CN1333323C - 利用压力传感垫的虚拟现实系统移动接口 - Google Patents

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Abstract

一种将用户在真实空间中的位置和移动转置到虚拟空间内的虚拟现实系统。该虚拟现实系统包括一个输出指示用户在真实空间中的位置的输出信号。该移动接口包括一个压力传感垫，该传感垫包括底层、在底层上形成的多个压力传感元件和在多个压力传感元件上形成的顶层和周围设置有压力传感垫的基座，该压力传感垫可以在基座周围自由地移动。该多个压力传感元件输出一个指示施加至顶层的压力的信号。虚拟现实处理器利用由移动接口输出的信号来产生一个表示用户在虚拟空间中与用户的真实空间内的位置和移动相对应的位置的输入信号。显示器利用来自虚拟现实处理器的输出来产生一个虚拟空间的图象。

Description

利用压力传感垫的虚拟现实系统移动接口
背景技术
1.技术领域
本发明涉及可用于使用户完全投入虚拟空间的虚拟现实系统。
2.相关技术说明
虚拟现实是将用户投入其中的计算机生成的环境。用户的动作可以由计算机翻译成影响虚拟环境(VE)的输入。虚拟现实系统可以自然地激发出现的感觉，例如视觉、听觉、触觉和移动，使用户能在如同现实世界的虚拟环境中漫游。
对于虚拟现实系统的设计者来说最主要的挑战是设计一个允许自然的人的移动的虚拟现实系统。以前的允许用户自然移动的虚拟现实系统要求复杂而昂贵的设备。其它虚拟现实系统放弃了自然的人的移动概念，使用允许用户在用诸如在虚拟空间中用户的手指指向的方向上飞行之类的人工姿势在虚拟环境中漫游。
已知的虚拟现实系统包括跟踪用户在踏车上的移动的踏车设备。该设备在美国专利公开号5,562,572(申请人Carmein)中公开。虽然这些踏车设备允许在用户的直立位置上移动，它们不允许在用户的俯卧方向上移动。它们也不能感察用户是处于站立、爬行还是俯卧的位置。另外，这些踏车设备常常在机械上复杂，因此受制于固有延迟时间和与移动机械质量相关联的动量问题。
其它已知的虚拟现实系统允许用户在俯卧方向上移动，但牺牲了自然的移动。例如，一个已知的设备包括一个与汽车加速器相似的简单脚踏板接口。根据用户踏该脚踏板的位置，脚踏板允许用户前后移动。在此系统中，用户一直向视野的中心移动，且如果用户将他的头转某一角度则该视野旋转。虽然该系统允许用户从任何姿势漫游，用户必须一直保持与脚踏板接触来漫游。这也不能使用户自然地移动。
发明内容
在各种示例实施例中，根据本发明的一个方面的虚拟现实系统包括输出表示用户在现实空间中的位置的信号压力传感垫。虚拟现实处理器用由压力传感垫输出的信号来产生一个指示与用户在现实空间中的位置和移动相对应的虚拟空间的输出。显示设备用来自该虚拟现实处理器的输出来允许用户完全投入虚拟空间。
在各种示例实施例中，压力传感垫包括：底层、多个在底层上形成的压力传感元件和在多个压力传感元件上形成的顶层。多个压力传感元件输出一个指示加至顶层的压力的信号。
本发明提供一个具有简单设计并允许用户从任何姿势(例如：站立、爬行、俯卧)在任何方向上自然移动的虚拟现实系统。根据本发明的虚拟现实系统具有许多优于以前的虚拟现实系统的优点。根据本发明的系统的各种示例实施例的增强的灵活性允许用户从站立、爬行、俯卧的位置前后或侧向移动。因此，根据本发明的虚拟现实系统具有诸如增强的军事训练、现实的视频游戏环境和广范围的医疗应用之类的许多应用。
从下面对根据本发明的系统和方法的各种示例实施例的详细说明中描述了或明显了本发明的这些和其它特征和优点。
附图简要说明
下面将参照下列附图说明本发明的各种示例实施例，其中：
图1示出根据本发明的虚拟现实系统的一个示例实施例；
图2示出根据本发明的压力传感垫的一个示例实施例；
图3示出可以与根据本发明的虚拟现实系统的各种示例实施例一起使用的压敏电阻器的一个示例实施例；
图4示出根据本发明的压力传感垫的等效电路；
图5为根据本发明虚拟现实处理器的示例实施例的方框图；和
图6示出根据本发明的移动接口的示例实施例的横截面。
具体实施方式
图1示出根据本发明的虚拟现实系统的一个示例实施例。虚拟现实系统1包括：压力传感垫100、虚拟现实(VR)处理器200和显示器400。应理解根据本发明的虚拟现实系统的各种示例实施例可具有使用压力传感垫来感应用户的移动以产生一个虚拟环境的组件的任何数量和配置。
图2示出根据本发明的压力传感垫100的一个示例实施例。压力传感垫100包括半刚性底层120。可以将诸如塑料、硬木和聚碳酸酯(莱克桑)之类的任何合适的材料用于底层120。在底层120上形成压力传感元件150-1至150-n的栅格140(即，二维阵列)。在栅格140上形成顶层160。可以将诸如最好是橡胶、天然橡胶、丁纳橡胶和织物加强黑橡胶之类的任何合适的层用于顶层160。
栅格140的压力传感元件150-1至150-n检测施加至压力传感垫100的顶层160的固定点上的压力。可以将任何合适的压力传感设备用于诸如机电压力传感器之类的压力传感元件150-1至150-n。通常可以将任何已知或以后公开的压力传感设备用于压力传感元件150-1至150-n。
在图1中所示的示例实施例中，压力传感元件150-1至150-n包括压敏电阻器。如已有技术中所知，压敏电阻器包括用作简单分压器的元件。图3示出可以与根据本发明的虚拟现实系统的各种示例实施例一起使用的压敏电阻器180的一个示例实施例。压力传感元件150-1至150-n包括相应的压敏电阻器180-1至180-n。各压敏电阻器180包括：上薄膜181、下薄膜182、在下薄膜182上形成的第一电极图形183、在上薄膜181上形成的与电极图形183相对的第二电极图形184及在第二电极图形184上形成的压敏导体185。当按压上薄膜181时，压敏导体185被压在第一和第二电极图形之间。如在本领域所知的，压敏导体185在受压时电阻降低。因此，压敏电阻器180的电压输出会随施加的压力变化。压敏电阻器的更多细节参见美国专利号：5,948,990，其公开内容通过引用包含于此。
图4示出压力传感垫的等效电路。电压输出Vout-1至Vout-n与构成栅格140的各压力传感元件150-1至150-n相对应。当用户漫游虚拟现实环境时将压力施加至压力传感垫100上的点。所施加的压力改变了压敏电阻器180-1至180-n的电阻，从而各相应压力传感元件150-1至150-n的压力输出随用户的移动而变化。栅格140产生一个压力输出，该输出可以被分析以生成一个跟随用户在虚拟空间中的移动的图形。
图5为虚拟现实处理器200的示例实施例的方框图。虚拟现实处理器包括：控制器210、存储器220(例如包括RAM和ROM)、图形发生设备230、动作识别设备240、虚拟环境绘制设备250、输入接口260和输出接口270。控制器210使用控制/数据总线280与其它部件220-270接口。虽然示例虚拟现实处理器200使用总线结构(bussed architecture)，应理解示例虚拟现实处理器200可以使用任何已知的或后来开发的结构，包括：ASIC、编程通用计算机、离散逻辑设备等。
在控制器210的控制下，输入接口260可以从压力传感元件150-1至150-n接收模拟电压信号。输入接口260可包括一个将模拟电压信号转换成数字信号的模数转换器。输入接口260可以将该数字信号输入至用于存储的存储器220。
接着，控制器210可以将存储在存储器220中的数字信号提供给图形发生设备230。图形发生设备230以规则的间隔取样存储在存储器220中的数字信号并根据该规则间隔的数字信号产生一个图形。图形发生设备230所产生的图形表示用户在压力传感垫100上的各种位置。
控制器210将由图形发生设备230所产生的图形传送至动作识别设备240。运动识别设备240可包括用用户的相应的位置识别一个给定图形的图形识别设备(未示出)。该图形识别设备可以通过将该图形与存储器220中所存储的图形的数据库相比较来识别一个图形。图形识别设备还可以根据该图形的尺寸、形状和/或压力分布来识别该图形。例如，如果该图形大于预定阈值尺寸，则图形识别设备会将该图形识别成“俯卧用户位置”图形。同样，如果垫输出表示交替移动的近似尺寸的两个图形的信号，则处理器确定该用户为直立(例如：走、跑步或站立(如果两个图形不移动))。如果检测到两上以上较小的移动图形，则确定用户在爬行。存储器220中所存储的图形可以为神经网络提供例子以得知如何识别不同的图形。
根据由处理器确定的姿势和方向信息，合适地改变虚拟环境(即，显示图象)。
当用户漫游虚拟环境时，可以以固定间隔将图形识别设备所识别的一系列用户位置存储在存储器220中。当用户在压力传感垫100上移动时，最好跟踪一系列图形中的各图形的形心。动作识别设备240可以在固定间隔结束处取样该系列用户位置并在固定间隔期间根据该系列用户位置识别用户的动作。运动包括例如方向(前、后、左、右等)和速度。还可以分析图形以确定用户的姿势(站立、爬行、俯卧)。
用户面向的方向是由可以直接附着在用户上的传感器确定的。在实施例中，该传感器可以是附在用户腰部确定腰面向的方向的磁跟踪器。根据本发明的虚拟现实系统提供在只需要单个直接附着于用户的传感器方面明显优于已知虚拟现实系统的优点。因此，用户较少受制于笨重的传感器引线和设备。
控制器210可以将用户的运动转置至由虚拟环境绘制设备250产生的虚拟环境中。可以将用于包括虚拟对象在内的虚拟环境的数据存储在存储器220中。虚拟环境绘制设备250可以根据存储器220中所存储的数据以给定间隔更新虚拟环境。虚拟环境绘制设备250可以在每次识别出用户的动作时更新虚拟空间。因此，当用户在虚拟空间中移动时，用户可以影响虚拟环境和被虚拟环境影响。例如，当用户漫游虚拟空间时，可以改变用户在虚拟空间中的透视，虚拟对象可以进入用户的路径，且用户可以移动虚拟对象。
控制器210可以控制输出接口270来将虚拟现实环境数据输出至显示器400.虽然在图1中显示器400示为头戴式显示器，也可以采用任何已知的或以后公开的显示器。该显示器最好为用户提供在虚拟世界中看、听、闻和/或触摸的能力使用户能完全投入该虚拟空间。
在实施例中，可以想像压力传感垫100可以是大到当用户处于虚拟空间内时允许用户移动的程度。例如，可以将压力传感垫100制成覆盖一个大的区域或房间的地面。另选地，如果空间是有限的，则可以将压力传感垫100制得较小，在该情况下，要求用户在有限的区域中移动或“原地”移动。另外，压力传感垫100可以设置成诸如踏车形式之类的带状形式。例如，图6示出根据包括包在球形基座330周围的压力传感垫305的本发明的实施例的移动接口300的横截面。如图6所示，压力传感垫305包括：底层310、在底层、在底层310上形成的压力传感元件320-1至320-n的栅格315。压力传感垫305可以通过自身的弹性保持在球形基座330的表面上，从而使球形基座330与压力传感垫305之间的接触相对无摩擦。
移动接口300包括保持压力传感垫305和球形基座330的托架335。可以在托架335中安装被动轮脚335以允许压力传感垫305在托架335的所有方向上自由移动。
在此实施例中，移动接口300必须具有让用户感觉好象他/她能在所有方向上移动“无限”距离的能力。因此，当用户在虚拟环境中“移动”时，压力传感垫305必须能在用户下方移动。然而，虽然压力传感垫305的移动会在球形基座330上产生很小的摩擦，压力传感垫305的质量不允许用户在移动时驱动他/她下方的压力传感垫305。因此，在此实施例中，机械地驱动压力传感垫305在用户下方移动。例如，如图6中所示，在托架335中设置了一个可转滚轮340，且该滚轮与压力传感垫305摩擦接触。滚轮340可以绕第一轴350和第二轴360转动。第一轴350与第二轴360相垂直。第一马达345驱动滚轮340绕第一轴350转动，而第二马达355驱动滚轮340绕第二轴360转动。滚轮340所产生的推力矢量使压力传感垫305在所有方向上围球形基座330滑动。
可以将一传感器(未示出)放置在移动接口300上以感应用户面向的方向。然后可以将感应到的用户方向用于确定由滚轮340产生的合适的推力矢量，从而移动用户下方的压力传感垫305。例如，如果传感器确定用户面向第一方向，则可以控制滚轮340产生一个第一方向上的推力矢量，从而在与第一方向相对的第二方向上移动用户下方的压力传感垫305。
滚轮340、脚轮335和移动接口300的其它机械部分可能会干扰压力传感垫305所感应的准确压力。另外，当用户在虚拟环境中“移动”时压力传感垫305会在用户下方移动，这也会降低压力感应的精确度。为了解决这些问题，当用户首先踏上压力传感垫305时，可以进行一个确定用户在压力传感垫305上的位置的初始化程序。
虚拟现实系统1可以用作在编程通用计算机机、专用计算机、微处理器等上执行的软件。
虽然参照其示例实施例说明本发明，应理解本发明不限于较佳、示例实施例或结构。相反，本发明旨在覆盖各种修改和等效设置。另外，虽然在各种示例的组合和配置中示出示例实施例的各种部件，包括更多、更少或只有一个部件的其它组合、配置也在本发明的精神和范围内。

Claims (17)

1.一种将用户在真实空间中的位置和移动转置到虚拟空间的虚拟现实系统，其特征在于，所述虚拟现实系统包括：
一个输出指示用户在真实空间中的位置的信号的移动接口，所述移动接口包括：压力传感垫，该压力传感垫定义了一个带并包括：底层、多个在底层上形成的压力传感元件和在所述多个压力传感元件上形成的顶层，所述多个压力传感元件输出指示加至顶层的压力的信号；和周围设置有所述压力传感垫的基座，所述压力传感垫可以响应于所述用户的移动而在基座周围自由地移动；
一个虚拟现实处理器，它使用由所述移动接口输出的信号来执行初始化过程以确定所述用户在所述压力传感垫上的位置，并产生一个指示与用户在真实空间中的位置和移动相对应的用户在虚拟空间中的位置的输出；
一个使用来自虚拟现实处理器的输出来产生一个虚拟空间的图象的显示器。
2.如权利要求1所述的虚拟现实系统，其特征在于，所述显示器是头戴式显示器。
3.如权利要求1所述的虚拟现实系统，其特征在于，所述基座是球形的。
4.如权利要求1所述的虚拟现实系统，其特征在于，还包括一个维持所述所述压力传感垫和所述基座的托架。
5.如权利要求4所述的虚拟现实系统，其特征在于，还包括设置在所述托架和所述压力传感垫之间的多个轮脚，所述轮脚允许所述压力传感垫在所述托架内移动。
6.如权利要求4所述的虚拟现实系统，其特征在于，还包括：
设置在托架中与压力传感垫摩擦接触的滚轮；
使滚轮绕第一轴旋转的第一马达；和
使滚轮绕第二轴旋转的第二马达，所述第二轴与第一轴相垂直，
所述滚轮的旋转产生使压力传感垫在所有方向上移动的推力矢量。
7.如权利要求1所述的虚拟现实系统，其特征在于，所述多个压力传感元件构成一栅格。
8.如权利要求1所述的虚拟现实系统，其特征在于，所述多个压力传感元件包括压敏电阻器。
9.如权利要求1所述的虚拟现实系统，其特征在于，所述底层包含一种半刚性材料。
10.如权利要求1所述的虚拟现实系统，其特征在于，所述底层包含塑料。
11.如权利要求1所述的虚拟现实系统，其特征在于，所述顶层包含橡胶。
12.如权利要求1所述的虚拟现实系统，其特征在于，所述虚拟现实处理器包括：
利用从所述移动接口输出的信号来产生多个相应图形的图形发生器；
利用由所述图形发生器所产生的多个图形来识别相应的多个用户位置和用户移动的运动识别器；和
利用所识别出的用户位置和移动来产生一个用户能影响以及能被影响的虚拟空间的虚拟环境绘制器。
13.如权利要求12所述的虚拟现实系统，其特征在于，所述由运动识别器识别出的多个位置包括俯卧用户位置、爬行用户位置和站立用户位置中至少一个。
14.如权利要求12所述的虚拟现实系统，其特征在于，所述由运动识别器识别出的多个运动包括用户向后运动、用户侧向运动、用户向前运动和对角线用户运动中至少一个。
15.一种为虚拟现实系统提供表示用户的移动的输入信号的方法，其特征在于，包括：
感应施加至具有压力传感垫的移动接口的压力，所述压力传感垫定义了一个带并包括：底层、多个在底层上形成的压力传感元件和在所述多个压力传感元件上形成的顶层，所述移动接口还具有周围设置有所述压力传感垫的基座，所述压力传感垫可以响应于所述用户的移动而在基座周围自由地移动；
提供一处理器处理由所述移动接口输出的信号并执行初始化过程，以确定用户在所述压力传感垫上的位置，其中，所述初始化过程是在用户最初与所述压力传感垫接触时使用的，所述初始化过程区别所述用户的压力和由与所述压力传感垫接触的机械部件施加的压力。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括：
响应于感应到的压力处理由所述移动接口输出的信号，以产生一个指示用户在虚拟空间中与用户的真实空间内的位置和移动相对应的位置的输入信号。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述处理由所述移动接口输出的信号的步骤包括：
产生与由所述移动接口输出的信号相对应的多个图形；和
识别与所述多个图形相对应的用户的多个位置和用户的移动。
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