを読み出す地形データ読み出し部と、その地形データ格納部から読み出した地形データから３次元マップデータを作成する３次元グラフィック・エンジン部と、前記３次元マップデータを格納する３次元マップデータ格納部と、前記３次元マップデータを砂盤に３次元的表面を形成するための３次元砂盤データに変換するデータ変換部と、変換された３次元砂盤データを格納する砂盤データ格納部と、前記３次元マップデータを表示装置による２次元表示のための２次元データに変換するグラフィック・エンジン部と、変換された２次元データを格納する表示データ格納部と、前記３次元砂盤データに基づいて砂盤駆動部を駆動させる制御信号を与える砂盤制御部と、前記２次元データに基づいて前記表示装置に地形画像を表示させる制御信号を与える表示制御部とを有することを特徴としている（請求項７）。
【００１２】
３Ｄ形状化装置は、砂盤が、上面に開放された筐体の中に、一定長を有する多数のロッドを縦長状態で一定の形状・面積を有する平面に沿ってマトリックス状に配置し、昇降自在に保持して構成されているほかに、前記ロッド群の上側に載せて周縁が前記筐体に固着されている可撓性と弾性を有するカバーシートを備えていることが好ましい（請求項２，５）。
このようなカバーシートを備えた場合は、砂盤のロッドの上端部のみで表示される表面よりも滑かな表面が形成され、実際の地形環境に近似する。
【００１３】
上記カバーシートを備えた３Ｄ形状化装置は、データ処理装置に、外から入力される地形データ又は表示装置による２次元表示のための２次元データに基づいて、砂盤のカバーシートに映像を投射するプロジェクタが接続されていることが望ましい（請求項３，６）。
このようなプロジェクタを備えた場合は、砂盤のロッド群により形成された３次元的表面を滑かに表出するカバーシートの上面に、地形画像その他の画像を投射することができる。
【００１４】
請求項７の地形データ読み出し部は、データ処理装置に付属する操作部を表示装置に表示されている地形画像を見ながらの操作により、地形データの読み出し範囲を指定することができるものであることが望ましい（請求項８）。
上記構成により、一定の地形の内、表示画面に表示させ又は砂盤に形成させたい領域を操作により広狭任意に設定することができる。
【００１５】
請求項７の発明のデータ変換部は、３Ｄマップデータ格納部から読み出された３Ｄマップデータに含まれる位置データを、それぞれ前記砂盤を構成するロッド群の各ロッドを指定するためのロッド位置データと、当該ロッド位置データにより指定されたロッドの高さ方向の移動量を設定するためのロッド高さデータとに変換して、各ロッドに１対１に対応するロッド位置データとロッド高さデータとを内容とする３Ｄ模擬地形データを作成するものであり、砂盤制御部は、前記データ変換部から入力する３Ｄ模擬地形データのロッド位置データに基づいて、前記砂盤駆動部の所定位置のロッドに対応するアクチュエータを選択する選択信号及び前記３Ｄ模擬地形データのロッド高さデータに対応する高さ制御信号を前記砂盤駆動部に与えるものであることが望ましい（請求項９）。
上記構成により、砂盤には、地形の各地点の地理的特徴を備えた模擬地形を形成することができる。
【００１６】
データ処理装置に外から地形データを入力する手段は、地形データを記録した記録媒体から地形データを読み取る地形データ読取機、地形を撮像して地形データを取得する撮像機、又はソフトウエアにより３Ｄ地形データを作成するコンピュータ・グラフィックのいずれであってもよい（請求項１０）。
【００１７】
請求項７の発明の砂盤制御部は、ロッド高さデータに対応する高さ制御信号として、出力すべきパルス数を指定する信号を出力するものであり、砂盤駆動部は、アクチュエータとして各ロッドに対応して設けられたステッピングモータを用い、前記制御部から与えられるパルス指定信号に基づいて所定数のパルスを前記ステッピングモータに与え、前記各ロッドは前記パルス数に対応する当該ステッピングモータの回転量により移動量が規定されるものであることを特徴としている（請求項１１）。
【００１８】
第３の課題を解決するため、本発明の砂盤装置は、砂盤と砂盤駆動装置からなり、前記砂盤は、一定の長さを有し、軸心にねじ孔が設けられた多数のロッドを縦長状態で一定の形状・面積を有する平面に沿ってマトリックス状に配置し、かつ昇降自在に、しかし、回転不能に保持してなり、前記砂盤駆動装置は、前記各ロッドの下側に前記ロッドのねじ孔にねじ合わせてた状態で回転自在に支持されたねじ棒と、外部から入力するパルス信号により回転され、前記ねじ棒に回転力を与えるステッピングモータとから構成されていることを特徴としている（請求項１２）。
【００１９】
本発明の砂盤装置は、砂盤と砂盤駆動装置からなり、前記砂盤は、一定の長さを有し、下端部に永久磁石又は磁性材料を有する多数のロッドを縦長状態で一定の形状・面積を有する平面に沿ってマトリックス状に配置し、かつ昇降自在に保持してなり、前記砂盤駆動装置は、前記各ロッドに対応して設けられ、そのロッドの落下収容が可能な筒状のガイド部材と、そのガイドの外周面に所定間隔をもって配置され、砂盤制御部からの制御信号により所定位置まで順次通電される電磁コイルと、当該ロッドが所定位置まで移動されたときに、ロッドを押し付けて停止させるストッパとで構成することもできる（請求項１３）。
【００２０】
そのストッパは、電磁ソレノイドのプランジャの先端に摩擦係数の大きいクッションを設けてなり、クッションがロッド側に向けて取付けられていることが望ましい（請求項１４）。
【００２１】
ロッド群の各ロッドは、上昇されたロッドと、これに隣接する上昇されていないロッドとで、物体の偶角を表現できる距離に近接して配設されていることが望ましい（請求項１５）。
【００２２】
ロッドの先端に電気的に発光する発光体が設けられ、各発光体はロッド位置データに基づいてコンピュータにより発光されることが望ましい（請求項１６）。
【００２３】
その発光体は、データ処理装置のコンピュータに制御により発光位置が制御されるようにしても良い（請求項１７）。
【発明の効果】
【００２４】
請求項１の発明によれば、砂盤を構成するロッド群の内、地形画像の所定の画素に対応するロッドが、その画像の凹凸に対応する高さに移動されるので、砂盤には、地形画像に忠実な形態（凹凸面）を有する表面が形成される。
【００２５】
請求項４の発明によれば、一つの地形データを処理して、表示画面に地形を３次元的表示方法で表示するとともに、その表示された地形と同じ形態の３Ｄ模擬地形を砂盤に形成することができる。
【００２６】
請求項２及び請求項５の発明によれば、砂盤に滑らかで自然な外観を有する３Ｄ表面が形成される。
【００２７】
請求項３及び請求項６によれば、滑らかで自然な外観を有する３Ｄ表面に地形画像又はそれに関連する画像を投射して、一層迫真性に富んだ表面又は模擬地形を形成することができる。
【００２８】
請求項８の発明によれば、地形データで表される地形の中から、表示画面に表示させ又は砂盤に形成させたい領域を任意に広くしたり、狭くしたりすることができる。
【００２９】
請求項１０の発明によれば、地形データの入力は、３Ｄ地形データを記録した記録媒体から３Ｄ地形データを読み取る地形データ読取機、地形を撮像して３Ｄ地形データを取得する撮像機、又はソフトウエアにより３Ｄ地形データを作成するＣＧのいずれからでも良いので、発生源を問わず３Ｄ地形データを得て、砂盤にその３Ｄ地形データにより表示される３Ｄ地形画像に忠実に近似する地形を有する３Ｄ模擬地形を作成することができる。従って、従来の砂盤と異なり、極めて短時間に実地形に近似する模擬地形を形成することができる。しかも、３Ｄ地形データさえあれば、何の苦労もなく、模擬地形を反復的に又は交換的に形成することができる。
【００３０】
請求項１１の発明によれば、小型のステッピングモータを用いて正確迅速にロッドの昇降制御を行うことができる。
【００３１】
請求項１２，１３の発明によれば、比較的簡単な構成で、砂盤のロッドの選択及びその駆動を行うことができる。
【００３２】
請求項１５の発明によれば、従来の砂盤では不可能であった、建物、造型物、車両等の角部を有するものに類似する立体物を、ロッドのみで砂盤に形成することができるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
次に、本発明の好ましい実施の形態について図面に基づいて説明する。
本発明の３Ｄ形状化装置は、３Ｄ画像データから広く３Ｄ表面を有する立体物を形成することに応用することができるが、この明細書では、理解を容易にするため、地形データから３Ｄ模擬地形を形成する装置に応用した例について説明する。
【００３４】
図１は、本発明の３Ｄ形状化装置の使用状態を示す斜視図、図２は同装置の構成を概括的に示すブロック図、図３は図２のデータ処理装置の詳細な構成を示すブロック図、図４は表示装置の表示内容の一例及びその変化例を示す正面図、図５は図３（ｂ）の表示内容に対応して砂盤に形成された３Ｄ模擬地形の一例を示す斜視図である。
【００３５】
本発明の３Ｄ形状化装置は、図１及び図２に示すように、パーソナルコンピュータ（以下、パソコンという。）Ａと、砂盤装置Ｂとで構成されている。パソコンＡは、ＣＰＵを中心に構成されているデータ処理装置１と、その操作部２と、画像データ入力装置３と、表示装置（モニタ）４とを有する。
【００３６】
砂盤装置Ｂについては、後に詳述するが、概念を簡単に説明しておくと、砂盤装置Ｂは、砂盤駆動部５と、砂盤６とから構成されていて、砂盤６は、矩形又は円形の外周壁の内側底板に、多数のロッド（全体をロッド群といい、単一のロッドを単にロッド、又はコントロールロッドいう場合がある。）を一定の形状・面積を有する平面に沿ってｘ軸方向及びｙ軸方向に一定のピッチでマトリックス状に配置し、ｚ軸方向（高さ方向）に移動自在に保持して構成されている。そして、その砂盤６の下側にそれぞれのロッドを独立して、制御に従い所定の高さまで移動させ、再び原位置まで復帰させる砂盤駆動部５が備えてある。
【００３７】
データ処理装置１は、外部から入力される地形データを所定のプログラムにより処理して、モニタ４に前記地形データに対応する地形画像を表示するためのデータを生成するとともに、前記砂盤６に前記地形データに対応する３Ｄ模擬地形を形成するためのデータ及び制御信号を生成するものである。
【００３８】
外部からデータ処理装置１に地形データを入力する手段は、一定範囲の地形の各地点の位置情報（ｘ１，ｙ１，ｚ１〜ｘｎ，ｙｎ，ｚｎ）を含む３Ｄ地形データをデータ処理装置１に入力するものである。このような入力手段を例示すると、次の３種類の既知の機械又は装置を用いることができる。
【００３９】
すなわち、その一は、ＣＤ−ＲＯＭ、メモリカード等の記録媒体に記録された特定の地形の３Ｄ地形データを読み取って地形データ格納部２０１に与える地形データ読取機。この地形データ読取機は、図１に例示するように、パソコン本体１の中に備えられたＣＤドライバ３により構成することができる。地形データ読取機から読み取られた３Ｄ地形データは、パソコン本体１内の半導体メモリその他の記憶部２００のワーキングエリアで構成される地形データ格納部２０１に記憶される。
【００４０】
その二は、任意の地形を撮像してその地形データをデータ処理装置１に入力するＣＣＤカメラなどの周知のデジタル撮像機。これを用いる場合は、そのデジタル撮像機がケーブルなどでパソコン本体１に接続され、デジタル撮像機からパソコン本体１に与えられる画像の中から、パソコン本体１に設けられているビデオキャプチャーなどの処理ソフトにより一つの地形画像データが取り込まれ、パソコン本体１内の記憶部２００の地形データ格納部２０１に記憶される。デジタル撮像機には、航空機から地上にレーザービームを発射し、その反射波を用いて位置データ（ｘ，ｙ）と測距結果に基づく高さデータ（ｚ）を取得する航空撮影機も含まれる。
【００４１】
その三は、周知の図形作成・処理用ＣＧ（コンピュータ・グラフィック）である。この場合も、そのＣＧはパソコン本体１に接続され、ＣＧで作成された特定の地形の３Ｄ地形データが取り込まれ、パソコン本体１内の記憶部２００の地形データ格納部２０１に記憶される。
【００４２】
データ処理装置１は、図２に示すように、制御部１００と記憶部２００を有する。
制御部１００は、いずれもソフトウェアにより構成される、３Ｄグラフィック・エンジン部１０１と、グラフィック・エンジン部１０２と、データ読み出し部１０３と、データ変換部１０４と、表示制御部１０５と、砂盤制御部１０６と、演算部１０７とを有する。
【００４３】
また、記憶部２００は、この３Ｄ形状化装置の機能を実現するためのシステムプログラムを格納しているほかに、外部から入力される地形データを格納する地形データ格納部２０１と、３Ｄマップデータ格納部２０２と、表示データ格納部２０３と、砂盤データ格納部２０４とを含む。
【００４４】
制御部１００は、地形データが入力されると、これを地形データ格納部２０１に格納し、３Ｄグラフィック・エンジン部１０１に与える。３Ｄグラフィック・エンジン部１０１は、地形データを用いて地形を表すための３Ｄマップ作成処理を行い、処理結果である３Ｄマップデータを３Ｄマップデータ格納部２０２に格納するようになっている。
【００４５】
グラフィック・エンジン部１０２は、３Ｄグラフィック・エンジン部１０１に接続されていて、３Ｄグラフィック・エンジン部１０１が作成した地形の３次元画像を表示装置４の表示画面上に表示するため、２次元表示用コンピュータ画像データに変換する処理を行う。その処理結果は、表示データ格納部２０３に格納されるようになっている。
【００４６】
制御部１００の表示制御部１０５は、地形データに基づく３次元地形画像を表示する表示装置４に接続されている。グラフィック・エンジン部１０２より得られた２次元表示用コンピュータ画像データは、この表示制御部１０５による制御に基づいて表示装置４に与えられて、画面表示をするようになっている。
【００４７】
制御部１００のデータ読み出し部１０３は、要求に基づき３Ｄマップデータ格納部２０２に格納されている３Ｄマップデータを読み出して、グラフィック・エンジン部１０２とデータ変換部１０３に与える。そして、操作部２のキーボード２ａ又はマウス２ｂなどの操作により、読み出し範囲を拡大又は縮小することができる。これに従い、モニタ４に表示される地形の領域又は砂盤６に形成される３Ｄ模擬地形の領域が拡縮されるようになっている。このモニタ４は、砂盤６のロッド群により形成される３Ｄ模擬地形により表示される領域（面積）の大小の程度を確認するためのものである。
【００４８】
すなわち、アイコンをマウス４でクリックした後、又は、キーボード３から３Ｄ形状化対象領域を特定するための指令を入力した後、カーソルを移動して、図４（ａ）に鎖線Ｗで示すように、原地形画像の中の領域指定のための始点と終点を指示すると、その指定された領域の３Ｄマップデータがグラフィック・エンジン部１０２により２次元表示用コンピュータ画像データに変換され、表示データ格納部２０３に格納されて、図４（ｂ）に示すように、拡大されて（又は縮小されて）、モニタ４に表示されるようになっている。このように３Ｄ形状化対象領域を特定された３Ｄマップデータは、データ変換部１０４にも与えられる。
【００４９】
データ変換部１０４は、表示画像に対応する３Ｄ地形データを、砂盤Ｄを構成するロッド群の中の特定のロッドをその高さ方向の所定位置まで移動させるための、３Ｄ模擬地形データ（砂盤データともいう。）に変換するためのものである。
【００５０】
そして、データ変換部１０４が３Ｄ地形データに基づいて砂盤６の所定のロッドを選択して、そのロッドに高さ方向の所定位置まで移動させるための３Ｄ模擬地形データに変換する際は、モニタ４に表示される地形の画素数と砂盤のロッド群により表される画素数（ロッド数）との対応関係が１対１である場合と、非１対１である場合とで、その変換方式が異なる。
【００５１】
地形の画素数とロッド数との対応関係が１対１である場合は、データ変換部１０３は、データ読み出し部により３Ｄマップデータ格納部２０２から読み出して与えられた３Ｄマップデータのうち、ｘ，ｙ座標値をそのまま砂盤のロッド群の各ロッドのＸＹ座標値に変換するように構成される。しかし、３Ｄマップデータのうち、高さ情報であるｚ座標値は数千（ｍ）に達することもあるので、そのまま用いることは不可能である。そこで、３Ｄマップデータのｚ座標値は、立体化対象領域の標高の大小により選択決定される一定の縮尺率、例えば、１／１０００、あるいは１／１００００を乗じて、当該ＸＹ座標のロッドの高さデータＺに変換するように構成される。縮尺率は表示画面に表示されているものの中から、操作部２により選択することができるようになっている。
このようにして、表示画面に表示された地形の各地点（画素）に対応する砂盤データ（Ｘ1 ，Ｙ1 ，Ｚ1 〜Ｘn ，Ｙn ，Ｚn ）が得られて、砂盤データ格納部２０４に格納される。
【００５２】
地形の画素数とロッド数との対応関係が非１対１である場合は、データ変換部１０３は、演算部１０７を用いて、地形のｘ軸方向及びｙ軸方向の所定距離の間の領域、すなわち、３Ｄマップデータのｘ軸方向及びｙ軸方向に一定間隔ずつ離間されたｘ，ｙ座標値の互いに隣接する４個の間を単位エリアとして、それぞれ順次隣接する単位エリアに対して新たに位置データ（Ｘ1 ，Ｙ1 ）〜（Ｘk ，Ｙk ）を作成するとともに、当該単位エリア内のそれぞれの高さデータの平均値を求め、その平均値に選択された一定の縮尺率を乗じて当該エリアの高さデータ（Ｚ）とするように、変換処理を行う。こうして、表示画面に表示される地形について、それぞれ等しい面積に分割された各単位エリアに対応する砂盤のロッド群の新たな位置データ（Ｘ1 ，Ｙ1 ，Ｚ1 ）〜（Ｘk ，Ｙk ，Ｚk ）が付与され、砂盤データ格納部２０４に格納されることとなる。
【００５３】
砂盤制御部１０６は、データ変換部１０４から砂盤データを入力すると、砂盤駆動部５に、砂盤６のロッド群のロッドの内、その砂盤データに含まれるＸＹ座標値により駆動対象ロッドを決定し、そのロッドに結合してあるアクチュエータ（移動手段）に対して、そのロッドをその砂盤データに含まれる高さデータ（Ｚ）に基づいて、それで表される高さまで上昇させるために、アクチュエータを制御するように構成されている。
【００５４】
砂盤駆動部５は、各ロッドに対応して配置され、砂盤制御部１０６から与えられる制御信号に基づいて動作するアクチュエータを有し、そのアクチュエータの動作量に応じて、当該ロッドが所定高さまで上昇されるようになっている。
【００５５】
上記構成に基づく本発明の動作を説明する。今、例えば、Ｄ地形データ読取機から入力され、地形データ格納部２０１に格納された地形データに基づいて３Ｄグラフィック・エンジン部１０１により３Ｄマップデータが作成され、３Ｄマップデータ格納部２０２に格納される。引き続き、データ読み出し部１０３により指定された立体化対象領域の３Ｄマップデータが読み出され、一つには、グラフィック・エンジン部１０２の作用によりモニタ４による画面表示用のデータに変換され、表示データ格納部２０３に格納され、その表示データに基づいてその地形画像がモニタ４に表示される。他方、立体化対象領域の３Ｄマップデータは、データ変換部１０４により、砂盤６のロッド群のを各ロッドを選択的に駆動するための砂盤データに変換され、その砂盤データは砂盤データ格納部２０４に格納される。
【００５６】
モニタ４に、図４（ａ）に例示するように、ある地域の地形画像が３次元的表示方法により表示されている場合に、操作部２のマウス２ｂの操作により、同図（ａ）に矩形鎖線で囲んで示すように、立体化対象領域を特定すると、同図（ｂ）に示すように、その特定された範囲がモニタ４に表示される。そして、キーボード２ａから又はマウス操作により立体化指令を入力すると、砂盤制御部２０６が動作し、砂盤データ格納部２０４から砂盤データを読み出して制御信号を砂盤駆動部５に与えるので、砂盤駆動部の選択されたロッドに対応するアクチュエータが制御的に動作され、ロッド群の当該位置に存在するロッドは、図５に例示するように、それぞれ高さデータにより規定された高さに移動されて、図４（ｂ）に示されている地形画像に対応する３Ｄ模擬地形が形成される。
【００５７】
図５に示す例は、ロッド群の上面が露出されているので、地形の凹凸面はロッドの先端のみで表現されており、表面の連続性に欠ける嫌いがあり、作成された模擬地形のどの部分が平野、山脈、河川、海原であるかが明確でない。また、光の反射具合によっては、地形の形状が不明瞭になる場合もある。
そこで、本発明の好ましい実施の形態においては、ロッド群の上面に地形が滑らかに連続する、自然な立体地形感が得られるように、工夫が施されている。すなわち、その一つには、図１に示すように、ロッド群の上面を被覆する、可撓性と弾性を有するカバーシート（符合省略）を備えるとともに、そのカバーシート（以下、シートという。）の周辺をロッド群を保持している筐体の周壁端部に固定し、下側に設けたバキューム装置により、そのシートと筐体の間の空気を吸引して、シートをロッド群の上面に密着させることにより、シートにロッド群の上端部に沿って連続させている。そして、そのシートの上面に、上方に設置したプロジェクター７から３Ｄ地形データ読取機から得られた地形画像を投影している。これにより、図１に示すように、連続するシートの上面には地形画像が投影されるため、ロッド群の上面には、凹凸面や傾斜面が滑らかに連続する実地形と同一の外観を有する模擬地形が形成される。
【００５８】
続いて、砂盤装置の幾つかの実施例について、図６以下の図面に基づいて説明する。
［第１実施例］
図６は、砂盤装置の第１の実施例の一部を示す斜視図、図７は同砂盤装置の作用説明図、図８は砂盤駆動装置の一部の斜視図、図９はロッドの選択、停止の動作原理の説明図、図１０は適用例を示す斜視図、図１１は、第１実施例の全体を示す概念図である。
【００５９】
この機構は、３Ｄマップデータ（１セットの数値データ）から３Ｄ表面形状を形成するように設計されている。その表面は他の数値データにより反復的に形状を変えることができる。可撓性の弾性シート１２が一揃いのコントロールロッド１４の上に載せられ、その端縁が筐体１１に固定されている。筐体１１は気密性を有し、これにバキュームポンプ（図示せず）が取り付けられている。筐体の中をそのバキュームポンプにより減圧すると、シート１２が引き下げられ、コントロールロッドの上端部に密着し、その結果、各ロッドに下向きの力を加えるようになっている。
【００６０】
筐体１１の中には、砂盤駆動装置の一構成要素としてエレベータ１３が取り付けられている。このエレベータ１３は、コンピュータ制御による液圧駆動システム又は電気的駆動システム（図示せず）による指令に基づいて上下移動可能である。２セットの流体チューブ１５，１６のいずれか又は全ては、コントロールロッドのいずれか又は全てを一定の位置に停止するために、膨張させることができる。
【００６１】
図７は、この実施例の砂盤の作用を示す一連の動きを示している。コントロールロッドの停止と停止解除の一連の制御及びエレベータ１３の昇降制御により、弾性シート１２を望みどおりの面形状にすることができる。形状化された表面を形成するには、図７に示すように、まず全ての流体チューブ１５，１６が収縮され、エレベータ１３が上方のスタート位置に移動される。その後、ポート３３を経てエアを吸引することにより、筐体１１内が減圧される。次に、選択された流体チューブを膨張させて、選択されたロッドをその位置にロックする。この例では、チューブ２６と３１が膨張され、ロッド２０と２５を移動不能にする。次いで、エレベータが下方に移動され、ロックされていないロッドはエレベータ１３とともに移動する。この位置決めは図７（ｂ）に示されている。この時点で、流体チューブ２７，２９及び３０は膨張され、それにより、コントロールロッド２１，２３及び２４がロックされる。その後、エレベータはさらに下方に移動され、ロックされていないロッド２２が、図７（ｃ）に示すように、さらに低い位置に移動する。この時、所望の形状が得られ、全ての流体チューブが膨張されて、立体化された表面がその位置に固定される。
【００６２】
全てのチューブの流体圧力を抜いて全てのロッドを解放することにより、立体化された表面が消去され、新たな形状を作成することができる。そのときは、エレベータが全てのロッドとともにスタート位置に上昇復帰される。その後、新しいプログラムが実行される。
【００６３】
図８は、コントロールロッドを保持する方法の一例を示す。ガイド３４に数セットの孔３７が設けられ、各セットの孔の中にコントロールロッド３６が挿通されている。各セットのコントロールロッドに近接して、膨張されていない流体チューブ３５が備えられている。その流体チューブ３５に流体が流し込まれると、チューブが膨張し、その直径が拡大するため、コントロールロッドの側面を押圧する。そのロッドはガイドの側面に押圧され、その結果、摩擦が増大するためガイド内を上下することが阻止される。チューブ内の圧力が一旦下がると、そのチューブは収縮してそのチューブに接触していた全てのロッドが再び解放され、ガイド内の上下移動が可能になる。
【００６４】
Ｘ−Ｙマトリックスに配置されたロッド群の個々のロッドの特定を可能にするため、図９に示すように、２セットの直交する流体チューブ４１，４２が用いられている。図９には、ロッド４３のマトリックスが示されている。チューブ４２はＸデータに従って膨張され、ロッド４１はＹデータに従って膨張される。個々のロッドを解放するには、それに対応するＸチューブとＹチューブを収縮させなければならない。一旦解放されると、そのロッドの縦方向の位置Ｚはエレベータ１３の位置によって決定される。
【００６５】
コントロールロッドの位置を指定する一方法は、一度に１列を「書き込む」ことである。列がＸで、行がＹで指定されるとして、特定の行Ｙｎが収縮された場合は、全列のロッドが移動される。そして、例えば、Ｘ2 ，Ｘ7 ，Ｘ20，Ｘ25…は同時に収縮可能である。これにより、全ロッドがエレベータの位置により決定される新しい位置に降下することができる。全ロッドは再びロックされることができ、プロセスが他の行のために、さらに他の行のために次々と繰り返される。
【００６６】
エレベータの位置は、３Ｄマップデータの中のＺの値により決定される。マトリックスの全体が一旦、エレベータの位置により定められるＺの特定値に指定されると、エレベータは再び下方移動が可能になり、一連のＺ位置に関する処理が繰り返される。一度、表面が書き込まれると、ロッド群はその最終位置にロックされる。
【００６７】
上記実施例の適用範囲は広い。その一つは、等高線を３次元的に有する地図である。図１０は、コンピュータ制御による調整可能な表面と結合された投影システムの基本的構成を示す。この場合、プロジェクタ５１は、調整可能な表面５５の上に地形的特徴を有する画像を投射する。一例として、砂盤の表面に山５７や湖５３を形成するようにプログラムを作成することができ、また、建物５４や飛行場５６などをその砂盤の表面の上に投影することができる。
【００６８】
図１１は、上記構成の形状再生可能な砂盤用の砂盤駆動装置５の構成を概略的に示すブロック図である。表面特性とともに形成されるべき輪郭を表す入力データ（３Ｄ画像データ）がデータ処理装置を構成するパソコン（パーソナルコンピュータ）６２に入力される。パソコンには与えられたイメージデータを３Ｄマップデータに変換した後、プロジェクタ６１及びモニタ６３に展開するプログラムが装備されている。パソコン６２は、さらに３Ｄマップデータに基づいて形状再生可能な表面に与える位置決めデータ（砂盤データ）を生成し、そのデータを砂盤駆動装置５のプログラマブル・ロジック・コントローラ６４に与える。砂盤駆動装置は、前記プログラマブル・ロジック・コントローラ６４のほか、エレベータ制御部６５、真空ポンプ６６及びエアコンプレッサ６７などを有する。プログラマブル・ロジック・コントローラ６４は、その位置決めデータをエレベータ制御部６５、真空ポンプ６６及びエアコンプレッサ６７に送る。エアコンプレッサ６７は、図示されていない貯蔵タンクを経て圧縮空気をマニホールド６８と６９に与える。電磁弁（のセット）７３と７４はパイプ（のセット）７５と７０を経て前記マニホールド６８と６９に接続されている。パイプ７６と７７はラテックスゴムなどの可撓性を有する弾性材料で作られており、コントロールロッドのロック機構の一部を構成している。プログラマブル・ロジック・コントローラ６４は、コネクタ７２と７１を介して電磁弁７３と７４に電気信号を与えるようになっている。
【００６９】
上記砂盤の概念を部品の鋳造又は射出形成に適用する場合は、形状再生可能な砂盤は、図１２に例示するようなカニ甲殻の形態に製造される。この例では、二つの形状再生可能な表面７８，７９がハウジング７６と７７に取り付けられている。ハウジングは突き合わせられ、その間の空間に液体状又はペースト状の適当な材料を満たして、硬化させることにより、所望の形状を有する部品を成形することができる。
【００７０】
［第２実施例］
図１３は、砂盤装置の第２の実施例の一部を示す斜視図である。この砂盤装置を構成する砂盤は、筐体１１の中の上側に配置された一揃いのメモリロッド１４と、その下側に配置された一揃いのコントロールロッド１９とを有し、メモリロッド１４の上にシート１２が載置され、そのシートは筐体１１の上端部に密着固定されている。筐体内が減圧されると、シート１２はメモリロッド１４の上端部に引き下げられて、所定の３Ｄ形状を形成するようになっている。メモリロッド１４は、直交する流体チューブ１７と１８により高さ方向の所定の位置にロック可能である。コントロールロッド１９は、直交する流体チューブ１５と１６により高さ方向の所定の位置にロック可能である。筐体１１の中に取り付けられたエレベータ１３は、砂盤制御部１０６からの制御信号に基づき、コンピュータ制御による流体駆動システム又は電気的駆動システムにより昇降可能である。エレベータ１３は、流体圧による締め付けチューブ１５と１６を昇降させる。コントロールロッド１９を選択的に締め付け、エレベータを移動することにより、パターンが書き込まれる。このパターンは、エレベータを上昇させ、かつ、メモリロッドのロックを解除することにより、コントロールロッドからメモリロッドに転写される。メモリロッドは再びロックされる。その後、エレベータを下げると、コントロールロッド１９に別のパターンを書き込むことができる。その第２のパターンはメモリロッドに転写され、シート１２のパターンが更新される。
コンロトールロッド１９のロック機構は、先の実施例の場合と同じである。
【００７１】
図１４は、コントロールロッド１９にパターンを形成する機構の一実施態様を示す。ラテックス・ゴム製のシート３１がハウジング３２の端部に固着されていて、そのハウジングはポート３３を介して吸気されることができる。コントロールロッド３４は固定板３５の孔と可動板３６の孔の中を通されて一定の位置に保持されている。可動板３６には、直交する２セットの流体チューブ３７が備えられている。１セットは断面で示され、他のセットは可動板３６の下側部分に直交するように配置されている。
【００７２】
可動板３６は、昇降機構３８により上げ下げが可能である。その昇降機構は、流体駆動方式でも電気駆動方式でも構わない。
【００７３】
図１５は、二つのパターンを連続的に書き込む場合の一連の動きを示す。コントロールロッドのロック及びロック解除の一連の制御を行い、エレベータ（３６と３８）の動きを制御することによりシート３１に所望の形状を形成することができる。
【００７４】
ある形状化された表面を形成するには、まず全ての流体チューブから空気が抜かれ、全てのコントロールロッドのロックが解除されるとともに、エレベータが図１５（ａ）に示すように最下位のスタート位置に移動される。その後、筐体から適量のエアを吸引して減圧される。次に、流体チューブが膨張されて、ロッドがその位置にロックされる。次いで、エレベータが高い位置に移動されて、ロックされたロッドがエレベータとともに上昇し、シートが高い位置に押される。図１５（ｂ）はこの時の状態を示す。このとき、選択された流体チューブが収縮され、それにより、選択されたロッドのロックが解除され、そのロックを解除されたロッドは、重力とシートから加わる力との結合力により筐体の床まで落下することができる。続いて、全てのコントロールロッドが再びロックされる。この状態は、図１５（ｃ）に示されている。
【００７５】
その後、エレベータが図１５（ｄ）に示す位置までさらに上昇される。次に、選択されたコントロールロッドが解放され、筐体の床に落下する。この状態は、図１５（ｅ）に示されている。この選択されたロッドのロック、上昇及び解放のための処理は、所望のパターンが得られるまで、繰り返される。
【００７６】
全てのチューブ内の圧力を解放し、ロッドを解放することにより、新しい形状を書き込むことができる。続いて、エレベータがスタート位置まで下方に移動され、新しいプログラムの実行が可能になる。
【００７７】
図１６は、第２の実施例の他の実施態様を示す。この場合は、第２のパターンの書き込み中に一つのパターンを検討することができる。シート５９は筐体５５の上端部に固着されている。コントロールロッド５７はロック機構５３に保持されている。ロック機構は持ち上げ機構５４により上げ下げ可能である。１セットのメモリロッド５６がコントロールロッド５７の上側に整列して設けてある。メモリロッドは直交するロック機構５０と５１により所定の位置に保持される。
【００７８】
下側のコントロールロッド５７に一旦パターンが書き込まれた後、持ち上げ機構５４により上昇させ、かつ、上側のメモリロッド５６を一時的に解放することにより、そのパターンをメモリロッドに転写することができる。メモリロッドはコントロールロッドの上に落下して、同じ形状を再現する。その後、メモリロッドはその場にロックされ、コントロールロッドは下方に移動されて、他の書き込みのサイクルに供される。
【００７９】
図１７は、二つの形状を連続的に書き込むために用いられる場合の一連の動きを示す。同図（ａ）は全てのロッドがロックを解除されているときの下側のコントロールロッド及び上側のメモリロッドの位置を示す。コントロールロッドの選択的ロック及びロック解除と、エレベータの上昇により、図１５に順次示すように、コントロールロッドにパターンが書き込まれる。この段階で、ロッド群は図１７（ｂ）に示す位置にある。その後、コントロールロッドは、全体で上昇され、メモリロッドと接触する。メモリロッドはロックを解除されて、弾性シートを押し上げ、所望の形状を形成することができる。その後、メモリロッドはもう一度ロックされる。この状態は、図１７（ｃ）に示されている。次に、コントロールロッドがロックを解除され、図１７（ｄ）に示すように、最下位まで下げられる。続いて、図１７（ｅ）に示すように、コントロールロッドに新しいパターンが書き込まれる。その後、上側のメモリロッドのロックが解除されて最下位の位置に復帰することかできる。続いて、エレベータが上昇されて、図１７（ｇ）に示すように、その新規パターンがメモリロッドに転写される。その後、コントロールロッドは解放され、図１７（ｈ）に示すように、最下位に下げられる。この時点で、コントロールロッドに他のパターンの書き込みが可能であり、サイクルが繰り返される。
【００８０】
図１８は、砂盤の第２の実施例により３Ｄ表面を形成するために用いられる砂盤駆動装置の概略的な構成を示すブロック図である。表面形状を規定する３Ｄマップデータ、等高線地図が書き込まれる場合の高さデータがパソコン７２にロードされる。このデータは正視画像を含み、成形された表面の上にプロジェクタ７１により投影可能なものであり、モニタ７３でも見ることができる。その３Ｄマップデータから変換された砂盤データは、砂盤駆動装置のプログラマブル・コントローラ７４に与えられる。プログラマブル・コントローラ７４はエアコンプレッサ７７，真空ポンプ７６、そして、エレベータコントローラ７５に適当な信号を与える。その信号は電磁弁７８にも送られ、コンプレッサからマニホールド９７を介して流体ラインへの圧縮空気の通路を制御するようになっている。これらのラインは、コントロールロッドとメモリロッドの位置指定をするために用いられる、ロック機構の一部を構成する直交する２セットのゴムチューブに結合されている。
【００８１】
流体駆動方式のロックは、ここでは、ロッドの締め付け機能を実現するものとして既述されたが、機械的ロック、磁気的ロックなど他の多くの代替物がある。図示の例では、コントロールロッド及びメモリロッドが垂直状態に配設されたが、他の配置例が可能である。また、等高線表面を形成するゴムシートは、ロッドを保持するので、この砂盤は、水平に設置したり、例えば、壁掛けにすることもできる。
【００８２】
次に、砂盤装置（砂盤及び砂盤駆動装置）の第３の実施例について図１９ないし図２３を参照しながら説明する。図１９は砂盤の一部の横断面図、図２０は１つのロッドに対応する断続装置の側面図、図２１はロッド指定手段の一部を示す回路図である。図１９において、砂盤６Ｅは、筐体に上下に離間して設けられた支持板８１の、水平方向に一定の等間隔を持って形成された上下に貫通する多数の孔に角形の軸受８２を設け、その上下一対の軸受に、横断面ほほぼ角形に形成されているロッド８３を昇降自在に、しかし、回転不能に支持してなっている。各ロッドは、Ｘ−Ｙマトリックスに配設され、かつ各ロッドは、上端部を除くほかの外周に雄ねじが切られている。
【００８３】
砂盤駆動装置は、一つのモータ８４と、そのモータの回転軸に固着されたタイミングプーリ８５と、図示されていないもう一つプーリの間に掛け回されたタイミングベルト８６とを有する。また、各行又は各列に沿って延びる伝動軸８７が図示されていない軸受けにより回転自在に支持され、その一端部にはタイミングプーリ８８が固着されていて、タイミングベルト８６と噛み合わされている。そして、各伝動軸８７には、各ロッド８３に近い位置においてウォームギヤ８９が固着され、そのウォームギヤに断続装置８１０を構成するウォーホイール８１１が噛み合わされている。断続装置８１０は、そのウォームホイール８１１を回転自在に支持するハウジング（図示せず）と、同じハウジング内に回転自在に支持された遊星歯車８１２と、ハウジング内に設けられ、ウォームホイール８１１の回転力を遊星歯車８１２に伝達させる状態と、伝達させない状態とに選択的に動作する電磁クラッチ８１３とで構成されている。そして、各ロッド８３には、上下の支持板８１の間においてナット状の駆動歯車８１４が、一定の高さで回転自在に支持されている。この駆動歯車８１４は、内周に雌ねじを、外周に歯車を有するものであり、雌ねじにロッド８３の雄ねじが螺合され、外周の歯車は遊星歯車８１２に噛み合わされている。
【００８４】
従って、モータ８４が回転されている間に、一つのロッドに対応する電磁クラッチ８１３が通電されて、ウォームホイール８１１と遊星歯車８１２が動力的に結合されると、駆動歯車８１４が一定方向に回転されるため、ロッド８３が駆動歯車８１４の回転数に応じて高さ方向の所定の位置まで移動される。モータ８４が一方向に回転されるときはロッドは上昇し、モータが反射方向に回転されるときはロッドは下降する。その移動量は、電磁クラッチ８１３への通電時間により決定される。従って、この実施例の場合のデータ処理装置１の砂盤制御部１０６は、与えられる砂盤データの中の高さデータに基づいて、電磁クラッチ８１３の通電時間を規定するように構成される。
【００８５】
そして、各ロッド８３に対応する電磁クラッチ８１３は、図２１に示すように、Ｘ軸方向の導線Ｌx1，Ｌx2，Ｌx3と、Ｙ軸方向の導線Ｌy1，Ｌy2，Ｌy3…の各交点に対応して設けられるので、凹凸表面を形成するために移動されるべきロッド８３の位置を特定するには、先の実施例の砂盤の場合と同様に、位置データに基づいて所定のＸＹ導線に通電すればよい。
【００８６】
先の実施例は、ロッドの駆動源として一つのモータを用い、電磁クラッチにより駆動力供与先を選択した例である。この場合は、駆動源を最小数にすることができるが、ロッドの数と等しい数の断続装置８１０を必要とする。これに対して、図２２は、各ロッドに対して一つの小型ステッピングモータを備え、電磁クラッチを不要にした例である。図２２は一つのロッドの駆動ユニットを示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ断面図ある。この場合は、モータ９０により回転されるウォームギヤ９１を、上下の支持板９２ａ，９２ｂに貫通して一定の位置で回転自在に支持されたねじ棒９３の下端部に固着されたウォーホイール９４に噛み合わせ、ねじ棒９３の上部を、ロッド９５の軸芯に設けてあるねじ孔９５ａに螺合させるとともに、そのロッドの外側断面形状を角形にし、かつ、各上側支持板９２ａの貫通孔９６も同様の角形とすることにより、ロッドは回転不能にかつ昇降自在に支持されている。各ロッド９５の下端部には、抜け防止用の外向きフランジ９７が設けてある。
【００８７】
上記構成により、砂盤制御部１０６から砂盤データの中の位置データに基づいてプログラマブル・コントローラが所定のロッド９５を選択し、そのロッドに対応するモータ９０に砂盤データの中の高さデータに対応する数のパルスを与えることにより、その選択されたロッドを所定の高さまで移動させることができる。また、与えられるパルスの位相によりモータ９０の回転方向が規定されるので、ロッドの上昇と下降を制御することができる。
【００８８】
さらに、図２２の実施例は、ロッドを移動させるエネルギーとして、モータ及びねじ対偶による電気機械エネルギーを利用するものであったが、図２３に示すように、電磁エネルギーを利用するものを用いることもできる。すなわち、Ｘ−Ｙマトリックスに配設される各ロッド９８の下端部付近に永久磁石（又は磁性材料。以下、同じ。）９９を固着して支持板９１０に昇降自在に支持するとともに、そのロッドの下方に、落下するロッドが収容される筒状のガイド９１１を設け、そのガイドの外周面に複数のコイル９１２を一定間隔を持って固定してある。砂盤駆動装置が稼働する前は、全てのロッドが最下位に落下されていて、そのロッドの上端部は支持板９１０の上面とほぼ等しい位置にある。凹凸表面を形成する場合は、選択されたロッドに対応するコイルには、砂盤データの中の高さデータに基づいて、最下位のコイル９１２1 からその高さに対応する所定の位置にあるコイル９１２k まで、順次通電されるようになっている。通電されたコイルの内側には磁界が発生し、ロッドの磁石９９に磁気的吸引力を作用して、そのロッドを持ち上げる。従って、ロッド９８は所定の高さまで移動される。同時に通電されるコイルの数は、ロッドの重量に打ち勝つ吸引力が発生するように適宜設定される。
【００８９】
ロッドが所定の位置まで上昇されたときは、支持板９１０とガイド９１１との間に設けた電磁ソレノイドなどで構成されたストッパ９１３を動作させて、ロッドが重力により落下することが防止されている。ソレノイドのプランジャの先端にゴムなどの摩擦係数の大きいクッションを設けておくと、止めた時にロッドが保護され、小さい力で落下防止できる。そのストッパの先端に設けた弾性部材で押して止めることにより、また、このようなストッパを用いることにより、ロッドが所定位置まで上昇された後は、コイルへの通電を止めて、電力消費を節約することができる。
【００９０】
本発明をカバーシートを用いない状態で使用する場合は、メモリロッドを有しない場合はコントロールロッド、メモリロッドを有する場合はメモリロッドの相互間隔を可及的に小さくすることが望ましい。例えば、ロッドの支持板から上方に突出する部分の径を大きくしたり、あるいは各駆動手段をミニ化するなどして、間隔を小さくすることができる。こうすることにより、ロッドのみで緻密な凹凸形状の表現が可能になるから、従来の砂盤では表現不可能であった、例えば、建物、山岳、河川、海岸等の急峻な地形を砂盤に識別しやすく表示することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
この３Ｄ形状化形成装置は、ジオラマ作成や、製品模型の作成、都市計画又は都市再構築計画、道路建設計画又は道路変更計画、環境設計などに利用することができる。さらに、机上演習や机上戦術のための陸上地形のほか、海底資源探査のための海底地形、災害救助訓練のための山岳その他各種の地形、津波波形、宇宙天体の表面形状などの模擬製作にも応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の３Ｄ形状化装置の使用状態を示す斜視図。
【図２】同装置の構成を概括的に示すブロック図。
【図３】図２のデータ処理装置の詳細な構成を示すブロック図。
【図４】表示装置の表示内容の一例及びその変化例を示す正面図。
【図５】図３（ｂ）の表示内容に対応して砂盤に形成された３Ｄ模擬地形の一例を示す斜視図。
【図６】砂盤装置の第１の実施例の一部を示す斜視図。
【図７】同砂盤装置の作用説明図。
【図８】砂盤駆動装置の一部の斜視図。
【図９】ロッドの選択、停止の動作原理の説明図。
【図１０】適用例を示す斜視図。
【図１１】第１実施例の全体を示す概念図。
【図１２】砂盤の概念を部品の鋳造又は射出形成に適用する場合の形状再生可能な砂盤の例示。
【図１３】砂盤装置の第２の実施例の一部を示す斜視図。
【図１４】コントロールロッドにパターンを形成する機構の一実施態様を示す。
【図１５】二つのパターンを連続的に書き込む場合の一連の動きを示す。
【図１６】第２の実施例の他の実施態様を示す。
【図１７】二つの形状を連続的に書き込むために用いられる場合の一連の動きを示す。
【図１８】砂盤の第２の実施例により３Ｄ表面を形成するために用いられる砂盤駆動装置の概略的な構成を示すブロック図。
【図１９】砂盤の一部の横断面図。
【図２０】１つのロッドに対応する断続装置の側面図。
【図２１】ロッド指定手段の一部を示す回路図。
【図２２】一つのロッドの駆動ユニットを示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ断面図。
【図２３】電磁エネルギーを利用する砂盤駆動装置の一つのロッドに対応する駆動ユニットの断面図。
【符号の説明】
【００９３】
図１〜図５において
Ａ パソコン
１ データ処理装置
２ 操作部
３ 画像データ入力装置
４ 表示装置（モニタ）
Ｂ 砂盤装置
５ 砂盤駆動装置
６ 砂盤
７ プロジェクタ
図６〜図１２において
１１ 筐体
１２ シート（カバーシート）
１３ エレベータ
１４ ロッド（コントロールロッド）
１５，１６ 流体チューブ
３５ 流体チューブ
３６ ロッド
４１，４２ 流体チューブ
４３ ロッド
５１，６１ プロジェクタ
６２ パソコン（データ処理装置）
６３ モニタ
図１３〜図１８において
１１ 筐体
１２ シート
１３ エレベータ
１４ メモリロッド
１９ コントロールロッド
１５，１６，１７，１８ 流体チューブ
３１ シート
５１，５２ 流体チューブ
５６ メモリロッド
５７ コントロールロッド
５９ シート
７１ プロジェクタ
７３ モニタ
図２２，図２３において
９０ ステッピングモータ
９１ ウォームギヤ
９２ａ，９２ｂ 支持板
９３ ねじ棒
９４ ウォームホイール
９５ ロッド
９８ ロッド
９９ 永久磁石
９１０ 支持板
９１１ ガイド
９１２1 〜９１２n コイル
９１３ ストッパ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
データ処理装置と砂盤装置とからなり、
前記データ処理装置は、入力される地形データから３次元マップデータを作成するとともに、その３次元マップデータに基づいて前記砂盤に３次元的表面を形成するための３次元砂盤データに変換し、その３次元砂盤データに基づいて後記砂盤駆動部を駆動させる制御信号をその砂盤駆動部に与えるものであり、
前記砂盤装置は、砂盤と、その下側に設けられた砂盤駆動部とを有し、
前記砂盤は、一定長を有する多数のロッドを縦長状態で一定の形状・面積を有する平面に沿ってマトリックス状に配置し、昇降自在に保持してなるものであり、
前記砂盤駆動部は、前記データ処理装置からの制御信号に基づいて前記砂盤の選択されたロッドを高さ方向の指定された位置まで移動させ、又は原位置に復帰させるものであること、
ことを特徴とする３次元形状化装置。
【請求項２】
砂盤は、上面に開放された筐体の中に、一定長を有する多数のロッドを縦長状態で一定の形状・面積を有する平面に沿ってマトリックス状に配置し、昇降自在に保持して構成されているほかに、前記ロッド群の上側に載せて周縁が前記筐体に固着されている可撓性と弾性を有するカバーシートを備えていることを特徴とする請求項１に記載の３次元形状化装置。
【請求項３】
データ処理装置には、入力される地形データ又は表示装置による２次元表示のための２次元データに基づいて、砂盤のカバーシートに映像を投射するプロジェクタが接続されていることを特徴とする請求項２に記載の３次元形状化装置。
【請求項４】
データ処理装置は、入力される地形データから３次元マップデータを作成するとともに、その３次元マップデータに基づいて砂盤に３次元的表面を形成するための３次元データに変換し、さらに、前記３次元マップデータを表示装置による２次元表示のための２次元データに変換し、前記３次元砂盤データに基づいて砂盤駆動部を駆動させる制御信号を前記砂盤駆動部に与え、かつ、前記２次元データに基づいて前記表示装置に地形画像を表示させる制御信号を与えるものであることを特徴する請求項１に記載の３次元形状化装置。
【請求項５】
砂盤は、上面に開放された筐体の中に、一定長を有する多数のロッドを縦長状態で一定の形状・面積を有する平面に沿ってマトリックス状に配置し、昇降自在に保持して構成されているほかに、前記ロッド群の上側に載せて周縁が前記筐体に固着されている可撓性と弾性を有するカバーシートを備えていることを特徴とする請求項４に記載の３次元形状化装置。
【請求項６】
データ処理装置には、外から入力する地形データ又は表示装置による２次元表示のための２次元データに基づいて、砂盤のカバーシートに映像を投射するプロジェクタが接続されていることを特徴とする請求項５に記載の３次元形状化装置。
【請求項７】
データ処理装置は、外から入力される地形データを格納する地形データ格納部と、その地形データ格納部から地形データを読み出す地形データ読み出し部と、その地形データ格納部から読み出した地形データから３次元マップデータを作成する３次元グラフィック・エンジン部と、前記３次元マップデータを格納する３次元マップデータ格納部と、前記３次元マップデータを砂盤に３次元的表面を形成するための３次元砂盤データに変換するデータ変換部と、変換された３次元砂盤データを格納する砂盤データ格納部と、前記３次元マップデータを表示装置による２次元表示のための２次元データに変換するグラフィック・エンジン部と、変換された２次元データを格納する表示データ格納部と、前記３次元砂盤データに基づいて砂盤駆動部を駆動させる制御信号を与える砂盤制御部と、前記２次元データに基づいて前記表示装置に地形画像を表示させる制御信号を与える表示制御部とを有することを特徴とする請求項１又は４に記載の３次元形状化装置。
【請求項８】
地形データ読み出し部は、データ処理装置に付属する操作部を表示装置に表示されている地形画像を見ながらの操作により、地形データの読み出し範囲を指定することができるものである請求項４に記載の３次元形状化装置。
【請求項９】
データ変換部は、３次元マップデータ格納部から読み出された３次元マップデータに含まれる位置データを、それぞれ砂盤を構成するロッド群の各ロッドを指定するためのロッド位置データと、当該ロッド位置データにより指定されたロッドの高さ方向の移動量を指定するためのロッド高さデータとに変換して、各ロッドに１対１に対応するロッド位置データとロッド高さデータとを内容とする３次元模擬地形データを作成するものであり、
砂盤制御部は、前記データ変換部から入力する３次元模擬地形データのロッド位置データに基づいて、砂盤駆動部の所定位置のロッドを選択してそのロッドを前記３次元模擬地形データのロッド高さデータに対応する高さまで移動させる制御信号を前記砂盤駆動部に与えるものである、
ことを特徴とする請求項７に記載の３次元形状化装置。
【請求項１０】
データ処理装置に外から地形データを入力する手段は、地形データを記録した記録媒体から地形データを読み取る地形データ読取機、地形を撮像して地形データを取得する撮像機、又はソフトウエアにより３次元地形データを作成するコンピュータ・グラフィックのいずれかであることを特徴とする請求項１、４又は７に記載の３次元形状化装置。
【請求項１１】
砂盤制御部は、ロッド高さデータに対応する高さ制御信号として、出力すべきパルス数を指定する信号を出力するものであり、砂盤駆動部は、アクチュエータとして各ロッドに対応して設けられたステッピングモータを用い、前記砂盤制御部から与えられるパルス数指定信号に基づいて所定数のパルスを前記ステッピングモータに与え、前記各ロッドは前記パルス数に対応する当該ステッピングモータの回転量により移動量が規定されるものであることを特徴とする請求項７に記載の３次元形状化装置。
【請求項１２】
砂盤と砂盤駆動装置からなり、
前記砂盤は、一定の長さを有し、軸心にねじ孔が設けられた多数のロッドを縦長状態で一定の形状・面積を有する平面に沿ってマトリックス状に配置し、かつ昇降自在に、しかし、回転不能に保持してなり、
前記砂盤駆動装置は、前記各ロッドの下側に前記ロッドのねじ孔にねじ合わせてた状態で回転自在に支持されたねじ棒と、外部から入力するパルス信号により回転され、前記ねじ棒に回転力を与えるステッピングモータとから構成されている、
ことを特徴とする砂盤装置。
【請求項１３】
砂盤と砂盤駆動装置からなり、
前記砂盤は、一定の長さを有し、下端部に永久磁石又は磁性材料を有する多数のロッドを縦長状態で一定の形状・面積を有する平面に沿ってマトリックス状に配置し、かつ昇降自在に保持してなり、
前記砂盤駆動装置は、前記各ロッドに対応して設けられ、そのロッドの落下収容が可能な筒状のガイド部材と、そのガイドの外周面に長手方向に所定間隔をもって配置され、制御信号により所定位置まで順次通電される電磁コイルと、当該ロッドが所定位置まで移動されたときに、そのロッドを押し付けて停止させるストッパとで構成されていることを特徴とする砂盤装置。
【請求項１４】
ストッパは、電磁ソレノイドのプランジャの先端に摩擦係数の大きいクッションを設けてなり、クッションがロッド側に向けて取付けられていることを特徴とする請求項１３に記載の砂盤装置。
【請求項１５】
ロッド群の各ロッドができるだけ小さい間隔をもって配設されていることを特徴とする請求項１２又は１４に記載の砂盤装置。
【請求項１６】
ロッドの先端に電気的に発光する発光体が設けられ、各発光体はロッド位置データに基づいてコンピュータにより発光されることを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の砂盤装置。
【請求項１７】
発光体は、データ処理装置のコンピュータに制御により発光位置が制御されることを特徴とする請求項１６に記載の砂盤装置。
【請求項１】
データ処理装置と砂盤装置とからなり、
前記データ処理装置は、入力される地形データから３次元マップデータを作成するとともに、その３次元マップデータに基づいて前記砂盤に３次元的表面を形成するための３次元砂盤データに変換し、その３次元砂盤データに基づいて後記砂盤駆動部を駆動させる制御信号をその砂盤駆動部に与えるものであり、
前記砂盤装置は、砂盤と、その下側に設けられた砂盤駆動部とを有し、
前記砂盤は、一定長を有する多数のロッドを縦長状態で一定の形状・面積を有する平面に沿ってマトリックス状に配置し、昇降自在に保持してなるものであり、
前記砂盤駆動部は、前記データ処理装置からの制御信号に基づいて前記砂盤の選択されたロッドを高さ方向の指定された位置まで移動させ、又は原位置に復帰させるものであること、
ことを特徴とする３次元形状化装置。
【請求項２】
砂盤は、上面に開放された筐体の中に、一定長を有する多数のロッドを縦長状態で一定の形状・面積を有する平面に沿ってマトリックス状に配置し、昇降自在に保持して構成されているほかに、前記ロッド群の上側に載せて周縁が前記筐体に固着されている可撓性と弾性を有するカバーシートを備えていることを特徴とする請求項１に記載の３次元形状化装置。
【請求項３】
データ処理装置には、入力される地形データ又は表示装置による２次元表示のための２次元データに基づいて、砂盤のカバーシートに映像を投射するプロジェクタが接続されていることを特徴とする請求項２に記載の３次元形状化装置。
【請求項４】
データ処理装置は、入力される地形データから３次元マップデータを作成するとともに、その３次元マップデータに基づいて砂盤に３次元的表面を形成するための３次元データに変換し、さらに、前記３次元マップデータを表示装置による２次元表示のための２次元データに変換し、前記３次元砂盤データに基づいて砂盤駆動部を駆動させる制御信号を前記砂盤駆動部に与え、かつ、前記２次元データに基づいて前記表示装置に地形画像を表示させる制御信号を与えるものであることを特徴する請求項１に記載の３次元形状化装置。
【請求項５】
砂盤は、上面に開放された筐体の中に、一定長を有する多数のロッドを縦長状態で一定の形状・面積を有する平面に沿ってマトリックス状に配置し、昇降自在に保持して構成されているほかに、前記ロッド群の上側に載せて周縁が前記筐体に固着されている可撓性と弾性を有するカバーシートを備えていることを特徴とする請求項４に記載の３次元形状化装置。
【請求項６】
データ処理装置には、外から入力する地形データ又は表示装置による２次元表示のための２次元データに基づいて、砂盤のカバーシートに映像を投射するプロジェクタが接続されていることを特徴とする請求項５に記載の３次元形状化装置。
【請求項７】
データ処理装置は、外から入力される地形データを格納する地形データ格納部と、その地形データ格納部から地形データを読み出す地形データ読み出し部と、その地形データ格納部から読み出した地形データから３次元マップデータを作成する３次元グラフィック・エンジン部と、前記３次元マップデータを格納する３次元マップデータ格納部と、前記３次元マップデータを砂盤に３次元的表面を形成するための３次元砂盤データに変換するデータ変換部と、変換された３次元砂盤データを格納する砂盤データ格納部と、前記３次元マップデータを表示装置による２次元表示のための２次元データに変換するグラフィック・エンジン部と、変換された２次元データを格納する表示データ格納部と、前記３次元砂盤データに基づいて砂盤駆動部を駆動させる制御信号を与える砂盤制御部と、前記２次元データに基づいて前記表示装置に地形画像を表示させる制御信号を与える表示制御部とを有することを特徴とする請求項１又は４に記載の３次元形状化装置。
【請求項８】
地形データ読み出し部は、データ処理装置に付属する操作部を表示装置に表示されている地形画像を見ながらの操作により、地形データの読み出し範囲を指定することができるものである請求項４に記載の３次元形状化装置。
【請求項９】
データ変換部は、３次元マップデータ格納部から読み出された３次元マップデータに含まれる位置データを、それぞれ砂盤を構成するロッド群の各ロッドを指定するためのロッド位置データと、当該ロッド位置データにより指定されたロッドの高さ方向の移動量を指定するためのロッド高さデータとに変換して、各ロッドに１対１に対応するロッド位置データとロッド高さデータとを内容とする３次元模擬地形データを作成するものであり、
砂盤制御部は、前記データ変換部から入力する３次元模擬地形データのロッド位置データに基づいて、砂盤駆動部の所定位置のロッドを選択してそのロッドを前記３次元模擬地形データのロッド高さデータに対応する高さまで移動させる制御信号を前記砂盤駆動部に与えるものである、
ことを特徴とする請求項７に記載の３次元形状化装置。
【請求項１０】
データ処理装置に外から地形データを入力する手段は、地形データを記録した記録媒体から地形データを読み取る地形データ読取機、地形を撮像して地形データを取得する撮像機、又はソフトウエアにより３次元地形データを作成するコンピュータ・グラフィックのいずれかであることを特徴とする請求項１、４又は７に記載の３次元形状化装置。
【請求項１１】
砂盤制御部は、ロッド高さデータに対応する高さ制御信号として、出力すべきパルス数を指定する信号を出力するものであり、砂盤駆動部は、アクチュエータとして各ロッドに対応して設けられたステッピングモータを用い、前記砂盤制御部から与えられるパルス数指定信号に基づいて所定数のパルスを前記ステッピングモータに与え、前記各ロッドは前記パルス数に対応する当該ステッピングモータの回転量により移動量が規定されるものであることを特徴とする請求項７に記載の３次元形状化装置。
【請求項１２】
砂盤と砂盤駆動装置からなり、
前記砂盤は、一定の長さを有し、軸心にねじ孔が設けられた多数のロッドを縦長状態で一定の形状・面積を有する平面に沿ってマトリックス状に配置し、かつ昇降自在に、しかし、回転不能に保持してなり、
前記砂盤駆動装置は、前記各ロッドの下側に前記ロッドのねじ孔にねじ合わせてた状態で回転自在に支持されたねじ棒と、外部から入力するパルス信号により回転され、前記ねじ棒に回転力を与えるステッピングモータとから構成されている、
ことを特徴とする砂盤装置。
【請求項１３】
砂盤と砂盤駆動装置からなり、
前記砂盤は、一定の長さを有し、下端部に永久磁石又は磁性材料を有する多数のロッドを縦長状態で一定の形状・面積を有する平面に沿ってマトリックス状に配置し、かつ昇降自在に保持してなり、
前記砂盤駆動装置は、前記各ロッドに対応して設けられ、そのロッドの落下収容が可能な筒状のガイド部材と、そのガイドの外周面に長手方向に所定間隔をもって配置され、制御信号により所定位置まで順次通電される電磁コイルと、当該ロッドが所定位置まで移動されたときに、そのロッドを押し付けて停止させるストッパとで構成されていることを特徴とする砂盤装置。
【請求項１４】
ストッパは、電磁ソレノイドのプランジャの先端に摩擦係数の大きいクッションを設けてなり、クッションがロッド側に向けて取付けられていることを特徴とする請求項１３に記載の砂盤装置。
【請求項１５】
ロッド群の各ロッドができるだけ小さい間隔をもって配設されていることを特徴とする請求項１２又は１４に記載の砂盤装置。
【請求項１６】
ロッドの先端に電気的に発光する発光体が設けられ、各発光体はロッド位置データに基づいてコンピュータにより発光されることを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の砂盤装置。
【請求項１７】
発光体は、データ処理装置のコンピュータに制御により発光位置が制御されることを特徴とする請求項１６に記載の砂盤装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２００７−３７１５（Ｐ２００７−３７１５Ａ）
【公開日】平成１９年１月１１日（２００７．１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１８２４２１（Ｐ２００５−１８２４２１）
【出願日】平成１７年６月２２日（２００５．６．２２）
【出願人】（３０１０５５２４０）株式会社リアルビズ (4)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１月１１日（２００７．１．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年６月２２日（２００５．６．２２）
【出願人】（３０１０５５２４０）株式会社リアルビズ (4)
【Ｆターム（参考）】
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