CN107533367A - 用于控制由计算机生成的环境中的化身的输入装置及其控制方法 - Google Patents

用于控制由计算机生成的环境中的化身的输入装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于控制由计算机生成的环境中的化身的输入装置及其控制方法。通过根据权利要求的输入装置及其控制方法提高了在虚拟现实环境中沉浸度，从而使得用户能够以熟悉的形式和身体存在的真实感觉自然地行走而没有空间限制。

Description

用于控制由计算机生成的环境中的化身的输入装置及其控制 方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制由计算机生成的环境中的化身的输入装置及其控制方法。
背景技术
作为最接近的现有技术，JP2001171815A公开了一种装置，该装置包括固定的传送装置带和在传送装置带的顶部上可旋转的引导部，引导部具有滚动元件并为人员提供可行走表面。示出的所述装置配置有二维位置控制。如果人员沿任一方向远离引导部的中心地移动，那么所述装置会以特定的操纵响应。这种操纵涉及引导部的旋转和/或传送装置带的传输运动并且总是将人员送回可行走区域的中心。JP2001171815A的运动学(以及所有类似装置的运动学)将通过下述简单的示例来展示。如果人员在引导部的中心原地旋转，那么所述装置不予以响应，这是因为人员的旋转角度与所述位置控制不相关。然而，如果人员横向于传送装置带的传输方向地行走，那么人员将被引导部旋转以使得行走方向与传送装置带的传输方向对齐，从而传送装置带能够将人员送回到可行走区域的中心。这种类型的控制是有利的，这是因为它使得人员能够没有限制地沿着任何方向行走。但同时这种控制也是不利的，因为它会在人员横向于传送装置带的传输方向行走时出乎意料地转动人员，这会导致行走者感到动荡不安。在所述装置只提供具有有限的可行走表面的小引导部的情况下，这种旋转响应必须是快速且即时的，以防止人员无意间离开可行走区域。
发明内容
本发明的目的在于克服JP2001171815A的舒适度方面的缺陷，这种缺陷尤其存在于仅仅具有小尺寸的可行走表面的、小且在制造上具有经济性的装置中。本发明的目的通过下述方式实现：以一种方式来限制行走者的对于专业人员而言可能是无意义的运动自由度。
该问题的解决方案公开在本发明的权利要求中，其中，根据现有技术的二维位置控制被一维位置控制与角度控制的组合所取代。与现有技术相比，本发明的装置具有完全不同的运动学设计，这是因为它对于人员在可行走表面上的角度定向即时做出反应。然而，对于本发明的装置，不能够横向于人员的正面方向地行走。与现有技术不同的是，对于本发明，尤其通过没有限制的侧步的侧向移动不再是可能的。
本发明的输入装置表征这样一种装置：该装置用于获取深度和颜色信息并利用了这些量并且能够形成和控制与人员具有相同的形状和外观的化身。
权利要求1中所公开的主题的优点是基于一种不同的控制方法，该控制方法总是能够提供舒适的行走体验，尤其在所述装置的可行走表面较小时也能提供舒适的行走体验。此外，根据本发明的装置提供了这样的可能性：能够进入具有身体存在的真实感觉的虚拟世界并且能够通过追踪位于所述装置上的人员的身体关节来完全控制化身肢体。
在虚拟现实里行走时的舒适度甚至可以利用围绕行走者的臀部或大腿的柔软的弹性封围体来进一步增强。下述情况是有利的：根据本发明的装置能够利用行走表面绕着水平轴线的敏感但灵活的摆动运动来对人员的纵向和横向加速做出响应并由此能够对制动过程中本能的“向后靠”予以补偿或对曲线运动中的“侧向倾斜”予以补偿。行走表面的倾斜可以用来模拟虚拟环境中的倾斜。将虚拟现实的一些物体或障碍物作为仿造品、例如借助于在其端部具有对应的附接物的铰接的支架、以从合适的方向并以匹配的距离和速度接近用户的方式提供在真实环境中是另一种提高在虚拟环境中的沉浸度的可能方式。
具体实施方式
在下文中参考附图来更详细地说明本发明。
图1以高度简化图示出根据本发明的输入装置，所述输入装置具有传送带、具有滚动体的引导部以及驱动装置和检测装置，其中，所述输入装置还带有具有一些可能的身体关节的人员。
滚动体2从引导部3的顶部突出并形成可行走表面1，人员7在所述可行走表面上行走或站立。如果人员7位于引导部3的中心并在原地执行旋转，那么引导部3将总是并即刻执行反向旋转，该反向旋转完全补偿人员7的旋转以使得人员确实完成了旋转所需的身体运动但是实际上人员没有转动。人员7的行走方向8由此总是平行于传送装置4的纵向中心线6并且在行走过程中人员7借助于常规的一维位置控制而简单且直接地居中于引导部3的中间处。与可能经受剧烈且意外的响应不同的是，人员7在原地转动或者笔直行走和沿曲线行走时总是在他们的位置和角度定向上相对于真实物理环境保持静止。人员7的角度定向(例如)由他们的体态、借助于他们的身体关节11的位置来计算。有利地，每个单独的身体关节11的位置也被用来控制虚拟环境中的化身的各个身体部分。尤为有利的是，在控制化身的过程中，人员7总是相对于检测装置12保持恒定的正面定向。为了最真实的化身设计，检测装置12同时检测人员7在行走表面1上的深度信息和细节性的颜色信息，这些信息转换成化身的3D模型。为此，人员7站立在行走区域1的中心处并在检测装置12前方借助可旋转的引导部3来旋转。在这种扫描过程中，既没有执行无论人员7的平行移动，也没有执行对化身的控制。
根据本发明的装置不会直接地影响人员7的侧向偏差，这是因为输入装置不具有横向于纵向中心线6的线性致动器。如果人员7在可行走表面1上平行于纵向中心线6行走的话，则侧向偏差会保持不变。然而，如果可行走表面1上的人员7相对于纵向中心线6倾斜地行走的话，则侧向偏差改变。通过以合适的方式向引导部3的角度定向添加偏移量可以减小侧向偏差，从而使得人员7的行走方向8总是朝着纵向中心线6倾斜地指向，也即只要侧向偏差存在就使得人员7的行走方向8总是朝着纵向中心线6倾斜地指向。这种角度偏移的量和符号基于人员侧向偏差的方向和值。
如果传送装置4静止不动，那么引导部3的旋转中心和行走表面1的旋转中心将与引导部3的中心重合地定位。如果人员7相对于引导部3的中心侧向地定位，则通过引导部旋转的速度矢量和传送装置4的传输运动的速度矢量的叠加来使得行走表面1的旋转中心向着人员7的位置偏移这样的量——人员的侧向偏移量。这源于下述事实：在同一平面内旋转和平移的速度矢量的叠加会得到具有相同的角速度的旋转，但是旋转中心正交于平移方向地移位。如果人员在行走表面1上于侧向偏移位置处旋转的话，则在引导部3旋转的基础上使传送装置4执行限定的传输运动，由此使得行走表面1的旋转中心在沿着纵向中心线6观察时位于人员7位置的垂直下方。
附图标记列表
1 行走表面
2 滚动体
3 引导部
4 传送装置
5 旋转轴线(引导部的旋转轴线)
6 纵向中心线(传送装置的纵向中心线)
7 人员
8 行走方向
9 直线控制点
10 侧向控制点
11 身体关节
12 检测装置

Claims (23)

1.一种输入装置，所述输入装置用于在使用安装的检测装置(12)和位于安装地点的传送装置(4)的情况下在由计算机生成的环境中形成并控制化身，所述输入装置包括可行走表面(1)，其中，引导部(3)附接在所述传送装置(4)上并在所述引导部(3)中布置有滚动体(2)，所述滚动体(2)为人员(7)提供所述可行走表面(1)，所述滚动体(2)中的至少一些与所述传送装置(4)相互作用并且所述引导部(3)通过滚动体(2)能够绕着垂直于所述可行走表面(1)的旋转轴线(5)相对于安装地点旋转，其特征在于，所述检测装置(12)在所述人员(7)绕着垂直于所述可行走表面(1)的轴线旋转的过程中检测所述人员(7)的旋转角度，并且所述旋转角度主要影响所述引导部(3)的旋转。
2.根据权利要求1所述的输入装置，其特征在于，通过所述引导部(3)的旋转来控制所述化身。
3.根据前述权利要求中任一项所述的输入装置，其特征在于，所述检测装置(12)通过深度信息来获取所述人员(7)的空间体态以将所述空间体态转换成身体关节(11)、优选是左、右肩和左、右髋骨的身体关节，并且所述身体关节(11)的位置通过角度控制来主要影响所述引导部(3)的旋转。
4.根据前述权利要求中任一项所述的输入装置，其特征在于，在控制所述化身的过程中所述检测装置(12)总是正面地或部分正面地捕捉所述人员。
5.根据前述权利要求中任一项所述的输入装置，其特征在于，所述输入装置配置有位置控制装置，所述位置控制装置将所述人员(7)的位置调节成：在横向于纵向中心线(6)观察时，所述人员(7)总是保持在相同的位置处，优选地保持在所述旋转轴线(5)与所述可行走表面(1)的交点的垂直上方。
6.根据前述权利要求中任一项所述的输入装置，其特征在于，所述输入装置配置有侧向校准装置，所述侧向校准装置在所述人员(7)相对于纵向中心线(6)具有侧向偏差地行走时，使得所述人员(7)的行走方向(8)总是以倾斜地朝向所述纵向中心线(6)的方式定向，并由此使得在行走过程中连续地减小所述人员(7)的侧向偏差。
7.根据前述权利要求中任一项所述的输入装置，其特征在于，所述输入装置配置有旋转中心移位装置，其中，当人员(7)相对于所述旋转轴线(5)具有侧向偏差地站立在所述可行走表面上并在那里旋转时，则使所述可行走表面(1)的旋转中心——沿着纵向中心线(6)观察时——以所述人员(7)相对于所述旋转轴线(5)的侧向偏差量来移动，由此当沿着所述纵向中心线(6)观察时，所述可行走表面(1)的旋转中心总是位于所述人员(7)的位置的垂直下方。
8.根据前述权利要求中任一项所述的输入装置，其特征在于，所述输入装置配置有启动保护装置，其中，只有所述人员(7)在进入所述输入装置后以特定的时长保持特定的体态和/或保持于所述可行走表面(1)上的特定的位置处时，所述引导部(3)才能旋转并且所述传送装置(4)才能传输。
9.根据前述权利要求中任一项所述的输入装置，其特征在于，所述检测装置(12)除了捕捉所述可行走表面(1)上的所述人员(7)的深度信息之外还捕捉所述人员(7)的颜色信息。
10.根据前述权利要求中任一项所述的输入装置，其特征在于，在使所述可行走表面(1)于所述人员(7)下方优选地居中地旋转而没有以平移的方式传送所述人员(7)的情况下，借助于所述检测装置(12)在所有侧上获取处于站立在所述可行走表面(1)上的所述人员(7)的颜色信息和深度信息，并且借助于处于旋转状态下的人员的所述深度信息来生成化身的3D模型，所述化身优选地具有类似于所述人员(7)的身体结构并关联有所获取的颜色信息，并且所述人员(7)的各个身体关节(11)配属给所述化身的对应的关节，以在控制化身的过程中使得虚拟环境中的化身肢体与所述可行走表面(1)上的所述人员(7)的肢体同步地运动。
11.一种控制输入装置的方法，所述方法用于在使用安装的检测装置(12)和位于安装地点的传送装置(4)的情况下在由计算机生成的环境中生成并控制化身，所述输入装置包括可行走表面(1)，其中，在所述传送装置(4)上附接有引导部(3)，在所述引导部(3)中具有滚动体(2)并且所述滚动体(2)为人员(7)提供所述可行走表面(1)，所述滚动体(2)中的至少一些与所述传送装置(4)相互作用，并且所述引导部(3)通过滚动体(2)能够绕着垂直于所述可行走表面(1)的旋转轴线(5)相对于所述安装地点旋转，其特征在于，所述人员(7)在绕着垂直于所述可行走表面(1)的轴线旋转的过程中的旋转角度主要影响所述引导部(3)的旋转。
12.根据权利要求11所述的控制输入装置的方法，其特征在于，所述引导部(3)的旋转被用来控制所述化身。
13.根据权利要求11或12所述的控制输入装置的方法，其特征在于，通过来自所述检测装置(12)的深度信息来获取所述人员(7)的空间体态并且将所述空间体态转换成身体关节(11)、优选是左、右肩和/或左、右髋骨的身体关节，并且所述身体关节(11)的位置通过角度控制来主要影响所述引导部(3)的旋转。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的控制输入装置的方法，其特征在于，从身体关节(11)、优选是左、右肩和左、右髋骨的身体关节、通过利用直线将左身体关节(11)与对应的右身体关节连接并通过将该连接线垂直投影在所述可行走表面(1)上而获得相对于纵向中心线(6)的角度差，所述角度差继而作为角度差的加权平均值、通过角度控制来主要影响所述引导部(3)的旋转，以使得所述角度差的所述加权平均值始终对应于优选为90°的期待值，并由此使得所述人员(7)的行走方向(8)始终被调节成平行于所述纵向中心线(6)。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的控制输入装置的方法，其特征在于，在控制化身的过程中所述检测装置(12)总是正面地或部分正面地检测所述人员(7)。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的控制输入装置的方法，其特征在于，由所述检测装置(12)的深度信息以类似于重心计算的方式生成直线控制点(9)，在所述人员(7)屈曲、倾斜和跪的过程中，所述直线控制点(9)也能够位于他们的身体外侧，并且所述直线控制点(9)与旋转轴线(5)之间的沿横向于所述纵向中心线(6)的方向所观察到的距离影响所述传送装置(4)的传输运动，通过位置控制装置将所述直线控制点(9)的位置始终调节至目标位置，并由此在横向于所述纵向中心线(6)观察时，所述人员(7)总是处于同一位置，优选位于所述旋转轴线(5)与所述可行走表面(1)的交点的垂直上方。
17.根据权利要求11至16中任一项所述的控制输入装置的方法，其特征在于，由所述检测装置(12)的深度信息以类似于重心计算的方式生成侧向控制点(10)，在所述人员(7)屈曲、倾斜和跪的过程中，所述侧向控制点(10)也能够位于他们的身体外侧，并且所述侧向控制点(10)能够等同于所述直线控制点(9)，并且，当所述人员(7)相对于纵向中心线(6)具有侧向偏差地行走时，使得所述侧向控制点(10)与所述旋转轴线(5)之间的沿所述纵向中心线(6)所观察到的距离作为按比例或按超比例缩放的偏移量提供给所述引导部(3)的角度控制的额定值并由此影响所述引导部(3)的旋转，并由此使得所述人员(7)的行走方向(8)总是倾斜地朝向所述纵向中心线(6)地定向，从而在行走过程中连续地减小所述人员(7)的侧向偏差。
18.根据权利要求11至17中任一项所述的控制输入装置的方法，其特征在在于，当所述人员相对于旋转轴线(5)具有侧向偏差地站立在所述可行走表面上并在那里旋转时，使得所述侧向控制点(10)与所述旋转轴线(5)之间的沿纵向中心线(6)所观察到的距离作为所述引导部(3)的角速度的比例乘积添加到所述传送装置(4)的传输运动，并由此使得所述可行走表面(1)的旋转中心点以所述侧向控制点(10)与所述旋转轴线(5)之间的距离来移动，并由此使得在沿着所述纵向中心线(6)观察时所述可行走表面(1)的旋转中心总是位于所述人员(7)的位置的垂直下方。
19.根据权利要求11至18中任一项所述的控制输入装置的方法，其特征在于，只要所述人员(7)的足部的身体关节(11)相对于彼此是静止的并且靠近地板和/或靠近所述旋转轴线(5)，就不激活所述传送装置(4)的传输运动。
20.根据权利要求11至19中任一项所述的控制输入装置的方法，其特征在于，只有所述人员(7)在进入所述输入装置后以特定的时长保持特定的身体位置和/或保持于所述可行走表面(1)上的特定的位置处时，才可能激活所述引导部(3)的旋转和/或所述传送装置(4)的传输运动。
21.根据权利要求11至20中任一项所述的控制输入装置的方法，其特征在于，由所述身体关节(11)的运动来分析所述人员(7)的运动学状态并将所述人员(7)的运动学状态配属给已知的运动模式，并且基于所确定的运动模式以预测的方式来控制所述引导部(3)的旋转和所述传送装置(4)的传输运动。
22.根据权利要求11至21中任一项所述的控制输入装置的方法，其特征在于，通过所述检测装置(12)来检测所述可行走表面(1)上的所述人员(7)的颜色信息并通过计算单元来处理所述颜色信息。
23.根据权利要求11至22中任一项所述的控制输入装置的方法，其特征在于，在使所述可行走表面(1)于所述人员(7)下方优选地居中地旋转而没有以平移的方式传送所述人员(7)的情况下，借助于所述检测装置(12)在所有侧上获取处于站立在所述可行走表面(1)上的所述人员(7)的颜色信息和深度信息，并且借助于处于旋转状态下的人员的深度信息来生成化身的3D模型，所述化身优选地具有类似于所述人员(7)的身体结构并关联有所获取的颜色信息，并且所述人员(7)的各个身体关节(11)配属给所述化身的对应的关节，以在控制化身的过程中使得在虚拟环境中化身肢体与所述可行走表面(1)上的所述人员(7)的肢体同步地运动。
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