CN1259221A - 使用户陷入虚拟现实中的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种把对象置入虚拟现实中的系统,其中所述系统包括一个限定真实空间的封闭球状围层并安装在支架上以便可绕其自身的中心转动。该围层包括至少一个带有使对象爬入或爬出所述围层的盖的舱口。该系统还包括一个用于生成虚拟空间的部件,并且包括一个和生成部件连接的向用户显示所述虚拟空间的部件。系统还包括一个用于根据围层内用户的物理位移修改虚拟现实的单元,其中所述单元和一个用于测量用户相对于围层的位移的量及方向的部件连接。该围层放在至少三个的轮式支架上,轮式支架的旋转轴指向球的中心但偏离轮的旋转轴。

Description

使用户陷入虚拟现实中的系统

本发明一般地涉及计算机游戏和航空航天、体育和军事目的的训练系统，并且尤其涉及使用户陷入虚拟现实中的系统。

本发明可应用于儿童和成人的娱乐。可以在室内、室外或在视频游戏厅安装计算机游戏设备。这种系统可应用于教育和训练军事人员、运动员、驾驶员和用于训练各种职业的人员，例如警察。它还可用来研究计算机生成的虚拟环境中的人类行为。

虚拟现实是一种允许人在三维环境中以六自由度运动并且实时观察该环境的事物。这意味着一种程序规定和一种设备识别六种类型的运动：前/后、上/下、左/右、上/下弯曲、左/右转动以及左/右滚动。虚拟现实是对物理现实的仿真。

虚拟现实给用户几乎在真实的方式下感觉某种另个世界的少有机会。在这个世界里，用户可以在三维环境中彼此观察、交谈和交互，欣赏色彩和声音。这种陷入创造出身临其境的难以思议的幻觉。这种效果是通过采用各种部件，例如带有耳机的头盔和对空间移动敏感的操纵杆得到的。

虚拟现实生长装置通常由包括三维图形加速器的高速计算机(其范围从简单个人计算机到超级计算机)以及虚拟现实软件(例如VIRTUSVR、VIRTUS WALKTHROUGH PRO、SUPERSC APE VRT、VRCREATOR等)构成。

虚拟现实显示装置，即音频/成象装置，为各种类型的监视器、安装在头盔上的显示器HMD(装在头上的显示器)以及CAVE(内室式自动虚拟环境)。

用于和虚拟现实交互式作用的装置、传统的输入/输出部件、专用三维计算机鼠标、(电子)手套、操纵杆以及跟踪设备如可从Virtual技术公司购到的CYBERGLOVE几乎都跟踪手能做到的任何移动。

跟踪装置使得能在虚拟环境下确定和显示用户在实际环境中的手、脚、身体的位置及取向。各种跟踪系统在运动显示原理上是不同的，并且可能基于水银平衡器、无线电、超声波、激光等。

1995年在圣彼得堡出版的“计算机游戏大全”中119-122页所公开的可从1D软件公司购到的DOOM游戏包括一组用于在最简单形式下建立虚拟现实的传统装置，该套装置在七、八年前就可买到了。这套装置包括一台固定式计算机、一台把“窗口”打开到虚拟环境的彩色监视器，该虚拟环境仿佛位于屏幕的另一侧。诸如操纵杆或小键盘的操纵器使得有可能控制移动和转动并且在虚拟环境中的任何水平方向中观察。

但是，由于其虚拟环境是通过由显象管屏幕的边界定义的“窗口”观看的，上述游戏不能完全地陷入到虚拟现象中。通过该操纵器用手控制运动。该系统不能交互式地显示用户在虚拟环境中的运动。

更为有效的计算机以及更为先进的音视/成象装置导致出虚拟现实显示设备，例如立体监视器或者戴在用户头上象头盔或眼镜的投影器，其提供了看到三维图象的可能性(参见，例如，Mir PK，No.1，1995，164-175页)。

在上述设备中，虚拟环境看起来是一个超出屏幕边界延伸的和围绕着用户的全尺寸世界。除水平视角外，还提供从某角度向上看/向下看的可能性。诸如三维鼠标器、(电子)手套的操纵器允许和客体的交互。各客体或者通过可预报的反应对交互作出响应或者变形。该设备使人陷入到虚拟环境中，感觉到身临该虚拟环境之内并和各客体相互作用。

但是，客体和运动是通过操纵器控制的，这阻碍了在虚拟的和实时的环境下识别运动。

近来，已经出现新的几乎使用户完全陷入到虚拟环境的进展。

一种使用户陷入到虚拟现实的现有系统包括一个定义真实环境的球形密封舱、虚拟环境生成装置以及和该虚拟环境生成装置连接的用于向用户显示虚拟环境的装置，其中密封舱设置轮式支承上以便绕其中心转动，并且具有至少一个带有门的舱口供用户进出(参见美国专利5,490,784，1996)。

上述系统展示出使用户陷入到虚拟现实中的改进性能。支承轮中至少一个是驱动轮以提供球绕其中心的转动。球内安装着二个平台形式的致动器，各供用户的一只脚使用。这些平台固定在枢轴上，各枢轴进而连接到球内的支承面上。但是，这些平台只允许通过不前后移动情况下轮流抬脚和放脚仿真用户在原地的步行。

该现有技术的系统不允许用户在球形内表面上自然移动，实际上只是相对于支承面重新定位。

本发明的一个目的是提供一种使用户陷入虚拟现实的系统，其中为定位密封舱而实现的支承以及一个响应用户的实际物理移动用于改变虚拟环境而使用的机构能使用户因密封舱在支承上的自由转动而不受限制地在舱内以任何数量的步伐移动到任一侧，从而使用户更为陷入到虚拟现实中。

通过一种使用户陷入到虚拟现实的系统实现上这目的，该系统包括一个限定真实环境的球形密封舱、虚拟环境生成装置以及和该虚拟环境生成装置连接的用于向用户显示虚拟环境的虚拟环境显示装置，该球形密封舱安装在支承上从而可绕其中心转动并具有让用户出入的至少一个带有门的舱口，其中依据本发明所述系统包括：

一个虚拟环境改变单元，用于响应密封舱内用户做出的实际物理移动改变虚拟环境，

用户移动量及方向确定装置，用于确定用户相对于密封舱的移动量及方向，其和虚拟环境改变单元连接，

至少三个轮式支承，其具有指向球心的并且偏离轮的旋转轴的多个枢轴。

该系统最好包括一个和虚拟环境改变单元连接的球转动角传感器，该球转动角对应于用户相对于球的内表面的移动的总量和方向。

球转动角传感器为一个鼠标是有利的，该鼠标包括二个互相垂直安装的滚筒以转动并接触球的表面，该球充当鼠标的滚珠。

用于确定用户相对于密封舱的移动的总量和方向的装置最好包括多个确定用户身体各部位位置的传感器。

用于确定用户相对于密封舱的移动量和方向的装置最好是一个鼠标，该鼠标具有二个互相垂直安装的滚筒以转动并接触球的表面，该球充当鼠标的滚珠。

密封舱由一组至少一种类型的相同构件构成是有利的，相同构件刚性连接并且具有由球的一预定曲率规定的表面曲率。

这些构件最好是从包括着三角形、矩形、五角形、和六角形的组中选择的。

每个轮式支承最好包括至少一个轮子。

轮式支承最好固定在架上。

该系统包括一个安装在球的内部轮式支承上的平台是有利的，轮式支承具有指向球的中心的并且偏离轮的旋转轴的多个枢轴。

该系统最好包括：

根据附加用户数量的至少一个的附加密封舱，附加舱定义一个真实闭空间并安装在支承上从而可绕其中心转动，附加舱具有至少一个带门的舱口；

至少一个和所述虚拟环境生成装置连接的附加的用于向附加用户显示虚拟环境的装置，以提供用户之间的交互式作用。

该系统包括和所述虚拟环境改变装置连接的脉博和/或血压传感器以调整对用户显示的虚拟环境是有利的。

该系统最好包括用于控制球内温度和空气含量的装置。

用无线电可穿过的材料制作舱是有利的。

该系统最好包括一个用于适应可买到的利用球陷入到虚拟环境的程序的驱动程序。

本发明的目的还在于实现一种使用户陷入到虚拟现实中的系统，该系统一个定义真实环境的球形密封舱、虚拟环境生成装置以及和虚拟环境生成装置连接的用于向用户显示虚拟环境的虚拟环境显示装置，其中密封舱安装在支承上从而可绕其中心转动并且舱具有至少一个带着供用户出入的门的舱口，依据本发明该系统包括：

虚拟环境改变装置，用于响应球内用户做出的实际物理移动改变虚拟环境；

和虚拟环境改变装置相连接的用于确定用户相对于舱的移动量以及方向的装置，

舱的支承是万向支架。

从下面连带着附图对其各实施例的说明本发明将会清楚，附图是：

图1是依据本发明的使用户陷入到虚拟现实中的系统的全视图；

图2a、2b表示依据本发明的一个支承轮，其具有一个偏离轮的旋转轴的枢轴；

图3表示依据本发明的实现成计算机鼠标的球转动角传感器(底视图)；

图4表示依据本发明的构成密封舱的一块构件的全视图；

图5表示依据本发明的各种形状的舱构件；

图6表示依据本发明的一种具有蜂窝结构(部分剖开)的舱构件的全视图；

图7表示依据本发明的带有单轮的支承的全视图；

图8表示依据本发明的带有双轮的支承的全视图；

图9表示依据本发明的带有三轮的支承的全视图；

图10表示依据本发明的一个架，该架上固定五个支承轮；

图11表示依据本发明的安装在球内轮支承上的一个平台的全视图；

图12表示依据本发明的和单个虚拟环境发生装置连接的二个密封舱以容纳二个用户；

图13表示依据本发明的一个其中装有温度和空气含量控制装置的舱；

图14表示依据本发明的用于舱的万向支承；

图15表示依据本发明的用于安装一个附加设备的可移动支承的一种实施例。

参照各附图，图1中示出的使用户陷入虚拟现实中的系统包括一个定义真实环境的并安装在支承2上的球形密封舱1，该舱可绕其中心“0”转动。球1具有至少一个带有让用户5出入的门4的舱口3。

系统包括设置在用户身上的虚拟环境生成装置6，例如便携式计算机。用于对用户显示虚拟环境的装置7是一个戴在用户头上的并具有向用户呈现虚拟的或真实的三维环境的显示器的头盔，显示器定位在头盔中用户眼睛的前方。装置7和虚拟环境生成装置6连接。

系统包括一个用于响应舱1内的用户做出的实际物理移动改变虚拟环境的单元8，单元8设计成运行一个附加的虚拟环境改变程序。

用户5手中有一个操纵杆9，以在和显示屏幕上对其显示的虚拟环境客体进行交互时进行操纵。

系统包括用于确定用户相对于舱的移动的量以及方向的装置，该装置和虚拟环境改变机构8连接。

支承2(图2a)是至少三个带有在轴承11中安装的枢轴10的轮式支承。枢轴10的几何轴a-a指向球1的中心“o”，并相对于轮的旋转轴12的偏离值“b”，值“b”大约等于轮的半径r。当球改变其转动方向时这种装置允许轮转动并且在不同方向下旋转(图2b)，从而提供在轮上滚动到任一侧的可能性。

系统还包括一个和虚拟环境改变单元8连接的球转动角传感器13(图1)，舱1的转动角对应于用户5相对于球的内表面的移动的量和方向。

在上述实施例中，球转动角传感器13(图3)是以计算机鼠标为形式的，其包括二个彼此垂直安装的滚筒14、15以便转动并和舱1的表面接触。在一种实施例中，可按大于或小于直角的角度安装滚动14和15。舱1充当鼠标的滚珠。

用于确定用户相对于舱的移动的量以及方向的装置包括多个安装在用户上的传感器16以确定用户身体各部位的位置。

在一种实施例中，用于确定用户相对于舱的移动的量及方向的装置是按计算机鼠标构成的球转动用传感器13。

舱1(图1)是用一组至少一种类型的相同构件17构成的，这些构件刚性地互相连接，例如通过销、螺钉、焊接、粘接、支架、等等。构件17具有由球的预定曲率规定的表面曲率R。

为了形成球，可以采用具有由球的预定曲率规定的表面曲率的三角形(图5)、矩形、五角形和六角形。

构件17可具有为让空气自由进入球中的穿孔18(图4)，或者，为了在保持所需的强度特性下提供较轻的重量结构构件17可具有蜂窝结构(图6)。

每个轮式支承2包括至少一个轮(图7)。带有二个轮(图8)和三个轮(图9)的实施例也是可能的。

其上放置着球的各个轮式支承2固定在架18上，如图10中所示。图中架为五角形，其上固定着五个轮式支承2。

系统还包括一个安装在舱1内各轮式支承20上的平台19(图11)，轮式支承20具有朝着球的中心“0”并偏离轮的旋转轴约为轮的半径r的枢轴21，该方式类似于图2a中所示的方式。平台19用于设置附加的设备，例如椅子、摩托车、马鞍、滑雪板、滑板、等等。

在舱用作为玩具的情况下，可把洋娃娃、小车、玩具动物定位在平台上。

在一种实施例中，根据附加用户5的数量，系统包括至少一个附加的定义真实密闭环境的球状密封舱22(图12)。附加舱22也坐落在各支承上以绕其中心转动，并包括至少一个装有门25的舱口24。

在这种情况下，系统包括至少一个向附加用户27显示虚拟环境的附加装置26，装置26和虚拟环境生成装置6连接以提供用户5和27之间的交互式作用。

系统包括一个脉搏传感器28(图1)和/或血压传感器29，它们和虚拟环境改变单元8连接以调整向用户5显示的虚拟现实。

系统还包括控制球内温度和空气含量的装置30(图13)，在所说明的本实施例中它是一个空调机。

舱用无线电可穿过的材料做成，以提供和各传感器、第二舱22中的用户27的通信以及和因特网式的网络或外部计算机(未在图1中示出)的通信。

系统包括一个驱动程序，即调整并使所发明的进入虚拟现实的系统和可买到的虚拟现实程序兼容的一个计算机程序。

系统可用坐落在万向支承上的舱1实现。在该情况下，支承包括二个在其上固定各轴32的支柱31(图14)。安装在各轴32上转动的环状架33。在框33上固定的第二对轴34是以相对于第一对轴32为90度的角度设置的。舱可在轴对34上转动。传感器组35排列在架33上以确定球的转动角。

可在舱1内设置可移动的支承36(图15)以在其上固定附加的部件。

依据本发明的使用户陷入虚拟现实的一种系统提供一种新的有利可图向各界人士广告宣传的途径。这种系统最普遍地安装在易于观察的场所：视频游戏厅、大商店、居民区附近的街道上。球的面积很大，从而可在其中放置广告。由于球会不停地转动，它自然吸引路过者和访问者的兴趣。

用于确定球的转动量和方向的装置13用检测支承2中之一的至少一个轮子的转动量及方向的传感器实现。

为使用户出入球更为方便，系统可设置一个制动器(图1中未示出)以在某个位置暂时固定住球。

依据本发明的使用户陷入虚拟现实的系统以如下方式操作：

用各构件17组成的舱1(图1)定义一个真实环境。舱1安装在各支承2上，从而可以三自由度绕其中心“0”转动。

用户5进入舱1，并可舱1的内表面上自由移动。

计算机生成虚拟环境，在该虚拟环境中各种客体和对象，例如建筑物的墙、树、汽车、动物、人群、云等，以固定的和随机的方式出现和移动。

所生成的虚拟环境在显示屏幕上显示，以使用户看见虚拟世界的三维画面。

根据装入的程序虚拟环境持续变化。由于头盔的完美结构用户看不到屏幕的边界，他具有身临虚拟的三维环境的错觉。出现主动地和虚拟环境客体和对象交互的愿望，例如，触摸树、靠近客体、用手拿住、和虚拟舞伴跳舞、在飞机上飞行、等等。

为响应虚拟环境中客体和对象的位置的改变，用户改变其在真实环境和虚拟环境中的位置，通过身体各部位和眼睛做出真实的物理移动。通过迈出实际的步子，用户靠近虚拟环境客体和对象。通过迈出一步，用户转动其下方的舱，即以和其运动相反的方向。由于舱坐落在能够在任何方向上方便地和自由地跟随舱在枢轴的可移动轮式支承上，舱的这种运动成为可能。

当用户相对于舱移动时，用户的重心相对于通过舱的中心的垂直线移动。这产生使舱转动的力矩，从而用户的重心向该垂直线移动。需要考虑到步行期间底板和舱间的摩擦力大大超过舱和轮式支承之间的摩擦力。

用户5相对于舱1的移动量及方向得到检测，并相应地连续调整虚拟环境并对用户显示。

通过计算机游戏情节中的变化可以投配并监视用户上的物理负荷。例如，若建议增加用户身上的负荷，程序逻辑可以设计成其情节迫使用户加快其动作。在“动作式”游戏中，通过增加用户战斗、攻击或撤退中虚拟对手的数量强迫用户更主动地行动。

若当前情节施加到用户上的负荷超过推荐负荷，可把游戏改变到较平静的过程。在最佳负荷结束时，游戏情节应调整成引起满意地玩游戏的感觉，在游戏结束时可向用户祝贺并邀请用户明天再来玩游戏。可以根据用户的年龄和生理状况或者多花钱地在私人医生的推荐下选择负荷。不仅要考虑物理负荷还要考虑情感压力和对眼睛的压力。

可为不同年龄和性别设计虚拟现实计算机游戏。它们可以不仅仅是游戏，也可以是专门的娱乐和教育程序，例如，在某虚拟城市的带导游的缓步旅游。步行速度可由虚拟导游设定。

不仅可以从用户身上固定的计算机中向显示装置7也可以从无线链接因特网式的计算机网络的访问装置下载虚拟环境。

利用依据本发明的系统，可以实现一种向观察者呈现景象的新方法，该景象是在虚拟环境上以用户自己的脚的可能的自然移动下建立的。可以向观察者呈现用户在虚拟环境上的移动以及与环境客体和对象交互的画面。同时向观察者示出用户的自然运动、模仿及情感状态。在计算机网络上发送这样的电视广播和实时传输将是特别引人入胜的。

这种电视广播可以显示单个虚拟环境中几个舱内的几个用户的陷入和交互。这种展示程序可能是专题性的，例如一种周知计算机游戏的三维环境中的景象。该电视广播可以是常规装置，以向用户呈现新的虚拟现实计算机游戏。三维游戏制造商可利用该电视广播广告宣传和营销他们的产品。在这样的展示中，以虚拟环境中用户真实行为的步伐，可向观察者示出几种类型的反应：用户眼睛的反应、用户的实际动作、他们的模仿、虚拟环境的不同方面以及真实的和虚拟的图象的组合。

在观察虚拟环境时，可向用户提供交互式选择观察角度的可能性。

Claims (16)

1.一种使用户陷入虚拟现实的系统，包括：

一个限定真实环境的球形密封舱，该舱设置在各支承上以绕其中心转动并具有至少一个带门的舱口供用户出入，

虚拟环境生成装置，用于生成虚拟环境，

和虚拟环境生成装置连接的虚拟环境显示装置，用于向用户显示虚拟环境，

其中所述系统还包括：

虚拟环境改变单元，用于响应舱内用户做出的实际物理移动改变虚拟环境，

用户移动量及方向确定装置，其和虚拟环境改变单元连接，用于确定用户相对舱的移动的量以及移动方向，

至少三个轮式支承，轮式支承具有指向球的中央并偏离轮的旋转轴的枢轴。

2.权利要求1所述的系统，还包括一个和虚拟环境改变单元连接的球转动角传感器，球转动角对应于用户相对于球的内表面的移动的量及方向。

3.如权利要求2所述的系统，其中所述球转动角传感器是一个鼠标，该鼠标包括二个彼此垂直安装的滚筒以便转动并和球表面接触，球充当该鼠标的滚珠。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述用于确定用户相对于舱的移动的量及方向的装置包括多个确定用户身体各部位的位置的传感器。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述用于确定用户相对于舱的移动的量及方向的装置是一个鼠标，该鼠标包括二个彼此垂直安装的滚筒以便转动并和球表面接触，球充当该鼠标的滚珠。

6.如权利要求1至5中任一要求所述的系统，其中所述舱包括一组至少一种类型的相同构件，构件彼此刚性连接并具有由球的预定曲率规定的表面曲率。

7.如权利要求6所述的系统，其中所述构件是从包括三角形、矩形、五角形和六角形的族中选择的。

8.如权利要求1所述的系统，其中每个轮式支承包括至少一个轮子。

9.如权利要求1或8所述的系统，其中所述各轮式支承固定在架上。

10.如权利要求1所述的系统，还包括安装在球内轮式支承组上的一个平台，轮式支承具有指向球的中心的并偏离轮的旋转轴的枢轴。

11.如权利要求1至10中任一要求所述的系统，还包括：

至少一个的根据附加用户数量的附加球状密封舱，所述附加舱定义真实的封闭环境并安装在各支承上以绕其中心转动，附加舱具有至少一个带门的舱口；

至少一个用于向附加用户显示虚拟环境的装置，其和所述虚拟环境生成装置连接以提供用户之间的交互式作用。

12.如权利要求1至11中任一要求所述的系统，还包括和所述虚拟环境改变装置连接的一个脉搏传感器和/或血压传感器以调整向用户显示的虚拟环境。

13.如权利要求1至12中任一要求所述的系统，包括控制球内温度和空气含量的装置。

14.如权利要求1所述的系统，其中所述舱由无线电可穿过的材料制成。

15.如权利要求1所述的系统，包括一个驱动程序，用于调整可买到的利用球陷入到虚拟环境中的程序。

16.一种使用户陷入到虚拟现实中的系统，包括：

一个限定真实环境的球形密封舱，该舱安装在支承组上以绕其中心转动，舱具有至少一个带有供用户出入的门的舱口，

用于生成虚拟环境的虚拟环境生成装置，

和虚拟环境生成装置连接的用于向用户显示虚拟环境的虚拟环境显示装置，

其中所述系统还包括：

虚拟环境改变装置，用于响应舱内用户做出的实际物理移动改变虚拟环境，

和所述虚拟改变装置连接的用于确定用户相对于舱的移动的量及方向的装置，

舱的支承是万向支架。

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