CN113900520B - 一种虚拟现实多感知交互装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种虚拟现实多感知交互装置及方法，所述装置包括：VR设备、操作柄、微控制终端、流量传感元件、压力传感元件和脑电信号采集元件；所述压力传感元件设置在操作柄上，用于感知操作柄受到的握力；所述脑电信号采集元件设置在VR设备的头带上，用于通过与佩戴人员的头部接触实现脑电信号采集；所述操作柄与VR设备无线通信连接，流量传感元件和压力传感元件均与微控制终端通信连接，微控制终端和脑电信号采集元件均与VR设备通信连接；本发明增强了用户与虚拟现实场景的交互性以及在虚拟现实场景中的沉浸感。

Description

一种虚拟现实多感知交互装置及方法
技术领域
本发明涉及虚拟现实技术领域，特别涉及一种虚拟现实多感知交互装置及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
VR(Virtual Reality，虚拟现实)，是20世纪发展起来的一项全新的实用技术。虚拟现实技术囊括计算机、电子信息、仿真技术，其基本实现方式是计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感。随着社会生产力和科学技术的不断发展，各行各业对VR技术的需求日益旺盛。VR技术也取得了巨大进步，并逐步成为一个新的科学技术领域。
发明人发现，目前的头戴式VR设备通常都具有蓝牙功能，可以连接蓝牙手柄，通过蓝牙手柄来与VR设备中的内容进行交互是一种常见的交互技术，这种交互方式简单方便，但是只能通过按手柄上的按键或者摇动手柄摇杆来进行交互，不能感知人体的其他动作、状态或情况，比如握力、气息速率、脑电，交互性与沉浸感较弱。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种虚拟现实多感知交互装置及方法，通过对蓝牙手柄的握力、嘴巴或鼻子的呼吸以及脑电信号与虚拟现实场景交互，增强了用户与虚拟现实场景的交互性以及在虚拟现实场景中的沉浸感。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明第一方面提供一种虚拟现实多感知交互装置。
一种虚拟现实多感知交互装置，包括：VR设备、操作柄、微控制终端、流量传感元件、压力传感元件和脑电信号采集元件；
所述压力传感元件设置在操作柄上，用于感知操作柄受到的握力；所述脑电信号采集元件设置在VR设备的头带上，用于通过与佩戴人员的头部接触实现脑电信号采集；
所述操作柄与VR设备无线通信连接，流量传感元件和压力传感元件均与微控制终端通信连接，微控制终端和脑电信号采集元件均与VR设备通信连接。
进一步的，所述操作柄为蓝牙手柄，所述蓝牙手柄通过蓝牙与VR设备通信连接。
进一步的，所述压力传感元件为薄膜压力传感元件，所述薄膜压力传感元件包括薄膜压力片和电压转换模块，薄膜压力片通过电压转换模块与微控制终端通信连接。
更进一步的，薄膜压力片通过杜邦线与电压转换模块的输入端连接，电压转换模块的输出端通过杜邦线与微控制终端连接。
更进一步的，薄膜压力片固定连接在操作柄的侧面。
进一步的，操作柄上设有多个按键和至少一个摇杆。
本发明第二方面提供了一种虚拟现实多感知交互方法。
一种虚拟现实多感知交互方法，利用上述的虚拟现实多感知交互装置，包括：
VR设备根据获取的握力、气息速率和注意力集中程度，进行虚拟现实场景的反馈。
进一步的，握力为压力传感元件的量程与压力传感元件能够输出的最大电压的乘积，再与微控制终端读取到压力传感元件输出的电压值的比值；
当握力大小超过所述压力传感器元件的最大量程时，微控制终端传输给VR设备的握力大小数据为压力传感元件的最大量程。
进一步的，气息速率为流量传感元件量程与流量传感元件能够输出的最大电压的乘积，再与微控制终端读取到流量传感元件输出的电压值的比值；
当气息速率大小超过流量传感元件最大量程时，微控制终端传输给VR设备的气息速率数据为流量传感元件的最大量程。
进一步的，脑电信号采集元件将采集的脑电信号量化为0～100的数值，量化后的脑电信号数值越高注意力集中程度越高。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明所述的虚拟现实多感知交互及方法，除了可以使用蓝牙手柄按键或摇杆与虚拟现实场景交互外，还可以通过对蓝牙手柄的握力、嘴巴或鼻子的呼吸、脑电与虚拟现实场景交互，增强了用户与虚拟现实场景的交互性以及在虚拟现实场景中的沉浸感。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1提供的虚拟现实多感知交互装置的结构示意图。
图2为本发明实施例1提供的虚拟现实多感知交互装置的部分连接示意图一。
图3为本发明实施例1提供的虚拟现实多感知交互装置的部分连接示意图二。
图4为本发明实施例1提供的虚拟现实多感知交互装置的部分连接示意图三。
图5为本发明实施例2提供的虚拟现实多感知交互技术交互方法的示意图。
图6为本发明实施例2提供的特定虚拟现实场景下的交互方法。
其中：1、VR一体机；2、脑电信号采集器；3、蓝牙手柄；4、薄膜压力片；5、流量传感器。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
如图1、图2、图3和图4所示，本发明实施例1提供了一种虚拟现实多感知交互装置包括VR一体机1(即VR设备)、蓝牙手柄3、微控制器(即微控制终端)、流量传感器5(即流量传感元件)、薄膜压力传感器4(即压力传感元件)和脑电信号采集器2(即脑电信号采集元件)；
本实施例中，所述VR一体机1为头戴式VR一体机，被配置为提供虚拟现实场景，并接收外部蓝牙设备传入的数据。
本实施例中，所述蓝牙手柄3，设置有蓝牙功能，通过蓝牙与VR一体机进行无线配对连接。
可以理解的，在其他一些实施方式中，所述蓝牙手柄也可以替换为其他无线或有线通信方式的手柄，如WIFI通信等，只要能够实现与VR一体机的数据交互即可，本领域技术人员可以根据具体工况进行选择，这里不再赘述。
本实施例中，所述薄膜压力传感器4包括薄膜压力片和电压转换器，用于感知对蓝牙手柄的握力情况。
本实施例中，所述流量传感器5通过杜邦线与微控制器连接，用于感知人体气息速率情况。
本实施例中，所述微控制器，设置有蓝牙功能，被配置为接收薄膜压力传感器、流量传感器的电信号，并转换为压力值与气体流速传输给VR一体机。
本实施例中，所述脑电信号采集器4，设置有蓝牙功能，用于采集脑电信号并将其量化后的结果传输给VR一体机。
可以理解的，在其他一些实施方式中，脑电信号采集器4也可以采用其他无线或者有线通信方式，本领域技术人员可以根据具体工况进行选择，这里不再赘述。
本实施例中，所述VR一体机1的操作系统为安卓系统，可以理解的，在其他一些实施方式中，操作系统也可以是IOS，Symbian，Windows Phone，BlackBerry OS，bada，Windows，Mobile，PalmOS等系统中的一个，本领域技术人员可以根据具体工况进行选择，这里不再赘述。
本实施例中，所述蓝牙手柄设置有一个摇杆和三个功能按键。
本实施例中，所述薄膜压力片固定连接在蓝牙手柄侧面，厚度不超过1mm。
所述薄膜压力片通过杜邦线与电压转换器输入端连接，所述电压转换器输出端通过杜邦线与微控制器连接。
实施例2：
本发明实施例2提供了一种虚拟现实多感知交互方法，利用实施例1所述的虚拟现实多感知交互装置，包括以下过程：
使用VR一体机提供虚拟现实场景；
使用蓝牙手柄、薄膜压力传感器、流量传感器、脑电信号采集器作为VR一体机的输入；
VR一体机通过蓝牙传输获取对蓝牙手柄的握力大小、气息速率、注意力集中程度，蓝牙手柄指令、并在虚拟现实场景中设置对VR一体机获取到的数据或指令的反馈。
所述的VR一体机与蓝牙手柄通过蓝牙无线连接，连接后用户通过蓝牙手柄上的按键或摇杆对VR一体机发出指令。
VR一体机获取对蓝牙手柄握力大小，具体为：
将所述的薄膜压力传感器的薄膜压力片紧贴在蓝牙手柄侧面，右手握住蓝牙手柄并使手指与薄膜压力片接触，用不同大小的握力握住蓝牙手柄时，薄膜压力片发生形变的程度不同，其电阻值也不同，进而使压力传感器输出不同的电压值，握力大小与输出的电压值成正比，微控制器读取压力传感器输出的电压值，并通过预设的程序将其转换为握力大小；
微控制器通过蓝牙与VR一体机无线连接，将握力大小数据通过蓝牙传输给VR一体机，其中微控制器将压力传感器输出的电压值通过预设程序转换为握力大小的公式为：
其中，PX为握力大小，PM为压力传感器量程，VM1为压力传感器可以输出的最大电压，VX1为微控制器读取到压力传感器输出的电压值。
VR一体机获取气息速率，具体为：
左手握住所述的流量传感器，用嘴巴或鼻子对着流量传感器的通孔吹气或吸气，用不同力度吹气或吸气，流量传感器通孔内的气体流速不同，进而使得流量传感器输出不同的电压值，气体流速与电压值成正比，微控制器读取流量传感器输出的电压值，并通过预设的程序将其转换为的气息速率；
微控制器通过蓝牙与VR一体机无线连接，将气息速率数据通过蓝牙传输给VR一体机，其中微控制器将流量传感器输出的电压值通过预设程序转换为气息速率的公式为：
其中，SX为气息速率，SM为流量传感器量程，VM2流量传感器可以输出的最大电压，VX2为微控制器读取到流量传感器输出的电压值。
VR一体机获取注意力集中程度，具体为：
所述的脑电信号采集器固定连接在VR一体机的头带上，将VR一体机佩戴于头部使脑电信号采集器与头部接触，脑电信号采集器与头部接触后可采集脑电信号，脑电信号采集器将采集的脑电信号量化为0～100的数值，脑电信号采集器通过蓝牙与VR一体机无线连接，将量化后的脑电信号数据通过蓝牙传输给VR一体机，量化后的数值越高代表注意力集中程度越高。
当握力大小超过所述压力传感器的最大量程时，所述微控制器传输给VR一体机的握力大小数据为压力传感器的最大量程，当气息速率大小超过流量传感器最大量程时，所述微控制器传输给VR一体机的气息速率数据为流量传感器的最大量程。
用户可以通过蓝牙手柄与虚拟现实场景进行交互；
VR一体机接收到不同握力大小数据时，虚拟现实场景出现不同的反馈；
VR一体机接收到不同气息速率数据时，虚拟现实场景出现不同的反馈；
VR一体机接收到不同注意力集中程度数据时，虚拟现实场景出现不同的反馈。
可选地，在进行交互时用户使用右手握住蓝牙手柄，左手握住流量传感器、微控制器、电压转换器。
如图6所示，给出一种具体示例：
该虚拟现实场景的内容包括：用户控制超人移动至火灾现场，将火熄灭，搬开压在受难者身上的重物，将受难者转移至安全地点。
使用压力量程为10Kg，最大输出电压为5V的薄膜压力传感器；使用流量量程为1M/s，最大输出电压为5V的流量传感器。
用户首先通过蓝牙将微控制器、脑电信号采集器、蓝牙手柄与VR一体机连接，以便各设备通信，将VR一体机佩戴于头部使脑电信号采集器接触头部并开始采集脑电信号，使用VR一体机提供上述虚拟现实场景；
用户右手握住蓝牙手柄，使用蓝牙手柄的摇杆或功能按键向VR一体机发出指令，控制超人移动至火灾现场；
左手握住流量传感器、电压转换器、微控制器，用嘴巴或者鼻子对着流量传感器的通孔吹气，吹出的气息速率越大，流量传感器通孔内的气体流速就越快，输出给微控制器的电压值就越大，微控制器将电压值转换为气息速率，并通过蓝牙将数据传输给VR一体机，VR一体机收到的气息速率数值越大，则虚拟现实场景火熄灭的越快，用户可以控制自身气息速率来完成灭火操作，气息速率的转换公式为：其中SX为气息速率，VX2为微控制器读取到流量传感器输出的电压值；
用户右手握住蓝牙手柄，并让手指与蓝牙手柄侧面的薄膜压力片接触，握力不同则薄膜压力片形变程度不同，其电阻值也不同，进而使得电压转换器输出给微控制器的电压值也不同，微控制器将电压值转换为握力数值并蓝牙将数据传输给VR一体机，VR一体机收到的握力数值越大，则虚拟现实场景中搬开压在受难者身上的重物的速度也越快，用户可以控制对蓝牙手柄的握力来完成搬开压在受难者身上的重物的操作，握力的转换为公式为：其中PX为握力大小，VX1为微控制器读取到压力传感器输出的电压值；
脑电信号采集器将脑电信号量化为0～100的数值，并通过蓝牙将数据传输给VR一体机，用户注意力集中程度越高量化后的数值越大，VR一体机收到的脑电信号量化后的数值越大则虚拟现实场景将受难者转移至安全地点速度越快，用户可以通过控制注意力集中程度来完成将受难者转移至安全地点的操作。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
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 (10)

1.一种虚拟现实多感知交互装置，其特征在于：
包括：VR设备、操作柄、微控制终端、流量传感元件、压力传感元件和脑电信号采集元件；
所述压力传感元件设置在操作柄上，用于感知操作柄受到的握力；所述脑电信号采集元件设置在VR设备的头带上，用于通过与佩戴人员的头部接触实现脑电信号采集；
所述操作柄与VR设备无线通信连接，流量传感元件和压力传感元件均与微控制终端通信连接，微控制终端和脑电信号采集元件均与VR设备通信连接；
利用流量传感元件获取气息速率，具体为：
左手握住所述的流量传感器，用嘴巴或鼻子对着流量传感器的通孔吹气或吸气，用不同力度吹气或吸气，流量传感器通孔内的气体流速不同，进而使得流量传感器输出不同的电压值，气体流速与电压值成正比，微控制器读取流量传感器输出的电压值，并通过预设的程序将其转换为的气息速率；
微控制器通过蓝牙与VR一体机无线连接，将气息速率数据通过蓝牙传输给VR一体机，其中微控制器将流量传感器输出的电压值通过预设程序转换为气息速率的公式为：
其中，SX为气息速率，SM为流量传感器量程，VM2流量传感器可以输出的最大电压，VX2为微控制器读取到流量传感器输出的电压值。
2.如权利要求1所述的虚拟现实多感知交互装置，其特征在于：
所述操作柄为蓝牙手柄，所述蓝牙手柄通过蓝牙与VR设备通信连接。
3.如权利要求1所述的虚拟现实多感知交互装置，其特征在于：
所述压力传感元件为薄膜压力传感元件，所述薄膜压力传感元件包括薄膜压力片和电压转换模块，薄膜压力片通过电压转换模块与微控制终端通信连接。
4.如权利要求3所述的虚拟现实多感知交互装置，其特征在于：
薄膜压力片通过杜邦线与电压转换模块的输入端连接，电压转换模块的输出端通过杜邦线与微控制终端连接。
5.如权利要求3所述的虚拟现实多感知交互装置，其特征在于：
薄膜压力片固定连接在操作柄的侧面。
6.如权利要求1所述的虚拟现实多感知交互装置，其特征在于：
操作柄上设有多个按键和至少一个摇杆。
7.一种虚拟现实多感知交互方法，其特征在于：利用权利要求1-6任一项所述的虚拟现实多感知交互装置，包括：
VR设备根据获取的握力、气息速率和注意力集中程度，进行虚拟现实场景的反馈。
8.如权利要求7所述的虚拟现实多感知交互方法，其特征在于：
握力为压力传感元件的量程与压力传感元件能够输出的最大电压的乘积，再与微控制终端读取到压力传感元件输出的电压值的比值；
当握力大小超过所述压力传感器元件的最大量程时，微控制终端传输给VR设备的握力大小数据为压力传感元件的最大量程。
9.如权利要求7所述的虚拟现实多感知交互方法，其特征在于：
气息速率为流量传感元件量程与流量传感元件能够输出的最大电压的乘积，再与微控制终端读取到流量传感元件输出的电压值的比值；
当气息速率大小超过流量传感元件最大量程时，微控制终端传输给VR设备的气息速率数据为流量传感元件的最大量程。
10.如权利要求7所述的虚拟现实多感知交互方法，其特征在于：
脑电信号采集元件将采集的脑电信号量化为0～100的数值，量化后的脑电信号数值越高注意力集中程度越高。
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