CN109745701A - 虚拟实境动感系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种虚拟实境动感系统，其包含主机、动感平台与多个可调式充气装置。主机与头戴式显示器建立通讯，动感平台电性连接主机。多个可调式充气装置实体连接于动感平台的下方，且电性连接主机。当这些可调式充气装置中至少一者的状态改变时，主机依据动感平台的方位变化，调整头戴式显示器所显示的画面的视角。借此，本发明降低或消除使用头戴式显示器的晕眩感。

Description

虚拟实境动感系统

技术领域

本发明是有关于一种系统，且特别是有关于一种虚拟实境动感系统。

背景技术

头戴式显示器是用于显示图像及色彩的设备。通常是用眼罩或头盔的形式，把显示屏贴近用户的眼睛，通过光路调整焦距以在近距离中对眼睛投射画面，提供使用者关于视觉等感官的模拟，让使用者感觉仿佛身历其境，可以及时、没有限制地观察三维空间内的事物。

过度使用可能对身体健康造成伤害。目前最广为人所知的是一种称之为“VR晕”的症状，意思就是连续使用头戴式显示器超过一段时间(或为大约20分钟)，即会产生类似晕车般头晕目眩的效果。这种症状是由于视觉所看到的影像与身体内部感知的状况不一致所造成。例如一个人的身体内部感知觉得往前跨了一步，但视觉上的影像并没有如预期般后退，像这样不一致的状况维持超过一段时间就会产生头晕的症状。

由此可见，上述现有的方式，显然仍存在不便与缺陷，而有待加以进一步改进。为了解决上述问题，相关领域莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的方式被发展完成。因此，如何能降低或消除使用头戴式显示器的晕眩感，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前相关领域亟需改进的目标。

发明内容

本发明提出一种虚拟实境动感系统，以解决先前技术的问题。

在本发明的一实施例中，本发明所提出的虚拟实境动感系统包含主机、动感平台与多个可调式充气装置。主机与头戴式显示器建立通讯，动感平台电性连接主机。多个可调式充气装置实体连接于动感平台的下方，且电性连接主机。当这些可调式充气装置中至少一者的状态改变时，主机依据动感平台的方位变化，调整头戴式显示器所显示的画面的视角。

在本发明的一实施例中，主机执行程序，使头戴式显示器呈现内容，主机依据内容的信息，调整多个可调式充气装置中至少一者的充气、泄气或维持状态。

在本发明的一实施例中，主机分析内容的光流信息，以得出相对运动错觉程度，进而依据相对运动错觉程度，调整多个可调式充气装置中至少一者的充气、泄气或维持状态。

在本发明的一实施例中，虚拟实境动感系统还包含鼓风机，鼓风机电性连接主机。主机依据内容，判断是否启用鼓风机对动感平台吹风。

在本发明的一实施例中，程序为游戏程序，内容为游戏内容。

在本发明的一实施例中，动感平台包含方位感测器，在动感平台被多个可调式充气装置中至少一者位移时，方位感测器量测动感平台的平移距离，使主机相应调整头戴式显示器所显示的画面的平移量。

在本发明的一实施例中，动感平台包含方位感测器，在动感平台被多个可调式充气装置中至少一者位移时，方位感测器量测量测动感平台的旋转角度，使主机相应调整头戴式显示器所显示的画面的旋转量。

在本发明的一实施例中，动感平台包含基座、座椅与操控装置。基座设置于多个可调式充气装置上，座椅设置于基座上。操控装置设置于基座上，且电性连接主机，操控装置用于操控画面中的至少一物件。

在本发明的一实施例中，虚拟实境动感系统还包含屏幕，屏幕电性连接主机。屏幕与头戴式显示器同步显示相同的画面。

综上所述，本发明的技术方案与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。通过本发明的虚拟实境动感系统，横越虚拟与实体界线，通过可调式充气装置让动感平台可以达到上下升降、前后摆动、左右摇晃的功能，不仅给予使用者动感刺激的体验，而且还能降低抑或消除使用头戴式显示器的晕眩感。

以下将以实施方式对上述的说明作详细的描述，并对本发明的技术方案提供更进一步的解释。

附图说明

为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：

图1A是依照本发明一实施例的一种虚拟实境动感系统的立体图；

图1B是依照本发明一实施例的一种虚拟实境动感系统的爆炸图；

图2是依照本发明一实施例的一种虚拟实境动感系统的方块图；

图3A是依照本发明一实施例的一种虚拟实境动感系统于抬升状态的侧视示意图；

图3B是依照本发明一实施例的一种虚拟实境动感系统于初始状态的侧视示意图；

图4是依照本发明一实施例的一种虚拟实境动感系统的侧视示意图；以及

图5～图8是依照本发明一实施例的一种虚拟实境动感系统的局部方块图。

具体实施方式

为了使本发明的叙述更加详尽与完备，可参照所附的附图及以下所述各种实施例，附图中相同的号码代表相同或相似的元件。另一方面，众所周知的元件与步骤并未描述于实施例中，以避免对本发明造成不必要的限制。

于实施方式与申请专利范围中，涉及“电性连接”的描述，其可泛指一元件透过其他元件而间接电气耦合至另一元件，或是一元件无须透过其他元件而直接电气连结至另一元件。

于实施方式与申请专利范围中，涉及“连线”的描述，其可泛指一元件透过其他元件而间接与另一元件进行有线与/或无线通讯，或是一元件无须透过其他元件而实体连接至另一元件。

于实施方式与申请专利范围中，除非内文中对于冠词有所特别限定，否则“一”与“该”可泛指单一个或多个。

本文中所使用的“约”、“大约”或“大致”是用以修饰任何可些微变化的数量，但这种些微变化并不会改变其本质。于实施方式中若无特别说明，则代表以“约”、”大约”或“大致”所修饰的数值的误差范围一般是容许在百分之二十以内，较佳地是于百分之十以内，而更佳地则是于百分之五以内。

图1A是依照本发明一实施例的一种虚拟实境动感系统100的方块图，图1B是依照本发明一实施例的一种虚拟实境动感系统的爆炸图。如图1A、图1B所示，虚拟实境动感系统100包含主机110、动感平台120、多个可调式充气装置屏幕140与鼓风机150。

在架构上，多个可调式充气装置实体连接于动感平台120的下方；具体而言，可调式充气装置是设在动感平台120下方的四个角落，借此动感平台120达到可以上下升降、前后摆动、左右摇晃的功能。举例而言，可调式充气装置可包含空压机、气囊、电磁阀…等，空压机供应气体，电磁阀用于控制气囊于任意适合的气体含量状态。主机110可为电脑主机、大型电玩主机或其他计算机装置，动感平台120可为人机互动操作平台，屏幕140可为平面显示器或曲面显示器。

动感平台120包含基座121、座椅122与操控装置123。在架构上，操控装置123设置于基座121上，基座121设置于多个可调式充气装置上，座椅122设置于基座121上。举例而言，操控装置123可包含方向盘、按钮、摇杆、煞车装置…等，但本发明不以此例为限。

于使用时，使用者可配戴头戴式显示器并坐在座椅122上，主机110执行程序(如：游戏程序)，使头戴式显示器呈现内容(如：游戏内容)，屏幕140与头戴式显示器同步显示相同的画面(如：游戏画面)，使用者可透过操控装置123用于操控画面中的至少一物件(如：游戏中的车辆)。主机110依据上述内容，判断是否启用鼓风机150对动感平台吹风。

主机110依据上述内容的信息，调整多个可调式充气装置中至少一者的充气、泄气或维持状态，此方式不仅能让动感平台120处于充气完成、泄气完成的状态，而且能在充泄气中途使动感平台120维持在特定值。

于一比较例中，动感平台技术是以充气方式进行，通过前后、左右倾角及高度的即时控制，在指定状况下对充气阀充气，完成作动后则泄气回到预设最低点状态。此方式仅能让平台处于充气完成、泄气完成的状态，而不能在充泄气中途使平台维持在特定值。

然而，在虚拟实境的环境下，玩家对动感平台120的反应大多比以往敏感，因而需要让动感平台120能有更丰富、更细致的动态，以对应使用者在游玩过程中的碰撞、事件遭遇、地形……等反应，达成减弱使用者晕眩感的目的。

因此，在本发明的一实施例中，本发明的动感平台技术是以泄气方式进行，透过有充气、泄气、维持三功能的可调式充气装置使动感平台120预设状态可维持于额定最高点，再以泄气方式进行调整，并可透过设定四角落可调式充气装置的高度变化量(增减)，以及设定充、泄气速度等方式，使动感平台120带给使用者有轻微摇晃到剧烈晃动的细致体感感受。

相较于上述比较例中的动感平台技术，本发明的可调式充气装置 不仅可使动感平台120四角高度各维持在特定位置，主机110更能控制可调式充气装置充气或泄气的速度，使玩家能体验到平缓加速、突然加速等更细致的速度变化状态。

图2是依照本发明一实施例的一种虚拟实境动感系统100的方块图。如图2所示，动感平台120及其操控装置123电性连接主机110，主机110电性连接多个可调式充气装置屏幕140与鼓风机150。主机110与头戴式显示器290之间可透过有线或无线方式建立通讯。

使用者以头戴式显示器290进行虚拟实境过程中常产生的晕眩因人而异，本发明得出虚拟实境的晕眩感(simulator sickness)形成的主要原因有二：一为在虚拟环境中产生的特定光流图案(Optical Flow Pattern)会导致相对运动错觉(Vection)；二为相对运动错觉产生后与人体前庭系统感知信号出现冲突，进而造成晕眩不适。以游戏为例，光流图案所出现的形式，与游戏画面视觉呈现的设计有关，在游戏的设计中，游戏镜头的运动要避免出现与人类日常行动感知相异，如画面侧移、后退等等，而在垂直轴的线性震荡及旋转运动，亦会产生令人不适的相对运动错觉。

为了针对虚拟实境的内容及画面，进行晕眩强度评估的量化，本发明预先对于相对运动错觉亦产生的因素：画面镜头运动、美术材质调整进行分析与调整，将画面转换为视觉化光流信息，以明确的数据对比出容易诱发使用者晕眩的特定光流图案。据此，于虚拟实境动感系统100运作时，主机110分析上述内容(如：游戏内容)的光流信息，以得出相对运动错觉程度，进而依据相对运动错觉程度，调整多个可调式充气装置中至少一者的充气、泄气或维持状态。

实务上，光流为人在世界中可感觉到的明显视觉移动，本发明演算上考量的色相、明度、流向亦与虚拟实境内容开发时的镜头运动、美术材质相关。主机110可针对录制的画面影像进行光流信息分析，主机110可将该光流信息与实测的晕眩体验进行对比，取得光流信息与晕眩体验的关联性，借以量化相对运动错觉程度。

另一方面，戴头戴式显示器290可以通过激光定位装置打出激光侦测戴头戴式显示器接收位置的方式，来确认使用者处在范围空间中的哪处定位点。然而，由于虚拟实境中没有动感平台120跟着动作，因此在动感平台120产生动作、导致头戴显示器有偏移时，虚拟实境中画面的视角亦会在使用者没有任何动作的情况下跟着偏移，造成画面的视角实际位与使用者预期中希望观看的位置有落差的状况。

因此，在本发明的一实施例中，当可调式充气装置中至少一者的状态改变时，主机110依据动感平台120的方位变化，调整头戴式显示器290所显示的画面的视角，借以与使用者预期中希望观看的位置相符。

为了即时感测动感平台120的方位变化，于图2中，动感平台120包含方位感测器210。具体而言，在本发明的一实施例中，在动感平台120被多个可调式充气装置中至少一者位移时，方位感测器210量测动感平台120的平移距离，使主机110相应调整头戴式显示器290所显示的画面的平移量；方位感测器210亦可量测量测动感平台120的旋转角度，使主机110相应调整头戴式显示器290所显示的画面的旋转量。

实作上，方位感测器210可以为单一感测元件，或是由数个感测元件(如：位移感测元件、角度感测元件…等)构成，熟悉此项技艺者应视当时需要弹性选择之。

关于平移补正，请同时参照图2、图3A、图3B，图3A是依照本发明一实施例的一种虚拟实境动感系统于抬升状态的侧视示意图，图3B是依照本发明一实施例的一种虚拟实境动感系统于初始状态的侧视示意图。当可调式充气装置皆等量充气，使动感平台120抬升，方位感测器210测得旋转角度与初始位置相同，主机110无须进行头戴式显示器290画面的旋转处理。但是方位感测器210测得抬升后的位置与初始位置不同，需向下平移了一段平移距离Xcm回到初始定位位置，因此主机110使头戴式显示器290的虚拟实境中的画面的亦需向下补正相应的平移量。

关于旋转补正，请同时参照图2、图4，图4是依照本发明一实施例的一种虚拟实境动感系统100的侧视示意图。当可调式充气装置131、132皆泄气，使动感平台120前倾后，方位感测器210测得旋转角度θ与初始角度不同，主机110使行头戴式显示器290的画面转动相应的旋转量以回到初始定位角度。

另一方面，方位感测器210测得当前位置与初始位置不同，且经过旋转变化，主机110需透过三维空间的旋转矩阵换算画面视角的位移量，主机110使行头戴式显示器290的画面移动相应的位移量。

实作上，虚拟实境动感系统100可为虚拟实境类竞速游戏机，玩家透过戴上头戴式显示装置进入虚拟场景，操作方向盘、油门、剎车，驾驶车辆在组合式赛道上奔驰并达到终点完成游戏体验。游戏采用头戴式显示器290及动感平台120来营造拟真的驾驶感受，可根据突发事件、路面起伏、腾空、落地等不同场景状况，给予即时且相对应的体感回馈。

游戏族群主要为休闲玩家，为增加游戏的互动性及趣味性，本发明使用虚拟副驾驶员进行指引，透过无缝串接的教学流程，令玩家在有如日常生活般的互动中，进入竞速场景。而虚拟副驾驶员会针对玩家的操作、及在竞速过程中因应不同的竞赛状况，给予不同的动作、声音的反应，给予玩家更丰富的游玩体验。

游戏场景包含如工厂、峡谷、乐园、港口…等多个不同主题的场景，每个场景都有其独特的风格与事件，而场景上的事件采随机发生且每个事件的演出都像动作电影般的惊险剌激，玩家穿梭事件时有如电影情节。部分事件有分左侧与右侧发生的机率，使玩家在遇到同一事件时，也会因发生位置不同而有不一样的体验，增加赛道的耐玩性。

硬件设计方面，使用头戴式显示器290，并架设激光定位装置与方位感测器210进行画面的补正；震动座椅功能与动感平台120让玩家无论是引擎发动、车辆碰撞、飞檐走壁时都会有前后左右的倾斜与震动反应，增加玩家的临场感；并装设鼓风机150，使玩家在游玩时有如在真实世界中驾驶跑车一般，拥有在风中飞驰的爽快感受。

于一实施例中，空气扰动是本发明中加入的效果，目的是增加玩家在虚拟实境时能有更真实的沉浸感，因此主机110以档位来设定风速的变化，让玩家在游玩时能让身体感受到周遭，在加速的同时加上风阻迎面而来，更增添真实受。

油门的大小会影响换档的快慢，档位的大小也同时影响风速的变化。

请同时参照图2、图5，可调式充气装置500可适用于上述可调式充气装置中的每一者。利用空压机为气阀520填充空气来抬升动感平台120，而主机110会送出信号来控制电磁阀510改变气流走向，来达到动感平台上下升降、前后摆动、左右摇晃的功能。

主机110执行的游戏主程序会决定平台四个角落气阀520的状态，于是会将信号传送到电磁阀510，充过电磁阀510切换阀门来改变气流走向，达到气阀520体积的改变，使得动感平台120做出对应的运动。

为了控制动感平台120作动，本发明设计了主机110执行的动感平台编辑器，采用增益、减益的相对设法，+1表示以当前高度为基准充气1cm，-1表示以当前高度为基准泄气1cm。透过编辑器即时控制平台四个角落的高度，而编辑动感平台参数数据。

请同时参照图1B、图6，动感平台120在运作时，高度感测器600回传感测到的高度值，精确的高度值可以让动感平台在运作时更加即时也更加准确，这时确认平台相关硬件的准确度就至关重要，硬件一切安置妥当下，游戏便可以顺利的进行。

高度感测器600会透过红外线发射端610发射红外线，当它遇到遮挡物时会反回到红外线侦测端620，以电压值来对应探测的距离，通过测量电压值来取得与探测物体的距离。

高度感测器600位置：由于动感平台120的关系，座椅122会动，于是将感测器置不会动的底座130，由下往上发射红外线感测器来探得目前动感平台120高度。

请同时参照图1A、图7，主机110透过力回馈系统700来达成方向盘124的体感模拟。影响力回馈的因子有下述几点，车轮目前输入的方向盘转向，包含方向盘的角速度、不同抓地力的地面、轮胎目前的滑差、轮胎目前的正向力。综合上述游戏状态参数，在流程更新时计算出I/O板所需要的转向力(Steer Force)、弹力(Spring)、阻尼(Damping)等数据，再透过RS232协定传输至I/O板，由I/O板换算电流信号对马达进行控制，进而产生力回馈至使用者端。

力回馈系统700主要是利用马达输出来模拟各种力的作用，大型机台的方向盘可以是单马达输出，而一般家用游戏机使用的方向盘可有单马达及双马达输出，但本发明不以此为限。

请同时参照图8，空气压缩机(air compressor)810，简称空压机810，是可调式充气装置500的主体，它是将原动机(通常是电动机)的机械能转换成气体压力能的装置。

中国台湾属海岛型气候，大气中相对湿度较高，空气本身就含有大量的水气，只要单位面积的空气受到温度的降低或是压力的升高就会凝结水份，例如，将一杯冰开水放在桌上，一段时间后就会冷凝出一堆水珠，就可想见空气中的水分有多少。

空压机810压缩空气后会使空气原本的体积减少，所以会产生很多水，必须适时的排水，例如四小时排水一次，如此才不会造成桶内锈蚀，空压机才可以用更久。

为了达到自动泄水，维持空压机的寿命，本发明加装了泄水阀820，并透过程序来控制泄水的时间点，而不需要有人手动去做泄水的动作。

主机110会以游玩次数和开机时间长度来控制泄水阀820泄水，由于游戏中动感平台会让空压机810打气的次数很频繁，所以我们以游戏游玩次数和运行的时间这两个状况来控制，只要其中一项符合，我们就认为空压机810需要泄水的处理。

本发明中头戴式显示器290的玩家视角镜头(以下称Camera)每次游戏启动会因为定位系统中的基站(base station)判断头戴式显示器出来的初始位置不同而有所误差。所以每次开启游戏必须要对头戴式显示器290做归零校正。

定位系统是利用base station发出激光信号，头戴式显示器290上遍布了接收激光信号的感测器，透过跟base station的相对角度推测出设备在空间中的座标位置。动感平台的应用主要是增加使用者体感并非要让使用者在游戏过程中产生位置变化。因此若没有在游戏过程中过滤掉动感平台的姿态变化量，会导致游戏中camera位置有偏移，造成camera实际位置与预期中希望玩家观看的位置有落差的状况。

每位使用者的坐在位置上的高度均不相同，游戏过程中也无法对每位使用者的视角高度一一做调整，不正确的高度会破坏游戏内的沉浸感让使用者有晕眩、恶心等不适的体验。因此，专案将头本发明显示器290零点座标位置设计在框体上，并在游戏内设置了真实尺寸框体的3D模型，让玩家坐上座位戴上头戴式显示器290看到的画面跟戴上头戴式显示器290前的画面接近一模一样，距离也逼近真实长短让使用者能够得到更真实的体验。设计目标就是让使用者所见即所得，增强游戏的沉浸感。

在虚拟实境游戏的世界里面动晕症是最大的敌人，解决动晕症有许多不同的方式，画面中有“固定参考点”亦是其中一项帮助使用者克服动晕症有效方式。而竞速类游戏中，最佳的固定参考点即是移动载具本身。游戏过程中与车体的相对位置固定就变得相当的重要。

为让使用者视角在碰上动感平台120抬升、倾斜等等状况时，亦能维持在正常的玩家视角位置，故在框体上装设姿态感测器，透过感测器获得当前姿态与初始姿态的变化量，转换为头戴式显示器290需调整的旋转量及平移量的方式，对游戏中Camera进行姿态补正处理。如此操作，将可使原先在动感平台120作动下造成偏移的Camera，回到较接近玩家真实坐姿中双眼的所在位置，维持游戏沉浸感。

综上所述，通过本发明的虚拟实境动感系统100，横越虚拟与实体界线，通过可调式充气装置让动感平台120可以达到上下升降、前后摆动、左右摇晃的功能，不仅给予使用者动感刺激的体验，而且还能降低抑或消除使用头戴式显示器290的晕眩感。

虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种虚拟实境动感系统，其特征在于，包含：

一主机，与一头戴式显示器建立通讯；

一动感平台，电性连接该主机；以及

多个可调式充气装置，实体连接于该动感平台的下方，且电性连接该主机，当所述多个可调式充气装置中至少一者的状态改变时，该主机依据该动感平台的方位变化，调整该头戴式显示器所显示的画面的视角。

2.如权利要求1所述的虚拟实境动感系统，其特征在于，该主机执行一程序，使该头戴式显示器呈现一内容，该主机依据该内容的信息，调整所述多个可调式充气装置中至少一者的充气、泄气或维持状态。

3.如权利要求2所述的虚拟实境动感系统，其特征在于，该主机分析该内容的光流信息，以得出相对运动错觉程度，进而依据该相对运动错觉程度，调整所述多个可调式充气装置中至少一者的该充气、该泄气或该维持状态。

4.如权利要求2所述的虚拟实境动感系统，其特征在于，还包含：

一鼓风机，电性连接该主机，该主机依据该内容，判断是否启用该鼓风机对该动感平台吹风。

5.如权利要求2所述的虚拟实境动感系统，其特征在于，该程序为一游戏程序，该内容为一游戏内容。

6.如权利要求1所述的虚拟实境动感系统，其特征在于，该动感平台包含一方位感测器，在该动感平台被所述多个可调式充气装置中至少一者位移时，该方位感测器量测该动感平台的平移距离，使该主机相应调整该头戴式显示器所显示的画面的平移量。

7.如权利要求1所述的虚拟实境动感系统，其特征在于，该动感平台包含一方位感测器，在该动感平台被所述多个可调式充气装置中至少一者位移时，该方位感测器量测量测该动感平台的旋转角度，使该主机相应调整该头戴式显示器所显示的画面的旋转量。

8.如权利要求1所述的虚拟实境动感系统，其特征在于，该动感平台包含：

一基座，设置于所述多个可调式充气装置上；

一座椅，设置于该基座上；以及

一操控装置，设置于该基座上，且电性连接该主机，该操控装置用于操控该画面中的至少一物件。

9.如权利要求1所述的虚拟实境动感系统，其特征在于，还包含：

一屏幕，电性连接该主机，该屏幕与该头戴式显示器同步显示相同的该画面。