JP4109257B2 - 圧力感知マットを利用した仮想現実装置の移動インターフェース - Google Patents

Description

本発明は、ユーザーに仮想空間を完全に体験させるために使用することができる仮想現実装置に関する。

仮想現実は、コンピューターによって生成される環境であり、ユーザーに体験させるものである。ユーザーの動作は、コンピューターによって仮想環境（ＶＥ）を生成する入力に変換される。仮想現実装置は、光景、音、感触、移動等の自然発生的な感覚を刺激し、ユーザーは実世界にいるかのように仮想環境を体験することができる。

仮想現実装置の設計者の主要な課題は、人間の自然な移動（ｌｏｃｏｍｏｔｉｏｎ）を可能とする仮想現実装置を設計することである。ユーザーが自然に移動できる従来の仮想現実装置は、複雑で高価な機器を必要とする。他の仮想現実装置は、人間の自然な移動というコンセプトを放棄し、ユーザーの指が指す方向に仮想空間を飛行するといった人工的な動作によってユーザーに仮想環境を体験させる単純なハードウェアを使用するものである。

公知の仮想現実装置は、トレッドミル（踏み車）上でのユーザーの移動を追跡するトレッドミル装置を含む。そのような装置は、カーマイン（Ｃａｒｍｅｉｎ）に付与された米国特許第５，５６２，５７２号に開示されている。これらのトレッドミル装置では、ユーザーは直立姿勢で移動することはできるが、俯せ姿勢では移動することができない。また、ユーザーが起立、匍匐、俯せ姿勢のいずれにあるのかを感知することができない。さらに、これらのトレッドミル装置は機械的に複雑である場合が多く、機械的質量を移動させることに関連する特有の遅れ時間と運動量の問題が発生する。

他の公知の仮想現実装置では、ユーザーは俯せ姿勢で移動することができるが、自然な動きが犠牲となる。例えば、ある公知の装置は、自動車のアクセルと同様な簡単なフットペダルインターフェースを含む。フットペダルを設けることによって、ユーザーはフットペダルを踏む位置に応じて前方または後方に移動することができる。この装置では、ユーザーは常に視野の中心に向かって移動し、ユーザーが所定の角度で頭を回転させると視野が回転する。この装置では、ユーザーはあらゆる姿勢で仮想環境を体験することができるが、常にフットペダルに触れていなければならない。また、ユーザーは自然に移動することができない。

各種実施形態において、本発明の一態様に係る仮想現実装置は、実空間におけるユーザーの姿勢を示す信号を出力する圧力感知マットを含む。仮想現実プロセッサは、圧力感知マットによって出力された信号を使用して、実空間におけるユーザーの姿勢と移動に対応する仮想空間を示す出力を生成する。ディスプレイ装置は、仮想現実プロセッサからの出力を使用して、ユーザーに仮想空間を完全に体験させることができる。

各種実施形態において、圧力感知マットは、ベース層と、ベース層上に形成された複数の圧力感知部と、複数の圧力感知部上に形成された上層と、を含む。複数の圧力感知部は、上層に加えられた圧力を示す信号を出力する。

本発明は、シンプルな設計を有し、ユーザーがあらゆる姿勢（例えば、起立、匍匐、俯せ）であらゆる方向に自然に移動することを可能とする仮想現実装置を提供する。本発明に係る仮想現実装置は、従来の仮想現実装置に対して数々の利点を有する。本発明に係る装置の各種実施形態の優れた柔軟性によって、ユーザーは、俯せ、匍匐または起立姿勢で前方、後方、横方向に移動することができる。したがって、本発明に係る仮想現実装置は、高度な軍事教育、リアルなビデオゲーム環境、広範囲に及ぶ医学・治療用途等の多くの用途を有する。

本発明の上述した特徴および利点並びにその他の特徴および利点は、以下の本発明に係る装置および方法の各種実施形態の詳細な説明から明らかになるだろう。

以下、本発明の各種実施形態を図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係る仮想現実装置の一実施形態を示す。仮想現実装置１は、圧力感知マット１００と、仮想現実（ＶＲ）プロセッサ２００と、ディスプレイ４００と、を含む。なお、本発明に係る仮想現実装置の各種実施形態は、仮想環境を生成するためにユーザーの移動を感知するための圧力感知マットを使用するあらゆる数および構成の構成要素を有することができる。

図２は、本発明に係る圧力感知マット１００の一実施形態を示す。圧力感知マット１００は、半硬質のベース層１２０を含む。ベース層１２０には、例えばプラスチック、硬材、ポリカーボネート（Ｌｅｘａｎ）等のあらゆる好適な材料を使用することができる。圧力感知部１５０−１〜１５０−ｎのグリッド１４０（二次元アレイ）がベース層１２０上に形成されている。上層１６０がグリッド１４０上に形成されている。上層１６０にはあらゆる好適な層を使用することができ、例えば、ゴム、天然ゴム、合成ゴム（ｂｕｎａ’ｓ ｒｕｂｂｅｒ）、織布補強ネグロ（ｎｅｇｒｏ）ゴムが好ましい。

グリッド１４０の圧力感知部１５０−１〜１５０−ｎは、圧力感知マット１００の上層１６０の所定の点に加えられた圧力を検出する。圧力感知部１５０−１〜１５０−ｎには、電気機械圧力センサー等のあらゆる好適な圧力感知装置を使用することができる。通常、公知または出願後に公知となった圧力感知装置を圧力感知部１５０−１〜１５０−ｎとして使用することができる。

図１に示す実施形態では、圧力感知部１５０−１〜１５０−ｎは圧力感応抵抗器を有する。公知のように、圧力感応抵抗器は、単純な分圧器として機能する素子を含む。図３は、本発明に係る仮想現実装置の各種実施形態で使用することができる圧力感応抵抗器１８０の一実施形態を示す。圧力感知部１５０−１〜１５０−ｎは、対応する圧力感応抵抗器１８０−１〜１８０−ｎを有する。各圧力感応抵抗器１８０は、上部膜１８１と、下部膜１８２と、下部膜１８２上に形成された第１電極パターン１８３と、電極パターン１８３に対向するように上部膜１８１上に形成された第２の電極パターン１８４と、第２の電極パターン１８４上に形成された圧力感応導体１８５と、を含む。上部膜１８１が押圧されると、圧力感応導体１８５は第１および第２の電極パターンの間で圧縮される。公知のように、圧力感応導体１８５が圧縮されると、圧力感応導体１８５の抵抗が低下する。したがって、圧力感応抵抗器１８０の電圧出力は印加圧力に依存して変化する。圧力感応抵抗器のさらなる詳細に関しては、米国特許第５，９４８，９９０号を参照するものとし、米国特許第５，９４８，９９０号の開示内容はこの参照によって本明細書の開示内容に組み込むものとする。

図４は、圧力感知マット１００の等価回路を示す。電圧出力Ｖｏｕｔ−１〜Ｖｏｕｔ−ｎは、グリッド１４０を構成する圧力感知部１５０−１〜１５０−ｎにそれぞれ対応する。ユーザーは、仮想現実環境を体験する際に、圧力感知マット１００上の複数の点に圧力を加える。加えられた圧力によって圧力感応抵抗器１８０−１〜１８０−ｎの抵抗が変化するため、ユーザーが移動すると対応する圧力感知部１５０−１〜１５０−ｎの電圧出力が変化する。グリッド１４０は、仮想空間におけるユーザーの移動を表すパターンを生成するために分析可能な電圧出力を生成する。

図５は、本発明に係る圧力感知マット１００の別の実施形態を示す。この実施形態では、圧力感知マット１００は、第１の実施形態と同様な構成要素、すなわち、半硬質のベース層１２０と、圧力感知部１５０−１〜１５０−ｎのグリッド１４０と、上層１６０とを含み、さらに、逆圧力生成層１９０を含む。図５は、グリッド１４０と上層１６０との間に配置された逆圧力生成層１９０を示しているが、逆圧力生成層１９０は、圧力感知マット１００の任意の二層間または圧力感知マット１００の上面または下面に配置することができる。逆圧力生成層１９０は、逆圧力生成部１９５−１〜１９５−ｎのグリッドからなることができる。逆圧力生成部１９５−１〜１９５−ｎには、ばね、液圧装置、空圧装置、電気機械装置等のあらゆる好適な逆圧力生成装置を使用することができる。

動作時には、各圧力感知部１５０−１〜１５０−ｎの電圧出力を、逆圧力生成部１９５−１〜１９５−ｎの対応する１つまたは複数を作動させるために使用することができる。逆圧力生成部１９５−１〜１９５−ｎは、ユーザーが圧力感知マット１００上を移動する時にユーザーの身体に逆圧力を与えることができる。詳細に後述するように、逆圧力生成部１９５−１〜１９５−ｎによって生成された逆圧力は、仮想現実装置１によって生成される仮想地面の種類に基づいて変化する。

図６は、仮想現実プロセッサ２００の一実施形態のブロック図である。仮想現実プロセッサは、コントローラー２１０と、メモリ２２０（例えば、ＲＡＭおよびＲＯＭを含む）と、パターン生成装置２３０と、動作識別装置２４０と、仮想環境レンダリング装置２５０と、入力インターフェース２６０と、出力インターフェース２７０と、を含む。コントローラー２１０は、制御／データバス２８０を使用して他の構成要素２２０〜２７０とのインターフェースを行う。例示する仮想現実プロセッサ２００はバスアーキテクチャを使用しているが、例示する仮想現実プロセッサ２００は、ＡＳＩＣ、プログラムされた汎用コンピューター、ディスクリートロジックデバイス等を含む公知または出願後に開発されたアーキテクチャを使用することができる。

コントローラー２１０の制御下で、入力インターフェース２６０は圧力感知部１５０−１〜１５０−ｎからのアナログ電圧信号を受信することができる。入力インターフェース２６０は、アナログ電圧信号をデジタル信号に変換するアナログ・デジタル変換器を含むことができる。入力インターフェース２６０は、デジタル信号を記憶するためにメモリ２２０に入力することができる。

次に、コントローラー２１０は、メモリ２２０に記憶されたデジタル信号をパターン生成装置２３０に供給することができる。パターン生成装置２３０は、一定間隔でメモリ２２０に記憶されたデジタル信号を抽出し、デジタル信号に基づいて一定間隔でパターンを生成する。パターン生成装置２３０によって生成されたパターンは、圧力感知マット１００上のユーザーの姿勢を表す。

コントローラー２１０は、パターン生成装置２３０によって生成されたパターンを動作識別装置２４０に転送する。動作識別装置２４０は、所与のパターンと対応するユーザーの姿勢を識別するパターン認識装置（図示せず）を含む。パターン認識装置は、パターンをメモリ２２０に記憶されたパターンのデータベースと比較することによってパターンを識別することができる。パターン認識装置は、パターンのサイズ、形状および／または圧力分布に基づいてパターンを識別することもできる。例えば、パターンが所定の閾値サイズよりも大きい場合には、パターン認識装置は、パターンが「俯せ姿勢」パターンであると認識する。同様に、交互に移動する同様なサイズの２つのパターンを示す信号をマットが出力した場合には、プロセッサはユーザーが直立（例えば、歩行、駆け足または起立（２つのパターンが移動しない場合））していると判断する。２つ以上の小さな移動パターンが検出された場合には、ユーザーは匍匐していると判断される。メモリ２２０に記憶されたパターンは、異なるパターンを識別するためのニューラルネットワークの例を提供することができる。

プロセッサによって決定された姿勢および方向情報に基づいて、仮想環境（表示画像）が適切に変更される。

パターン認識装置によって識別されたユーザーの一連の姿勢は、ユーザーが仮想環境を体験する際に一定の間隔でメモリ２２０に記憶することができる。好ましくは、ユーザーが圧力感知マット１００上を移動する際に、一連のパターンの質量中心を追跡する。動作識別装置２４０は、一定の間隔の最後にユーザーの一連の姿勢を抽出し、ユーザーの一連の姿勢に基づいて一定の間隔の間のユーザーの動作を識別することができる。ユーザーの動作は、例えば方向（前方、後方、左、右等）および速度を含む。パターンを分析して、ユーザーの姿勢（起立、匍匐、俯せ）を判断することもできる。

ユーザーが向いている方向は、直接ユーザーに取り付けることができるセンサーによって判断する。実施形態では、センサーは、ユーザーの腰に取り付けられ、ユーザーの腰が向いている方向を判断する磁気追跡装置（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｒａｃｋｅｒ）であってもよい。本発明に係る仮想現実装置は、１つのセンサーのみをユーザーに直接取り付ければよいという点で従来の仮想現実装置に対して著しい利点を提供する。したがって、ユーザーは扱いにくいセンサーの配線や装置に煩わされなくなる。

コントローラー２１０は、仮想環境レンダリング装置２５０によって生成される仮想環境にユーザーの動作を転換配置することができる。仮想オブジェクトを含む仮想環境のデータはメモリ２２０に記憶することができる。仮想環境レンダリング装置２５０は、メモリ２２０に記憶されたデータに基づいて所与の間隔で仮想環境を更新することができる。仮想環境レンダリング装置２５０は、ユーザーの動きが識別される毎に仮想環境を更新することができる。したがって、ユーザーが仮想空間を移動すると、ユーザーは仮想環境を変化させるとともに、仮想環境によって変化をもたらされることになる。例えば、ユーザーが仮想空間を通過すると、仮想空間におけるユーザーの視野が変化し、仮想オブジェクトがユーザーの進路に入り、ユーザーは仮想オブジェクトを移動させることができる。

仮想環境レンダリング装置２５０は、仮想空間におけるユーザーの位置に応じて仮想地面を生成することができる。仮想環境レンダリング装置２５０によって生成される仮想地面の種類によって、圧力感知マット１００の逆圧力生成層１９０によって生成される逆圧力の量が決まる。例えば、仮想地面が柔らかい芝生である場合には、ユーザーの足にばねのような逆圧力を与えるように逆圧力生成層１９０を制御することができる。

コントローラー２１０は、出力インターフェース２７０を制御して、ディスプレイ４００に仮想現実環境データを出力することができる。図１ではディスプレイ４００はヘッドマウントディスプレーとして示されているが、公知または出願後に公知となったディスプレイも使用することができる。好ましくは、ディスプレイによって、ユーザーは仮想世界において見、聞き、匂いをかぎ、および／または触れることができ、ユーザーは仮想空間を完全に体験する。

実施形態では、圧力感知マット１００は、ユーザーが仮想空間内にいるかのように移動するために必要な大きさを有することができる。例えば、圧力感知マット１００は、大きな地面または部屋の床をカバーするように形成することができる。または、スペースが限定されている場合には、圧力感知マット１００を小さく形成することができ、この場合、ユーザーは境界が定められた領域内を移動するか、「所定の場所（ｉｎ ｐｌａｃｅ）」で移動することになる。

仮想現実装置１は、プログラムされた汎用コンピューター、専用コンピューター、マイクロプロセッサ上等で実行されるソフトウェアとして実装することができる。

本発明を実施形態を参照して説明したが、本発明は好ましい実施形態または構成に限定されるものではないことを理解されたい。本発明は、様々な変形および均等な構成を含むことを意図するものである。また、実施形態の様々な構成要素を様々な組み合わせおよび構成で示したが、これらは単なる例示であって、より多くの構成要素、より少ない構成要素、または単一の構成要素のみを含むその他の組み合わせおよび構成も本発明の範囲に含まれるものである。

本発明に係る仮想現実装置の一実施形態を示す。 本発明に係る圧力感知マットの一実施形態を示す。 本発明に係る仮想現実装置の各種実施形態で使用することができる圧力感応抵抗器の一実施形態を示す。 本発明に係る圧力感知マットの等価回路を示す。 本発明に係る圧力感知マットの別の実施形態を示す。 本発明に係る仮想現実プロセッサの一実施形態のブロック図である。

Claims (33)

1. ユーザーの移動を示す入力信号を仮想現実装置に供給する移動インターフェースであって、
   ベース層と、前記ベース層上に形成された複数の圧力感知部および逆圧力生成層と、前記複数の圧力感知部上に形成された上層と、を含み、前記複数の圧力感知部が前記上層に加えられた圧力を示す信号を出力する圧力感知マットを含み、
   前記逆圧力生成層は、少なくとも１つの信号に応じて逆圧力を調整するように構成されていることを特徴とする移動インターフェース。
2. 請求項１において、
   前記逆圧力生成層は、複数の逆圧力生成部からなることを特徴とする移動インターフェース。
3. 請求項２において、
   前記複数の逆圧力生成部はグリッドを構成していることを特徴とする移動インターフェース。
4. 請求項２において、
   前記逆圧力生成部は、ばね、液圧装置、空圧装置、電気機械装置の少なくとも１つであることを特徴とする移動インターフェース。
5. 請求項１において、
   前記複数の圧力感知部はグリッドを構成していることを特徴とする移動インターフェース。
6. 請求項１において、
   前記複数の圧力感知部は圧力感応抵抗器を含むことを特徴とする移動インターフェース。
7. 請求項１において、
   前記ベース層は半硬質材料を含むことを特徴とする移動インターフェース。
8. 請求項１において、
   前記ベース層はプラスチックを含むことを特徴とする移動インターフェース。
9. 請求項１において、
   前記上層はゴムを含むことを特徴とする移動インターフェース。
10. 請求項１に記載の移動インターフェースを含むことを特徴とする仮想現実装置。
11. 実空間におけるユーザーの姿勢と移動を仮想空間に転換配置する仮想現実装置であって、
    実空間におけるユーザーの移動を示す信号を出力する移動インターフェースであって、ベース層と、前記ベース層上に形成された複数の圧力感知部および逆圧力生成層と、前記複数の圧力感知部上に形成された上層と、を含み、前記複数の圧力感知部が前記上層に加えられた圧力を示す信号を出力する圧力感知マットを含む移動インターフェースと、
    前記移動インターフェースによって出力された信号を使用して、前記実空間における前記ユーザーの姿勢と移動に対応する前記仮想空間における前記ユーザーの位置を示す出力を生成する仮想現実プロセッサと、
    前記仮想現実プロセッサからの出力を使用して前記仮想空間の画像を生成するディスプレイと、
    を含み、
    前記逆圧力生成層は、少なくとも１つの信号に応じて逆圧力を調整するように構成されていることを特徴とする仮想現実装置。
12. 請求項１１において、
    前記逆圧力生成層は、複数の逆圧力生成部からなることを特徴とする移動インターフェース。
13. 請求項１２において、
    前記複数の逆圧力生成部はグリッドを構成していることを特徴とする移動インターフェース。
14. 請求項１２において、
    前記逆圧力生成部は、ばね、液圧装置、空圧装置、電気機械装置の少なくとも１つであることを特徴とする移動インターフェース。
15. 請求項１１において、
    前記ディスプレイはヘッドマウントディスプレイであることを特徴とする仮想現実装置。
16. 請求項１１において、
    前記複数の圧力感知部はグリッドを構成していることを特徴とする仮想現実装置。
17. 請求項１１において、
    前記複数の圧力感知部は圧力感応抵抗器を含むことを特徴とする仮想現実装置。
18. 請求項１１において、前記ベース層は半硬質材料を含むことを特徴とする仮想現実装置。
19. 請求項１１において、
    前記ベース層はプラスチックを含むことを特徴とする仮想現実装置。
20. 請求項１１において、
    前記上層はゴムを含むことを特徴とする仮想現実装置。
21. 請求項１１において、
    前記仮想現実プロセッサは、
    前記移動インターフェースから出力された信号を使用して、複数の対応するパターンを生成するパターン生成装置と、
    前記パターン生成装置によって生成された前記複数のパターンを使用して、対応する前記ユーザーの複数の姿勢および移動を識別する動作識別装置と、
    前記識別された前記ユーザーの姿勢および移動を使用して仮想空間を生成し、前記ユーザーが前記仮想空間を体験することができるようにする仮想環境レンダリング装置と、
    を含むことを特徴とする仮想現実装置。
22. 請求項２１において、
    前記仮想環境レンダリング装置によって生成される前記仮想空間は仮想地面を含むことを特徴とする仮想現実装置。
23. 請求項２２において、
    前記仮想環境レンダリング装置によって生成される前記仮想地面によって、前記逆圧力生成層によって生成される逆圧力の量が決定されることを特徴とする仮想現実装置。
24. 請求項２１において、
    前記動作識別装置によって識別される前記複数の姿勢は、俯せ姿勢、匍匐姿勢、起立姿勢の少なくとも１つを含むことを特徴とする仮想現実装置。
25. 請求項２１において、
    前記動作識別装置によって識別される前記複数の移動は、後方移動、横方向移動、前方移動、斜方移動の少なくとも１つを含むことを特徴とする仮想現実装置。
26. ユーザーの移動を示す入力信号を仮想現実装置に供給するための方法であって、
    ベース層と、前記ベース層上に形成された複数の圧力感知部および逆圧力生成層と、前記複数の圧力感知部上に形成された上層と、を含む圧力感知マットを有する移動インターフェースに加えられる圧力を感知することと、
    前記逆圧力生成層によって少なくとも１つの信号に応じて逆圧力を調整することと、
    を含むことを特徴とする方法。
27. 請求項２６において、
    前記感知された圧力に応じて前記移動インターフェースによって出力された信号を処理し、実空間における前記ユーザーの姿勢と移動に対応する仮想空間における前記ユーザーの位置を示す入力信号を生成することをさらに含むことを特徴とする方法。
28. 請求項２６において、
    前記移動インターフェースによって出力された信号を処理する工程は、
    前記移動インターフェースによって出力された信号に対応する複数のパターンを生成すること、
    前記複数のパターンに対応する前記ユーザーの複数の姿勢および移動を識別すること、
    を含むことを特徴とする方法。
29. 請求項１において、
    前記逆圧力生成層は、前記複数の圧力感知部のうちの少なくとも１つの圧力感知部からの信号に応じて前記逆圧力を調整するように構成されていることを特徴とする移動インターフェース。
30. 請求項１において、
    前記逆圧力生成層は、仮想環境レンダリング装置からの信号に応じて前記逆圧力を調整するように構成されていることを特徴とする移動インターフェース。
31. 請求項１１において、
    前記逆圧力生成層は、前記複数の圧力感知部のうちの少なくとも１つの圧力感知部からの信号に応じて前記逆圧力を調整するように構成されていることを特徴とする仮想現実装置。
32. 請求項２６において、
    前記逆圧力は、前記複数の圧力感知部のうちの少なくとも１つの圧力感知部からの信号に応じて調整されることを特徴とする方法。
33. 請求項２６において、
    前記逆圧力は、仮想環境レンダリング装置からの信号に応じて調整されることを特徴とする方法。

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