JP2001504605A - 空間内のユーザの位置及び方向性を追跡及び表示するための方法、ユーザに対し仮想環境を提示するための方法及びこれらの方法を実現するためのシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、主体の３次元位置及び方向性を決定し、仮想空間をイメージングするための方法及びシステムに関する。本発明は、インタラクティブコンピュータゲーム、治療用トレーニングシステムならびにスポーツ又は軍事用トレーニングにおいて使用することができる。本発明は、主体の３次元位置及び方向性を監視する際の精度及び速さを増大させ、この主体による容易かつ自然な動きを提供し、実空間内での主体の動きに従って変動する仮想空間を提供するのに使用することができる、主体の移動発動装置内のセグメント（２）の角位置を監視するために、センサ（４）が用いられ、ここでこれらのセンサは、セグメント（２）の接続部及び直接これらのセグメント（２）のいくつかの上に位置設定される。しかしながら、これらのセグメント（２）のうちの１つはその上にはめ込まれた形で、基準方向ならびにこれらの方向との関係における一定の与えられたセグメントの方向性を決定するためのベースシステム（５）を有している。センサ（４），基準方向決定システム（５）及び仮想空間内のオブジェクトと主体の間のインタラクションのためのオプションの装置は全て、主体全般の位置と方向性を計算するために処理される情報を出力する。この計算は、セグメント間の角度の具体的な値、ならびに基準方向との関係における主セグメントの方向性に基づいており、ここでこの主セグメントは基準方向決定システムを支持している。かくして得られたデータは、主体の動きのリアルタイムイメージングのため、又は、実空間内の変位に従って変動する主体の視野に対応する仮想空間を主体に提示するために使用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 空間内のユーザの位置及び方向性を追跡及び表示するための方法、ユーザに対 し仮想環境を提示するための方法及びこれらの方法を実現するためのシステム 発明の分野 本発明は、空間内のユーザの位置及び方向性を決定するためのシステムに関し 、インタラクティブコンピュータゲーム及びスポーツ又は軍事用のトレーニング システムに応用可能である。本発明は、健康改善のため、子供及び大人によるス ポーツゲーム及びダンスの練習及び方法を正しく実施することを教授し実践させ る上で利用できるものである。 発明の背景 動作中の人体の位置を追跡し表示するための従来のシステムは、関節の回転角 度を測定し、例えば体との関係における手の、又は手との関係における指先の最 終的位置を決定するべく設計されたゴニオメータとして知られている、頭及び身 体の部分の位置の追跡用の機械的手段を利用する。 従来のシステムに付随する問題点は、ゴニオメータの回転の中心が関節の回転 中心と一致できないために、特に複数の自由度をもつ例えば手の関節といった関 節との関係においてゴニオメータを位置づけすることが困難であるということに ある。人間の関節は、理想的なヒンジ継手ではない。つまり回転軸は、関節の回 転角度の変化を変位させる。精度を改善するためには、適切な較正が利用されな くてはならない。 「仮想現実技術」１９９４年、John Wiley & Sons，Inc.,ｐ１７〜２５という 題の参考文献の中でBurdea G.，Goiffer P.が記述しているのは、空間内のユー ザの位置及び方向性を追跡し表示する磁気システムである。このシステムには、 Polhemiusの動作捕捉サーバー及びAsention Technology CorpのFlock of birds が含まれており、これらには、測定された運動パラメータを処理するための複数 の回路ボード、コントローラ、外部タイミング回路ボード、通信回路ボード、キ ーボード及びモニタ、３つの電磁コイルを内含する送信機及び送信機が発する磁 界を検出するための小型三ツ組電磁コイルも各々有している複数の受信機が含ま れている。 このようなシステムは、範囲が小さく、その精度は、送信機と受信機との間の 距離の関数である。交流磁界を伴うシステムにおいては、金属異物の存在は、う ず電流が誘導されることに起因して精度を損なう。直流磁界を伴うシステムは、 金属異物の存在に対する感応性が低いが、磁気抵抗効果は、送信機により生成さ れる磁界と干渉する可能性がある。 これらのシステムはまた、アナログ信号を樹立する上での時間的遅延によって ひき起こされる不充分な速度、及びスクリーン上で画面の揺れを発生させる高い 雑音レベルという欠点をも有している。 もう１つの従来のシステムは、支持フレーム上に固定された３つの送信用電気 音響変換器のセットを内含する送信機と、ユーザの上例えば表示装置つきヘルメ ットの上に位置設定された支持フレーム上に固定された３つのマイクロホンから 成るセットを含む受信機と、検出された情報を処理するためのシステムと、ユー ザの合成画像を表示するためのシステムとを含んで成る、空間内のユーザの位置 及び方向性を追跡するための超音波システムである（同書ｐ２５〜２８）。ユー ザは、三角測量の原理を用いて位置設定され、ユーザ の位置及び方向性を決定するのに９つの距離測定が必要とされる。このシステム は、システムの送信機と受信機との間に直接的視程を必要とする。多数の受信機 を追跡することが必要となると、ポーリング周波数は減少する。すなわち、動く 物体又はその一部分のリアルタイム表現を提供するのに必要とされる測定を行な う速度は低下する。 上述の従来のシステムは、送信機に結合された固定座標系との関係における可 動物体の絶対的位置及び方向性を測定する絶対運動パラメータセンサを含むシス テムに関するものである。 相対的動作パラメータセンサを含むシステムもまた存在する。これらのシステ ムのもつ長所は、その直接性及びコンパクト性である。かかるシステムの一例と しては、指の関節の回転角度の一部分又は全てを測定するためのセンサを含む仮 想現実潜入システムの中で用いられる「グローブ」を挙げることができる。かか るシステムにはさらに、ユーザの手首の動きを追跡するための絶対３次元運動及 び方向性センサ（３Ｄセンサ）も含まれている。例えば、ＶＰＬからの光学セン サを伴うデータグローブシステム（同書、ｐ３３〜３７）は、軽量弾性グローブ 上に配置された光ファイバ及び３Ｄセンサを含んで成る。標準的構成には、基本 関節内の湾曲部を検知するべく各指の外部部分に取りつけられた一対のセンサが 内含されている。光ファイバは、オプトエレクトロニクスインタフェースに結合 される。センサは、関節内の湾曲がゼロである場合にファイバ内を伝播する光が 減衰されず、又逆に、湾曲部は、その量を変えて湾曲部回転角度の間接的測定を 可能にするような形で、設計されている。測定データは、較正定数及び適当な近 似方程式を用いて、角度値へと変換される。かかるシステムに付随する問題は、 開連鎖条件の下で累積した誤差によってひき起こされる精度の劣化及びそのコス トの高さにある。 １９９６年２月１３日に公示された米国特許第５４９０７８４号、米国分類４ ３４−５５，国際特許分類Ｇ０９Ｂ９/００の中で記述されているのは、ユーザ が内部に位置設定される６つの自由度をもつ球形カプセルの形をした可動プラッ トフォームアセンブリ、球形プラットフォームの位置を検知するための手段及び 前記カプセルの内部に配置されたコンピュータを含んで成る、ユーザに対し仮想 現実を提示するためのシステムである。１つの送信機がプラットフォームの位置 情報を受信機に送り、受信機はそれ自体、受信した球形プラットフォームの角位 置データをプラットフォームの外部にあるホストコンピュータに適用する。ホス トコンピュータに提供されるのは、回転するプラットフォームの線形変位情報で ある。ヘルメットに取りつけられた表示装置は、受信されたプラットフォーム変 位情報に基づき、仮想現実画像を調整する。 しかしながら従来のシステムは、仮想環境シミュレーションの妥当性範囲が不 充分である一方で精巧な構造を有している。 １９９２年１０月１４日に公示された米国特許第５３４９５１７号、分類３９ ５−１２９，国際特許分類Ｇ０６Ｆ１５/２０は、ユーザに対し実及び仮想環境 の複合画像を提示するためのシステムにおいて、ユーザに複合画像を提示するた めの仮想表示手段とユーザの視野の方向を指示する方向信号を生成するための方 向センサ手段と組合さった形でその視野を表わすビデオ信号シーケンスを生成す るためのビデオカメラ手段とビデオカメラ手段の視野がユーザの視野と実質的に 一致しその動きを追従するような形で、前記ビデオカメラ手段を取りつけるため のカメラ取付け用手段と複合画像に対応して適当なコンピュータ生成部分を生成 するための、前記方向信号に対する応答性をもつ画像生成手段と複合画像信号を 生成し前記視 覚表示手段に対しこの複合画像信号を適用するため、各々のビデオ信号を分析し ビデオ信号又はコンピュータ生成信号を選択するための画像選択及び組合せ手段 と、を含んで成るシステムについて記述している。 しかしながら、このシステムは、空間内のユーザの実際の位置及び方向性の変 化に応えてユーザに仮想環境画像を提示する可能性を提供することはできていな い。 発明の要約 本発明の目的は、ユーザの動きの適切なリアルタイム表示に必要とされる精度 及び速度の増大と同時に、製造及び運転コストの低減を確実に行なう、空間内の ユーザの位置及び方向性を追跡し表示するための方法及びシステムを提供するこ とにある。 本発明のもう１つの目的は、ユーザに対し、空間内で自然にかつ制約無く動き ユーザの動きを追跡する過程において仮想環境オブジェクトと相互作用する可能 性を提供することにある。 本発明のもう１つの目的は、実環境内でのユーザの動きの過程におけるその位 置及び方向の変化と完全に適合した形でユーザに仮想環境を提示する精度及び妥 当性を改善することにある。 上述の目的は、空間内のユーザの位置及び方向性を追跡し表示するための方法 において、 ａ）それぞれの接合部に隣接するセグメント間の少なくとも１つの角度を決定す るための手段を、ユーザの位置移動系のセグメントの基本接合部の各々に近傍に 取り付けるステップと、 ｂ）ユーザの位置移動系セグメントのうちの少なくとも１つの上に基準方向決定 手段を位置設定するステップと、 ｃ）前記基準方向が前記基準方向との関係において位置設定される 少なくとも１つのセグメントの方向性を決定するステップと、 ｄ）前記基本接合部に隣接したセグメントの間の角度を決定するステップと、 ｅ）決定された角度値及び前記基準方向決定手段がそこに位置設定される少なく とも１つのセグメントの方向性に基づいて、ユーザ全般の空間内の位置及び方向 性を決定するステップと、 を含む方法において達成される。ユーザの実際の動きに応えてユーザの空間内の 位置及び方向性の時間的変化を決定する関係づけされたデータシーケンスを得る ためには、前記（ｃ）〜（ｅ）の段階が予め定められた間隔で反復され、ユーザ の空間内の位置及び方向性について得られたデータは、その後の使用のために記 録される。 さらに、段階（ｅ）は、ユーザの位置移動系セグメントの線形寸法の値を用い て達成され、さらに、 ｆ）ユーザの位置移動系の単数又は複数のベアリングセグメントを決定するステ ップと、 ｇ）表示された環境内のサポートとの関係における前記単数又は複数のベアリン グセグメントを位置づけするステップと、 を含む。 表示された環境内のユーザの位置及び方向性のデータシーケンスを獲得し記録 し、得られたデータに従ってユーザの動きを表示するため、予め定められた間隔 で前記（ｄ）〜（ｇ）のステップが反復される。 ユーザの動きはリアルタイムで表示されるか又は、記録されたデータに従って 必要に応じて後に表示される。 ユーザの動きは、好適には、必要な観察態様に応じて表示されるか、又はユー ザの動きについて得られた画像をさらに編集した後で表示される。基準方向は、 地球磁場センサの南北方向及び局所的垂 直センサの方向であるか、又は、ジャイロ安定化された基準方向センサによって 生成される方向であるか又は、南北及び東西方向であるか又は、外部基準方向供 給源により生成された方向である。 さらに、前記基準方向決定手段は好ましくは、少なくとも１対の離隔した絶対 座標センサであり、この対はユーザの位置移動系セグメントのうちの少なくとも １つの上に配置されている。 ユーザの位置移動系セグメントの線形寸法を、ユーザの身長についてのデータ を用いて、人体の既知のプロポーションに基づいて規定することも同様に好まし く、ユーザの位置移動系セグメントの線形寸法は、表示された環境との関係にお けるユーザの寸法を適切に変更するように基準化され得る。 さらに、仮想環境オブジェクトとのユーザのインタラクションを提供するのに マニピュレータを使用する場合、このマニピュレータの位置は好適にはそれを保 持するユーザの手の位置に基づいて決定され、一方マニピュレータの正確な方向 性は、マニピュレータ上に配置された補足的基準方向決定手段を用いて決定され る。 ユーザの位置移動系セグメントの間の基本接合部は、好適には股関節、膝関節 、距腿関節、肩関節、肘関節、胸椎と腰椎との間の接合部さらには足関節及び指 関節の中から選択される。 前述の目的は、ユーザの身体部分上に配置された複数の運動パラメータセンサ 、所要の提示形式へとセンサ信号を変換するための変換手段、変換手段の出力端 に結合された入力端をもつ測定データ処理ユニット、及び測定データ処理ユニッ トに接続されたユーザの位置及び空間内方向性表示ユニットを備える、ユーザの 空間内位置及び方向性を追跡するためのシステムにおいて、本発明によるシステ ムは、ユーザの位置移動系セグメントのうちの少なくとも１つの上に配置された 基準方向決定手段と運動パラメータセンサ及び基準方 向決定手段に接続されたポールチャンネルをもち、その出力端が変換手段の入力 端に接続されているポーリングユニットと、 をさらに含み、運動パラメータセンサが、ユーザの位置移動系セグメントの間の 基本接合部のすぐ近傍、又はセグメントそのものの上に配置された相対的回転角 センサである追跡システムにおいても達成される。 位置及び方向性追跡用システムは、ポールチャンネルを通してポーリングユニ ットと接続されている補足的基準方向決定手段が上に配置されている、仮想環境 オブジェクトとユーザのインタラクションのための少なくとも１つの手段をさら に備える。 相対的回転角センサは、光ファイバセンサ又はひずみゲージである。 さらに、基準方向決定手段は、地球磁場センサ及び局所的垂直センサ、例えば 重力センサ又はジャイロ安定化基準方向センサ、あるいは人工的外部供給源基準 方向信号センサに基づいている。 そして最後に、位置及び方向性追跡用システムは好適には、ユーザの空間内の 位置及び方向性をその後表示するために変換済み測定データを記憶することを目 的としてデータ通信母線を通して測定データ処理ユニットに接続されている記憶 手段と、測定データ処理ユニットに接続され３次元環境の数学的シミュレーショ ン及びその中のユーザの数学的シミュレーションを構築するようオプションのデ ータを入力するための手段及び測定データ処理ユニットの出力端とユーザの空間 的位置及び方向性表示ユニットの入力端の間に接続され、所要画角で画像を生成 しその画像を編集するための画像生成ユニットとを備える。 本発明の上述の目的はまた、実環境内でのユーザの動きに応えて、ユーザに対 し仮想環境を提示するための方法において、 ａ）それぞれの接合部に隣接するセグメント間の少なくとも１つの角度を決定す るための手段を、ユーザの位置移動系のセグメントの基本接合部各々の近傍に取 り付けるステップと、 ｂ）ユーザの位置移動系セグメントの線形寸法を規定するステップと、 ｃ）ユーザの位置移動系セグメントのうちの少なくとも１つの上に基準方向決定 手段を位置設定するステップと、 ｄ）前記基準方向決定手段が前記基準方向との関係においてそこに配置される少 なくとも１つのセグメントの方向性を決定するステップと、 ｅ）前記基本接合部に隣接したセグメントの間の角度を決定するステップと、 ｆ）得られた角度値及び基準方向決定手段がそこに配置される少なくとも１つの セグメントの方向性に基づいて、ユーザ全般の空間内の位置及び方向性を決定す るステップと、 ｇ）ユーザの位置移動系の単数又は複数のベアリングセグメントを決定するステ ップと、 ｈ）表示された仮想環境内のサポートとの関係における前記単数又は複数のベア リングセグメントを位置づけするステップと、 ｉ）仮想環境内でのユーザの視野を決定するため仮想環境内のユーザの頭の位置 及び方向性を決定するステップと、 ｊ）ユーザに対しユーザの視野に対応する仮想環境領域を生成し提示するステッ プとを備える方法においても達成される。 ユーザの動き及び仮想環境オブジェクトとのインタラクションに応えて、リア ルタイムで仮想環境変化を表示するため、ｄ）からｊ）までの前記ステップが反 復される。 ユーザの位置及び方向性データのシーケンスは、その後の使用の ために記録され得る。 基準方向は、好適には、地球磁場センサの南北方向及び垂直センサの方向、又 は南北又は東西方向、又はジャイロ安定化された基準方向センサにより生成され た方向又は外部基準方向供給源により生成された方向、あるいは、ユーザの位置 移動系セグメントのうちの少なくとも１つの上に配置されている少なくとも１対 の離隔した絶対座標センサにより生成された方向である。 ユーザの位置移動系セグメントの線形寸法を、ユーザの身長についてのデータ を用いて、人体の既知の均斉に基づいて規定することも好ましく、ユーザの位置 移動系セグメントの前記線形寸法を、表示された環境との関係におけるユーザの 寸法を適切に変更するように基準化することが可能である。 さらに、表示された仮想環境オブジェクトとのユーザのインタラクションを提 供するのにマニピュレータを利用する場合、このマニピュレータの位置は好適に はそれを保持するユーザの手の位置に基づいて決定され、一方マニピュレータの 正確な方向性は、その上に配置された補足的基準方向決定手段を用いて決定され る。 ユーザの位置移動系セグメントの間の前記基本接合部は、好ましくは股関節、 膝関節、距腿関節、肩関節、肘関節、トウ骨手根関節、頭と肩との間の接合部及 び胸椎と腰椎との間の接合部、さらには足関節及び指関節の中から選ばれる。 本発明の上述の目的は、仮想環境画像表示手段と、ユーザの視野の方向を指示 する信号を生成するための手段と、このユーザの視野の方向を指示する信号を生 成するための手段の出力端に接続された入力端及び仮想環境画像表示手段の入力 端に接続された出力端を有する、ユーザの視野に対応する仮想環境画像の信号を 生成するための手段とを含んで成る、実環境内で移動するユーザに対し仮想環境 を提示するためのシステムにおいて、前記ユーザの視野の方向を指示する信号を 生成するための手段はさらに、前記セグメントの適切な接合部に隣接するユーザ の位置移動系セグメントの間の少なくとも１つの角度を決定するための手段と、 ユーザの位置移動系セグメントの少なくとも１つの上に配置された基準方向決定 手段と、前記ユーザの位置移動系セグメントと前記基準方向決定手段との間の角 度を決定するための手段の出力端に接続された入力端を有するアナログ−デジタ ル変換手段と前記アナログ−デジタル変換手段の出力端に接続された入力端を有 する、３次元環境及びその中のユーザのシミュレーションを構築するためのユニ ットと、及び前記３次元環境及びユーザの数学的シミュレーションを構築するた めのユニットの出力端に接続された入力端と、ユーザの視野に対応する前記仮想 環境画像信号を生成するための前記手段の入力端に接続された出力端を有するユ ーザ視野決定ユニットと、を備え、ユーザの視野に対応する仮想環境画像信号を 生成するための前記手段の第２の入力端が、３次元環境及びその中のユーザの数 学的シミュレーションを構築するためのユニットの出力端に接続されているシス テムにおいても達成される。 相対的回転角センサがひずみゲージ又は光ファイバセンサであることもまた好 ましい。 さらに、基準方向決定手段は、好適には、地球磁場センサ及び局所的垂直セン サ、又はジャイロ安定化基準方向センサ又は外部供給源基準方向信号センサであ る。 表示された実又は仮想環境のオブジェクトとユーザがインタラクションするた めにマニピュレータを使用する場合には、前記アナログ−デジタル変換手段の入 力端に接続されている出力端を有し、マニピュレータ上に配置された補足的基準 方向決定手段を利用するこ ともまた好ましい。 最後に、前記アナログ−デジタル変換手段の出力端に結合された長期メモリユ ニットを利用することも好ましい。 図面の簡単な説明 本発明は、添付図面と合わせて、その実施形態についての以下の記述を読むこ とにより明らかになることだろう。なお図面中、 図１は、本発明によるシステム内でユーザの位置移動系セグメントと基準方向 決定手段との間の角度を決定するための手段の配置を例示する、ユーザの従来の 図である。 図２は、本発明によるユーザの位置及び方向性を追跡し表示するためのシステ ムのおおまかなブロック図である。 図３は、本発明による、実環境内で動くユーザに対し仮想環境を提示するため のシステムのおおまかなブロック図である。 実施形態の詳細な説明 図１に概略的に描かれているのは、接合部３を伴うセグメントで構成された位 置移動系を有するユーザ１である。セグメント２の接合部３は、関節と骨との接 続をシミュレーションしている。人間又は動物の関節と同様に、接合部は異なる 自由度を有する。例えば前腕と肩、脛骨及び腿の接続部は、１つの自由度を伴う 単純なヒンジ継手としてシミュレーションでき、一方肩関節内の肩甲骨と肩の接 続部及び股関節のシミュレーションには多数の自由度を伴うヒンジ継手が必要と なる。 セグメント２間の角度を決定するための手段は、セグメント及びその部分の互 いとの関係における位置を追跡するセンサ４であり、これらのセンサは、セグメ ント２の接合部３上及びそのままのセグ メント２上に位置設定されている。センサ４は、例えば、肘セグメントの１方の 端部のそのもう１方の端部に対する回転角度といったような、いくつかのセグメ ントのその軸に対する回転角度を測定することを含む、ユーザの動きの精審な追 跡に役立つ。肘のセグメントは、互いとの関係において可動な２つの半径から成 り、こうして１つのセグメント端部はその軸全体にわたりもう１方の端部との関 係において回転できるようになっている。そのセグメントと隣接セグメントとの 間の角度を変えることなくその軸を中心にして回転することのできるセグメント が複数存在する。すなわち、肩との関係において回転する首を有する頭、骨盤の 部分との関係において回転する身体の胸部である。センサ４は、光ファイバセン サでも、ひずみゲージでもよい。本発明の一実施形態においては、センサ４は、 セグメント間の角度の変動に伴って変動する受信機回路内で誘導された起電力の 変動に応答する、送信セクションと受信セクションとで構成された角及び線形変 位測定センサであってもよい。 セグメント２の１つの上に基準方向決定手段５が配置されており、これは基準 方向との関係におけるセグメントの方向性を決定するように設計されている。手 段５は、歩く及び走るといったユーザの標準的な動きにおいて最も安定した状態 にとどまる部分の上に配置されるのがよい。この手段は、骨盤部分上に位置設定 することが勧められる。ユーザが仮想現実に潜入するとき、頭の方向性は、頭の 上に固定された補足的基準方向決定手段を用いてより迅速かつ適正に追跡するこ とができる。１つの実施形態においては、基準方向決定手段は、隣接するセグメ ント上に位置設定されてよく、これは、基準方向との関係におけるその方向性に 基づいてその角位置を決定する。 ユーザに対して仮想環境を表示するための手段６がユーザの目前 でユーザの頭の上に配置される。 図２に示されているように、ユーザの位置及び方向性を追跡し表示するための システムの一実施形態は、センサ４のポーリング速度ｎ，基準方向決定手段５の ポーリング速度ｍ，仮想環境オブジェクトとのインタラクション用のオプション 装置８（マニピュレータ、ジョイスティック、兵器シミュレータなど）のポーリ ング速度ｋを規定するマスタークロックを内含するポーリングユニット７を備え る。ポーリングユニット７の出力端は、センサ４，オプション装置８及び基準方 向決定手段５から受信したアナログデータを８バイトの値を有するデジタルデー タへと変換するためのアナログ−デジタル変換手段（ＡＤＣ）９に接続されてい る。ＡＤＣ９の出力端が、（ｎ＋ｍ＋ｋ）より少なくはない数の記憶セルをもつ 記憶ユニット１０の入力端に結合されている。記憶ユニット１０は、ポーリング ユニット１１を介して、長期メモリユニット１２及びデータ準備ユニット１３に 結合される。この長期メモリユニット１２は、異なる目的にさらに利用するため ユーザの行動に応えて、時変的なユーザの位置及び方向性データを記憶する。こ の場合、長期メモリ１２の出力端は、得られたデータを平滑化し、偶発的誤差を 排除しユーザの数学的シミュレーションを構築するために受容可能な形でデータ を表現するデータ準備ユニット１３の入力端に結合させることができる。１実施 形態においては、ＡＤＣがそれ相応に実施されていることを条件として、長期メ モリユニットの入力端をＡＤＣの入力端に接続することが可能である。両方の実 施形態を考慮に入れて、要素７，９，１０，及び１１を合わせてアナログ−デジ タル変換手段と呼ぶことができる。 データ準備ユニット１３の出力端は、ユーザがその中で表示される（又はユー ザに提示される）３次元環境の数学的シミュレーショ ン及びその中のユーザの数学的シミュレーションを構築するためのユニット１４ の入力端に結合される。ユニット１３及び１４は合わせて、測定変換済みデジタ ルデータ処理手段と呼ぶことができる。ユニット１４に接続されているのは、ユ ーザ、表示された環境、ユーザの動きの間の時間的関係、及び表示された環境内 の変化のダイナミクスについてのオプション情報を規定するオプションデータ入 力ユニット１５である。情報は、ユーザの身長、体重、性別、年令などといった オプション情報を内含していてよい。オプション情報が欠如しているか又は必要 とされていない場合、ユーザの数学的シミュレーションは、標準的プロポーショ ンをもつ平均的人間について計算される。ユニット１４は、基準方向決定手段５ が基準方向との関係においてその上に位置設定されている基本セグメントの方向 性を決定するためのユニット１６と、ユーザ全般のシミュレーションを構築する ためのユニット１７と、ユーザのベアリングセグメント（各セグメント）を決定 するためのユニット１８と、コンピュータにより生成されたシミュレーションさ れた環境内でサポートとの関係においてユーザを位置設定するためのユニット１ ９で構成されている。ユニット１４の出力端は、所要画角で画像を生成するため のユニット２０の入力端に接続されている。ユニット２０の出力端は、表示され た環境内でサポートとの関係において位置づけされたシミュレーションされたユ ーザの位置及び方向性を表示するためのユニット２１の入力端に接続されている 。 ここで図３を参照すると、実環境内で動くユーザに対し仮想環境を提示するた めのシステムは、図２と同じ要素４，５，７〜１９を備えるが、図２に描かれた システムと比べ、ユニット１４の出力端が、ユーザの視野決定ユニット２２の入 力端及びユーザの視野に対応する仮想環境画像の信号を生成するためのユニット ２３の入力端 に接続されているという点で異なっている。ユニット２２の出力端はまた、仮想 環境画像信号生成ユニット２３の入力端に結合されている。ユニット２３の出力 端は、ユーザが潜入している仮想環境をその中でのユーザの位置及び方向性に応 えてユーザに提示するためのユニット２４の入力端に結合されている。 図２に例示されているユーザの位置及び方向性を追跡し表示するためのシステ ムは、以下の要領で作動する。 好適な実施形態においては、センサ４及び基準方向決定手段５は、オーバーオ ールといったような特殊なボディスーツに、又はセグメント２間の接合部３の部 位及びそのままのセグメント２の上でユーザに直接取りつけられる。１組のセン サ４及び手段５を伴うボディスーツは、軽量で容易に着脱でき、ユーザの動きを 制約しないものでなくてはならない。センサ４は、ユーザが動いたとき、すなわ ち、セグメント２間の角度が変動するか又は１つのセグメントの片端がもう１方 の端部との関係においてセグメント軸に沿って回転した場合に、センサ内でいく つかの物理的パラメータが変化するような形で、ボディスーツにとりつけられて いる。物理的パラメータは、１つの端部位置からもう１つの端部位置までの隣接 するセグメント２間の角度の変動に応答して、予め定められた範囲内で変化する はずである。 システムは、適切な手段５が位置設定されているセグメントと基準方向との間 の角度を決定するための一次的及び補足的基準方向決定手段５を内含することが できる。一次的基準方向決定手段５は、基本セグメントとしてとられるセグメン ト上に位置設定される。ユーザの幾何学的中心により近く、歩く及び走るといっ た人間の標準的運動において最も安定している基本セグメントを選択することが 好ましい。これらの必要条件は、骨盤セグメントが最も良く満たし ている。ユーザが仮想現実内に潜入するとき、頭の傾動及び方向転換をより精密 かつ迅速に追跡するよう頭の上に取けられた補足的基準方向決定手段５が使用さ れる。 センサ４、基準方向決定手段５及び仮想環境オブジェクトとのインタラクショ ンのためのオプション装置８からの情報は、ＡＤＣに適用され、ポーリンクユニ ット７のクロック生成装置により生成されるポーリング信号に応えて更新される 。ＡＤＣ９から、情報は、記憶ユニット１０内の対応するメモリセルに適用され る。 ポーリングユニット１１には、記憶ユニット１０内のメモリセルをポーリング し、特定の時点（現時点）に関連したオプション装置８からのデータを内含する 、ユーザの位置及び方向性を定義づけるデータシーケンスを生成し、そのデータ を、長期記憶のため長期メモリユニット１２に提供する。このデータは任意の時 点で利用でき、唯一必要なのは、その後の処理のためデータ準備ユニット１３に データを供給することである。リアルタイムで使用される場合、ポーリングユニ ット１１からのデータは、データ準備ユニット１３に直接提供される。ユニット １３は、得られたデータを平滑化し、偶発的誤差を消去し、必要とされるデータ シーケンスを生成し、ユーザの数学的シミュレーションを構築するべくユニット １４に対し、要求される形式でデータを提供する。 ユニット１４は、ユーザがその中で表示されるべき３次元環境の数学的シミュ レーション及びその中のユーザの数学的シミュレーションを構築する。オプショ ンデータ入力ユニット１５を通して、ユーザ、表示された環境、ユーザの動きの 間の時間的関係及び表示された環境内の変化のダイナミクスについてのオプショ ンデータが、ユニット１４内に供給される。この情報は、ユーザの身長、体重、 性別、年令などといったユーザのオプション情報を含むことができ る。オプション情報が欠如しているか又は必要とされていない場合、数学的シミ ュレーションは、標準的プロポーションをもつ平均的な人間について計算される ことになる。表示された環境内において不自然に大きい又は小さいオブジェクト を用いて「ガリバー」を生み出すことが望まれる場合、環境及びその中のオブジ ェクトの線形寸法とユーザの線形寸法との間のバランスの入カデータは修正され る。同じ要領で、長期メモリ１２からデータを入力する場合のユーザの動きのダ イナミクスを変更することにより、表示された環境の中に高速又は低速時間スケ ールを導入することができる。ユーザの動きのデータがリアルタイムでユニット １３に適用される場合、表示された環境内のプロセスフローのダイナミクスを加 速することも減速することも可能である。 一次的セグメント構築及び方向づけユニット１６は、受信したデータに基づい て、一次的基準方向決定手段が基準方向との関係において配置されている基本的 セグメントの位置及び方向性を計算し構築する。基準方向は好適には、地球磁場 と関係づけされた方向、南北方向、東西方向又は地球の重力場及び南北方向に基 づいて定義づけされる局所的垂直である。これらの場は一般に至る所に存在し、 ユーザとは無関係である。電磁コンパス及び水平又は垂直重力センサといったよ うな特殊な手段を用いて、ユーザの方向性、特にこれらの手段が固定されている ユーザの位置移動系のセグメントの方向性を定義づけすることができる。強い干 渉又は遮へいされた地球磁場をもつサイトでは、専用手段により基準方向の人工 的な場を生成することができる。この場合、コンピュータの出力需要を発生させ る三角測量アルゴリズムを使用してこの手段までの絶対的距離を決定する必要な く、この場の中のユーザの方向性を定義づけすることのみが必要となる、という 点に留意することが肝要である。 ユーザ全般のシミュレーションを構築するためのユニット１７は、間の角度に ついての修正済みデータ用いて、すでに構築された基本的セグメントに対し隣接 セグメントを付加し、さらに、構築された隣接セグメントに次に続く隣接セグメ ントを付加し、かくして同様に最終セグメントまで続く。 ユニット１８は、ユーザの単数又は複数のベアリングセグメントを決定する。 一例を挙げると、ユーザが水平平面に沿って移動している場合、ベアリングセグ メントは局所的垂直との関係において最も低いものとなり、一方支点はこのセグ メントの最も低い部分となるだろう。 ユニット１９は、コンピュータにより生成された環境内でサポートとの関係に おいてユーザを位置づけする。この目的で、最も単純な場合においては、方向づ けされた後、ユーザのシミュレーションは、ユーザのベアリングセグメントのベ アリング部分と現時点でのユーザのサポートであるシミュレーションされた環境 の一部分を位置合せするべく、シミュレーションされた環境の中でユーザのサポ ートと心合せされる。ユーザがジャンプといった運動を行なっている場合、すな わち一定時間「飛行中」である場合、このユーザは、そのダイナミクスについて の最新の情報を用いてサポートとの関係において位置づけされる。ダイナミクス 中のセグメント間の角度の変動について完全な情報を有している場合、ユーザの 心拍数及びユーザがサポートから押し返された力さえも計算することができると いう点に留意すべきである。こうして、表示された環境内でのユーザの動きのほ とんど現実のようなシミュレーションが可能となる。このようにしながら、変化 しつつあるユーザの位置（座標）及びユーザのおおまかな空間内の方向性は、ユ ーザのセグメントの変動する位置及び方向性に応答して、ダイナミクスについて 追跡されてい る。すなわち、ユーザの動きの表示された画像から、例えばユーザが北向きに１ ０歩進み、方向転換し南西に走った等々といったことがわかる。 ユニット１４の出力端から、シミュレーションされた環境内のユーザの構築さ れたシミュレーションの情報は、所要画角で画像を生成するためユニット２０の 入力端に適用され、ここでヴューワの視点は選択され、所要画角でのユーザの画 像は計算され、必要とあらばその後の表示のため画像は編集される。ユニット２ ０の出力端から、表示された環境内のサポートとの関係において位置づけされた シミュレーションされたユーザの位置及び方向性を表示するユニット２１の入力 端に対し、情報が提供される。ユニット２０を用いて、ユーザ自身又は部外者は 、ユーザの動きのダイナミクスを検分するための態様を特定することができる。 望まれる場合には、ユーザの動きを上から、下から、側面から又は変化する視点 から検分することができる。長期メモリ内に以前に書込まれたユーザの動きを表 示するに際しては、いくつかのタスクに従って表示する前に動きを編集すること が可能である。一例を挙げると、異なる時点でメモリ内に書き込まれた同じユー ザの動きを同時に表示すること、又は比較のため異なるユーザの動きを表示する ことが可能である。設定されたタスクに応じて、ユーザの動きは、単純化され様 式化されたシミュレーションとして又は、衣服、肌、周囲環境の複雑なテクスチ ュアを「表現する」ことを伴う現実的な画像にさらに近いその他のあらゆる形態 で表示することができる。前者の場合では、実質的にどのコンピュータでもタス クを処理することができるのに対し、後者の場合では、優れたグラフィック能力 をもつ比較的パワフルなコンピュータが必要とされる。 仮想環境をユーザに提供する場合、本発明に従ったシステムは原 則的に図２に関して記述されているものと同一の要領で作動する。他と異なる特 長は、ユニット１４がユーザに対して表示された環境の３次元シミュレーション 及びその中のユーザの数学的シミュレーションを構築するということにある。ユ ニット１４の出力端から、ユーザの視野を決定するためのユニット22の入力端及 び仮想環境画像を生成するためのユニット２３の入力端に対し、シミュレーショ ンされた環境内のユーザの構築されたシミュレーションについての情報が適用さ れる。ユニット１４から受信した情報を用いて、ユニット２２は、仮想環境内の ユーザの視野すなわち、現瞬間にユーザが仮想環境のどの部分を見ることができ るかを決定する。ユニット２２の出力端から、仮想環境画像を生成するためユニ ット２３に対しユーザの画角情報が提供される。ユーザの視野及び仮想環境シミ ュレーションに従って、ユニット２３は、実環境内での動きに応えて計算された 仮想環境内での自らの位置及び方向性に従ってユーザが見ることのできる仮想環 境の一部分の画像を生成する。ユニット２３の出力端から、ユーザが潜入してい る仮想環境をその中のユーザの位置及び方向性に応えてユーザに提示するための ユニット２４の入力端に対し信号が適用される。ユニット２４は、手段６（図１ ）を含め、任意の仮想環境表示手段すなわちモニタ、仮想ヘルメット又はゴーグ ルであってよい。 技術的現状の記述において前述した通り、従来のシステムの大部分は、ユーザ の上に位置設定されたセンサにより決定される絶対座標を用いてユーザのシミュ レーションを生成する。かくして、ユーザ全般の空間内の位置が自動検出される 。ダイナミクスでは、絶対座標は、ユーザの動きの経路を示すことになる。しか しながら環境は、ユーザの行動の活動領域の周囲全体にわたり位置設定された外 部センサ又はエミッタの限界によって制約を受けるというのが最も 一般的である。これとは対照的に、本発明は、ユーザの位置及び方向性を決定す るために必要なものが全てユーザ自身の上に位置設定されていることから、ユー ザの動きの活動領域を実質的に制約することはない。唯一重要なのは、空間内の ユーザの動きが基準方向との関係におけるユーザの方向性及びセグメントの間の 角度の変更についての情報に従ってコンピュータによって計算されている間に、 基準方向決定手段のためのオペレーションフィールドを提供することにある。環 境の変化は、ユーザの歩みの数、寸法及び方向に基づいて計算することができる 。歩みの寸法を決定するためには、歩みを運ぶ瞬間におけるユーザのベアリング セグメントの間の角度及びその線形寸法がわかっているべきである。より特定的 に言うと、人間の歩みを決定するためには、左右の脚の大腿骨の間の角度、各脚 の脛骨と大腿骨との間の角度、並びに脛骨及び腿の線形寸法に知る必要がある。 いくつかの場合においては、足と脛骨との間及び足とつま先との間の角度を測定 することもまた有用であると思われる。 １平面との関係におけるセグメントの方向性を通してベアリングセグメントを 決定する基準を簡略化するため、ユーザの足の裏に取りつけたセンサを使用する ことができる。例えば、脚がある時点でベアリングのものである場合、センサ内 で接点が閉じ、脚がもち上っているか又はぶら下がっている状態の場合には反対 に接点は開く。センサは、各脚により指示されている負荷についての情報もまた 提供できる。ダイナミクスにおいて脚により支持されている負荷及びユーザの体 重に基づき、ユーザが得る運動量及びユーザの動きの経路を、ジャンプについて さえ計算することができる。ユーザの動きの経路及び物理的特性を計算するのに 必要とされるデータはまた、セグメント間の角度の変化のダイナミクスに基づい て計算できる。 産業上の利用分野 本発明による方法及びシステムは、これまで実施不可能であった全て新しいさ まざまな可能性、特に体操やダンスといったさまざまな動きが関与する試験及び 競技会を行なう機会、そして戦闘における及び計算された状況に対する応答の妥 当性を評定する可能性を提供する。競技は、例えば同じユーザから異なる時点で データを捕捉することにより、時間的に分離された状態で行なうことができる。 次に、データを、比較目的での動作の検分の後コンピュータと人間の両方により 評定、比較することができる。競技は、複数のユーザの間で同時に行なうことが できる。この目的で、データが複数のユーザからリアルタイムでとられ、演技を 行い状況に応答する適正さ、応答時間及び動きの独創性を比較するのに使用され る。このような競技は、ユーザが多大な距離によって分離されている可能性があ るにもかかわらず、インターネット又は専用ネットワークに接続されている発明 されたシステムのユーザの間で実施することが可能である。 メモリ内に書込まれたユーザの位置及び方向性のデータはさらにアーカイブす ることもできる。人間を脊索動物の標準的な動き及び出したスポーツマン及びダ ンサーから書込まれた独特の動きのライブラリを生成することが可能である。 本発明の基本的利点の１つは、センサのシステム全体がユーザの体の上にある ということにある。先行技術のシステムにおいて外部センサ位置として定義づけ されている基準点に対する絶対的距離を決定する必要性は全く無い。本発明は、 実質的に、ユーザを方向づけすることのできる基準となる基準方向の場のみをも つ束縛のない環境の中で、ユーザの位置及び方向性の決定を確実に行なう。基準 方向の決定は、上述の通り、基準方向との関係における、その上に 基準方向決定手段が位置設定されるセグメントの方向性の決定に先立つものであ る。最も便利な基準方向は、我々とは無関係に実質的に至るところに存在する地 球の天然の場のベクトル方向である。提案された２つの基準方向（第３のものは 前の２つに対し直交して構築されている）は、地球磁場の南北及び東西方向又は 、地球の重力の場により定義される局所的垂直及び南北方向である。ユーザが外 部の場から遮へいされた部屋の中にいる場合、基準方向の人工的磁界エミッタを 使用することができる。この場合、前述のとおり、外部のエミッタに対する絶対 的距離よりもむしろ基準方向の場の中のユーザの方向性を決定することが必要で ある。この場合に決定されるのは、基準方向決定手段が上に位置設定されたセグ メントのベクトルと基準方向との間の角度である。 本発明に従ってユーザの位置及び方向性を追跡しユーザに対し仮想環境を提示 することにより、仮想現実に潜入した時点でログされたユーザの行動履歴の範囲 内で「タイムマシン」のほぼ全ての特性を、実施することができる。ユーザは、 自らのログされた活動又はもう１人のヒーローの活動の任意の瞬間において自ら の履歴内の任意の時点まで戻ることができる。これは、プレーヤが戻って自らの 挙動をより有効なものに変更することができるように、コンピュータゲームの中 で使用することができる。いくつかの平行した挙動ラインを書き込むことができ ることを考慮すると、ユーザは、自らの考えで自らの活動を続行するのに最も有 効であるいずれかの挙動ラインを選択することができる。ログされたユーザの位 置及び方向性のダイナミクスにおける変更を利用することにより、空間的３次元 及び時間によって定義づけられる４次元環境を実現することが可能となる。経時 的動きが未来に向かって唯一の方向にのみ達成される現実の生活の中での動きと は異なり、本発明は、記憶されたデータ を用いて、連続した又は離散的な動きを、空間内と同じ程容易にメモリ内に書込 まれたデータの範囲内で時間内でも異なる側に向かって達成することができるよ うにする。 本発明が精巧な外部装置を利用することなくユーザを追跡し仮想環境を提示す るという事実のため、既存のコンピュータシステムの能力を拡大させ、新しい応 用分野を見い出すことが可能である。追跡されたユーザの動きの標準的記述を、 異なるシステムにおいて利用する目的で生成することができる。ユーザの動きに ついてのこのような標準的な記述は、例えばＶＲＭＬ（仮想現実モデリング言語 ）の一部としてアニメーションで、及び専用ライブラリの生成のために使用する ことができる。将来のコンピュータアプリケーションの大部分は、本発明による 方法により追跡されるユーザの自然な動きを用いてプログラムを制御する可能性 を考慮に入れた規格を使用することが可能となるだろう。本発明に従ったシステ ムを用いて、キーボード、マウス又はジョイスティックによって、ユーザの動き がその中で実現される現行のコンピュータアプリケーションの全てを使用する可 能性を提供するためには、インターフェースドライバ、すなわちユーザの動きを 認識しそれらをゲーム制御信号及び類似の運動シミュレーション信号に変換する ようなプログラムを提供することが必要である。 本発明の最も重要な利用分野の１つは、ダンス、体操又は職業的動き又は健康 向上のための動きをいかに実施するかをユーザに訓練することに関する分野であ る。この目的のため、ユーザに対してモデル運動が表示される。最良の結果を達 成するために、被訓練者には、いずれかの様相、パフォーマンスダイナミクス及 びスケールを選択するべく再試行する可能性が提供されなくてはならない。その 後、ユーザは、できるかぎり正しく動きをくり返すべく努力しなけ ればならない。その後の管理のため、ユーザの動きを記憶しログして、それらを モデルの動きと比較できるようにしなくてはならない。ユーザの動きとモデルの 動きとの比較は、異なる方法によって達成することができる。ユーザ自身は、同 時に表示されたモデルの動きと以前に記憶されたユーザの動きとを検分すること ができる。さらに有利で将来性ある可能性は、コンピュータ又は当業者によるユ ーザの動きの正しさの評定である。ダウンロードされたプログラムに従って、コ ンピュータは、ユーザの位置及び方向性を通して追跡されたユーザの動きの比較 の後、コメント及び推奨事項を生成することができる。ユーザは、必要とされる 技能及び精度が達成されるまで自らの動きを補正することになる。このプロセス は、師匠によるトレーニングと同じであるが、それに対応するような支出も師匠 による予約の承認も関与してこない。最高の師匠により生成されたフィードバッ クプログラムを、何百万枚もコピーでき、だれでもが都合の良いときにそれを利 用することができる。 本発明はまた、ユーザの身体上で測定される物理的負荷を監視するのに使用す ることもできる。例えば、医師又はトレーナーの勧告に従って、特定の人物につ いて負荷が規定される。かかる個別の勧告あるいは一般的禁忌が無い場合、コン ピュータが、一定期間についての負荷系を計算し推奨することができる。負荷を 規定するためには、過去の及び慢性の疾患、体重、身長、性別、年令、トレーニ ングの目的、運動及び一日の間の情動ストレスについてのデータを使用すること ができる。体の応答、例えば加減されたストレスの下での心拍数の変化度の監視 が関与する専用予備テストを行なうことができる。 負荷を決定した後、コンピュータは、一定の時間についての最適な推奨事項を 生成することができる。ユーザは、別々の身体部分の 上の負荷データが動きの情報に基づいて容易に計算されうるように、ユーザの動 きを最も完全に追跡するセンサシステムを用いて自らのトレーニングに到達する ことになる。このようなトレーニングにおいては、ユーザの心拍数センサからの データ及び、該当する場合にはその他の生理学的特性を利用することが有用であ ろう。 ユーザが仮想環境内に潜入し、動きを制約なく実施できるようにするトレーニ ング器具を使用する場合、ユーザの運動及び情動ストレスは、ストーリー、ダイ ナミス及びユーザをとりまく環境を変更することを通してダウンロードされたプ ログラムによって制御することができる。ゲームにおいては、出現する敵の数、 ストーリーの強度、充分な速度で敵を追撃するか又は危険な場所から逃れる必要 性を加減することによって達成できる。ユーザが気づかない状態で、このような 制御は例えば、特定の時間中心拍数を予め定められた範囲内に維持することも可 能にする。望ましいストレスに達した後、ユーザは、タスクを実行しストーリー を完成せざるを得なくなるはずである。こうしてユーザは、結果が達成されたこ とによる感情的に興奮したムードでトレーニングを終了できる。現在存在してい るゲームは、残念なことにこれらの原則を満たすことができない。プレーヤーは ほとんど無動作である。すなわち、緊張及び意気消沈を導く可能性のある高い感 動ストレスで運動ストレスはゼロである。管理された運動及び感動ストレスにて 行なわれると、ゲーム及び運動は、活力低下及び神経過剰緊張を防止し、人の全 体的な調和のとれたハビリテーションを促進するための優れた手段となりうる。 認知的又は娯楽性のある情報が付随する予め定められた物理的負荷を伴う運動 は、特定のユーザにより選択された仮想環境への潜入を通して達成できる。一例 を挙げると、コンピュータプログラムは、興味深い場所での走行小旅行(running excursion)をシミュレー ションし、予め定められた速度又は必要に応じて変動する速度に歩行又は走行小 旅行のテンポをセットすることができる。この小旅行は、予め定められた負荷に 達した後、終らせることができる。運動は個人的なものであるため、以前の運動 及び負荷についてのデータをコンピュータメモリ内に書き込んで、初期レベルか ら安定したものとして推奨されるレベルまで負荷を後に修正することも可能であ る。通常の一定の又は日々可変的なストレスを感情的に色付けることができ、新 しい有用な情報をこれに付随させることもできる。より優れた感情的な色付けの ためには、ガイドの性別又は年令を選択するか又は著名な役者又は政治家のイメ ージをシミュレーションする可能性を提供することもできる。 センサシステムを利用するユーザが、仮想現実内に潜入することなく負荷を得 た場合、これらの負荷はプロセッサによって制御され得、聴覚チャンネルを介し てヘッドホンを通しフィードバックが提供される。プロセッサは、別々の身体部 分上の単数又は複数の負荷の一般的テンポを変更する必要性について報告するこ とができる。決定は、負荷計算プログラムに従ってユーザの位置及び方向性を追 跡するためのシステムから受信した情報に基づいて下すことができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，Ａ Ｕ，ＡＺ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ， ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，Ｌ Ｋ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ， ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＲ，Ｔ Ｔ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 ラティポフ，ヌルラ，ヌリスラモビチ ロシア連邦，モスコー，モジャイスコエ ショスセ，デー．30，クバルチーラ 14 【要約の続き】 のオプションの装置は全て、主体全般の位置と方向性を 計算するために処理される情報を出力する。この計算 は、セグメント間の角度の具体的な値、ならびに基準方 向との関係における主セグメントの方向性に基づいてお り、ここでこの主セグメントは基準方向決定システムを 支持している。かくして得られたデータは、主体の動き のリアルタイムイメージングのため、又は、実空間内の 変位に従って変動する主体の視野に対応する仮想空間を 主体に提示するために使用することができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ユーザの空間内位置及び方向性を追跡及び表示するための方法であって、 前記ユーザの身体部分の移動パラメータを決定するステップ、得られた測定デー タを所要提示形式に変換するステップ、及びユーザの空間内の位置及び方向性を 定義づけるデータを生成するべく１セットの前記変換したデータを処理するステ ップを備える方法において、 ａ）それぞれの接合部に隣接するセグメント間の少なくとも１つの角度を決定す るための手段を、ユーザの位置移動系のセグメントの基本接合部各々の近傍に取 り付けるステップと、 ｂ）前記ユーザの位置移動系セグメントのうちの少なくとも１つの上に基準方向 決定手段を位置設定するステップと、 ｃ）前記基準方向決定手段が前記基準方向との関係において位置設定される前記 少なくとも１つのセグメントの方向性を決定するステップと、 ｄ）前記基本接合部に隣接したセグメントの間の角度を決定するステップと、 ｅ）決定された角度値及び前記基準方向決定手段がそこに位置設定される前記少 なくとも１つのセグメントの方向性に基づいて、ユーザ全般の空間内の位置及び 方向性を決定するステップとを特徴とする方法。 ２．前記ユーザの実際の動きに応えて前記ユーザの空間内の位置及び方向性の 時間的変化を決定する関係づけされたデータシーケンスを獲得すべく、前記（ｃ ）〜（ｅ）の各ステップが予め定められた間隔で反復される請求項１に記載の方 法。 ３．前記ユーザの空間内の位置及び方向性について前記獲得され たデータが、その後の使用のために記録される請求項２に記載の方法。 ４．前記ステップ（ｅ）が前記ユーザの位置移動系セグメントの線形寸法の値 を用いて達成され、 ｆ）前記ユーザの位置移動系の単数又は複数のベアリングセグメントを決定する ステップと、 ｇ）表示された環境内のサポートとの関係における前記単数又は複数のベアリン グセグメントを位置づけするステップと をさらに備える請求項１に記載の方法。 ５．前記表示された環境内の前記ユーザの位置及び方向性のデータシーケンス を獲得し記録し、前記獲得されたデータに従って前記ユーザの動きを表示するべ く、予め定められた間隔で前記（ｄ）〜（ｇ）のステップが反復される請求項４ に記載の方法。 ６．前記ユーザの動きがリアルタイムで表示される請求項５に記載の方法。 ７．前記ユーザの動きは、前記記録されたデータに従って必要に応じて後に表 示される請求項５に記載の方法。 ８．前記ユーザの動きが、所要観察態様に応じて表示される請求項６又は７に 記載の方法。 ９．前記ユーザの動きについての生成画像を編集し、前記ユーザの動きの編集 された画像を表示するステップをさらに備える請求項６又は７に記載の方法。 １０．前記基準方向が、地球磁場センサの南北方向及び局所的垂直センサの方 向である請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。 １１．前記基準方向が、地球磁場センサの南北又は東西方向である請求項１〜 ９のいずれか一項に記載の方法。 １２．前記基準方向が、ジャイロ安定化された基準方向センサに よって生成される方向である請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。 １３．前記基準方向が、外部基準方向供給源により生成された方向である請求 項１〜９のいずれか一項に記載の方法。 １４．前記基準方向決定手段が少なくとも１対の離隔した絶対座標センサであ り、この対は前記ユーザの位置移動系セグメントのうちの少なくとも１つの上に 配置されている請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。 １５．前記ユーザの位置移動系セグメントの前記線形寸法が、前記ユーザの身 長についてのデータを用いて、人体の既知のプロポーションに基づいて規定され る請求項４〜１４のいずれか一項に記載の方法。 １６．前記ユーザの位置移動系セグメントの前記線形寸法が、前記表示された 環境との関係における前記ユーザの寸法を適切に変更するように基準化される請 求項４〜１５のいずれか一項に記載の方法。 １７．仮想環境オブジェクトとのユーザのインタラクションを提供するのにマ ニピレータを利用する場合、前記マニピュレータの位置は前記マニピュレータを 保持する前記ユーザの手の位置に基づいて決定され、一方、前記マニピュレータ の正確な方向性は、前記マニピュレータ上に配置された補足的基準方向決定手段 を用いて決定される請求項４〜１６のいずれか一項に記載の方法。 １８．前記ユーザの位置移動系セグメントの間の前記基本接合部が、好適には 、股関節、膝関節、距腿関節、肩関節、肘関節、トウ骨手根関節及び脊柱接合部 の中から選ばれている請求項１〜１７のいずれか一項に記載の方法。 １９．前記基本接合部はまた、足関節及び指関節である請求項１ ８に記載の方法。 ２０．ユーザの空間内位置及び方向性を追跡するためのシステムであって、ユ ーザの身体部分上に配置された複数の運動パラメータセンサ、所要提示形式へと センサ信号を変換するための変換手段、該変換手段の出力端に結合された入力端 をもつ測定データ処理ユニット、及び該測定データ処理ユニットに接続されたユ ーザの空間的位置及び方向性表示ユニットを備えるシステムにおいて、 ユーザの位置移動系セグメントのうちの少なくとも１つの上に配置された基準 方向決定手段と、 前記運動パラメータセンサ及び前記基準方向決定手段に接続されたポールチャ ンネルを有するポーリングユニットであって、該ポーリングユニットの出力端が 前記変換手段の入力端に接続されているポーリングユニットとをさらに備え、前 記運動パラメータセンサが、ユーザの位置移動系セグメントの間の基本接合部の すぐ近傍、又は前記セグメントそのものの上に配置された相対的回転角センサで あることを特徴とするシステム。 ２１．ポールチャンネルを通して前記ポーリングユニットと接続されている補 足的基準方向決定手段が上に配置されている、仮想環境オブジェクトに対するユ ーザのインタラクションのための少なくとも１つの手段をさらに備える請求項２ ０に記載のシステム。 ２２．前記相対的回転角センサがひずみゲージである請求項２０又は２１に記 載のシステム。 ２３．前記相対的回転角センサが光ファイバセンサである請求項２０又は２１ に記載のシステム。 ２４．前記基準方向決定手段は、地球磁場センサを備える請求項２０〜２３の いずれか一項に記載のシステム。 ２５．前記基準方向決定手段がさらに局所的垂直センサを備える 請求項２４に記載のシステム。 ２６．前記局所的垂直センサが重力センサである請求項２５に記載のシステム 。 ２７．前記基準方向決定手段が、人工的外部供給源基準方向信号センサを備え る請求項２０〜２３のいずれか一項に記載のシステム。 ２８．前記ユーザの空間内の位置及び方向性をその後表示する目的で変換した 前記測定データを記憶するための記憶手段をさらに備え、前記記憶手段がデータ 通信母線を通して前記測定データ処理ユニットに接続されている請求項２０〜２ ７のいずれか一項に記載のシステム。 ２９．３次元環境の数学的シミュレーション及びその中に表示された前記ユー ザの数学的シミュレーションを構築するためオプションのデータを入力するため の手段をさらに備え、前記オプションデータ入力手段が、測定データ処理ユニッ トに接続されている請求項２０〜２８のいずれか一項に記載のシステム。 ３０．前記測定データ処理ユニットの出力端に接続された入力端及び前記ユー ザの空間的位置及び方向性表示ユニットの入力端に接続された出力端を有する、 所要画角で画像を生成し前記画像を編集するための画像生成ユニットをさらに備 える請求項２０〜２９のいずれか一項に記載のシステム。 ３１．実環境内でのユーザの動作に応えてユーザに対し仮想環境を提示するた めの方法であって、ユーザの身体部分の移動パラメータを決定すること、獲得さ れたデータを所要提示形式に変換すること及び仮想環境オブジェクトとユーザの インタラクションを考慮に入れてユーザの位置及び方向性に応えてユーザに表示 すべき仮想環境領域を決定するべく１セットの前記変換したデータを処理するこ とを有する方法において、 ａ）それぞれの接合部に隣接するセグメント間の少なくとも１つの角度を決定す るための手段を、ユーザの位置移動系のセグメントの基本接合部の各々の近傍に 取り付けるステップと、 ｂ）前記ユーザの位置移動系セグメントの線形寸法を規定するステップと、 ｃ）前記ユーザの位置移動系セグメントのうちの少なくとも１つの上に基準方向 決定手段を位置設定するステップと、 ｄ）前記基準方向決定手段が前記基準方向との関係においてそこに配置される前 記少なくとも１つのセグメントの方向性を決定するステップと、 ｅ）前記基本接合部に隣接したセグメントの間の角度を決定するステップと、 ｆ）獲得された前記角度値及び前記基準方向決定手段がそこに配置される前記少 なくとも１つのセグメントの方向性に基づいて、前記ユーザ全般の空間内の位置 及び方向性を決定するステップと、 ｇ）前記ユーザの位置移動系の単数又は複数のベアリングセグメントを決定する ステップと、 ｈ）前記表示された仮想環境内のサポートとの関係における前記単数又は複数の ベアリングセグメントを位置づけするステップと、 ｉ）前記仮想環境内でのユーザの視野を決定するため前記仮想環境内の前記ユー ザの頭の位置及び方向性を決定するステップと、 ｊ）前記ユーザに対し前記ユーザの視野に対応する仮想環境領域を生成し提示す るステップとを特徴とする方法。 ３２．前記ユーザの動作及び仮想環境オブジェクトとのインタラクションに応 えて、リアルタイムで仮想環境変化を表示するため、ｄ）からｊ）までの前記ス テップが反復される請求項３１に記載の 方法。 ３３．前記ユーザの位置及び方向性データのシーケンスが、その後の使用のた めに記録される請求項３１に記載の方法。 ３４．前記基準方向が、地球磁場センサの南北方向及び局所的垂直センサの方 向である請求項３１〜３３のいずれか一項に記載の方法。 ３５．前記基準方向が、地球磁場センサの南北又は東西方向である請求項３１ 〜３３のいずれか一項に記載の方法。 ３６．前記基準方向が、ジャイロ安定化された基準方向センサによって生成さ れる方向である請求項３１〜３３のいずれか一項に記載の方法。 ３７．前記基準方向が、外部基準方向供給源により生成された方向である請求 項３１〜３３のいずれか一項に記載の方法。 ３８．前記基準方向決定手段が少なくとも１対の離隔した絶対座標センサであ り、この対は前記ユーザの位置移動系セグメントのうちの少なくとも１つの上に 配置されている請求項３１〜３３のいずれか一項に記載の方法。 ３９．前記ユーザの位置移動系セグメントの前記線形寸法が、前記ユーザの身 長についてのデータを用いて、人体の既知のプロポーションに基づいて規定され る請求項３１〜３８のいずれか一項に記載の方法。 ４０．ユーザの位置移動系セグメントの前記線形寸法が、前記表示された環境 との関係における前記ユーザの寸法を適切に変更するように基準化される請求項 ３１〜３９のいずれか一項に記載の方法。 ４１．仮想環境オブジェクトとのユーザのインタラクションを提供するのにマ ニピュレータを使用する場合、前記マニピュレータの 位置は前記マニピュレータを保持する前記ユーザの手の位置に基づいて決定され 、一方前記マニピュレータの正確な方向性は、前記マニピュレータ上に配置され た補足的基準方向決定手段を用いて決定される請求項３１〜４０のいずれか一項 に記載の方法。 ４２．前記ユーザの位置移動系セグメントの間の前記基本接合部が、股関節、 膝関節、距腿関節、肩関節、肘関節、トウ骨手根関節、頭と肩との間の接合部及 び胸椎と腰椎との間の接合部の中から選ばれている請求項３１〜４１のいずれか 一項に記載の方法。 ４３．前記基本接合部は同様に、足関節及び指関節である請求項４２に記載の 方法。 ４４．実環境内で移動するユーザに対し仮想環境を提示するためのシステムで あって、仮想環境画像表示手段と、前記ユーザの視野の方向を指示する信号を生 成するための手段と、前記ユーザの視野の方向を指示する信号を生成するための 手段の出力端に接続された入力端及び仮想環境画像表示手段の入力端に接続され た出力端を有する、前記ユーザの視野に対応する仮想環境画像の信号を生成する ための手段とを備えるシステムにおいて、前記ユーザの視野の方向を指示する信 号を生成するための手段は、 前記セグメントの適切な接合部に隣接するユーザの位置移動系セグメントの間 の少なくとも１つの角度を決定するための手段と、 前記ユーザの位置移動系セグメントの少なくとも１つの上に配置された基準方 向決定手段と、 前記ユーザの位置移動系セグメントの間の角度を決定するための手段及び前記 基準方向決定手段の出力端に接続された入力端を有するアナログ−デジタル変換 手段と、 前記アナログ−デジタル変換手段の出力端に接続された入力端を有する、３次 元環境及びその中のユーザのシミュレーションを構築 するためのユニットと、 前記３次元環境及びユーザの数学的シミュレーションを構築するためのユニッ トの出力端に接続された入力端、及び前記仮想環境画像信号を生成するための前 記手段の人力端に接続された出力端を有する、ユーザ視野決定ユニットとをさら に備えることを特徴とするシステム。 ４５．前記相対的回転角センサがひずみゲージである請求項４４に記載のシス テム。 ４６．前記相対的回転角センサが光ファイバセンサである請求項４４に記載の システム。 ４７．前記基準方向決定手段が、地球磁場センサ及び局所的垂直センサである 請求項４４〜４６のいずれか一項に記載のシステム。 ４８．前記局所的垂直センサが重力センサである請求項４７に記載のシステム 。 ４９．前記基準方向決定手段がジャイロ安定化された基準方向センサである請 求項４４〜４６のいずれか一項に記載のシステム。 ５０．前記基準方向決定手段が、外部供給源基準方向信号センサを備える請求 項４４〜４６のいずれか一項に記載のシステム。 ５１．表示された実又は仮想環境のオブジェクトとユーザがインタラクション するためにマニピュレータが使用される場合には、前記アナログーデジタル変換 手段のそれぞれの入力端に接続されている出力端を有し、前記マニピュレータ上 に配置された補足的基準方向決定手段が使用される請求項４４〜５０のいずれか 一項に記載のシステム。 ５２．前記アナログ−デジタル変換手段の出力端に接続された入力端を有する 長期メモリユニットをさらに備える請求項４４〜５１のいずれか一項に記載のシ ステム。