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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Simulation einer virtuellen Umgebung.
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Unter dem Begriff einer virtuellen Realität werden in der Regel Systeme verstanden, welche einem Benutzer die Wahrnehmung eines computergenerierten Raums so vermitteln, dass der Benutzer diese virtuelle Umgebung aufgrund seiner Sinneseindrücke für real hält. Eine Vermischung einer solchen virtuellen Realität mit der Wahrnehmung real existierender Gegenstände wird als sogenannte gemischte Realität bezeichnet.
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Derartige Verfahren werden üblicherweise im Bereich der Unterhaltungselektronik angeboten, um Spielumgebungen zu schaffen, in denen sich der Benutzer in die virtuelle Spielumgebung versetzen lässt. Darüber hinaus sind Anwendungen von Interesse, welche eine Visualisierung von Projekten ermöglichen, die zunächst noch nicht ausgeführt sind und deren Ausführung von zu treffenden Entscheidungen des Benutzers abhängt. So kann beispielsweise mithilfe eines derartigen Systems ein Bauherr durch das geplante Gebäude in einer virtuellen Realisierung laufen, ohne dass das Gebäude bereits fertig gestellt ist. Auf diese Art und Weise kann dann eine Anpassung des Gebäudes nach den Wünschen des Bauherrn erfolgen, bevor die tatsächliche Herstellung des Gebäudes durchgeführt worden ist. Dem Benutzer wird dabei in einer Ich-Perspektive das Raumerlebnis vorgeführt, indem er sich virtuell durch die computergenerierten Räume bewegen und die nachgebildeten Lichtverhältnisse beurteilen kann, so dass er einen Eindruck des Raumes gewinnt um diesen vorab nach seinen Wünschen zu gestalten.
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Üblicherweise beschränkt sich eine derartige Simulation auf den grafischen Bereich, während im Bereich der akustischen Wahrnehmung entweder ein vollständig synthetisches Audiosignal überlagert wird, beispielsweise eine Musik, oder aber die ohnehin vorhandene Geräuschkulisse der realen Welt direkt an das Ohr des Benutzers dringt.
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Eine derartige ohnehin vorhandene Geräuschkulisse mag sich jedoch in vielen Fällen nicht mit dem räumlichen Sinneseindruck durch die grafische Simulation decken, beispielsweise wenn die grafische Präsentation in einem kleinen Raum stattfindet, jedoch ein großer, weitgreifender Raum simuliert wird.
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Um einen vollständigen Eindruck eines simulierten Raums zu erhalten, ist es auch erforderlich, einen Höreindruck von diesem Raum zu bekommen, um zu beurteilen, ob ein solcher Raum auch tatsächlich die gewünschte Wirkung erzielt.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Simulation einer virtuellen Umgebung zu schaffen, das einen vollständigen, grafischen und akustischen Eindruck für den Benutzer erzeugt und so die Möglichkeit schafft, einen virtuell erzeugten Raum unter allen Gesichtspunkten wahrzunehmen und zu beurteilen.
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Dies gelingt durch ein Verfahren zur Simulation einer virtuellen Umgebung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere, sinnvolle Ausgestaltungen eines solchen Verfahrens können den Unteransprüchen entnommen werden.
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In einer ersten, einfachsten Umgebung ist es vorgesehen, einen realen Raum mit Schall absorbierenden Elementen zu versehen, um die Schallausbreitung in dem realen Raum möglichst weitgehend zu unterbinden. In einem derartigen realen Raum sind grafische Anzeigemittel und Lautsprecher angeordnet, welche für den Benutzer die Illusion des virtuellen Raums erzeugen sollen. Diese werden von einer Datenverarbeitungseinrichtung angesteuert, welche den virtuellen Raum simuliert und berechnet, sowie mit den grafischen Anzeigemitteln und Lautsprechern im Datenaustausch steht um die berechneten grafischen und Audiosignale auszugeben. Im Rahmen einer erfindungsgemäßen Simulation wird also eine grafische Reproduktion des virtuellen Raums auf den Anzeigemitteln dargestellt und gleichzeitig Audiosignale über die Lautsprecher eingespielt, wobei die Audiosignale in Abhängigkeit von den Raummaßen und/oder den Materialeigenschaften des virtuell im virtuellen Raum verarbeiteten Materials von der Datenverarbeitungseinrichtung verändert werden. So wird die Datenverarbeitungseinrichtung dem einzuspielenden Audiosignal einen Nachhall hinzufügen, wenn eine gewisse Raumgröße erreicht wird, diesen jedoch wieder zurücknehmen, wenn aus den Materialeigenschaften, welche für die Wände und Gegenstände innerhalb des virtuellen Raums gewählt werden, eine Schall absorbierende Eigenschaft hervorgeht.
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So wird die Datenverarbeitungseinrichtung beispielsweise bei der Ausgabe der graphischen Wiedergabe eines großen Raumes, beispielsweise eines Kirchenschiffs, einen starken Nachhall produzieren, während der Nachhall bei einem sehr kleinen Raum nahezu nicht vorhanden sein wird. Eine Beeinflussung durch den realen Raum erfolgt aufgrund der Verwendung Schall absorbierender Elemente zumindest näherungsweise nicht. Mit einer Veränderung des virtuellen Raumes, welche über erste Eingabemittel vorgenommen werden kann, wird die Datenverarbeitungseinrichtung eine korrespondierende Veränderung des Nachhalls und damit der eingespielten Audiosignale vornehmen, um den Effekt des simulierten Raumes auch akustisch nachzubilden. Ein solches erstes Eingabemittel kann beispielsweise ein Tablet-Computer sein, über welchen vermittels eines geeigneten Interfaces Auswahlen getroffen und Maße verändert werden können. Ebenfalls ist es ohne Weiteres denkbar, über ein derartiges erstes Eingabemittel den Grundriss und weitere bauliche Eigenschaften des virtuellen Raumes vorzugeben oder zu verändern.
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Neben dem Einspielen vorproduzierter Audiosignale ist es ohne Weiteres auch möglich, dass die Datenverarbeitungseinrichtung die auszugebenden Audiosignale und deren Raumklang bzw. Nachhall anhand der Raummaße und Materialeigenschaften des virtuellen Raums in dem Moment berechnet, in welchem sie zum Einsatz kommen. Dies erlaubt eine wesentlich größere Anpassungsfähigkeit des Systems, welches auf diese Art und Weise einen geeigneten Nachhall für jeden beliebigen Raum in allen Konfigurationen simulieren kann.
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Zudem ist in konkreter Ausgestaltung vorgesehen, die Anzeigemittel beispielsweise in Form von Bildschirmen an den Wänden des realen Raumes anzubringen, um damit eine gemischte Realität für den Benutzer zu erstellen. Um das Erlebnis für den Benutzer zu verbessern, können die grafischen Anzeigemittel jedoch auch als Sichtschirm einer Kopfhalterung zugeordnet sein, so dass die Anzeigemittel das gesamte Blickfeld des Benutzers einnehmen und dieser hierdurch in eine vollständige virtuelle Realität eintauchen kann.
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In diesem Fall ist es sinnvoll, der Kopfhalterung Neigungssensoren und gegebenenfalls auch Mittel zur Verortung der Kopfhalterung in dem realen Raum zuzuordnen, welche mit der Datenverarbeitungseinrichtung kommunizieren, um auf diese Art und Weise eine Lenkung der Bewegungen innerhalb des virtuellen Raumes zu ermöglichen. Abhängig von Position und Lage im virtuellen Raum wird die Datenverarbeitungseinrichtung den Blickwinkel innerhalb des virtuellen Raums anpassen, um beispielsweise bei einer Kopfbewegung dieselbe Kopfbewegung auch hinsichtlich der virtuellen Welt durchführen zu lassen. So wird sich bei einer Kopfdrehung nach links auch der entsprechende Blickwinkel der graphischen Darstellung auf den virtuellen Raum in korrespondierender Art und Weise verdrehen.
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Dementsprechend ist es auch sinnvoll, die Audiosignale direkt über Ohrhörer auszugeben, welche beispielsweise der Kopfhalterung direkt zugeordnet sein können. So erhält jeder Benutzer seine eigene Geräuschkulisse, welche ohne Weiteres an den von jedem einzelnen Benutzer separat betrachteten virtuellen Raum angepasst werden kann.
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Auch den Ohrhörern können Mittel zur Verortung zugeordnet sein, welche mit der Datenverarbeitungseinrichtung kommunizieren. Auf diese Art und Weise kann die Datenverarbeitungseinrichtung auch feststellen, ob beispielsweise der Benutzer sich im virtuellen Raum mit einem Ohr sehr dicht an einer Wand befindet, während das andere Ohr frei ist. Dementsprechend kann auch der Nachhall bzw. Raumklang für jedes Ohr separat berechnet und eingestellt werden, um den Realismus der Simulation weiter zu verbessern.
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Zusätzlich können in dem realen Raum Mikrofone verteilt sein, um die von dem Benutzer erzeugten Raumgeräusche aufzufangen, beispielsweise Sprache, welche zwischen mehreren Benutzern gewechselt wird, um diese dann in dem Ohrhörer, welcher zu diesem Zweck vorzugsweise nach außen hin akustisch abgedichtet sein kann, mit dem angepassten Nachhall eingespielt wird. Hierzu wird das gesprochene Audiosignal zunächst von der Datenverarbeitungseinrichtung aufgezeichnet und sofort mit dem entsprechenden Nachhall versehen wieder ausgegeben, so dass eine Überlagerung praktisch ohne Zeitverzögerung stattfinden kann.
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Zur weiteren Bewegung innerhalb des virtuellen Raums kann aufgrund der gegebenen Grenzen des realen Raums alternativ zu einer Verortung der Kopfhalterung auch eine Bewegung mit zweiten Eingabemitteln denkbar sein, beispielsweise über einen Joystick oder eine andere Eingabevorrichtung, beispielsweise eine solche Eingabevorrichtung, welche die tatsächlichen Laufbewegungen eines Benutzers gleichzeitig aufzeichnet und beispielsweise über Rollenmechanismen so kompensiert, dass sich der Benutzer trotz seiner Bewegungen im realen Raum nicht fortbewegen kann. Auf diese Art und Weise können virtuelle Räume betrachtet und begangen werden, welche über die Raumgröße des realen Raums hinausgehen.
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Die vorstehend beschriebene Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen
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1 einen realen Raum in einer oberseitigen schematischen Draufsicht, bei welchem Anzeigemittel an den Wänden und Lautsprecher im Raum verteilt angeordnet sind, sowie
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2 einen realen Raum, ebenfalls in einer schematischen Draufsicht, bei welchem die Anzeigemittel und die Lautsprecher einem Benutzer über eine Kopfhalterung anverbunden sind.
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1 zeigt einen realen Raum 10, welcher von einem Benutzer 12 betreten werden kann, um eine Simulation eines virtuellen Raums zu erfahren. Der virtuelle Raum wird von einer Datenverarbeitungseinrichtung 13 berechnet, wobei Informationen über die Raummaße und/oder Materialeigenschaften des virtuellen Raums über einen Tablet-Computer 22 eingegeben werden, welcher mit der Datenverarbeitungseinrichtung 13 kommuniziert. In Abhängigkeit von den eingegebenen Daten wird die Datenverarbeitungseinrichtung 13 die berechneten visuellen Daten auf Bildschirmen 20 als grafische Anzeigemittel ausgeben, so dass der Benutzer 12 durch einen Blick auf die ihn umgebenden Bildschirme 20 den simulierten Raum wahrnimmt. Hierbei werden die Bildschirme derart mit Bildwiedergaben beschickt, dass der virtuelle Raum aus einer mit der Benutzerposition vergleichbaren Position erreichbaren Blickwinkel betrachtet wird. Über Lautsprecher 21, welche in dem realen Raum 10 angeordnet sind, spielt die Datenverarbeitungseinrichtung 13 Umgebungsgeräusche, beispielsweise Musikstücke oder andere Geräusche ab, deren Raumklang sowohl von den Raummaßen des virtuellen Raums als auch von den eingestellten Materialvorgaben abhängig sind. So kann der Benutzer 12 nunmehr über den Tablet-Computer 22 Vorgaben hinsichtlich des verwendeten Materials machen, so beispielsweise eine Betonwand des virtuellen Raums per Knopfdruck auf dem Tablet-Computer 22 in eine Schall absorbierende Wand umwandeln. Bei einer derartigen Veränderung der Variablen wird die Datenverarbeitungseinrichtung 13 eine entsprechend angepasste Audiodatei über die Lautsprecher 21 ausgeben oder berechnete Halleffekte der eingespielten Audiodatei überlagern.
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2 zeigt eine weitere Ausgestaltungsform der Erfindung, welche ebenfalls in dem realen Raum 10 stattfindet. Auch hier sind die Wände 11 des realen Raums 10 mit Schall absorbierenden Materialien behängt, so dass ein Nachhall in dem realen Raum 10 weitgehend vermieden wird. Die grafischen Anzeigemittel 30 sind in dieser Ausgestaltungsform an einer Kopfhalterung 32 befestigt, welche dem Benutzer 12 so zugeordnet sind, dass dessen Blickfeld vollständig von dem Anzeigemittel 30 eingenommen wird. Zudem sind der Kopfhalterung 32 Ohrhörer 31 zugeordnet, über welche ein von der Datenverarbeitungseinrichtung 13 berechneter Raumklang eingespielt wird. Über im Raum und gegebenenfalls auch an dem Benutzer 12 selbst angeordnete Mikrofone 33 wird der tatsächliche Raumklang zudem aufgezeichnet und diesen eine anhand der Raummaße und Materialien des virtuellen Raums angepasste Überlagerung von der Datenverarbeitungseinrichtung 13 hinzugefügt, so dass der Raumklang angepasst wird und der Benutzer 12 einen umfassenden Eindruck des simulierten Raumes erhält.
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Vorstehend beschrieben ist somit ein Verfahren zur Simulation einer virtuellen Umgebung, bei dem aufgrund der Einbeziehung des Raumklangs ein verbessertes Erlebnis einer virtuellen Simulation ermöglicht wird. Dies gelingt dadurch, dass das Verfahren in einem mit Schall absorbierenden Elementen versehenen realen Raum stattfindet, in welchem an den simulierten Raum angepasste Audiosignale eingespielt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- realer Raum
- 11
- Wand
- 12
- Benutzer
- 13
- Datenverarbeitungseinrichtung
- 20
- Bildschirm
- 21
- Lautsprecher
- 22
- Tablet-Computer
- 30
- Anzeigemittel
- 31
- Ohrhörer
- 32
- Kopfhalterung
- 33
- Mikrofon
