CN110280014B - 一种虚拟现实环境下降低眩晕感的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虚拟现实环境下降低眩晕感的方法，包括：通过虚拟场景中的用户视角控制点控制场景渲染相机渲染用户视角下的三维虚拟场景；通过映射相机将用户视角下的三维虚拟场景映射到一个二维平面；根据映射相机渲染的画面的纹理贴图和材质创建映射遮罩；判断用户的移动状态，根据用户的移动状态切换映射遮罩的开关状态。在使用VR头戴式显示器第一人称线性移动时，使用映射遮罩降低不适感，增强其沉浸感。

Description

一种虚拟现实环境下降低眩晕感的方法

技术领域

本发明涉及虚拟现实技术和人机交互技术领域，具体地涉及一种虚拟现实环境下使用映射遮罩降低眩晕感的方法。

背景技术

随着VR头戴式显示器的商业化，虚拟现实技术的娱乐性在过去十年里不断发展。然而，即使VR头戴式显示器使得第一人称游戏具有极佳的沉浸感，但却并不普及。因为在虚拟现实中，第一人称视角下的线性移动会引起强烈的不适感。有研究表明，这种不适感类似于晕车症状，是人类视觉系统和前庭系统所接收的信息有差异而大脑无法协调造成的。其症状包括头晕、冒汗、疲劳等，甚至会引起呕吐，这大大影响了VR第一人称射击游戏的体验感。随着电子竞技的兴起，射击游戏变得更具对抗性，用户的频繁操作会加重这种不适感，使得原有的VR技术在这类游戏中难以推广和发展。因此，为了降低这种不适感，研究者探讨了不同的改良方案。

使用传送的方式代替线性移动是现有的一种方案。目前大多数VR游戏采用了这种方法，通过固定游戏视角，用手柄操作“瞬移”来降低不适感。例如在《RoboRecall》这款游戏中，玩家不能进行线性移动，只能通过摇杆选择传送点或者发射射线的方式进行移动，在提高沉浸感的同时降低了眩晕程度。然而，这种方案让玩家丧失了在第一人称射击游戏中的灵活性。因为无法进行线性移动，玩家接收到的信息并不连续，所以更容易被敌人击中，从而造成更强的挫败感。因此，使用传送的方式代替线性移动并不是一种最优的方案。

与改变移动方式的方案不同，在游戏界面添加凝视点也可以减轻不适感。这种方案需要在玩家面前呈现一个固定的半透明圆形区域(通常由两个半径为5厘米的同心圆和一个面积介于0.1至78平方厘米的半透明圆环组成)，通过吸引玩家注意力来降低眩晕感。有研究表明，在快节奏的第一人称射击游戏中，玩家很难在场景中找到一个可以集中注意力的点，这反而加剧了不适感。因此，在《Mirror’s Edge》这款游戏中，设计者设置了一个小的十字线，玩家可以通过注视它来集中注意力。然而，在第一人称射击游戏中，由于对手可能躲在被凝视点遮挡的区域后面，因此凝视点可能会分散玩家的注意力。此外，凝视区域的面积有限，不足以作为一个注视点来减轻玩家在移动中的不适感。所以，凝视点方案也很难应用于实际的游戏中。

在Flash动画中，“遮罩”主要有2种用途，一个作用是用在整个场景或一个特定区域，使场景外的对象或特定区域外的对象不可见，另一个作用是用来遮罩住某一元件的一部分，从而实现一些特殊的效果。

发明内容

为了解决基于传送方案因不灵活性导致玩家产生挫败感，基于凝视点方案因遮挡玩家视线和不能真正吸引用户注意力导致的不实用性，本发明的目的是提出了一种虚拟现实环境下降低眩晕感的方法。在使用VR头戴式显示器第一人称线性移动时，使用映射遮罩降低不适感，增强其沉浸感。

本发明的技术方案是：

一种虚拟现实环境下降低眩晕感的方法，包括以下步骤：

S01：通过虚拟场景中的用户视角控制点控制场景渲染相机渲染用户视角下的三维虚拟场景；通过映射相机将用户视角下的三维虚拟场景映射到一个二维平面；

S02：根据映射相机渲染的画面的纹理贴图和材质创建映射遮罩；

S03：判断用户的移动状态，根据用户的移动状态切换映射遮罩的开关状态。

优选的技术方案中，通过调整映射相机与场景渲染相机的位置调整映射遮罩的大小。

优选的技术方案中，所述步骤S02中创建的映射遮罩包括完全遮罩、沉浸式隐遮罩和隐遮罩，所述完全遮罩开启时遮罩大小占据整个用户视野，遮罩物体与映射相机处于同一层级，这两者的父物体与场景相机刚体在同一层级下，映射遮罩的参数设置为：旋转角度(90，180，0)，缩放(0.1，0.1，0.1)，位置(0，0.687，1.663)，所述场景渲染相机跟随用户头戴式显示器的视角，映射相机和遮罩由外部输入控制旋转和移动；所述沉浸式隐遮罩开启时遮罩大小占据整个用户视野，通过调整映射相机与场景渲染相机的距离改变遮罩在用户视野的大小，所述映射遮罩的参数设置为：角度(90，180，0)，缩放(0.1，0.1，0.1)，位置(0，0，0.5)，映射相机与场景渲染相机处于同一位置，两者的旋转和移动同步进行，通过外部输入来旋转和移动，通过旋转头戴显示器改变用户的观察视角，不改变用户控制器的方向和位置；所述隐遮罩开启时遮罩大小不占据整个用户视野，通过调整映射相机与场景渲染相机的距离改变遮罩在用户视野的大小，所述映射遮罩的参数设置为：旋转角度(90，180，0)，缩放(0.1，0.1，0.1)，位置(0，-0.2，1)，映射相机与场景渲染相机处于同一位置，两者的旋转和移动同步进行。

优选的技术方案中，所述步骤S03中判断用户的移动状态包括以下步骤：

检测角色控制器的位移数据

若位移数据

小于等于预设临界值，则判断角色处于停止移动状态；

反之，角色处于移动状态，进一步判断接收外力判断信息变量B，若B＝1则判断为触发外力，位移数据为角色非自主移动；若B＝0则判断为无外力触发，位移数据为角色自主移动。

优选的技术方案中，所述步骤S03中还包括，判断是否为完全遮罩，若为完全遮罩，则一直开启遮罩；否则，当角色开始非自主移动时，打开遮罩，当角色停止移动或者自主移动时，关闭遮罩。

优选的技术方案中，所述沉浸式隐遮罩的遮罩关闭和开启设置延迟时间。

与现有技术相比，本发明的优点是：

本发明可以在第一人称游戏中降低玩家使用VR头戴式显示器因频繁移动所造成的眩晕感。同时，映射遮罩提高了玩家的注意力，增强了游戏的沉浸感。本发明提出的三种不同的映射遮罩显示方案，可以应用于不同场景。完全遮罩方案虽然降低了VR的沉浸感，但是最大程度上减轻了眩晕症状，此方案提供了一个封闭的舒适空间，可以增强玩家的注意力；沉浸式隐遮罩方案使遮罩的开关难以察觉，此方案适用于快节奏游戏，在保持玩家操作灵活性的同时降低其眩晕感。这种方案是传统角色控制器与VR立体感的结合，可以让传统游戏类型移植到VR平台后依然保持原有的移动方式；隐遮罩方案适用于目标集中在视野前方的游戏，提高玩家在寻找前方目标时的立体感。

本发明也可应用于房屋装修模拟软件。为了向客户展示装修效果，一个可以随意走动的三维虚拟环境可以增强其显示效果。映射遮罩可以尽量避免客户在虚拟环境中移动时的不适感，从而提高客户对装修效果的体验和评价。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明虚拟现实环境下降低眩晕感的方法的流程图；

图2为本实施例映射遮罩技术图解；

图3为本实施例所使用的两台摄像机的纹理贴图；

图4为本实施例完全遮罩方案图解；

图5为本实施例沉浸式隐遮罩方案图解；

图6为本实施例隐遮罩方案图解；

图7为本实施例实施流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例：

如图1所示，一种虚拟现实环境下降低眩晕感的方法，解决当前虚拟现实中的第一人称线性移动产生的强烈不适感的问题，具体包括以下步骤：

S01：通过虚拟场景中的用户视角控制点控制场景渲染相机渲染用户视角下的三维虚拟场景；通过映射相机将用户视角下的三维虚拟场景映射到一个二维平面；

S02：根据映射相机渲染的画面的纹理贴图和材质创建映射遮罩；

S03：判断用户的移动状态，根据用户的移动状态切换映射遮罩的开关状态。

下面以第一人称VR射击游戏为例进行详细说明：

映射遮罩(亦称“魔窗”)技术是在虚拟环境中使用一个二维屏幕呈现用户视角下的三维场景。

本发明中所提到的映射遮罩技术需要两台摄像机，即场景渲染相机和映射相机。

场景渲染相机：如图2所示，右下角为玩家的视角画面，左下角的球体为第一人称角色控制器的摄像机，即虚拟场景中的用户视角控制点，用于渲染用户视角下的三维虚拟场景。

映射相机：映射遮罩用于将用户视角下的三维虚拟场景映射到一个二维屏幕(即图2中的二维平面)，映射相机不会渲染映射遮罩本身，以免出现无限循环。

映射相机的位置可以自由调节，通常与场景渲染相机放在同一位置，场景渲染相机的位置根据游戏需要自由放置。

本发明所使用的两台摄像机的纹理贴图设置如图3所示，使用二维纹理贴图，大小为1080*1080像素，颜色为ARGB32。纹理贴图会自动生成一组不同分辨率的图像数据(MipMaps)，用于优化实时3D引擎的性能和避免多种形式纹理的混叠。关闭动态缩放分辨率功能，在游戏过程中使分辨率保持一致以提供良好的视觉效果。过滤模式(filter mode)选择三线性插(Trilinear)。纹理的各向异性滤波水平(Aniso Level)调到最高，增强纹理的真实感。

本发明中映射遮罩的大小和形状可以改变。映射相机会把画面渲染到纹理贴图，遮罩是一个加载了该纹理贴图和材质的游戏物体，可以根据用户需求设置参数调节其形状大小，本发明中选用矩形，但不限于此形状。

本发明所使用的两种相机的视场角均可调节，默认为90度。调节映射相机的位置和视场角会影响映射遮罩的大小：映射相机的位置距离场景渲染相机越近，视场角越小，映射遮罩就越大，反之越小。映射遮罩使用了默认的平面网格，材质球使用UI/OverlayShader来去除默认材质的反射特性，模拟屏幕效果。

本发明中的映射遮罩可以根据用户需求切换开关状态。因为映射遮罩是为了降低移动时的眩晕感，而始终开启遮罩会降低VR的立体感。

本发明提到的角色控制器的移动由三个因素控制：(1)现实世界中用户头盔的移动，即用户自主移动；(2)手柄等外设输入控制器的操作，此为用户非自主移动；(3)虚拟游戏中外力引起的角色控制器的移动，如从高处掉落或被炸飞，此为用户非自主移动。

本发明中根据用户的非自主移动开关映射遮罩，自主移动对遮罩无影响。具体方法为：当玩家开始非自主移动时，遮罩自动打开，降低移动过程中的眩晕感；当玩家停止移动时遮罩自动关闭，节省性能并增强立体感。

判断玩家非自主移动：检测角色控制器的位移数据

是否大于预设临界值A，设A＝0.01，若

则判断角色处于停止移动状态，关闭遮罩；若

则需进一步判断是否是由游戏内物理引擎的外力引发，此处的外力包括两种：手柄等外设输入以及游戏内的跳跃、爆炸引发。假设变量B接收外力判断信息，若B＝1则判断为触发外力，如手柄摇杆的操作或游戏内出现爆炸状况，此时开启遮罩；若B＝0则判断为无外力触发，此时的位移数据是由玩家自主移动引起，则关闭遮罩。

根据本发明所提出的方法，设计了三种映射遮罩的显示方式：完全遮罩方案、沉浸式隐遮罩方案和隐遮罩方案。具体如下所述：

完全遮罩方案：

如图4所示，玩家只能看到整个遮罩，遮罩之外的三维场景并不渲染，用纯黑色代替。这种方案虽然降低了立体感，但理论上其眩晕程度最接近于使用真实环境下的计算机显示屏。本方案的遮罩物体与映射相机处于同一层级下，这两者的父物体与场景相机刚体在同一层级下。此方案中映射遮罩的参数设置为：旋转角度(90，180，0)，缩放(0.1，0.1，0.1)，位置(0，0.687，1.663)。此方案中的场景相机将跟随玩家头戴式显示器的视角，映射相机和遮罩只能由手柄等外部输入来控制旋转和方向。

沉浸式隐遮罩方案：

如图5所示，在玩家移动时开启遮罩，并关闭场景相机来节省性能。遮罩关闭和开启可以设置延迟时间，从而增强沉浸感。移动时开启遮罩降低了玩家在进行线性移动时的眩晕感。映射相机的位置、视角场以及遮罩的位置经过调整，使遮罩开启时的变化难以察觉，从而降低遮罩开启时对沉浸感的破坏。

本方案默认只通过调整映射遮罩与场景相机的距离来改变遮罩在玩家视野的大小。两个相机的视场角默认为90度，此方案中映射遮罩的参数设置为：角度(90，180，0)，缩放(0.1，0.1，0.1)，位置(0，0，0.5)。此方案中的两个相机处于同一位置，两者的旋转和移动同步进行。玩家只能通过手柄来旋转和移动，旋转头戴显示器只会改变玩家的观察视角，不会改变玩家控制器的方向和位置。立体感会使玩家在移动时产生眩晕，而且玩家在移动时通常会把注意力放在前方目标上，玩家难以察觉到此时开启遮罩引起的立体感降低。玩家停止移动时遮罩会立即自动关闭，从而节省性能和增强立体感。玩家停止移动时通常需要更细致的观察周边环境，此时关闭遮罩会增强场景的立体感，提高玩家沉浸感并降低眩晕感。

隐遮罩方案：

如图6所示，该方案与沉浸式隐遮罩方案相似，不同之处在于遮罩开启时不会占据整个视野，玩家依然可以观察到遮罩四周的立体环境。这种方案能让玩家始终感知周边的立体视野。本方案默认只通过调整映射遮罩与相机的距离来改变遮罩在玩家视野中的大小。两个相机的视场角默认为90度，此方案中映射遮罩的参数设置为：旋转角度(90，180，0)，缩放(0.1，0.1，0.1)，位置(0，-0.2，1)。此方案中的两个相机处于同一位置，两者的旋转和移动同步进行。

结合图7进行详细说明：

1、首先启动程序进入操作界面；

2、确定玩家选择的映射遮罩方案。玩家没有任何非自主移动操作时的情况下，在完全遮罩方案中，映射遮罩始终开启；在沉浸式隐遮罩方案和隐遮罩方案中，需要根据用户的移动状态自动切换遮罩的开关状态。

3、判断玩家移动状态。具体方法为：检测角色控制器的位移数据

是否大于预设临界值A，设A＝0.01，若

则判断角色处于停止移动状态，关闭遮罩；若

则需进一步判断是否是由游戏内物理引擎的外力引发，此处的外力包括两种：手柄等外设输入以及游戏内的跳跃、爆炸引发。假设变量B接收外力判断信息，若B＝1则判断为触发外力，如手柄摇杆的操作或游戏内出现爆炸状况，此时开启遮罩；若B＝0则判断为无外力触发，此时的位移数据是由玩家自主移动引起，则关闭遮罩。

4、在完全遮罩方案中，映射遮罩会始终开启，此方案中的场景相机会跟随玩家头戴式显示器的视角，映射相机和遮罩只能由手柄等外部输入来控制旋转和方向。

5、在沉浸式隐遮罩方案和隐遮罩方案中，当玩家没有非自主移动时，映射遮罩会立即关闭，来节约性能；当玩家开始非自主移动时，映射遮罩会立即开启，降低眩晕感。

6、在沉浸式隐遮罩方案和隐遮罩方案中映射相机和场景渲染相机处于同一位置，两者的旋转和移动同步进行；

7、循环步骤3-6，直至游戏结束。

实施例为说明本发明的其中一种，并不限定于第一人称VR射击游戏中的使用。本发明也可应用于房屋装修模拟软件。为了向客户展示装修效果，一个可以随意走动的三维虚拟环境可以增强其显示效果。映射遮罩可以尽量避免客户在虚拟环境中移动时的不适感，从而提高客户对装修效果的体验和评价。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (5)

1.一种虚拟现实环境下降低眩晕感的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01：通过虚拟场景中的用户视角控制点控制场景渲染相机渲染用户视角下的三维虚拟场景；通过映射相机将用户视角下的三维虚拟场景映射到一个二维平面；

S02：根据映射相机渲染的画面的纹理贴图和材质创建映射遮罩；

S03：判断用户的移动状态，根据用户的移动状态切换映射遮罩的开关状态；

所述步骤S02中创建的映射遮罩包括完全遮罩、沉浸式隐遮罩和隐遮罩，所述完全遮罩开启时遮罩大小占据整个用户视野，遮罩物体与映射相机处于同一层级，这两者的父物体与场景相机刚体在同一层级下，映射遮罩的参数设置为：旋转角度(90，180，0)，缩放(0.1，0.1，0.1)，位置(0，0.687，1.663)，所述场景渲染相机跟随用户头戴式显示器的视角，映射相机和遮罩由外部输入控制旋转和移动；所述沉浸式隐遮罩开启时遮罩大小占据整个用户视野，通过调整映射相机与场景渲染相机的距离改变遮罩在用户视野的大小，所述映射遮罩的参数设置为：角度(90，180，0)，缩放(0.1，0.1，0.1)，位置(0，0，0.5)，映射相机与场景渲染相机处于同一位置，两者的旋转和移动同步进行，通过外部输入来旋转和移动，通过旋转头戴显示器改变用户的观察视角，不改变用户控制器的方向和位置；所述隐遮罩开启时遮罩大小不占据整个用户视野，通过调整映射相机与场景渲染相机的距离改变遮罩在用户视野的大小，所述映射遮罩的参数设置为：旋转角度(90，180，0)，缩放(0.1，0.1，0.1)，位置(0，-0.2，1)，映射相机与场景渲染相机处于同一位置，两者的旋转和移动同步进行。

2.根据权利要求1所述的虚拟现实环境下降低眩晕感的方法，其特征在于，通过调整映射相机与场景渲染相机的位置调整映射遮罩的大小。

3.根据权利要求1所述的虚拟现实环境下降低眩晕感的方法，其特征在于，所述步骤S03中判断用户的移动状态包括以下步骤：

检测角色控制器的位移数据

若位移数据

小于等于预设临界值，则判断角色处于停止移动状态；

反之，角色处于移动状态，进一步判断接收外力判断信息变量B，若B＝1则判断为触发外力，位移数据为角色非自主移动；若B＝0则判断为无外力触发，位移数据为角色自主移动。

4.根据权利要求3所述的虚拟现实环境下降低眩晕感的方法，其特征在于，所述步骤S03中还包括，判断是否为完全遮罩，若为完全遮罩，则一直开启遮罩；否则，当角色开始非自主移动时，打开遮罩，当角色停止移动或者自主移动时，关闭遮罩。

5.根据权利要求1或4所述的虚拟现实环境下降低眩晕感的方法，其特征在于，所述沉浸式隐遮罩的遮罩关闭和开启设置延迟时间。

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