TW202022569A - 應用於虛擬實境之操作平台 - Google Patents

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Abstract

應用於虛擬實境之操作平台包含顯示裝置、站立平台、四肢動作偵測器、視角判斷器、調整裝置，以及微控制器。站立平台可偵測使用者之重心傾斜方向，四肢動作偵測器可判斷使用者的四肢動作，而視角判斷器可判斷使用者的身體方位。微控制器依據站立平台、四肢動作偵測器和視角判斷器測得的資訊去控制顯示裝置來顯示相對應的虛擬實境內容，並依據虛擬實境應用控制調整裝置以提供相對應的力回饋效果。

Description

應用於虛擬實境之操作平台
本發明相關於一種應用於虛擬實境之操作平台，尤指一種可在虛擬實境應用中偵測使用者全身重心傾斜方向、手勢及全身人體方位之操作平台。
虛擬實境(virtual reality, VR)是利用電腦技術模擬出一個立體且高擬真的三維空間，當使用者穿戴特殊顯示裝置進入後，會產生好像處在現實中的錯覺。在這虛擬實境空間中，操作者可以和虛擬物件或其他玩家互動。由於VR應用強調的是使用者在虛擬世界中的沉浸感，因此除了須滿足在虛擬世界中的操控駕馭之外，更希望獲得的不僅只是視覺以及聲音的感受，進一步也希望能夠同時提升人體五感的體驗。
現有應用於虛擬實境之操作平台都是針對特定VR應用來設計，例如跳舞蹈遊戲的跳舞機、戰爭遊戲的飛行器/駕駛砲台，或運動遊戲的跑步機等。現有VR操作平台限定特定VR應用，使用者需分別使用或購買多種操作平台來體驗不同VR應用，此種低兼容性會造成額外開銷和不便利。
本發明提供一種應用於虛擬實境之操作平台，其包含一顯示裝置、一站立平台，和一系統端。該站立平台包含一底座；一萬象軸承，用來乘載該底座，並在一使用者在該底座上時提供一第一自由度和一第二自由度；複數個輔助彈簧，設置於該底座下方和一參考地面之間，用來幫助維持該底座的平衡狀態；以及複數個第一距離感測器，設置於該底座下方，用來偵測該底座上不同點和該參考地面之間的距離。該系統端包含一主機，用來提供一虛擬實境應用所需之一影音資料；以及一微控制器，用來依據該複數個第一距離感測器所提供之距離資訊來控制該顯示裝置以顯示相對應之虛擬實境內容。
第1圖為本發明實施例中一種應用於虛擬實境之操作平台100的功能方塊圖。操作平台100包含一系統端10、一站立平台20、一顯示裝置30、一四肢動作偵測器40、一視角判斷器50，以及一調整裝置60。
系統端10包含一主機12、一圖像處理單元14，以及一微控制器16。主機12可提供不同VR應用所需之影音資料，圖像處理單元14可處理主機12所提供之VR影像資料以呈現在顯示裝置30上。依據主機12所提供之VR影音資料、四肢動作偵測器40所提供的動作資訊，以及視角判斷器50所提供的視角資訊，微控制器16可控制操作平台100中各元件以提供相對應之視覺和力回饋效果。在本發明實施例中，在不妨礙VR應用的前提下，系統端10可設置在操作平台100上任何合適位置。然而，系統端10之實作方式並不限定本發明之範疇。
第2圖為本發明實施例中操作平台100實作方式之上視圖。第3圖為本發明實施例中操作平台100實作方式之側面圖。以使用者站上站立平台20後的視角來說，顯示裝置30設置於站立平台20之前方，其包含一個或多個螢幕D1 ~DM (M為正整數)。為了說明目的，第2圖顯示了M=3之實施例。然而，顯示裝置30所包含的螢幕數量並不限定本發明之範疇。
如第3圖所示，站立平台20包含一底座22、一萬象軸承24、複數個輔助彈簧26，以及複數個距離感測器PS1 ~PSN (N為大於1之整數)。萬象軸承24用來乘載底座22，並在使用者站立在底座22上時提供前後傾斜方向的第一自由度和左右傾斜方向的第二自由度。輔助彈簧26設置於底座22下方和一參考地面GND之間，用來幫助維持底座22的平衡狀態。距離感測器PS1 ~PSN 設置於底座22下方，用來偵測底座22上不同點和參考地面GND之間的距離。為了說明目的，第2圖顯示了N=9和4個輔助彈簧26之實施例。然而，距離感測器和輔助彈簧之數量並不限定本發明之範疇。
第4A~4D圖為本發明實施例操作平台100中站立平台20作動時的示意圖。第4A~4D圖上方分別顯示使用者在站立平台20上做出前傾、後傾、右傾和左傾動作時的情況，而第4A~4D圖下方顯示相對應使用者姿態下距離感測器PS1 ~PS9 所量測到的訊號S1 ~S9 ，訊號越大代表相對應距離感測器離地面越近。依據距離感測器PS1 ~PSM 所量測到的訊號，微控制器16可判斷出使用者的身體狀態，進而控制顯示裝置30來顯示相對應前傾/後傾/右傾/左傾的VR內容。
如第3圖所示，調整裝置60包含桿件62和一動力裝置64，其中桿件62可採用螺桿或齒輪機構，而動力裝置64可為馬達。微控制器16可依據VR應用的內容來控制動力裝置64去抬升特定桿件62，進而壓縮相對應輔助彈簧26以提供形成類似力回饋或震動的效果。第5A~5B圖為本發明實施例操作平台100中站立平台20和調整裝置60作動時的示意圖。如第5A和5B圖所示，動力裝置64可以不同強度或頻率去抬升不同桿件62以壓縮相對應輔助彈簧26(由第5A~5B圖中的箭頭表示)，進而提供在垂直方向的第三自由度以形成VR應用所需之力回饋效果。
第6圖為本發明實施例操作平台100中站立平台20作動時之示意圖。透過萬象軸承24，站立平台20可提供前後傾斜方向之第一自由度(由箭頭Q1表示)和左右傾斜方向之第二自由度(由箭頭Q2表示)。透過調整裝置60，站立平台20可提供垂直方向的第三自由度(由箭頭Q3表示)。
在本發明操作平台100中，四肢動作偵測器40包含複數組距離感應陣列SA1 ~SAP (P為大於1之整數)，設置於參考地面GND上位於站立平台20和顯示裝置30之間的位置。每一距離感應陣列包含面朝上方之複數個距離感測器，用來在使用者站上站立平台20後偵測使用者的四肢動作。為了說明目的，第2圖顯示了N=2之實施例，其中距離感應陣列SA1 包含8個距離感測器A1~A8，而距離感應陣列SA2 包含8個距離感測器B1~B8。在本發明實施例中，感應陣列中的距離感測器可採用超音波、雷射或紅外線測距技術。然而，感應陣列之數量和類型並不限定本發明之範疇。
第7A~7D圖為本發明實施例中四肢動作偵測器40運作時之示意圖。第7A~7D圖上方依序顯示使用者站上站立平台20做出右拳向前向上揮擊動作的過程，而第7A~7D圖下方顯示相對應使用者姿態下感應陣列器SA1 ~SA2 中每一距離感測器所量測到的訊號。如第7A圖所示，當使用者右拳尚未揮出時，距離感應陣列SA1 和SA2 並不會偵測到障礙物，此時每一距離感測器側到的訊號接近0。如第7B~7D圖所示，在使用者右拳向前向上揮擊的期間，感應陣列器SA1 和SA2 中相對應位置的距離感測器A6和B6會偵測到障礙物，而其它距離感測器不會偵測到障礙物，訊號越大代表相對應距離感測器偵測到的障礙物離參考地面GND越近。依據感應陣列器SA1 ~SAP 所量測到的訊號，微控制器16可判斷出使用者的手部動作狀態，進而控制顯示器來顯示相對應之VR內容，例如物體被使用者揮拳擊倒等。
第8A~8B圖為本發明實施例四肢動作偵測器40運作時之示意圖。第8A~8B圖上方分別顯示使用者站上站立平台20後做出抬右腿和抬左腿時的狀況，而第8A~8B圖下方顯示相對應使用者姿態下感應陣列器SA1 ~SA2 所量測到的訊號。如第8A圖所示，當使用者做出抬右腿的動作時，感應陣列器SA1 和SA2 中相對應位置的距離感測器A5和B5會偵測到障礙物，而其它距離感測器不會偵測到障礙物。如第8B圖所示，當使用者做出抬左腿的動作時，感應陣列器SA1 和SA2 中相對應位置的距離感測器A4和B4會偵測到障礙物，而其它距離感測器不會偵測到障礙物。依據感應陣列器A1 ~AN 所量測到的訊號，微控制器16可判斷出使用者的腿部動作狀態，進而控制顯示器來顯示相對應之VR內容，例如物體被使用者踢開等。
第9A~9B圖為本發明實施例四肢動作偵測器40運作時之示意圖。第9A~9B圖上方顯示使用者站上站立平台20後手部橫向揮動時的狀況，而第9A~9B圖下方顯示相對應使用者姿態下感應陣列器SA1 ~SA2 所量測到的訊號。如第9A~9B圖所示，針對特定高度的障礙物，感應陣列器SA1 ~SA2 所包含的複數個距離感測器可偵測障礙物在水平方向的位置，亦即只有在使用者手部出現位置所對應的距離感測器才會測到訊號。依據感應陣列器SA1 ~SAN 所量測到的訊號，微控制器16可判斷出使用者的手部移動方式，進而控制顯示器來顯示相對應之VR內容。
針對VR內容中同時包含手部和腳部行為的應用，本發明可對四肢動作偵測器40偵測到的訊號設定一區間條件。例如，當距離感測器在0~80公分的區間偵測到障礙物，微控制器16會判斷此為使用者的腿部動作；當距離感測器在大於80公分之處偵測到障礙物，微控制器16會判斷此為使用者的手部動作。
在本發明操作平台100中，視角判斷器50包含遮斷感應陣列SL1 ~SLS (S為大於1之整數)、遮斷感應陣列SR1 ~SRS ，和兩組距離感應陣列SC1~SC2。遮斷感應陣列SL1 ~SLS 和SR1 ~SRS 可偵測使用者站上站立平台20後其身體姿態(面對方向、站姿或蹲姿)，而距離感應陣列SC1~SC2可偵測使用者站上站立平台20後其身體面對方向。
第10A圖為本發明實施例視角判斷器50中遮斷感應陣列實作方式之上視圖，而第10B圖為本發明實施例視角判斷器50中遮斷感應陣列實作方式之側面圖。本發明可在使用者站上站立平台20後之左側和右側分別設置牆面W1和W2，分別用來乘載遮斷感應陣列SL1 ~SLS 和遮斷感應陣列SR1 ~SRS 。遮斷感應陣列SL1 ~SLS 中每一遮斷感應陣列包含複數個遮斷感測器TX1 ~TXT (T為大於1之整數)，遮斷感應陣列SR1 ~SRS 中每一遮斷感應陣列包含複數個遮斷感測器RX1 ~RXT 。遮斷感應陣列SL1 ~SLS 中每一遮斷感應陣列可和遮斷感應陣列SR1 ~SRS 中相對應遮斷感應陣列形成水平方向之掃描牆，如第10A圖中虛線箭頭所示。遮斷感應陣列SL1 ~SLS 和遮斷感應陣列SR1 ~SRS 中每一對遮斷感應陣列所包含的複數個遮斷感測器可形成垂直方向之掃描牆，如第10B圖中虛線箭頭所示。為了說明目的，第10A和10B圖顯示了S=5和T=5之實施例，然而視角判斷器50中遮斷感測器和距離感測器之數量並不限定本發明之範疇。
第11圖為本發明實施例視角判斷器50中距離感應陣列SC1~SC2實作方式之示意圖。距離感應陣列SC1包含複數個距離感測器E1 ~EW (W為大於1之整數)，設置於顯示裝置30中位於中央之螢幕D2 的左側。距離感應陣列SC2包含複數個距離感測器F1 ~FW ，設置於顯示裝置30中位於中央之螢幕D2 的右側。為了說明目的，第11圖顯示了W=5之實施例，然而視角判斷器50中距離感測器之數量並不限定本發明之範疇。
第12A~12C圖為本發明實施例視角判斷器50運作時之示意圖。第12A~12C圖上方顯示使用者站上站立平台20後身體面向正前方、身體轉向右方和身體轉向左方的狀況，而第9A~9B圖下方顯示相對應使用者姿態下兩組遮斷感應陣列和兩組距離感應陣列所測得的資料。如第12A圖所示，當使用者面向正前方時，其身體厚度自然地遮蔽遮斷感應陣列SC1中的遮斷感應陣列SL2 和SL3 和遮斷感應陣列SC2中的遮斷感應陣列SR2 和SR3 (由第12A圖下方之O來表示)，遮斷感應陣列SC1中的遮斷感應陣列SL1 、SL4 和SL5 和遮斷感應陣列SC2中的遮斷感應陣列SR1 、SR4 和SR5 之間沒有阻礙物(由第12A圖下方之X來表示)，而距離感應陣列SC1測得的距離d1等於距離感應陣列SC2測得的距離d2。如第12B圖所示，當使用者的身體轉向右方時，其身體橫向面積變大而遮蔽遮斷感應陣列SC1中的遮斷感應陣列SL1 ~SL4 和遮斷感應陣列SC2中的遮斷感應陣列SR1 和SR4 (由第12B圖下方之O來表示)，遮斷感應陣列SC1中的遮斷感應陣列SL5 和遮斷感應陣列SC2中的遮斷感應陣列SR5 之間沒有阻礙物(由第12B圖下方之X來表示)，而距離感應陣列SC1測得的距離d1小於距離感應陣列SC2測得的距離d2。如第12C圖所示，當使用者的身體轉向左方時，其身體橫向面積變大而遮蔽遮斷感應陣列SC1中的遮斷感應陣列SL1 ~SL4 和遮斷感應陣列SC2中的遮斷感應陣列SR1 和SR4 (由第12C圖下方之O來表示)，遮斷感應陣列SC1中的遮斷感應陣列SL5 和遮斷感應陣列SC2中的遮斷感應陣列SR5 之間沒有阻礙物(由第12C圖下方之X來表示)，而距離感應陣列SC1測得的距離d1大於距離感應陣列SC2測得的距離d2。因此，依據視角判斷器50所量測到的訊號，微控制器16可判斷出使用者的身體面對方向，進而控制顯示裝置30中每一螢幕來顯示相對應之VR內容。
第13A~13B圖為本發明實施例視角判斷器50運作時之示意圖。第13A~13B圖上方顯示使用者在站立平台20上面向正前方站立和蹲下的狀況，而第13A~13B圖下方顯示相對應使用者姿態下兩組遮斷感應陣列和兩組距離感應陣列所測得的資料。如第13A圖所示，當使用者面向正前方直立時，其身體厚度自然地遮蔽遮斷感應陣列SC1中遮斷感應陣列SL2 和SL3 之所有遮斷感測器TX1 ~TX5 和遮斷感應陣列SC2中遮斷感應陣列SR2 和SR3 之所有遮斷感測器RX1 ~RX5 ，而距離感應陣列SC1測得的距離d1等於距離感應陣列SC2測得的距離d2。如第13B圖所示，當使用者面向正前方蹲下時，其身體厚度自然地遮蔽遮斷感應陣列SC1中遮斷感應陣列SL2 和SL3 之遮斷感測器TX3 ~TX5 和遮斷感應陣列SC2中遮斷感應陣列SR2 和SR3 之遮斷感測器RX3 ~RX5 ，而距離感應陣列SC1測得的距離d1等於距離感應陣列SC2測得的距離d2。因此，依據視角判斷器50所量測到的訊號，微控制器16可判斷出使用者的身體姿態，進而控制顯示裝置30中每一螢幕來顯示相對應之VR內容，例如蹲下躲避物品。
本發明之操作平台100可直接應用在部分VR遊戲，例如做為舞蹈遊戲中的跳舞機，或運動遊戲中的跑步機/滑雪機等。針對其它VR應用，使用者可架設相對應的人體固定器在操作平台100中的站立平台20上。以戰爭遊戲為例，使用者可將駕駛砲台架設在站立平台20上以模擬在坦克車上射擊的情境；以賽車遊戲為例，使用者可將駕駛座/摩托車座架設在站立平台20上以模擬開車/騎摩托車的情境；以飛行遊戲為例，使用者可將身體平台架設在站立平台20上，當趴在身體平台上即可模擬跳傘或飛行傘的情境。由於人體固定器僅為簡單機構，價錢相較於針對不同VR應用之專屬操作平台低廉。在發明書前述內容是以使用者直接站上站立平台20之實施例來做說明，當使用者透過上述人體固定器以站姿、趴姿或坐姿上站立平台20時也是依據同樣原理去偵測重心傾斜和人體方位，在此不另加贅述
綜上所述，針對VR應用中內容互動的三種主要行為：人物移動、行為觸發和視野轉向，本發明之操作平台可偵測使用者全身重心傾斜方向以判定使用者在VR內容中的動態為向前/後/左/右/移動，並能判斷手勢及全身人體方位。針對不同VR應用，使用者僅需添加或更換相對應的人體固定器，因此相容性很高。   以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10:系統端12:主機14:圖像處理單元16:微控制器20:站立平台22:底座24:萬象軸承26:輔助彈簧30:顯示裝置40:四肢動作偵測器50:視角判斷器60:調整裝置62:桿件64:動力裝置100:操作平台GND:參考地面 D1~D3:螢幕 PS1~PS9、A1~A8、B1~B8、E1~B5、F1~F5:距離感測器 SA1~SA2、SC1~SC2:距離感應陣列 SL1~SL5、SR1~SR5:遮斷感應陣列 TX1~TX5、RX1~RX5:遮斷感測器 S1~S9:訊號 W1、W2:牆面 d1、d2:距離 Q1:第一自由度 Q2:第二自由度 Q3:第三自由度
第1圖為本發明實施例中一種應用於虛擬實境之操作平台的功能方塊圖。 第2圖為本發明實施例中操作平台實作方式之上視圖。 第3圖為本發明實施例中操作平台實作方式之側面圖。 第4A~4D圖為本發明實施例操作平台中站立平台作動時的示意圖。 第5A~5B圖為本發明實施例操作平台中站立平台和調整裝置作動時的示意圖。 第6圖為本發明實施例操作平台中站立平台作動時之示意圖。 第7A~7D圖為本發明實施例中四肢動作偵測器運作時之示意圖。 第8A~8B圖為本發明實施例四肢動作偵測器運作時之示意圖。 第9A~9B圖為本發明實施例四肢動作偵測器運作時之示意圖。 第10A圖為本發明實施例視角判斷器中遮斷感應陣列實作方式之上視圖，而第10B圖為本發明實施例視角判斷器50中遮斷感應陣列實作方式之側面圖。 第11圖為本發明實施例視角判斷器中距離感應陣列實作方式之示意圖。 第12A~12C圖為本發明實施例視角判斷器運作時之示意圖。 第13A~13B圖為本發明實施例視角判斷器運作時之示意圖。
20:站立平台
26:輔助彈簧
30:顯示裝置
40:四肢動作偵測器
100:操作平台
D1~D3:螢幕
PS1~PS9、A1~A8、B1~B8:距離感測器
SA1~SA2、SC1~SC2:距離感應陣列
SL1~SL5、SR1~SR5:遮斷感應陣列
W1、W2:牆面

Claims (8)

  1. 一種應用於虛擬實境之操作平台，其包含： 一顯示裝置； 一站立平台，其包含： 一底座； 一萬象軸承，用來乘載該底座，並在一使用者在該底座上時提供一第一自由度和一第二自由度； 複數個輔助彈簧，設置於該底座下方和一參考地面之間，用來幫助維持該底座的平衡狀態；以及 複數個第一距離感測器，設置於該底座下方，用來偵測該底座上不同點和該參考地面之間的距離；以及 一系統端，其包含： 一主機，用來提供一虛擬實境應用所需之一影音資料；以及 一微控制器，用來依據該複數個第一距離感測器所提供之距離資訊來控制該顯示裝置以顯示相對應之虛擬實境內容。
  2. 如請求項1所述之操作平台，其另包含一調整裝置，用來在該使用者在該底座上時依據該影音資料來提供一第三自由度。
  3. 如請求項2所述之操作平台，其中該調整裝置包含一桿件和一動力裝置，而該微控制器依據該影音資料來控制該動力裝置去抬升該桿件，進而壓縮該複數個輔助彈簧中相對應之輔助彈簧以提供該虛擬實境應用所需之力回饋或震動效果。
  4. 如請求項1所述之操作平台，其另包含一四肢動作偵測器，該四肢動作偵測器包含至少一組距離感應陣列，設置於該參考地面上位於該站立平台和該顯示裝置之間的位置，用來該使用者在該站立平台上時偵測該使用者的四肢動作。
  5. 如請求項4所述之操作平台，其中該至少一組距離感應陣列包含面朝上方之複數個第二距離感測器，用來偵測該站立平台和該顯示裝置之間的一障礙物，且該微控制器另用來依據該複數個第二距離感測器所提供之距離資訊來控制該顯示裝置以顯示相對應之虛擬實境內容。
  6. 如請求項4所述之操作平台，其中： 當該四肢動作偵測器偵測到位於該站立平台和該顯示裝置之間的一障礙物時，求出該障礙物和該參考地面之間的距離； 當該障礙物和該參考地面之間的距離超過一預定值時，該微控制器判定該障礙物相關於該使用者之一手部動作；且 當該障礙物和該參考地面之間的距離不超過該預定值時，該微控制器判定該障礙物相關於該使用者之一腿部動作。
  7. 如請求項1所述之操作平台，其另包含一視角判斷器，其包含： 複數組第一遮斷感應陣列，設置於該使用者在該底座上時之左側，用來偵測該使用者在該底座上時的一身體面對方向； 複數組第二遮斷感應陣列，設置於該使用者在該底座上時之右側，用來偵測該身體面對方向； 一第一距離感應陣列，設置於該顯示裝置中一螢幕之一第一側，用來偵測該使用者在該底座上時的一視角變化；以及 一第二距離感應陣列，設置於該螢幕之一第二側，用來偵測該視角變化，其中該第一側和該第二側為對向側。
  8. 如請求項7所述之操作平台，其另包含包含： 一第一牆面，設置於該參考地面上位於該使用者在該底座上時之左側，用來乘載複數組第一遮斷感應陣列；以及 一第二牆面，設置於該參考地面上位於該使用者在該底座上時之右側，用來乘載複數組第二遮斷感應陣列。
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