CN104801039A - 一种虚拟现实的游戏装置及场景实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虚拟现实的游戏装置及场景实现方法，其特征在于：包括头盔、摄像头、计算机、跑步机，所述摄像头采集用户运动姿态及头部动作，所述跑步机驱动器根据用户跑步状态确定所述底盘的运动速度、运动方向以及用户在所述底盘上的位移坐标，传送给所述计算机并集成到游戏软件中，所述游戏软件产生游戏情景传送给所述头盔显示3D视频场景，所述跑步机驱动器接收计算机指令驱动所述垂直平面运动机构控制垂直平面的运动。本发明通过提高运动姿态提取精度，从而提高了游戏的体感度，而且可以全向立体运动，是一种集成化程度很高的游戏设备及实现方法。

Description

一种虚拟现实的游戏装置及场景实现方法

技术领域

本发明涉及游戏领域，特别是指虚拟现实的游戏装置及场景实现方法。

背景技术

虚拟现实(Virtual Reality：VR)是近年来出现的高新技术：利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三维空间内的事物。近年来，虚拟现实在军事、娱乐、医疗、甚至房地产开发等方面有了比较大的应用。尤其在娱乐方面，丰富的感觉能力与3D显示环境使得VR成为理想的视频游戏工具。目前市场上应用的虚拟现实游戏设备，主要集中在视觉感知这方面，反应在产品上，以头盔和VR眼镜为主。比较典型的比如 Oculus 公司的Oculus Rift：这是一款3D虚拟游戏眼镜，内置高分辨率显示屏可以给用户提供1280x800分辨率的高清画面，水平可视角度为90°，垂直可视角度为110°，9自由度的姿态与运动传感器以1000Hz的频率追踪头部运动轨迹，同时可通过DVI、HDMI、micro USB 接口连接PC电脑或家用主机以全方位的视频和音效为使用者虚拟一个身临其境的游戏体验。尽管目前VR头盔或3D眼镜非常流行，但是反映到未来的游戏设备中，坐在椅子上按着某个按键，来推动游戏中的主角运动，已越来越不能满足消费者的用户体验了，自然的运动才能让用户感觉身临其境，通过自然的运动，让玩家在游戏时进行适当的运动，即娱乐又健身。Oculus Rift的3D虚拟眼镜虽然让玩家有很好的用户体验，但它不能让玩家运动起来，自然也无法满足消费者对下一代游戏设备“自然运动+虚拟现实+身临其境”的要求。因此将3D眼镜和跑步机结合起来，研发新一代跑步机是市场的迫切需求。2013年，美国Virtuix公司首次推出了一款跑步机Virtuix Omni，它首次将3D眼镜、游戏软件、虚拟现实和跑步机结合起来，让玩家真正投入到虚拟现实中，实现完美逼真的用户体验：不仅精神上投入到了虚拟现实中，身体也投入到了虚拟现实中。

 Omni的跑步机是被动跑步机，机身本身没有运动部件，其基座像一个光滑有沟槽的大碗，玩家是在跑步机上做滑行运动，这就需要每个玩家向他们购买一双适合自己尺寸的低摩擦力的鞋子。Omni跑步机当前只能通过传感器感应脚的运动，如果要玩游戏，需要再和微软的Kinect体感外设相结合，或者如上述与Oculus Rift的3D虚拟游戏眼镜相结合，以感应玩家上身的运动。微软的Kinect体感外设通过摄像机将人的肢体运动捕获并识别，然后控制游戏主角的运动，但它不能捕获人体的移动，和Omni跑步机结合后，让玩家在游戏中更能轻松的控制游戏主角的移动。

但是Omni跑步机只是一款被动的跑步机，由于机身没有驱动性设备，使得在结构上玩家只能做平面性运动，而无法做一些立体感很强的游戏动作，大大限制了当前面对VR场景开发游戏软件的应用，同时也降低了玩家的体感度；另外，Omni跑步机目前感知人体的运动速度和频率是通过一双定制的低摩擦力的跑鞋上的传感器来感知平面运动，只能获取双脚的运动速度、频率，而无法精确定位双脚在跑步机上的坐标，导致在游戏软件中的反映结果误差很大，只能做一些精确度要求不高的运动控制，也降低了玩家的体感度；还有，Omni跑步机实际作为一款集成的游戏设备，玩家的空间运动姿态需要通过外扩的微软Kinect设备来采集和提取，3D场景头盔是通过集成Oculus公司的Oculus Rift 3D眼镜来完成虚拟现实场景的获取和播放，因此从集成化程度比较低，反应在数据处理速度、设备统一性和协议一致性方面，都无法满足消费者对下一代运动虚拟现实游戏设备的要求。

发明内容

本发明的目的在于解决上述的问题，提供一种能够实现全向立体运动，准确模拟运动状态和场景的新型的虚拟现实的游戏装置。虚拟现实的游戏装置包括：包括头盔、摄像头、计算机、跑步机，所述摄像头采集用户运动姿态及头部动作，传送给所述计算机，所述跑步机包括跑步机驱动器、垂直平面运动机构、底盘，所述跑步机驱动器根据用户跑步状态确定所述底盘的运动速度、运动方向以及用户在所述底盘上的位移坐标，构成用户跑步运动向量，传送给所述计算机并集成到游戏软件中，所述游戏软件产生游戏情景传送给所述头盔，所述头盔显示3D视频场景，所述跑步机驱动器接收计算机指令驱动所述垂直平面运动机构控制垂直平面的运动。

作为优选，所述跑步机驱动器包括驱动器处理器、三轴陀螺仪传感器、电子罗盘传感器、加速度传感器、Wi-Fi传输模块，加速度传感器、三轴陀螺仪传感器、电子罗盘传感器确定所述底盘的运动状态，通过所述Wi-Fi传输模块传送给计算机，所述驱动器处理器包括嵌入式处理器和DSP处理器，所述DSP处理器进行实时的运动算法计算和处理，所述嵌入式处理器负责数据的存储、指令解析和无线网络通信工作。

作为优选，所述垂直平面运动机构包括伺服电机、滑动丝杆，所述跑步机驱动器接收计算机指令，驱动所述伺服电机驱动所述滑动丝杆调节垂直平面的位置。

进一步，所述计算机指令是指围绕垂直平面的加速度、位移要求、时间要求形成一个关于垂直平面的动作控制向量，所述跑步机驱动器接受这个动作控制向量来控制垂直平面运动。

作为优选，所述底盘由多个小盘组成，所述各小盘装配不同阻值的阻值传感器，所述阻值传感器感应用户跑步位置，并将信号发送给所述跑步机驱动器。这样可以确定跑鞋在底盘上的平面坐标，并且通过极坐标形式发送给计算机，由计算机集成到游戏软件中。

作为优选，所述3D视频场景仪是一个头盔，包含显示屏、耳麦、摄像头、头盔传感器、视频传输线、无线模块以及头盔处理器，所述摄像头采集眼球的转动，然后将图像传输给头盔处理器；所述头盔处理器驱动所述无线模块将图像传输给计算机；所述头盔传感器用于采集头盔的转动角加速度、转动方向及空间位移并传送给计算机；计算机播放的游戏软件视频图像通过所述视频传输线传送到所述显示屏；所述耳麦用来使用户倾听声音；所述显示屏是一个3D显示屏，显示计算机传送过来的3D视频信号。

进一步，所述头盔传感器由三轴陀螺仪、电子罗盘传感器、加速度传感器组成，用于采集头盔在空间的转动角加速度、转动方向及空间位移。

作为优选，所述跑步机包含电子仿真枪，包括仿真枪处理器、三轴陀螺仪传感器、电子罗盘传感器、加速度传感器、按钮及锂电池组成，所述三轴陀螺仪传感器、电子罗盘传感器及加速度传感器用于采集运动状态和空间位移，通过所述仿真枪处理器传送给计算机。

作为优选，所述跑步机还包括底盘固定座、带轮，所述底盘固定座用来固定所述底盘，受所述跑步机驱动器驱动的带轮带动所述底盘转动。

作为优选，所述游戏装置还包括一个腰间固定装置，所述腰间固定装置包括腰间固定圆盘及配套固定带、固定支杆、感应传感器，所述腰间固定圆盘及配套固定带用来固定用户身体，所述固定支杆用来支撑，所述感应传感器将用户是否接触所述腰间固定装置的信号传送给计算机。

基于上述一种能够实现全向立体运动，准确模拟运动状态和场景的新型的虚拟现实的游戏装置，本发明提供了一种虚拟现实的游戏场景实现方法，包括以下步骤：

S01：播放游戏场景用户参与游戏；S02：采集并集成用户运动姿态及头部动作到游戏软件；S03:采集并集成跑步机底盘的运动速度、运动方向以及用户在底盘上的位移坐标到游戏软件；S04:基于游戏移动垂直平面；S05:输出用户实时游戏情景。

本发明具有以下有益效果：本发明通过提高运动姿态提取精度，从而提高了游戏的体感度，而且可以全向立体运动，是一种集成化程度很高的游戏设备及实现方法。

附图说明

图1是所述跑步机整体外观示意图；图2是所述跑步机底盘结构示意图；图3是所述跑步机腰间固定装置结构示意图；图4是所述电子仿真枪结构示意图；图5是所述头盔外观示意图；图6是所述游戏装置各个部件实现连接的原理框图；图7是用游戏装置实现虚拟现实运动游戏的逻辑流程图；图8是虚拟现实的游戏场景实现方法的流程图。

1、跑步机；2、底盘；3、底盘固定座；4、腰间固定圆盘及配套固定带；5、固定支杆；7、电子仿真枪；8、头盔；9、跑鞋；12、滑动丝杆；15、伺服电机；18、跑步机驱动器；19、阻值传感器；20、带轮；21、三轴陀螺仪传感器；22、按钮；23、无线通信模块；24、电池；27、耳麦；28、视频传输线；29、电源线；30、三轴陀螺仪传感器组；31、摄像头；33、头套固定装置。

具体实施方式

下面结合具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的说明：

如图1、2、4、5所示，所述游戏装置由一个跑步机1、一个电子仿真枪7和一个虚拟现实头盔8组成。

如图1所示，跑步机1由一个凹形圆形底盘2、一个底盘固定座3、2个腰间固定圆盘及配套固定带4、三个底盘和腰间固定支杆5组成。

如图2所示跑步机的凹形圆形底盘2和底盘固定座3的内部结构。整个底盘结构由一个凹形圆形底盘2、一个底盘固定座3、一个底盘转动带轮20、三根滑动丝杆12、三个伺服电机15，一个跑步机驱动器18、一个底盘下侧的阻值传感器19组成。

如图3所示，人站在跑步机上虚拟现实运动场景示意图。当人站在跑步机1上的时候，手里拿着电子仿真枪7，头上带着虚拟现实头盔8，穿着跑鞋9，结合跑步机1，用户观察显示屏上的视频图像，根据情节需要，在所述跑步机1上做跑步运动，跑步机驱动器18根据用户跑步的幅度、加速度以及移动位置等，驱动凹形圆形底盘2开始转动，当用户6的跑鞋9在跑步机底盘2上每次踩下，都会触发相应位置的底盘2的阻值传感器19信号，不同位置不同阻值的传感器阻值使得整个圆形底盘1以转动带轮20为中心构成了一个唯一的XY平面极坐标，这些XY平面极坐标数据、底盘1的转动角速度、转动方向等数据构成一个用户6跑步运动向量通过驱动器Wi-Fi发送给计算机，计算机将坐标位置集成到游戏软件中完成实时解析。同时计算机运行的游戏软件根据情节需要，会将垂直平面的升降动作指令发送给跑步机驱动器18，这些指令主要是围绕Z垂直平面的加速度、位移要求、时间要求形成一个关于Z平面的动作控制向量，跑步机驱动器18接受到这个动作控制向量，就会驱动伺服电机15按照一定时间内的加速度要求驱动丝杆12到相应的Z平面位置；用户观察显示屏上播放的视频图像，通过电子仿真枪7，参与到视频游戏中去，根据游戏情节，作出枪7的转向、抬高、下压、瞄准、射击等动作，这些动作都会被处理器通过传感器采集后发送给计算机，计算机会在游戏软件中作出相应的结果反馈；如图4所示，电子仿真枪7主要由仿真枪外壳、一个三轴陀螺仪传感器组21、按钮22、无线通信模块23、电池24等组成，主要是采集玩家根据游戏情节的需要发送的控制指令，然后发送给计算机，计算机将控制指令集成到游戏软件中。

如图5所示，虚拟现实头盔整体8由一个显示屏、一个透视镜、一个立体声功放及耳机27、一个视频传输线28、一个电源线29、一个三轴陀螺仪传感器组30、一个高清摄像头31、一个头套固定装置33组成。

如图6所示，跑步机驱动器18由嵌入式处理器+DSP处理器联合构建而成，DSP处理器主要做实时的运动算法计算和处理，嵌入式处理器主要负责数据的存储、指令解析和无线网络通信工作，驱动器18同时由一个运动加速度传感器、三轴陀螺仪传感器、无线Wi-Fi模块、三个伺服电机驱动器等模块联合组成。

基于上述一种能够实现全向立体运动，准确模拟运动状态和场景的新型的虚拟现实的游戏装置，本发明提供了一种虚拟现实的游戏场景实现方法，如以下实施例：

如图7所示，通过以下步骤实现：（1）计算机播放3D的视频游戏软件，通过视频传输线投映到头盔显示屏上；（2）玩家观察显示屏上的视频图像，根据情节需要，在所述跑步机1上做跑步运动，跑步机驱动器18根据用户跑步的幅度、加速度以及移动位置等，驱动凹形圆形底盘2开始转动，同时确定用户在底盘1上的位移坐标；（3）跑步机驱动器18同时实时采集底盘1的角加速度、电子罗盘传感器确定底盘1的运动速度和运动方向，形成一个闭合的耦合控制系统，控制底盘的转动速度和转动方向，底盘1的转动速度和转动方向将由用户在凹形底盘1上不断跑步控制，而用户跑步是根据观察显示屏上的游戏软件情节，因此这样就形成了一个由游戏情节通过用户观察来控制跑步最终控制跑步机驱动器18；（4）当用户的跑鞋9在跑步机1上每次踩下，都会触发相应位置的底盘的阻值传感器19信号，不同位置不同阻值的传感器阻值使得整个圆形底盘1以原点为中心构成了一个唯一的XY平面极坐标，这些XY平面极坐标数据、底盘1的转动角速度、转动方向等数据构成一个用户跑步运动向量通过驱动器Wi-Fi发送给计算机；（5）计算机接收到这些数据，然后将这些数据通过一个运动向量转置参数变换矩阵，将其变换为游戏软件能够接受的API键盘数据，游戏软件接受到这些键盘数据就会相应的在游戏软件中反应出来；（6）计算机运行的游戏软件根据情节需要，会将Z平面的升降动作指令发送给跑步机驱动器18，这些指令主要是围绕Z平面的加速度、位移要求、时间要求形成一个关于Z平面的动作控制向量，跑步机驱动器18接受到这个动作控制向量，就会驱动伺服电机15按照一定时间内的加速度要求驱动丝杆12到相应的Z平面位置；（7）当用户在跑步机1上根据情节需要跑步、转向等运动的时候，计算机通过高清摄像头实时拍摄用户的运动姿态，通过一个空间姿态提取算法程序，将空间姿态实时转换为人体空间运动趋势向量矩阵，这个向量矩阵坐标包括人体关键特征点矩阵、特征点矩阵相关的运动趋势及速度、特征点矩阵相关的位移坐标，上述向量矩阵可以基本确定人体运动的空间姿态，将这个空间姿态拟合到游戏软件中，作出相应的反馈动作结果；综合（1）～（8），所述游戏装置建了一个完备的虚拟现实场景实现方法，通过该方法，使得用户在使用游戏装置的时候，结合游戏视频软件，仿佛置身于真实的游戏场景中，犹如身临其境一般，不仅达到可以让用户得到身体的锻炼，还可以在游戏中得到锻炼的目的。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种虚拟现实的游戏装置，其特征在于：包括头盔（8）、摄像头（31）、计算机、跑步机（1），所述摄像头（31）采集用户运动姿态及头部动作，传送给所述计算机，所述跑步机（1）包括跑步机驱动器（18）、垂直平面运动机构、底盘（2），所述跑步机驱动器（18）根据用户跑步状态确定所述底盘（2）的运动速度、运动方向以及用户在所述底盘（2）上的位移坐标，构成用户跑步运动向量，传送给所述计算机并集成到游戏软件中，所述游戏软件产生游戏情景传送给所述头盔（8），所述头盔（8）显示3D视频场景，所述跑步机驱动器（18）接收计算机指令驱动所述垂直平面运动机构控制垂直平面的运动。

2.据权利要求1所述的虚拟现实的游戏装置，其特征在于：所述垂直平面运动机构包括伺服电机（15）、滑动丝杆（12），所述跑步机驱动器（18）接收计算机指令，驱动所述伺服电机（15）驱动所述滑动丝杆（12）调节垂直平面的位置。

3.据权利要求2所述的虚拟现实的游戏装置，其特征在于：所述计算机指令是指围绕垂直平面的加速度、位移要求、时间要求形成一个关于垂直平面的动作控制向量，所述跑步机驱动器（18）接受这个动作控制向量来控制垂直平面运动。

4.据权利要求1所述的虚拟现实的游戏装置，其特征在于：所述底盘（2）由多个小盘组成，所述各小盘装配不同阻值的阻值传感器（19），所述阻值传感器（19）感应用户跑步位置，并将信号发送给所述跑步机驱动器（18）。

5.据权利要求1所述的虚拟现实的游戏装置，其特征在于：所述3D视频场景仪是一个头盔（8），包含显示屏、耳麦（27）、摄像头（31）、头盔传感器、视频传输线、无线模块以及头盔处理器，所述摄像头（31）采集眼球的转动，然后将图像传输给头盔处理器；所述头盔处理器驱动所述无线模块将图像传输给计算机；所述头盔传感器用于采集头盔（8）的转动角加速度、转动方向及空间位移并传送给计算机；计算机播放的游戏软件视频图像通过所述视频传输线传送到所述显示屏；所述耳麦（27）用来使用户倾听声音；所述显示屏是一个3D显示屏，显示计算机传送过来的3D视频信号。

6.据权利要求1所述的虚拟现实的游戏装置，其特征在于：所述跑步机（1）包含电子仿真枪（7），包括仿真枪处理器、三轴陀螺仪传感器（21）、电子罗盘传感器、加速度传感器、按钮（22）及电池（24）组成，所述三轴陀螺仪传感器（21）、电子罗盘传感器及加速度传感器用于采集运动状态和空间位移，通过所述仿真枪处理器传送给计算机。

7.据权利要求1所述的虚拟现实的游戏装置，其特征在于：还包括一个腰间固定装置，所述腰间固定装置包括腰间固定圆盘及配套固定带（4）、固定支杆（5）、感应传感器，所述腰间固定圆盘及配套固定带（4）用来固定用户身体，所述固定支杆（5）用来支撑，所述感应传感器将用户是否接触所述腰间固定装置的信号传送给计算机。

8.据权利要求1所述的虚拟现实的游戏装置，其特征在于：所述跑步机驱动器（18）包括驱动器处理器、三轴陀螺仪传感器（21）、电子罗盘传感器、加速度传感器、Wi-Fi传输模块，加速度传感器、三轴陀螺仪传感器（21）、电子罗盘传感器确定所述底盘（2）的运动状态，通过所述Wi-Fi传输模块传送给计算机，所述驱动器处理器包括嵌入式处理器和DSP处理器，所述DSP处理器进行实时的运动算法计算和处理，所述嵌入式处理器负责数据的存储、指令解析和无线网络通信工作。

9.一种能够实现全向立体运动，准确模拟运动状态和场景的新型的虚拟现实的游戏装置，本发明提供了一种虚拟现实的游戏场景实现方法，包括以下步骤：S01：播放游戏场景用户参与游戏；S02：采集并集成用户运动姿态及头部动作到游戏软件；S03:采集并集成跑步机底盘的运动速度、运动方向以及用户在底盘上的位移坐标到游戏软件；S04:基于游戏移动垂直平面；S05:输出用户实时游戏情景。