CN101253466A - 能够建模虚拟对象的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种数据处理系统具有用于再现虚拟对象的显示监视器和用于使用户与所再现的对象交互的触摸屏。该系统可操作用以使用户能够在对象上的第一位置处修改该对象的形状。所述形状在该触摸屏上的第二位置处所记录的压力大小的控制的情况下被修改,其中当在该系统的操作使用中通过触摸屏观察时,所述第二位置基本上与第一位置一致。

Description

能够建模虚拟对象的系统和方法
技术领域
本发明涉及一种数据处理系统,其具有用于再现虚拟对象的显示监视器和用于使用户能够与所再现的对象交互的触摸屏。本发明另外还涉及用于能够对在具有触摸屏的显示监视器上所再现的虚拟对象的形状进行建模的方法和控制软件。
背景技术
视频游戏、图形游戏和其它与计算机有关的娱乐软件应用已经变得日益越来越普遍,并且当前甚至被用于移动电话。在多玩家游戏或者应用中,玩家使用动画图形表示(称为化身)作为它们在虚拟环境中的代表。专用设备被销售用于电子宠物玩具,例如Tamaguchi:饲养游戏,其中用户必须照顾在显示监视器上所再现的虚拟动物。
具有图形创造物和对象的虚拟交互世界的创造是一种艺术形式,该艺术形式并不能够使本身很好地由外行人士熟练地应用,更不用说儿童了。不过,使外行或者青少年能够创造这种创造物和对象的软件则会受到欢迎,原因在于所述软件应用有助于使人控制电子世界的以前不能达到的方面。
在虚拟环境中以用户友好和易懂的方式对对象进行建模在GregRoelofs的于2001年4月23日提交的专利序列号为09/840,796、题目为VIRTUAL ELEPHANT MODELING BY VOXEL-CLIPPINGSHADOW-CAST的美国专利申请公开US20020154113(代理人案卷号US 018150)中被论述,在此将其引入以供参考。该专利文献公开了通过使用物理模型在不同方向上的位图轮廓以从体素块上切除体素来使物理对象的图形模型成形为例如大象的形状。这给出了一种直观简单工具,使用户能够创建物理对象的图形表示以供在例如虚拟环境和在视频游戏中使用。
Jennings等人提交的题目为SYSTEMS AND METHODS OFTHREE-DIMENSIONAL MODELING的美国专利公开2002/0089500(在此将其引入以供参考)公开了一种用于修改在计算机中所存储的虚拟对象的系统和方法。所述系统和方法允许采用其他方式计算不方便的虚拟对象修改。虚拟对象被表示为体积表示。体积模型的一部分被转换为一种替代表示。该替代表示可以是具有体积表示的不同维数的表示。例如通过用户使用力反馈触觉界面对替代表示施加刺激。计算该替代表示对刺激的响应。从替代表示的响应来确定虚拟对象形状的变化。可以在任何时候为用户显示虚拟对象的表示。可以将力反馈响应提供给用户。可以连续地施加多个刺激。在所述系统和方法中可以使用多个替代表示。
发明内容
作为上述公知的系统和方法的替代方案或者对上述系统和方法的附加,本发明提出一种能够创建虚拟模型或者塑造虚拟模型的系统和方法。
为此,本发明提出一种数据处理系统,其具有用于再现虚拟对象的显示监视器和用于使用户与所再现的对象交互的触摸屏。该系统可操作以使用户能够在对象的第一位置处修改对象的形状。在触摸屏上的第二位置处所记录的压力大小的控制下对该形状进行修改,当在系统的操作应用中通过触摸屏观察时,所述第二位置基本上与第一位置相一致。
注意:上述Jennings文献既没有教导、也没有建议使用触摸屏,好像这触摸屏本身就物理地表示对象的表面。在本发明中,由用户通过用户对触摸屏上与所显示的对象表面的特定部分相对应或者相一致的某一位置施加压力,来手动地塑造对象。在Jennings中,输入设备(诸如计算机鼠标、操纵杆或者触摸屏)被用作等效替代品来与通过用户交互软件应用图形表示的工具交互。通过以本发明的方式使用触摸屏,借助于重定在显示监视器上所再现的对象图像的比例(放大或者缩小)可以简单地实现对对象进行塑造的渐变。另外,因为触摸屏物理表示所述对象,所以给用户的反馈可以被仅仅局限于视觉反馈,就好像他/她正在对一大块陶土制模一样。例如在系统的操作模式中,只有当由触摸屏所记录的压力增加时,对象的形状才继续被修改。降低相同位置处的压力使形状和它处于最大压力值时的情况一样。也即,形状对由用户所觉察的在对应于对象图像和与对象图像一致的位置处压力的变化做出响应,这与在Jennings中所使用的用户界面相比提供直接的且更直观的用户界面。
再现虚拟对象就好像相应的物理对象被置于是适当的照明条件下,可以增强视觉反馈。在用户与虚拟对象交互期间作为结果的阴影和其变化于是类似于所感受到的阴影和变化,好像用户正在现实中处理相应的物理对象一样。在另一实施例中,当用户的手靠近触摸屏时,触摸屏已经记录了用户的手,这样就能够在虚拟对象上产生手的假阴影,以增强视觉印象。
优选地,本发明系统允许对在一方面形状的变形程度和另一方面所施加的压力的大小之间的关系进行编程。这可以用于例如编程或者模拟物理的或者材料的特性,例如对应于虚拟对象的物理对象的弹性或者刚性。此种关系还可以考虑对象图像的比例。这在以下进行解释。根据定义,压力是每单位面积的力。力被用户施加到触摸屏的一个面积上,所述面积具有指尖的表面面积的大小的数量级。一旦重定所显示的对象的比例之后,当该面积被映射到所显示的对象上时,相同的力就被施加给更大或者更小的面积。因此,施加到虚拟对象的虚拟压力取决于虚拟对象正显示时所采用的比例。因此,上述关系可以可被编程或者被编程以考虑缩放比例效果。细化可能涉及例如给压力与变形的关系提供非线性特性,以便把物理材料增大的阻力建模成增大的压缩。
优选地,该系统规定能够使用触摸屏来通过推虚拟对象以及通过拉所述对象来对虚拟对象进行建模。也就是说,该系统具有另一操作模式,在该另一操作模式下,虚拟对象的形状与对触摸屏的压力的减小相对应。例如,用户可以在某一位置处以比某一阈值更快的速率增大压力。该系统被编程以将这解释为用户想要拉对象而不是推。一旦平缓地释放压力,该对象被变形,好像所述对象例如在朝向用户的方向上和对应于触摸屏上的用户正触摸触摸屏的面积的位置上被拉。
本发明也涉及一种能够对在具有触摸屏的显示监视器上所再现的虚拟对象的形状进行建模的方法。该形状能够在该对象上的第一位置处被修改,该修改在触摸屏上的第二位置处所记录的压力大小的控制下进行,当在系统的操作应用中通过触摸屏观察时,所述第二位置基本上与第一位置相一致。该方法例如与因特网的服务供应商相关,或者在能够在虚拟世界中相对于该系统和其特征在上面论述的那种类型的交互的服务器的控制之下与多用户计算机游戏相关。
本发明也可以包括在控制软件中以供在具有显示监视器和触摸屏的数据处理系统上使用。该软件允许用户交互和使用上述特征。
附图说明
通过例子和参考附图更详细地描述本发明,其中:
图1是本发明中系统的框图;
图2-5示出本发明的几个实施例;
图6是示出本发明中过程的流程图;和
图7-9是示出变形极性的反向的图。
在全部图中,相同的参考数字指示类似的或者对应的特征。
具体实施方式
图1是本发明中系统100的框图。系统100包括显示监视器102和触摸屏104,所述触摸屏被布置成使用户通过屏104能够观看在监视器102上所显示的图像。触摸屏104能够处理表示相对于该屏的触摸位置的输入数据和表示在操作使用中用户施加在该触摸屏上的力或者压力的输入数据。采用用户触摸屏104的位置的形式的用户输入对应于在监视器102上所显示的图像的特定位置。系统100还包括数据处理子系统106-例如PC或者另一计算机,例如处在远程位置处并且经由因特网或者家庭网络(未示出)连接到监视器102和触摸屏104上。可替代地,上述组件102-106可以一起被集成在PC或者手持式设备中,例如蜂窝电话、PDA、或者触摸屏远程控制器。子系统106可操作用以处理用户输入数据并且在软件应用108的控制之下提供图像。子系统106可以包括远程服务器,其负责伴随虚拟对象的预计变形的数据处理。在某些情况下,例如在实时多用户计算机游戏中或者在涉及复杂的虚拟对象时,该数据处理很有可能是计算密集的,于是,该数据处理优选地被委托给特殊服务器。
触摸屏104被配置以记录触摸位置和当用户触摸屏104时施加给屏104的压力大小这二者。该配置允许用户输入考虑三维:在屏104的表面确定位置的两个坐标和与屏104垂直的、由触摸压力的大小表示的另一坐标。这现在被用在本发明中对虚拟对象进行建模。
图2和3是图示在虚拟陶器应用中对虚拟对象进行建模的图。在图2中,监视器102再现圆柱形对象202。在陶器应用中,使虚拟对象202围绕其对称轴204旋转,该对称轴被固定在(虚拟)空间中。也即,轴204不会由于用户对触摸屏104施加压力而移动。在图3中,用户在与对象202的表面面积上的位置相一致的位置处用他/她的手指302按压触摸屏104。触摸屏104记录与手指302接触的坐标以及手指对屏104的压力。PC 106接收该数据并且将该数据输入到应用108,所述应用产生与坐标一致的对象202的形状修改和所记录的压力程度。当对象202旋转时,对形状的修改现在也具有旋转对称性。
注意,所示的对象202的变形的程度与接触屏104的手指302的维具有相同的数量级。假设用户想要用具有比对象202的特性测量的维更小的维的下压来覆盖对象202的表面。在这种情况下,用户放大对象202,使得手指302和触摸屏104之间的接触的面积具有与预计下压的面积相同的特性维。因此,使变形的比例依赖于所显示的对象的比例。
图4和5是图示对在监视器102上所再现的虚拟对象202进行建模的另一模式。这里,对象202还是不作为实体而横过监视器102移动,而是仅仅经受由于用户在适当的位置对屏104施加压力而导致的变形。用户现在在与对象202的图像相一致的位置处用右手302和左手502对触摸屏104施加压力,好像在局部挤压对象202。也即,手302和502之间接触的位置以及当施加压力时位置的变化限定了所得到的对象202的变形。在图5的例子中,对象202在右手侧在顶部和在左手侧在底部变形。
优选地,系统100允许用户横过监视器102移动整体对象202,例如来对其再定位或者相对于观看方向改变其方位。例如,监视器102能够在在视觉上不覆盖对象202的区域中显示菜单选项。可替代地,执行与触摸屏104的交互,以致于使系统100能够区分开使对象202变形的命令和整体上改变对象202的位置或者方位的命令。例如,从由对象202所占用的区域外侧开始用户的手横过屏104的扫描移动被解释为围绕轴沿扫描的方向旋转对象202的命令,所述轴垂直于所述方向并且例如与其自身保持固定在虚拟环境中的对象的质量的(虚拟)中心一致。只要用户接触和移动他/她的手,该旋转就继续。
图6是示出本发明处理600的流程图。在步骤602中,触摸屏104将数据供应给PC 106,所述数据表示接触位置和接触压力。在步骤604中确定该位置是否与对象202的表面上的位置相匹配。如果不匹配,则在操作步骤606中,应用108将输入解释为与对象202的形状的修改不同的操作的命令。例如与对象202不匹配的坐标序列(也即有序的坐标集)被解释为沿对应于该序列的矢量的方向来整体移动对象202。作为另一例子,如果不匹配,则压力增加被解释为对象202的图像的放大。例如一旦压力变化的速率高于某一阈值或者一旦压力本身超过特定的阈值,则启动缩小操作。可代替地或者附加地,不同于形状修改的特定操作可以作为选项被列在监视器102上和对象202一起显示的菜单中。如果所述坐标与对象202相匹配,则可选的步骤608检查压力或者其变化是否指示向另一操作模式的转变,该另一操作模式的例子已经在上面给出。如果没有模式转换,则对对象202的形状的修改在步骤610中基于步骤602的输入被确定,并且被修改的形状在步骤612中被再现。
图7-9是图示在被施加给触摸屏102的压力“p”与对象202在时间“t”的时段上所得出的变形“D”之间的关系。在图7中,系统100处于第一操作模式,其中压力随着时间增加,并且所得出的变形(例如与原始形状的空间偏差)也同样在增加,好像对象202局部被压缩了一样。当压力上升到阈值T之上,或者当压力以高于某一最小速率的速率上升到阈值T之上时,系统100将这解释为在这段时间中已经达到对象202的最终变形。该变形停止,并且在变形不变化的情况下,压力可以被降低为零。阈值T和最小速率优选地是可编程的。注意:其值保持低于阈值的压力根据所编程的材料特征可能具有变形效果。例如,如果虚拟对象202表示一块建模的陶土,在压力上升之后压力的下降将会使变形保持在它处于达到最大值(低于阈值T)的瞬时压力“p”处。如果对象202代表一种具有相当弹性或者是海绵状的材料,则压力已经达到最大值(低于阈值T)之后压力的下降导致变形的下降,而未必立即依赖于所编程的材料特征。
图8示出系统100的第二操作模式。在开始一段时间时,使压力“p”快速增加到阈值T之上。系统100将这解释为用户想要对应于局部膨胀、而不是对应于图7的图的压缩的变形。当压力p被降低到低于阈值T时,系统100控制对象202的局部膨胀,例如好像在一方面由被编程的对象202的材料特征所确定的、对象202的内压力和另一方面由用户通过触摸屏104所施加的压力之间始终保持均衡。
可代替地,图9示出当通过以高于某一阈值的变化速率增加压力来实现某一变形时可以终止局部膨胀变形。然后,该变形停止,并且在变形不变化的情况下可以将压力降低为零。
对于在变形期间保持所再现的虚拟对象202的连续性,细节参见Jennings文献。
本发明可以使用例如来为了美学目的而创建虚拟对象;作为玩具;作为用于帮助理解具有特定的或者可编程材料特征的物理对象的特性的辅助手段;作为通过计算机辅助制造所制成的物理模型的模板;作为计算机游戏中的应用用以塑造虚拟环境或者在操作使用中与所述虚拟环境或者其虚拟占有者交互;以在不令人振奋的视频会议期间通过应用对在一个PC上所显示的当前讲话者的图像的触摸诱导共形映射来变得有趣等等。关于最后的例子,优选地设置即时复位按钮,用于返回到正常的观察模式以便去掉可能干扰会议的太欢闹的影响、以及“取消”按钮以重新得到最后映射的结果。
在该文中所使用的术语“触摸屏”也包括例如输入笔操作的图形输入板。在上面已经关于与用户的手指交互的触摸屏的所论述的内容也适用于图形输入板。

Claims (13)

1. 一种数据处理系统,具有用于再现虚拟对象的显示监视器并且具有用于使用户能够与所再现的对象交互的触摸屏,其中该系统可操作来使用户能够在该对象上的第一位置处修改该对象的形状,该修改在该屏上的第二位置处所记录的压力大小的控制下进行,当在该系统的操作使用中通过屏观察时,所述第二位置基本上与第一位置一致。
2. 如权利要求1所述的系统,其中在该大小和对形状的修改之间的关系是可编程的。
3. 如权利要求1所述的系统,可操作来能够改变所再现的对象的比例,其中该大小和对形状的修改之间的关系取决于所再现的对象的比例。
4. 如权利要求1所述的系统,具有操作模式,在该操作模式下,该形状对压力的增加作出响应。
5. 如权利要求1所述的系统,具有另一操作模式,在该另一操作模式下,该形状对压力的降低作出响应。
6. 一种能够对在具有触摸屏的显示监视器上所再现的虚拟对象的形状进行建模的方法,该方法包括:能够在对象上的第一位置处修改形状,该修改在该屏上的第二位置处所记录的压力大小的控制下进行,当在该系统的操作使用中通过屏观察时,所述第二位置基本上与第一位置一致。
7. 如权利要求6所述的方法,包括能够对在该大小和对形状的修改之间的关系进行编程。
8. 如权利要求6所述的方法,包括能够改变所再现的对象的比例,其中在该大小和对形状的修改之间的关系取决于所再现的对象的比例。
9. 如权利要求6所述的方法,包括使形状对压力增加作出响应。
10. 如权利要求6所述的方法,包括使形状对压力降低作出响应。
11. 一种供数据处理系统使用的控制软件,其中所述数据处理系统具有用于再现虚拟对象的显示监视器和用于使用户与所再现的对象交互的触摸屏,其中所述控制软件可操作来能够在对象上的第一位置处修改该对象的形状,该修改在该屏上的第二位置处所记录的压力大小的控制下进行,当在该系统的操作使用中通过屏观察时,所述第二位置基本上与第一位置一致。
12. 如权利要求11所述的软件,其中该大小和对形状的修改之间的关系是可编程的。
13. 如权利要求11所述的软件,能够改变所再现的对象的比例,其中大小和形状修改之间的关系取决于所再现的对象的比例。
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