CN111318008A - 应用于虚拟现实的操作平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于虚拟现实的操作平台，其包括显示设备、站立平台、四肢动作侦测器、视角判断器、调整装置，以及微控制器。站立平台可侦测用户的重心倾斜方向，四肢动作侦测器可判断用户的四肢动作，而视角判断器可判断用户的身体方位。微控制器根据站立平台、四肢动作侦测器和视角判断器测得的信息去控制显示设备来显示相对应的虚拟现实内容，并根据虚拟现实应用控制调整装置以提供相对应的力反馈效果。因此，本发明的操作平台可在虚拟现实应用中侦测用户全身重心倾斜方向、手势及全身人体方位。

Description

应用于虚拟现实的操作平台
技术领域
本发明涉及一种应用于虚拟现实的操作平台，尤其涉及一种可在虚拟现实应用中侦测用户全身重心倾斜方向、手势及全身人体方位的操作平台。
背景技术
虚拟现实(virtual reality,VR)是利用计算机技术仿真出一个立体且高拟真的三维空间，当用户穿戴特殊显示设备进入后，会产生好像处在现实中的错觉。在这虚拟现实空间中，操作者可以和虚拟对象或其他玩家互动。由于虚拟现实应用强调的是用户在虚拟世界中的沉浸感，因此除了须满足在虚拟世界中的操控驾驭之外，更希望获得的不仅只是视觉以及声音的感受，进一步也希望能够同时提升人体五感的体验。
现有应用于虚拟现实的操作平台都是针对特定虚拟现实应用来设计，例如跳舞蹈游戏的跳舞机、战争游戏的飞行器/驾驶炮台，或运动游戏的跑步机等。现有虚拟现实操作平台限定特定虚拟现实应用，用户需分别使用或购买多种操作平台来体验不同虚拟现实应用，此种低兼容性会造成额外开销和不便利。
发明内容
鉴于上述现有技术的问题，本发明的目的在于提供一种高兼容性的的操作平台，以在虚拟现实应用中侦测用户全身重心倾斜方向、手势及全身人体方位。
为达到上述目的，本发明公开一种应用于虚拟现实的操作平台，其包括一显示设备、一站立平台，和一系统端。所述站立平台包括一底座；一万象轴承，用来乘载所述底座，并在一用户在所述底座上时提供一第一自由度和一第二自由度；多个辅助弹簧，设置于所述底座下方和一参考地面之间，用来帮助维持所述底座的平衡状态；以及多个第一距离传感器，设置于所述底座下方，用来侦测所述底座上不同点和所述参考地面之间的距离。所述系统端包括一主机，用来提供一虚拟现实应用所需的一影音数据；以及一微控制器，用来根据所述多个第一距离传感器所提供的距离信息来控制所述显示设备以显示相对应的虚拟现实内容。
附图说明
图1为本发明实施例中一种应用于虚拟现实的操作平台的功能方块图。
图2为本发明实施例中操作平台实作方式的上视图。
图3为本发明实施例中操作平台实作方式的侧面图。
图4A-4D为本发明实施例操作平台中站立平台作动时的示意图。
图5A-5B为本发明实施例操作平台中站立平台和调整装置作动时的示意图。
图6为本发明实施例操作平台中站立平台作动时的示意图。
图7A-7D为本发明实施例中四肢动作侦测器运作时的示意图。
图8A-8B为本发明实施例四肢动作侦测器运作时的示意图。
图9A-9B为本发明实施例四肢动作侦测器运作时的示意图。
图10A为本发明实施例视角判断器中遮断感应数组实作方式的上视图。
图10B为本发明实施例视角判断器中遮断感应数组实作方式的侧面图。
图11为本发明实施例视角判断器中距离感应数组实作方式的示意图。
图12A-12C为本发明实施例视角判断器运作时的示意图。
图13A-13B为本发明实施例视角判断器运作时的示意图。
其中，附图标记说明如下：
10 系统端
12 主机
14 图像处理单元
16 微控制器
20 站立平台
22 底座
24 万象轴承
26 辅助弹簧
30 显示设备
40 四肢动作侦测器
50 视角判断器
60 调整装置
62 杆件
64 动力装置
100 操作平台
GND 参考地面
D1-D3 屏幕
PS1-PS9、A1-A8、B1-B8、 距离传感器
E1-B5、F1-F5
SA1-SA2、SC1-SC2 距离感应数组
SL1-SL5、SR1-SR5 遮断感应数组
TX1-TX5、RX1-RX5 遮断传感器
S1-S9 信号
W1、W2 墙面
d1、d2 距离
Q1 第一自由度
Q2 第二自由度
Q3 第三自由度
具体实施方式
图1为本发明实施例中一种应用于虚拟现实的操作平台100的功能方块图。操作平台100包括一系统端10、一站立平台20、一显示设备30、一四肢动作侦测器40、一视角判断器50，以及一调整装置60。
系统端10包括一主机12、一图像处理单元14，以及一微控制器16。主机12可提供不同虚拟现实应用所需的影音数据，图像处理单元14可处理主机12所提供的虚拟现实影像数据以呈现在显示设备30上。根据主机12所提供的虚拟现实影音数据、四肢动作侦测器40所提供的动作信息，以及视角判断器50所提供的视角信息，微控制器16可控制操作平台100中各组件以提供相对应的视觉和强制反馈效果。在本发明实施例中，在不妨碍虚拟现实应用的前提下，系统端10可设置在操作平台100上任何合适位置。然而，系统端10的实作方式并不限定本发明的范畴。
图2为本发明实施例中操作平台100实作方式的上视图。图3为本发明实施例中操作平台100实作方式的侧面图。以用户站上站立平台20后的视角来说，显示设备30设置于站立平台20的前方，其包括一个或多个屏幕D1-DM(M为正整数)。为了说明目的，图2显示了M＝3的实施例。然而，显示设备30所包括的屏幕数量并不限定本发明的范畴。
如图3所示，站立平台20包括一底座22、一万象轴承24、多个辅助弹簧26，以及多个距离传感器PS1-PSN(N为大于1的整数)。万象轴承24用来乘载底座22，并在用户站立在底座22上时提供前后倾斜方向的第一自由度和左右倾斜方向的第二自由度。辅助弹簧26设置于底座22下方和一参考地面GND之间，用来帮助维持底座22的平衡状态。距离传感器PS1-PSN设置于底座22下方，用来侦测底座22上不同点和参考地面GND之间的距离。为了说明目的，图2显示了N＝9和4个辅助弹簧26的实施例。然而，距离传感器和辅助弹簧的数量并不限定本发明的范畴。
图4A-4D为本发明实施例操作平台100中站立平台20作动时的示意图。图4A-4D上方分别显示用户在站立平台20上做出前倾、后倾、右倾和左倾动作时的情况，而图4A-4D下方显示相对应用户姿态下距离传感器PS1-PS9所量测到的信号S1-S9，信号越大代表相对应距离传感器离地面越近。根据距离传感器PS1-PSM所量测到的信号，微控制器16可判断出用户的身体状态，进而控制显示设备30来显示相对应前倾/后倾/右倾/左倾的虚拟现实内容。
如图3所示，调整装置60包括杆件62和一动力装置64，其中杆件62可采用螺杆或齿轮机构，而动力装置64可为马达。微控制器16可根据虚拟现实应用的内容来控制动力装置64去抬升特定杆件62，进而压缩相对应辅助弹簧26以提供形成类似强制反馈或震动的效果。第5A-5B图为本发明实施例操作平台100中站立平台20和调整装置60作动时的示意图。如图5A和5B所示，动力装置64可以不同强度或频率去抬升不同杆件62以压缩相对应辅助弹簧26(由图5A-5B中的箭头表示)，进而提供在垂直方向的第三自由度以形成虚拟现实应用所需的强制反馈效果。
图6为本发明实施例操作平台100中站立平台20作动时的示意图。透过万象轴承24，站立平台20可提供前后倾斜方向的第一自由度(由箭头Q1表示)和左右倾斜方向的第二自由度(由箭头Q2表示)。透过调整装置60，站立平台20可提供垂直方向的第三自由度(由箭头Q3表示)。
在本发明操作平台100中，四肢动作侦测器40包括多组距离感应数组SA1-SAP(P为大于1的整数)，设置于参考地面GND上位于站立平台20和显示设备30之间的位置。每一距离感应数组包括面朝上方的多个距离传感器，用来在用户站上站立平台20后侦测用户的四肢动作。为了说明目的，图2显示了N＝2的实施例，其中距离感应数组SA1包括8个距离传感器A1-A8，而距离感应数组SA2包括8个距离传感器B1-B8。在本发明实施例中，感应数组中的距离传感器可采用超音波、雷射或红外线测距技术。然而，感应数组的数量和类型并不限定本发明的范畴。
图7A-7D为本发明实施例中四肢动作侦测器40运作时的示意图。图7A-7D上方依序显示用户站上站立平台20做出右拳向前向上挥击动作的过程，而图7A-7D下方显示相对应用户姿态下感应数组器SA1-SA2中每一距离传感器所量测到的信号。如图7A所示，当用户右拳尚未挥出时，距离感应数组SA1和SA2并不会侦测到障碍物，此时每一距离传感器侧到的信号接近0。如图7B-7D所示，在用户右拳向前向上挥击的期间，感应数组器SA1和SA2中相对应位置的距离传感器A6和B6会侦测到障碍物，而其它距离传感器不会侦测到障碍物，信号越大代表相对应距离传感器侦测到的障碍物离参考地面GND越近。根据感应数组器SA1-SAP所量测到的信号，微控制器16可判断出用户的手部动作状态，进而控制显示器来显示相对应的虚拟现实内容，例如物体被用户挥拳击倒等。
图8A-8B为本发明实施例四肢动作侦测器40运作时的示意图。图8A-8B上方分别显示用户站上站立平台20后做出抬右腿和抬左腿时的状况，而图8A-8B下方显示相对应用户姿态下感应数组器SA1-SA2所量测到的信号。如图8A所示，当用户做出抬右腿的动作时，感应数组器SA1和SA2中相对应位置的距离传感器A5和B5会侦测到障碍物，而其它距离传感器不会侦测到障碍物。如图8B所示，当用户做出抬左腿的动作时，感应数组器SA1和SA2中相对应位置的距离传感器A4和B4会侦测到障碍物，而其它距离传感器不会侦测到障碍物。根据感应数组器A1-AN所量测到的信号，微控制器16可判断出用户的腿部动作状态，进而控制显示器来显示相对应的虚拟现实内容，例如物体被用户踢开等。
图9A-9B为本发明实施例四肢动作侦测器40运作时的示意图。图9A-9B上方显示用户站上站立平台20后手部横向挥动时的状况，而图9A-9B下方显示相对应用户姿态下感应数组器SA1-SA2所量测到的信号。如图9A-9B所示，针对特定高度的障碍物，感应数组器SA1-SA2所包括的多个距离传感器可侦测障碍物在水平方向的位置，亦即只有在用户手部出现位置所对应的距离传感器才会测到信号。根据感应数组器SA1-SAN所量测到的信号，微控制器16可判断出用户的手部移动方式，进而控制显示器来显示相对应的虚拟现实内容。
针对虚拟现实内容中同时包括手部和脚部行为的应用，本发明可对四肢动作侦测器40侦测到的信号设定一区间条件。例如，当距离传感器在0-80公分的区间侦测到障碍物，微控制器16会判断此为用户的腿部动作；当距离传感器在大于80公分的处侦测到障碍物，微控制器16会判断此为用户的手部动作。
在本发明操作平台100中，视角判断器50包括遮断感应数组SL1-SLS(S为大于1的整数)、遮断感应数组SR1-SRS，和两组距离感应数组SC1-SC2。遮断感应数组SL1-SLS和SR1-SRS可侦测用户站上站立平台20后其身体姿态(面对方向、站姿或蹲姿)，而距离感应数组SC1-SC2可侦测用户站上站立平台20后其身体面对方向。
图10A为本发明实施例视角判断器50中遮断感应数组实作方式的上视图，而图10B为本发明实施例视角判断器50中遮断感应数组实作方式的侧面图。本发明可在用户站上站立平台20后的左侧和右侧分别设置墙面W1和W2，分别用来乘载遮断感应数组SL1-SLS和遮断感应数组SR1-SRS。遮断感应数组SL1-SLS中每一遮断感应数组包括多个遮断传感器TX1-TXT(T为大于1的整数)，遮断感应数组SR1-SRS中每一遮断感应数组包括多个遮断传感器RX1-RXT。遮断感应数组SL1-SLS中每一遮断感应数组可和遮断感应数组SR1-SRS中相对应遮断感应数组形成水平方向的扫描墙，如图10A中虚线箭头所示。遮断感应数组SL1-SLS和遮断感应数组SR1-SRS中每一对遮断感应数组所包括的多个遮断传感器可形成垂直方向的扫描墙，如第10B图中虚线箭头所示。为了说明目的，图10A和10B显示了S＝5和T＝5的实施例，然而视角判断器50中遮断传感器和距离传感器的数量并不限定本发明的范畴。
图11为本发明实施例视角判断器50中距离感应数组SC1-SC2实作方式的示意图。距离感应数组SC1包括多个距离传感器E1-EW(W为大于1的整数)，设置于显示设备30中位于中央的屏幕D2的左侧。距离感应数组SC2包括多个距离传感器F1-FW，设置于显示设备30中位于中央的屏幕D2的右侧。为了说明目的，图11显示了W＝5的实施例，然而视角判断器50中距离传感器的数量并不限定本发明的范畴。
图12A-12C为本发明实施例视角判断器50运作时的示意图。图12A-12C上方显示用户站上站立平台20后身体面向正前方、身体转向右方和身体转向左方的状况，而图12A-12C图下方显示相对应用户姿态下两组遮断感应数组和两组距离感应数组所测得的数据。如图12A所示，当用户面向正前方时，其身体厚度自然地遮蔽遮断感应数组SC1中的遮断感应数组SL2和SL3和遮断感应数组SC2中的遮断感应数组SR2和SR3(由图12A下方的O来表示)，遮断感应数组SC1中的遮断感应数组SL1、SL4和SL5和遮断感应数组SC2中的遮断感应数组SR1、SR4和SR5之间没有阻碍物(由图12A下方的X来表示)，而距离感应数组SC1测得的距离d1等于距离感应数组SC2测得的距离d2。如图12B所示，当用户的身体转向右方时，其身体横向面积变大而遮蔽遮断感应数组SC1中的遮断感应数组SL1-SL4和遮断感应数组SC2中的遮断感应数组SR1和SR4(由
图12B下方的O来表示)，遮断感应数组SC1中的遮断感应数组SL5和遮断感应数组SC2中的遮断感应数组SR5之间没有阻碍物(由图12B下方的X来表示)，而距离感应数组SC1测得的距离d1小于距离感应数组SC2测得的距离d2。如图12C所示，当用户的身体转向左方时，其身体横向面积变大而遮蔽遮断感应数组SC1中的遮断感应数组SL1-SL4和遮断感应数组SC2中的遮断感应数组SR1和SR4(由图12C下方的O来表示)，遮断感应数组SC1中的遮断感应数组SL5和遮断感应数组SC2中的遮断感应数组SR5之间没有阻碍物(由图12C下方的X来表示)，而距离感应数组SC1测得的距离d1大于距离感应数组SC2测得的距离d2。因此，根据视角判断器50所量测到的信号，微控制器16可判断出用户的身体面对方向，进而控制显示设备30中每一屏幕来显示相对应的虚拟现实内容。
图13A-13B为本发明实施例视角判断器50运作时的示意图。图13A-13B上方显示用户在站立平台20上面向正前方站立和蹲下的状况，而图13A-13B下方显示相对应用户姿态下两组遮断感应数组和两组距离感应数组所测得的数据。如图13A所示，当用户面向正前方直立时，其身体厚度自然地遮蔽遮断感应数组SC1中遮断感应数组SL2和SL3的所有遮断传感器TX1-TX5和遮断感应数组SC2中遮断感应数组SR2和SR3的所有遮断传感器RX1-RX5，而距离感应数组SC1测得的距离d1等于距离感应数组SC2测得的距离d2。如图13B所示，当用户面向正前方蹲下时，其身体厚度自然地遮蔽遮断感应数组SC1中遮断感应数组SL2和SL3的遮断传感器TX3-TX5和遮断感应数组SC2中遮断感应数组SR2和SR3的遮断传感器RX3-RX5，而距离感应数组SC1测得的距离d1等于距离感应数组SC2测得的距离d2。因此，根据视角判断器50所量测到的信号，微控制器16可判断出用户的身体姿态，进而控制显示设备30中每一屏幕来显示相对应的虚拟现实内容，例如蹲下躲避物品。
本发明的操作平台100可直接应用在部分虚拟现实游戏，例如做为舞蹈游戏中的跳舞机，或运动游戏中的跑步机/滑雪机等。针对其它虚拟现实应用，用户可架设相对应的人体固定器在操作平台100中的站立平台20上。以战争游戏为例，用户可将驾驶炮台架设在站立平台20上以模拟在坦克车上射击的情境；以赛车游戏为例，用户可将驾驶座/摩托车座架设在站立平台20上以模拟开车/骑摩托车的情境；以飞行游戏为例，用户可将身体平台架设在站立平台20上，当趴在身体平台上即可模拟跳伞或飞行伞的情境。由于人体固定器仅为简单机构，价钱相较于针对不同虚拟现实应用的专属操作平台低廉。在发明书前述内容是以用户直接站上站立平台20的实施例来做说明，当用户透过上述人体固定器以站姿、趴姿或坐姿上站立平台20时也是根据同样原理去侦测重心倾斜和人体方位，在此不另加赘述
综上所述，针对虚拟现实应用中内容互动的三种主要行为：人物移动、行为触发和视野转向，本发明的操作平台可侦测用户全身重心倾斜方向以判定用户在虚拟现实内容中的动态为向前/后/左/右/移动，并能判断手势及全身人体方位。针对不同虚拟现实应用，用户仅需添加或更换相对应的人体固定器，因此兼容性很高。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种应用于虚拟现实的操作平台，其特征在于，包括：
一显示设备；
一站立平台，其包括：
一底座；
一万象轴承，用来乘载所述底座，并在一用户在所述底座上时提供一第一自由度和一第二自由度；
多个辅助弹簧，设置于所述底座下方和一参考地面之间，用来帮助维持所述底座的平衡状态；以及
多个第一距离传感器，设置于所述底座下方，用来侦测所述底座上不同点和所述参考地面之间的距离；以及
一系统端，其包括：
一主机，用来提供一虚拟现实应用所需的一影音数据；以及
一微控制器，用来根据所述多个第一距离传感器所提供的距离信息来控制所述显示设备以显示相对应的虚拟现实内容。
2.如权利要求1所述的操作平台，其特征在于，另包括一调整装置，用来在所述用户在所述底座上时根据所述影音资料来提供一第三自由度。
3.如权利要求2所述的操作平台，其特征在于，所述调整装置包括一杆件和一动力装置，而所述微控制器根据所述影音数据来控制所述动力装置去抬升所述杆件，进而压缩所述多个辅助弹簧中相对应的辅助弹簧以提供所述虚拟现实应用所需的力反馈或震动效果。
4.如权利要求1所述的操作平台，其特征在于，另包括一四肢动作侦测器，所述四肢动作侦测器包括至少一组距离感应数组，设置于所述参考地面上位于所述站立平台和所述显示设备之间的位置，用来所述用户在所述站立平台上时侦测所述用户的四肢动作。
5.如权利要求4所述的操作平台，其特征在于，所述至少一组距离感应数组包括面朝上方的多个第二距离传感器，用来侦测所述站立平台和所述显示设备之间的一障碍物，且所述微控制器另用来根据所述多个第二距离传感器所提供的距离信息来控制所述显示设备以显示相对应的虚拟现实内容。
6.如权利要求4所述的操作平台，其特征在于：
当所述四肢动作侦测器侦测到位于所述站立平台和所述显示设备之间的一障碍物时，求出所述障碍物和所述参考地面之间的距离；
当所述障碍物和所述参考地面之间的距离超过一预定值时，所述微控制器判定所述障碍物相关于所述用户的一手部动作；且
当所述障碍物和所述参考地面之间的距离不超过所述预定值时，所述微控制器判定所述障碍物相关于所述用户的一腿部动作。
7.如权利要求1所述的操作平台，其特征在于，另包括一视角判断器，其包括：
多组第一遮断感应数组，设置于所述用户在所述底座上时的左侧，用来侦测所述用户在所述底座上时的一身体面对方向；
多组第二遮断感应数组，设置于所述用户在所述底座上时的右侧，用来侦测所述身体面对方向；
一第一距离感应数组，设置于所述显示设备中一屏幕的一第一侧，用来侦测所述用户在所述底座上时的一视角变化；以及
一第二距离感应数组，设置于所述屏幕的一第二侧，用来侦测所述视角变化，其中所述第一侧和所述第二侧为对向侧。
8.如权利要求7所述的操作平台，其特征在于，另包括：
一第一墙面，设置于所述参考地面上位于所述用户在所述底座上时的左侧，用来乘载多组第一遮断感应数组；以及
一第二墙面，设置于所述参考地面上位于所述用户在所述底座上时的右侧，用来乘载多组第二遮断感应数组。
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