CN112752922B - 用于光学跟踪虚拟现实系统的用户可选工具 - Google Patents

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Abstract

一种虚拟现实系统(100)和在其中使用的设备涉及光学检测布置(200)和工具(300)，该光学检测布置(200)被配置为检测与独特标识相关联的光图案，该工具(300)具有与其接合的多个发光设备(600)。在由光学检测布置(200)可检测的多个光图案之间用户可选择性地致动该发光设备(600)。该光图案提供由该光学检测布置(200)检测的该工具(300)的多个独特标识。

Description

用于光学跟踪虚拟现实系统的用户可选工具
背景技术
技术领域
本发明的各方面涉及虚拟现实系统，更具体地，涉及在光学跟踪虚拟现实系统中使用的用户可选工具以及实现此类工具的虚拟现实系统。
相关技术说明
虚拟现实体验通常采用物理道具来提高用户的沉浸体验。因为虚拟现实环境中表示的所有虚拟实现都是由计算机渲染的，所以可以制作简单的、非特定的物理道具来以引人注目的方式表示虚拟现实环境中更加复杂和变化多端的虚拟实现。例如，在虚拟现实中，简单的物理硬纸板管、木钉或棍子可以显示为任意数量的形状相似的对象，诸如正在工作的发光手电筒、正在燃烧的火炬、棒球棒或金属撬棍。对于虚拟现实用户，简单的棍子可以令人信服地成为所有这些事物，甚至更多。然而，为了在虚拟现实环境中正确地向用户表示，需要在物理环境中跟踪在虚拟现实环境中被表示为虚拟对象的任何所包括的道具。
在典型的虚拟现实装置中，跟踪系统会将每一个跟踪对象的位置和取向传输到模拟过程中，使得可以将跟踪对象的虚拟表示正确地渲染为虚拟现实环境的一部分。以简单的形式，此类跟踪系统遵循用户正在佩戴的头戴式显示器(例如，参见图1A和图1D中的元件50)的位置和取向，使得用户在虚拟现实环境中的视点可以在头戴式显示器的显示屏上被正确地渲染。更复杂的系统包括跟踪次要和再次要对象，允许用户或多个用户体验更复杂的虚拟现实环境。在虚拟现实环境中跟踪对象的一个方法是使用光学照相机来跟踪物理对象。物理道具可以由围绕物理装置架(例如，台架)成阵列的照相机进行成像。由照相机所捕获的图像有助于通过比较在视场中具有物理对象的所有照相机所看到的对象的视图(例如，通过三角测量)来确定每一个物理对象或道具的位置和取向。
为了进一步提高虚拟环境中物理道具提供的沉浸和实用水平，单个物理道具在不同的操作状态(例如，打开或关闭手电筒)之间或在不同的类型或配置(例如，从照亮的手电筒到正在燃烧的火炬)之间可切换是有用的。然而，向物理道具添加物理切换、按钮或其他可切换设备可能会给虚拟现实系统设计者带来附加的集成挑战。也就是说，由于虚拟现实装置中身体和对象跟踪技术的最新水平，检测开关的接合或断开动作是困难的。致动开关所需的运动通常太小，无法由基于光学的虚拟现实跟踪系统准确地检测。在开关和运行虚拟现实模拟的计算机设备之间采用有线或无线链接可以解决该问题，但这两种解决方案都有局限性。
更具体地，例如，发射器设备可经由有线或者经由WiFi或蓝牙无线地连接在用于虚拟现实系统的物理道具和模拟计算机之间。尽管从技术角度来看该解决方案是可行的，但它会带来一些生产和操作困难。例如，需要被并入物理道具中的发射器增加了道具的复杂性和成本，并且增加了集成到道具中的电功率需求。发射器还需要某种程度的编程和通信配置。从跟踪的角度来看，将需要用于来自发射器的无线电信号的接收器，该接收器也将需要某种程度的编程和通信配置，特别是如果接收器必须在虚拟现实布置中所涉及的许多此类无线电信号之间进行辨别的情况下。也就是说，当向虚拟现实环境中添加多于一个道具时，其中所有道具将由无线通信发射器/接收器布置进行跟踪，通信配对和效率的问题可能变得困难和复杂，特别是当用替换道具代替集成到系统中具有无线通信系统故障道具时。
因此，期望具有在虚拟现实环境中使用的简单物理道具和包含可切换设备的体验，其中可切换设备的用户致动可由虚拟现实模拟系统可靠地检测，并且其中物理道具本身不需要任何数据传输或其他类型的通信连接或与无线电信号接收设备配对。还期望该物理道具具有可切换设备，以利用已在虚拟现实体验中实现的现有跟踪系统，并且，一旦此类物理道具被适当地配置并集成到跟踪系统中，则无需进一步配置道具或在需要替换道具的情况下重新配置，以使跟踪系统按预期工作。
发明内容
本发明满足了上述和其他需求，在一个方面，提供了一种虚拟现实系统，该虚拟现实系统包括光学检测布置，该光学检测布置被配置为检测与独特标识相关联的光图案。一种工具具有与其接合的多个发光设备，其中在由该光学检测布置能检测的多个光图案之间用户能选择性地致动该发光设备，并且其中该光图案提供由该光学检测布置检测的该工具的多个独特标识。
本公开的另一个方面提供了一种在虚拟现实系统中使用的设备，包括工具以及与该工具接合的多个发光设备。在各自与独特标识相关联的多个光图案之间用户能选择性地致动该多个发光设备，并且该多个发光设备被适配成由光学检测布置检测，该光图案提供如由该光学检测布置所检测的与该工具相关联的多个独特标识。
通过阅读以下具体实施方式连同下文简要描述的附图，本公开的这些和其他特征、方面和优点将是显而易见的。本公开包括在本公开中阐述或在权利要求中的任何一个或多个权利要求中所叙述的两个、三个、四个或更多个特征或要素的任何组合，而不论此类特征或要素在本文中的特定方面描述或权利要求中被明确组合还是以其他方式叙述。本公开旨在整体地阅读，以使本公开的任何可分离特征或元素，在其任何方面，应被视为意图是可组合的，除非本公开的上下文另有明确规定。
附图说明
以总括方式对本公开作了如此描述，现在将参考附图，这些附图不一定按比例绘制，并且在附图中：
图1A-图1D示意性地图示了根据本发明的一个方面的虚拟现实系统和在其中使用的设备，其中能够以多种独特的光图案发射光的发光设备与物理现实空间中的工具相关联，并且其中所检测到的光图案与虚拟现实空间中的工具的相对应的独特标识(即工具类型和工具状态)相关联；
图2A和图2B示意性地图示了图1A-图1D中所示的工具布置的一个方面，其中发光设备被提供为单个阵列或单组灯，并且其中可选择性地致动该单个阵列或单组中的各个灯以提供与虚拟现实空间中的工具的相对应的独特标识相关联的多个独特光图案；
图3A和图3B示意性地图示了图1A-图1D中所示的工具布置的另一个方面，其中发光设备被提供为两个或更多个单独且分立的灯组，并且其中可选择性地致动各组灯以提供与虚拟现实空间中的工具的相对应的独特标识相关联的多个独特光图案；以及
图4A和4B示意性地图示了图1A-图1D中所示的工具布置的又一个方面，其中发光设备被提供为两个或更多个单独且分立的灯组，并且其中可选择性地致动各组灯中的一组灯以提供与虚拟现实空间中的工具(工具类型)的相对应的独特标识相关联的独特光图案，同时可选择性地致动其他(诸)灯组以提供与所选工具类型的操作状态(工具状态)相关联的独特光图案。
具体实施方式
现在将在下文中参考所附附图更全面地描述本公开，在所附附图中示出了本公开的一些而非全部方面。事实上，本公开可按许多不同的形式来被具体化并且不应被解释为限于本文中所阐述的各方面；相反，提供这些方面以使得本公开将满足可适用的法律要求。贯穿全文，相同的编号指代相同的要素。
本公开的各方面大体涉及虚拟现实系统，示意性地图示了图1A中的元件100。此类虚拟现实系统100至少包括光学检测布置200，该光学检测布置200被配置为检测发射光，作为跟踪虚拟现实场景400中的对象、道具等300的一种方式。此类光学检测布置200可特别适合于跟踪可移动/正在移动的对象、道具等300。从对象/道具300发射并由光学检测布置200检测的光随后被传输或以其他方式定向到计算机设备500，该计算机设备500被配置为解释所检测的光并将所检测的光与虚拟现实场景400中的对象、道具等300相关联。以该方式，对象、道具等300可以与虚拟场景或空间中的独特标识相关。例如，由光学跟踪对象、道具等300发射并由光学检测布置200检测的光可由计算机设备500利用独特标识或工具类型(诸如手电筒、正在燃烧的火炬或虚拟场景或空间内设想的任何对象、道具或工具)来解释。
在一些方面，所发射的光可由计算机设备500解释为具有其他方面的独特标识。例如，除了工具类型，所发射的光可以指示光学跟踪对象、道具或工具的操作状态或工具状态。例如，如果对象、道具或工具被标识为虚拟场景或空间(参见，例如，图1A)中的手电筒(独特标识/工具类型–参见，例如，元件250)，则所发射的光可由计算机设备500进一步解释为手电筒处于“关闭”状态(例如，不发射光)，例如图1A和图1B所示，或处于“打开”状态(例如，发射光)，例如图1C和图1D所示(独特标识/工具状态)。
在特定方面，独特标识可与以特定光图案从光学跟踪的对象、道具等300发射的光相关联。例如，可通过多个发光设备600的阵列或其他布置来产生特定的光图案。发光设备600可包括例如，发光二极管(LED)、白炽灯或任何其他合适的发光元件。由发光设备600发射的光可在可见光谱、红外光谱或能够由光学检测布置200所检测的任何其他光谱中。适当时，可通过与工具300接合的功率源(未示出)向发光设备600提供电功率。例如，功率源可以是电池、超级电容器或任何其他合适的功率源，其优选地是可充电的，或者如果是一次性的，则相对于工具300容易替换。
在本公开的一个特定方面中，具有与其接合的多个发光设备600的工具(即，对象、道具等)300可以被配置为使得发光设备600在由光学检测布置200可检测的多个光图案之间可由用户选择性地致动。如前文所公开的，光图案提供如由光学检测布置200所检测的工具300的相对应的多个独特标识。因此，工具300可进一步包括与发光设备600可操作地接合的切换设备350(参见，例如，图1B、图1C、图2A、图2B、图3A和图3B)，该切换设备350与工具300可操作地接合。例如，切换设备350可被直接地安装在工具300上。在其他实例中，切换设备可被安装到用户并通过导线连接到工具300。然而，本领域技术人员将理解，切换设备350可以不同的方式实现。例如，切换设备350可被实施为包括在工具300中的触敏元件，其中，用户对工具300的握柄的改变可被触敏元件检测为将发光设备600从一个光图案切换到另一个光图案。在任何实例下，切换设备350的用户驱动因此允许用户在不同的光图案之间选择性地致动发光设备600，从而改变工具300的独特标识。在一些方面中，切换设备350可被配置为用于二进制操作(即，可在第一位置和第二位置之间切换，以在“关闭”状态和“打开”状态之间致动发光设备600)，但在其他实例中，如图2A、图2B、图3A和图3B所示，切换设备350可包括具有多于两个位置的开关(即，用于在“关闭”状态和“打开”状态之间的两个或更多个光图案之间切换发光设备600)。
在一些方面中，发光设备600被布置在此类设备的一阵列或单个组700中(参见，例如，图2A和图2B)。在此类实例中，在该阵列或该单个组700中的发光设备600中的一个或多个可由用户选择性地致动(例如，通过切换设备350)，以便提供与工具300的独特标识相关联的多个光图案。在其他方面中，发光设备600被布置在此类发光设备的单独的各组中(例如，图3A和图3B中的元件800A、800B)。在此类实例中，其中具有发光设备600的每一个组800A、800B与工具300接合，每一组都具有以独特图案布置的发光设备600。在此类布置中，为了提供与工具300的独特标识相关联的光图案，单独的各组可由用户选择性地致动(例如，通过切换设备350)。
在另一方面中，如图4A和图4B所示，单个工具300可包括发光设备600的两个或更多个分立组或图案900A、900B，其中由光学检测布置200检测的发光设备600的每一个组或每一个图案与工具300的独特标识相对应。例如，如果有两组900A、900B发光设备，其中一组900A可以被指定为主跟踪对象图案，而另一组900B可以被指定为副跟踪对象图案。由光学检测布置200检测的主跟踪对象图案可以唯一地标识由用户携带的对象(例如，手电筒)的类型(例如，工具类型)。默认位置的副跟踪对象图案通常被关闭。因此，光学检测布置200仅检测主跟踪对象图案。在该情况下，处于“关闭”位置的所示切换设备350将关闭主跟踪对象图案和副跟踪对象图案这两者。切换设备350移动到位置“1”将打开主跟踪对象图案，以提供可由光学检测布置200检测的第一组900A发光设备600，但是副跟踪对象图案将保持关闭(例如，副跟踪对象图案的默认状态)。因此，由光学检测布置200检测的主跟踪对象图案将标识工具类型(例如，手电筒)，但也可标识工具状态(例如，未检测到副跟踪对象图案指示所标识的工具类型(手电筒)关闭且不发光)。当用户将切换设备350移动到位置“2”时，副跟踪对象图案打开，以提供可由光学检测布置200检测的第二组900B发光设备600，其中副跟踪对象图案附接到或毗邻主跟踪对象图案。在光学检测布置200检测到现在打开的副跟踪对象图案时，由第二组900B发光设备600提供的独特标识符可以用于指示工具300的许多其他方面，如本领域技术人员所理解的。例如，第二组900B发光设备600的可以唯一地标识工具状况(例如，工具状态)，在该示例中，当检测到副跟踪对象图案附接到或毗邻主跟踪对象图案时，这将指示虚拟手电筒正在打开(与未检测到第二组900B发光设备600指示手电筒已关闭形成对照)。
本领域技术人员将理解，在使用各种所检测的光图案来指示工具300的相应独特标识时，光学检测布置200和发光设备600的布置以及这两者之间的交互可以提供以下优点：通过不需要WiFi、蓝牙发射器或任何其他无线数据传输系统来降低与切换设备350相关联的跟踪功能的复杂性。另外，与例如用作发光设备600的LED灯相比，缺少此类无线传输设备降低了为工具300供电所需的功耗要求。另外，通过实现本文所公开的布置，单个代表性物理工具300(对象、道具等)可以用于根据能够由发光设备600提供的光图案的数量来表示处于虚拟状态的任何数量的虚拟工具。此外，如本领域技术人员将理解的，本文所提供的公开的布置和方面可适用于将物理现实空间与虚拟现实空间相关联的许多不同场景。例如，在一些方面中，对象、道具等可以包括用户本身，其中发光设备和相关联的切换设备可以物理地与用户相关联，并且其中，用户在物理现实空间中对切换设备的切换可以反过来改变虚拟空间中用户的标识。
因此，本发明的各方面有利地提供了一种在虚拟现实系统中使用的设备和相关联的虚拟现实系统，包括工具和多个与该工具接合的发光设备，并且在多个光图案之间用户可选择性地致动，每一个光图案都与独特标识相关联。该光图案被适配成由光学检测布置进行检测，提供如由该光学检测布置所检测的与该工具相关联的多个独特标识。一种切换设备，可操作地与该发光设备接合，并且用户可致动以在光图案之间选择性地致动发光设备以改变工具的独特标识，该工具的独特标识包括工具类型或工具状态。
并入到工具中的切换设备可以是，例如，机械按钮或开关或能够在不同发光设备(例如，LED)之间切换电连接的任何其他合适的切换设备。这样，在工具/道具是手电筒的示例中，用户可在虚拟环境中，通过致动并入到工具/道具中的开关来打开和关闭手电筒。因此，光学检测布置将检测与开关的移动相关联的光图案的变化，而不是试图检测开关本身的物理移动。虚拟现实系统和其中使用的设备的各方面因此提供了一种实现一组或多组发光设备的物理对象，该一组或多组发光设备可在不需要无线通信发射器/接收器的情况下由光学检测布置检测并且可以在分别与虚拟现实环境中的独特标识相关联的不同的独特图案之间切换，因此允许以简单、高效和灵活的方式将物理环境中的用户和对象跟踪转换到虚拟环境中。
得益于前述描述和相关联的附图中所呈现的教示，本公开涉及的所属领域的技术人员将了解本文中阐述的本公开的许多修改和其他方面。因此，应当理解，本公开不限于所公开的具体方面，并且修改和其他方面旨在包括在所附权利要求书的范围内。尽管本文中采用特定术语，但这些术语仅在通用意义和描述性意义上使用而不出于限制性目的。

Claims (6)

1.一种基于物理装置架的虚拟现实系统，包括：
工具，所述工具在所述物理装置架内使用；
多个发光设备，所述多个发光设备与所述工具接合，在多个光图案之间用户能选择性地致动发光设备；以及
光学检测布置，所述光学检测布置围绕所述物理装置架成阵列，所述光学检测布置被配置为检测由所述发光设备发射的光图案，并将每一个光图案与所述工具在虚拟环境内的独特标识相关联，因此所述工具具有与由所述发光设备发射的所述光图案相关联的多个独特标识；以及
显示器，所述显示器在所述物理装置架内使用并且被配置为与所述光学检测布置通信，所述显示器被配置为显示所述工具在所述虚拟环境内的虚拟图像，所述虚拟图像具有与由在所述物理装置架中的所述光学检测布置检测到的空间光图案相对应的独特标识。
2.如权利要求1所述的系统，包括能操作地与所述发光设备接合的切换设备，所述切换设备是用户能致动的以在所述光图案之间选择性地致动所述发光设备，以改变所述工具的所述独特标识。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发光设备包括发光二极管。
4.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述发光设备被布置在单独的各组中，每一个组中都具有以独特图案与所述工具接合的所述发光设备，并且其中通过所述切换设备用户能选择性地致动所述各组以提供所述光图案。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发光设备被布置在阵列或单个组中，并且其中用户能选择性地致动所述阵列或所述单个组中的所述发光设备中的一个或多个以提供所述光图案。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述工具的所述独特标识包括工具类型或工具状态。
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