CN108008820B - 重定向行走方法、重定向行走服务器及重定向行走系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种在混合现实中的重定向行走方法、重定向行走服务器及重定向行走系统。所述方法包括：根据物理空间的尺寸信息，将所述物理空间划分为两个或以上的物理空间单元，并且将虚拟空间划分为两个或以上的虚拟空间单元；分别为所述物理空间单元和所述虚拟空间单元建立物理空间坐标系和虚拟空间坐标系；实时获取用户的位置信息以及在所述物理空间坐标系和所述虚拟空间坐标中对应的坐标值；通过交互式重定向行走算法，计算所述虚拟空间与所述物理空间之间的相对运动；通过所述相对运动，保持所述物理空间单元与所述虚拟空间单元的动态匹配。

Description

重定向行走方法、重定向行走服务器及重定向行走系统

技术领域

本发明实施方式涉及虚拟现实技术领域，特别是涉及一种在混合现实中的重定向行走方法、重定向行走服务器及重定向行走系统。

背景技术

虚拟现实的到来给予了虚拟信息以三维拟真呈现方式，给予了观者在三维虚拟世界中交互的能力，用户与虚拟信息的交互自由度被极大解放。然而，这种解放是相对、间断，且不完整的。其中极为重要的一方面待改进的交互内容即“如何在虚拟空间中移动”的问题。

目前在虚拟现实领域已有的移动解决方案中，应用较多的主要有如下四种：

1、手持控制器：用按键控制虚拟世界中的移动，抑或点击特定的目的地而后传送到达，以这样的方式实现虚拟视觉上的空间转移，呈现虚拟的移动感觉。而在现实空间中用户则一直保持静止状态。这种移动方式实现了视觉上的空间切换能力，但却强迫用户改变已建立的真实行走习惯，去适应全新的移动交互方式，这种虚拟运动状态与大脑实际认知的偏差，是导致许多用户体验时的眩晕感与不适应性的重要原因之一。

2、机械装置辅助行走：为了保留更大程度上的自然体感行走体验，机械装置被特别设计出来以让用户获得实际行走能力。其中最著名的比如无限平面。它的工作原理与跑步机类似，以相对运动的机制让用户在传送带平面上保持静止，由固定在用户身体上以及平台四周的传感器来检测和判断用户的运动状态和方向，来实现虚拟世界中的无限行走能力。然而这种装置对硬件设备要求极高，并需要极高的精度和反应速度才可做到真正与用户行为同步。而目前的机械装置无法做到完全同步，因而无法真正还原自然体感行走能力，用户体验十分受限。

3、空间定位技术下的有限空间行走：目前有硬件技术例如空间定位基站或头戴设备内置的空间定位器来获得在一定的空间内自由行走的能力。这种在定位范围内的行走相比于以上提到的两类解决方案，体验感较好，但同时受限于定位器可扫描范围、稳定性与实际空间尺寸等因素，仍然属于以硬件技术为核心的行走解决方案，并且只能实现有限范围内的自由行走能力，因而对虚拟空间环境与体验内容的设计也会造成很大的限制，无法提供完整的全场景大空间实际行走体验。

4、基于重定向行走通用原理的软性算法解决方案：重定向行走的概念起源于英文中的Redirected Walking，最早由Razzaque et al提出并应用于虚拟现实的空间压缩技术中。 在之后十几年的发展中，这种利用人脑对与视觉偏差的不易察觉性进行移动路径误导的技术在国外各大高校中开展研究并不断发展。

在目前的研究成果中，最常见的实现手段有如下两种：

一种是预测式算法（Predictive Redirected Walking Algorithm），它于虚拟空间中设置若干路径点，用户需要按照给定顺序到达每个路径点。通过缩放用户在路径点处为了到达下一点而进行的旋转的角度，达到虚拟旋转角度与实际旋转角度的偏差，由此做到让用户不走出实际空间边界的同时，体验更大范围的虚拟空间。然而此类重定向算法的缺点也很明显。由于用户只能按照写定的路径点与顺序进行行走体验，因而他们的自由度被极大限制，无法像真实体验空间那样全方向自由行走，只能以纯线性的方式体验空间。这种制约极大限制了重定向行走的应用方式，也不符合虚拟现实还原体感真实度与自由度的目的。

另一种是反应式算法（Reactive Redirected Walking Algorithm），它的算法核心机制是，在建立好的虚拟空间中，实时检测用户在虚拟空间和实际空间中的位置和移动方向，同时猜测用户到达空间转折点时可能会转向的方向，以此来实时偏转和引导用户的行动路径，达到尽量使用户始终保持在给定空间范围内的目的。然而当算法猜测错误时，会导致用户脱离算法引导而走到物理空间边界，这种情况下，反应式算法写定了一种重制机制，即当用户距离边界距离小于一定距离时，则触发重制机制，让用户原地旋转特定的角度，以此修正算法，使之重新正常工作。这种重定向行走带来的问题就是用户的路径不可逆，无法返回之前经过的区域，同时上述的重置机制对用户体验的打断也会使得沉浸感大打折扣。

发明人在实现本发明的过程中发现：虽然现有技术可以通过不同的技术方案去解决用户在混合现实环境中移动的问题。由于实际空间往往无法很好的一比一的满足虚拟空间的展示需求。因此，各种替代方案需要通过不同的方式去建立起实际空间和虚拟空间之间的映射关系。这些技术远没能达到用户真实行走和自由行走的虚拟现实无距离限制的行走目标，也无法对应提供触觉匹配，将虚拟现实体验升级到混合现实体验的层次。

发明内容

本发明实施方式旨在提供一种在混合现实中的重定向行走方法、重定向行走服务器及重定向行走系统，旨在解决现有技术中无法实现距离无限制的真实行走的技术问题。

一种在混合现实中的重定向行走方法，其中，包括：

根据物理空间的尺寸信息，将所述物理空间划分为两个或以上的物理空间单元，并且将虚拟空间划分为两个或以上的虚拟空间单元；

分别为所述物理空间单元和所述虚拟空间单元建立物理空间坐标系和虚拟空间坐标系；

实时获取用户的位置信息以及在所述物理空间坐标系和所述虚拟空间坐标中对应的坐标值；

通过交互式重定向行走算法，计算所述虚拟空间与所述物理空间之间的相对运动；

通过所述相对运动，保持所述物理空间单元与所述虚拟空间单元的动态匹配。

所述的重定向行走方法，其中，所述物理空间的边界为所述物理空间单元中的触感匹配基准面；所述虚拟空间单元在所述触感匹配基准面的位置设置对应的触感反馈。

所述的重定向行走方法，其中，所述分别为所述物理空间单元和所述虚拟空间单元建立物理空间坐标系和虚拟空间坐标系，具体包括：

以所述物理空间单元的中心点为圆心，建立所述物理空间的空间极坐标系；

以所述虚拟空间单元的中心点为圆心，建立所述虚拟空间的空间极坐标系。

所述的重定向行走方法，其中，所述实时获取用户的位置信息以及在所述物理空间坐标系和所述虚拟空间坐标中对应的坐标值，具体包括：

通过位置传感器，获取用户在物理空间中的位置；

激活与当前的位置对应的物理空间单元的物理空间坐标系，并计算当前时刻，所述用户的位置对应的第一坐标值；

根据所述第一坐标值，激活对应的虚拟空间单元的虚拟空间坐标系，并计算当前时刻，所述用户的位置对应的第二坐标值。

所述的重定向行走方法，其中，所述动态匹配为：在以用户为中心的预定范围内，所述物理空间单元与所述虚拟空间单元内的内容保持匹配。

所述的重定向行走方法，其中，所述通过交互式重定向行走算法，计算所述虚拟空间与所述物理空间之间的相对运动，具体包括：

根据用户当前的位置信息和用户运动习惯，计算所述虚拟空间与所述物理空间之间的相对运动。

所述的重定向行走方法，其中，所述方法还包括：应用深度学习算法反向训练所述交互式重定向行走算法；所述深度学习算法的数据集为用户的历史行走数据。

所述的重定向行走方法，其中，所述方法还包括：为每个应用场景预设对应的交互式重定向行走算法的调整参数；根据所述应用场景，使用具有对应的调整参数的交互式重定向行走算法。

一种重定向行走服务器，其中，包括存储器和处理器；所述存储器存储有可执行程序；所述可执行程序在被所述处理器调用时，使所述处理器执行如上所述的重定向行走方法。

一种重定向行走系统，其中，包括如上所述的重定向行走服务器、虚拟现实眼镜以及位置传感器；所述虚拟现实眼镜以及位置传感器与所述重定向行走服务器通信连接，所述位置传感器用于采集用户的实时位置信息并传输至所述重定向行走服务器；所述虚拟现实眼镜用于接收所述重定向行走服务器的数据，向用户显示虚拟空间对应的图像变化。

本发明实施方式的有益效果是：应用了网络映射型的交互式重定向行走算法，生成物理空间与对应的虚拟空间之间的相对运动关系，根据用户在实际空间中的相对位置，可以引导用户在虚拟空间中自由行走而不超越实际空间的边界并且维持虚拟世界和实际世界中边界和物体之间的同步匹配关系。

这种算法扩大了用户在虚拟空间中的可行走面积，从而实现了有限实际空间映射到无限虚拟空间的目的，完成了从虚拟现实的无限制距离重定向行走到混合现实无限制距离重定向行走的升级。

附图说明

图1是本发明实施例提供的重定向行走方法的方法流程图；

图2是本发明实施例提供的重定向行走方法的物理空间和虚拟空间中的运动路径示意图；

图3是本发明实施例提供的重定向行走方法的空间单元的网络映射示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供的重定向行走方法应用于相应的虚拟现实设备中。该虚拟现实设备包括预先提供的一个物理空间、向用户展示虚拟空间的图像画面的虚拟眼镜以及用于定位用户位置的位置传感器。

用户在物理空间行走过程中，虚拟眼镜向用户显示相应的图像画面，令用户具有在虚拟空间内的沉浸式体验。所述位置传感器采集相应的位置数据，作为计算参数，辅助计算物理空间和虚拟空间之间的映射关系。

图1为本发明实施例提供的在混合现实中的重定向行走方法。该重定向行走方法可以应用于虚拟现实设备中，扩大用户在虚拟空间内的可行走面积。如图1所示，所述方法可以包括如下步骤：

S101、根据物理空间的尺寸信息，将所述物理空间划分为两个或以上的物理空间单元，并且将虚拟空间划分为两个或以上的虚拟空间单元。

所述物理空间的尺寸信息具体可以通过实地测量或者其它合适的测量手段获得。该尺寸信息可以以数字模型的形式提供。相对应地，也会具有对应的数字模型对虚拟空间进行定义。

在确定了物理空间和虚拟空间以后，可以根据实际情况，两个空间之间的相互关系等，将其进行分割。在一些实施例中，可以根据实时情况下所对应的虚拟空间单元的形状和组合进行分割。

所述虚拟空间是指为根据项目需求制作的虚拟内容场景模型，其具体包括但不限于游戏场景、参观场景、展览场景等。在进行划分时，可以根据不同类型的场景之间、同一场景不同功能空间之间的属性上的差异来确定具体的虚拟空间单元。

在本实施例中，目标的划分结果是用户所在的虚拟空间单元均具有对应的几何形状相似的物理空间单元。

S102、分别为所述物理空间单元和所述虚拟空间单元建立物理空间坐标系和虚拟空间坐标系。

具体的，上述建立坐标系的方法为：以所述物理空间单元的中心点为圆心，建立所述物理空间的空间极坐标系，并且以所述虚拟空间单元的中心点为圆心，建立所述虚拟空间的空间极坐标系。

通过上述方式，在每个物理空间单元和虚拟空间单元中都具有专用的极坐标系，便于进行位置表示，并且在任意时刻，只激活用户所在的空间单元的极坐标系，使用其坐标值来表示用户的位置。

在本实施例中，极坐标系的原点为对应空间单元的中心点。该中心点具体是指在对应的空间单元中最适合在视觉定位时被用作参考物的点而非几何中心点。

S103、实时获取用户的位置信息以及在所述物理空间坐标系和所述虚拟空间坐标中对应的坐标值。该位置信息具体可以通过多种方式获取，其具体取决于实际的设备应用情况。

在本实施例中，所述步骤103具体可以包括：首先，通过位置传感器，获取用户在物理空间中的位置。然后，激活与当前的位置对应的物理空间单元的物理空间坐标系，并计算当前时刻，所述用户的位置对应的第一坐标值（即在物理空间的坐标值）。

然后，再根据所述第一坐标值，激活对应的虚拟空间单元的虚拟空间坐标系，并计算当前时刻，所述用户的位置对应的第二坐标值（即虚拟空间的坐标值）。

该位置传感器可以安装在用户的身体上，跟随用户运动，从而获得用户当前的位置信息。其具体可以是基于红外光学定位或者头戴设备空间定位学习等技术手段的位置传感器。

S104、通过交互式重定向行走算法，计算所述虚拟空间与所述物理空间之间的相对运动。

在获得上述基础的参数信息以后，可以通过交互式重定向行走算法进行运算。该算法的输出结果是用户在下一时刻，朝任意可能的方向运动时，物理空间和虚拟空间两者之间需要产生的相对运动。

具体的，所述交互式重定向行走算法是指用户行动与计算结果相互影响的算法。用户当前所处在的实际空间中的位置和相对运动所形成的用户运动习惯会影响虚拟空间和实际空间之间的相对运动。

在本实施例中，这种相对运动的关系由预先计算的方式生成的虚拟空间与物理空间的网络映射关系、用户的历史运动习惯以及下一步运动的可能性实时计算结果综合获得。

S105、通过所述相对运动，保持所述物理空间单元与所述虚拟空间单元的动态匹配。

通过上述计算获得的相对运动，累加后可以使得用户可以在有限的实际空间里，通过高自由度的交互式重定向行走，体验到一个远大于实际空间尺寸的虚拟空间。

亦即，将物理空间与虚拟空间之间的相对运动被不均匀的分散到用户在整个物理空间中任一点的运动上。这样的，用户一系列运动可以使得所述的相对运动累加到足够量的相对运动，以达到将用户在巨大的虚拟空间中的运动轨迹压缩至有限的实际空间内的效果。

图2为本发明实施例提供的物理空间与虚拟空间的网络映射图。如图2所示，在呈现四边型的物理空间31中，可以通过本发明实施例提供的重定向行走算法，映射到六边形的虚拟空间32中。可以理解，这样的映射时，网络映射图内的网络映射参考线均不为均匀直线或圆弧，即所述的不均匀相对运动的分散。

在一些实施例中，所述动态匹配为：在以用户为中心的预定范围内，所述物理空间单元与所述虚拟空间单元内的内容保持匹配，确保用户难以察觉该相对运动的效果。

图3为本发明实施例提供的物理空间和虚拟空间的运动路径示意图。如图3所示，在物理空间A中具有运动路径C1，而在虚拟空间B中具有运动路径C2。

由于用户的运动方向以及实际运动量会根据用户实际的运动情况作出实时的调整（物理空间和虚拟空间之间的相对运动）。因此，当这些调整被实时累加之后用户在物理空间中的运动路径C1和虚拟空间中的运动路径C2会发生较大的差异。基于该差异可以实现无距离限制的真实行走。

在较佳实施例中，为用户提供相应的触感体验，所述方法还可以包括：将所述虚拟空间单元在所述触感匹配基准面的位置设置对应的触感反馈。所述物理空间的边界为所述物理空间单元中的触感匹配基准面。

所述物理空间的边界具体可以是实际场地内的间隔物或者临时设置的围护物件，例如墙壁或者护栏等。以这些边界为基准面，设置与虚拟空间相应的触感反馈装置，例如某些可触碰物件等，提供虚拟内容的触感反馈。

通过这样的设置，可以很好的保持用户在虚拟空间内的沉浸式体验，具有较好的使用效果。

在一些实施例中，还可以应用深度学习算法反向训练所述交互式重定向行走算法。所述深度学习算法的数据集为用户的历史行走数据。

这样的学习方式可以令算法具有更好的适应性，针对不同的用户具有对应的最优计算结果，以更小的重定向偏移量形成足够量的相对运动以达到无限行走的目的。

在另一些实施例中，考虑到虚拟空间的场景的不同。为实现虚拟空间之间场景的针对性设置，还可以预先为每个应用场景预设对应的交互式重定向行走算法的调整参数。然后，根据实际使用的虚拟空间的场景，使用具有对应的调整参数的交互式重定向行走算法，从而使算法能够具有更好的适应性，适应到不同的应用场景中，获得更优的应用效果。

上述重定向行走方法可以由相应的重定向行走服务器实现。其中，该重定向行走服务器可以包括存储器和处理器。所述存储器存储有可执行程序；所述可执行程序在被所述处理器调用时，使所述处理器执行如上所述的重定向行走方法。所述重定向行走服务器计算获得图像画面处理可以由虚拟眼镜，向用户展示。

综上所述，本发明实施例提供的重定向行走方法，一方面利用预先设置好的物理空间场景与虚拟空间场景的匹配关系，为用户提供精准的触觉反馈和体验。另一方面，基于交互式重定向行走算法，利用预先计算好的映射坐标系与网络图与实时计算的生成的相对运动量所达到的无限行走的效果，从而产生连贯的高自由度无限行走体验。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种在混合现实中的重定向行走方法，其特征在于，包括：

根据物理空间的尺寸信息，将所述物理空间划分为两个或以上的物理空间单元，并且将虚拟空间划分为两个或以上的虚拟空间单元；

分别为所述物理空间单元和所述虚拟空间单元建立物理空间坐标系和虚拟空间坐标系；

实时获取用户的位置信息以及在所述物理空间坐标系和所述虚拟空间坐标中对应的坐标值；

通过交互式重定向行走算法，计算所述虚拟空间与所述物理空间之间的相对运动；

通过所述相对运动，保持所述物理空间单元与所述虚拟空间单元的动态匹配；

在所述物理空间中，通过所述交互式重定向行走算法，映射到虚拟空间中，形成网络映射图；

所述网络映射图内的网络映射参考线均不为均匀直线或圆弧。

2.根据权利要求1所述的重定向行走方法，其特征在于，所述物理空间的边界为所述物理空间单元中的触感匹配基准面；所述虚拟空间单元在所述触感匹配基准面的位置设置对应的触感反馈。

3.根据权利要求1所述的重定向行走方法，其特征在于，所述分别为所述物理空间单元和所述虚拟空间单元建立物理空间坐标系和虚拟空间坐标系，具体包括：

以所述物理空间单元的中心点为圆心，建立所述物理空间的空间极坐标系；

以所述虚拟空间单元的中心点为圆心，建立所述虚拟空间的空间极坐标系。

4.根据权利要求1所述的重定向行走方法，其特征在于，所述实时获取用户的位置信息以及在所述物理空间坐标系和所述虚拟空间坐标中对应的坐标值，具体包括：

通过位置传感器，获取用户在物理空间中的位置；

激活与当前的位置对应的物理空间单元的物理空间坐标系，并计算当前时刻，所述用户的位置对应的第一坐标值；

根据所述第一坐标值，激活对应的虚拟空间单元的虚拟空间坐标系，并计算当前时刻，所述用户的位置对应的第二坐标值。

5.根据权利要求1所述的重定向行走方法，其特征在于，所述动态匹配为：在以用户为中心的预定范围内，所述物理空间单元与所述虚拟空间单元内的内容保持匹配。

6.根据权利要求1所述的重定向行走方法，其特征在于，所述通过交互式重定向行走算法，计算所述虚拟空间与所述物理空间之间的相对运动，具体包括：

根据用户当前的位置信息和用户运动习惯，计算所述虚拟空间与所述物理空间之间的相对运动。

7.根据权利要求1所述的重定向行走方法，其特征在于，所述方法还包括：

应用深度学习算法反向训练所述交互式重定向行走算法；所述深度学习算法的数据集为用户的历史行走数据。

8.根据权利要求1所述的重定向行走方法，其特征在于，所述方法还包括：

为每个应用场景预设对应的交互式重定向行走算法的调整参数；

根据所述应用场景，使用具有对应的调整参数的交互式重定向行走算法。

9.一种重定向行走服务器，其特征在于，包括存储器和处理器；所述存储器存储有可执行程序；所述可执行程序在被所述处理器调用时，使所述处理器执行如权利要求1-8任一所述的重定向行走方法。

10.一种重定向行走系统，其特征在于，包括如权利要求9所述的重定向行走服务器、虚拟现实眼镜以及位置传感器；

所述虚拟现实眼镜以及位置传感器与所述重定向行走服务器通信连接，所述位置传感器用于采集用户的实时位置信息并传输至所述重定向行走服务器；

所述虚拟现实眼镜用于接收所述重定向行走服务器的数据，向用户显示虚拟空间对应的图像变化。

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