CN1114882C - 使使用者投入虚拟现实的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的使使用者投入虚拟现实的方法是：制成一个限制现实封闭空间的封闭壳体，并将它安装在支承体上使其可以围绕自己的中心转动。使用者进入壳体内能沿壳体内表面自由移动，然后形成虚拟空间，在该虚拟空间内的研究对象以给定的和随机的方式产生和移动。将这样形成的虚拟空间放映给处于壳体内的使用者，根据使用者手、脚、头部在现实空间内的真实体力运动并反映使用者与研究对象在虚拟空间内的相互作用而使虚拟空间连续变换。使使用者投入虚拟现实的装置还包括安装在支承体上并可围绕自己的中心转动的封闭壳体，以及用以测定使用者相对于壳体的移动量和方向并与虚拟空间变换组件相连接的设备。

Description

使使用者投入虚拟现实的方法及装置
技术领域
本发明涉及电子计算机游戏机，以及太空的、体育的和军事的训练器，更确切地说涉及使使用者投入虚拟现实的方法及所用装置。
背景技术
虚拟现实一这是一种综合手段，它可为使用者造成一种幻觉，使他置身于人造世界之中，所用的方法是将感官对周围环境真实性的普通感觉用计算机产生的信息所代替。为达到这一目的使用了三维图像和模拟使用者与周围世界习惯联系的信息输出的专门装置。当前，虚拟现实已成为计算机技术的完全独立的方向。
虚拟现实可以使人们进入带有6个自由度的三维空间，这就意味着程序给出后由装置识别6种运动：前进-后退、向上-向下、向左-向右、上倾-下倾、左斜倾-右斜倾和左转-右转。虚拟现实--它是可以模拟物理现实或者是特殊的和幻想的人造环境。
虚拟现实为使用者提供了在不可思议的世界里近乎真实感觉自己参与的罕见可能性，在那里他们可以在三维空间内相互见面，交谈和相互作用，分辨颜色和声音。这种完全投入创造了印象极深刻的参与效果。为达到这种效果所采用的设备为带有内置耳机的头盔和对空间移动敏感的控制器。
在最简单的虚拟现实系统的方案中，与虚拟世界的接触是通过作为通往该世界窗口的便携式计算机的普通监控器来实现的。辅助工具，例如用于控制虚拟环境中的对象的信息手套和头盔显示器形式的视觉接口，使周围仅看到虚拟空间，其图像在由控制杆控制时会发生变化，这样就加强了感觉，使更完全地投入该虚拟空间。
形成虚拟现实用的设备包含通常带有三维图像调速器的快速计算机(由普通的便携式计算机至超级电子计算机)和虚拟现实编程器，例如型号为维尔塔斯维尔(VIRTUS VR)，维尔塔斯步行编程器(VIRTUSWALKTHROUGH PRO)等。
虚拟现实的映像设备即声像设备是各种类型的监控器和头盔显示器HMD型(HEAD MAUNTED DISPLAY)或CAVE型(CAVEAUTOMATIC VIRTUAL ENVIRONMENT)。
与虚拟现实相互作用的设备是传统的和非传统的输入-输出装置、专用的三维鼠标、手套、操纵杆和跟踪装置，例如，吉伯尔格洛夫型，(GYBERGLOVE)，由维尔塔斯技术公司(VIRTUALTECHNOLOGIES)生产的手套，几乎可以跟踪手的任何动作。
跟踪装置可以确定手，脚和躯体的位置和在现实世界中的取向，并将它们映射在虚拟世界中。跟踪系统按其探测运动的原理分为水银平衡式、无线电波式、超声式、激光式等。
已知一组最简单的形成虚拟现实的设备，它在7～8年前业已上市(参见，例如杜姆(DOOM)游戏机，由伊第软件公司(ID SOFTWARE)生产，见“计算机游戏”，圣彼得堡，1995年，P.119-122)。这组设备包括固定式计算机、彩色监控器，它是开放虚拟世界的“窗口”，而虚拟世界位于屏幕的另一面。鼠标、操纵杆或键盘型控制器使有可能操纵虚拟空间中的运动、转动、任何水平方向的观察。
在所示游戏机中不能产生虚拟现实的完全投入，因为是通过窗口去看虚拟空间，受到观察屏幕边界的限制。借助手动控制器来操纵运动。该系统不能反应使用者在虚拟空间内的相互的体力运动。
计算机功率的增大和较先进的声像设备的出现导致了立体监控器或投影仪型虚拟现实放映装置的创立，它们是使用者头上戴的头盔或眼镜，用以获取立体图像(参看，例如“M P K”杂志，No.1，1995年，P.164-175)。
在上述装置中，虚拟世界成为全景性的，超出屏幕框外而包围使用者。出现了在虚拟空间运动的完全自由，除了水平方向观察外，还可以向上-向下以某种角度观察。三维鼠标、“手套”型的控制器可使与研究对象相互作用。它们或者对此作出预定的反应，或者发生变形，这样的设备水平可令使用者更全面地投入虚拟空间，感觉自己处于此虚拟空间之中并与研究对象相互作用。
然而，借助控制器进行操纵对象和移动，不能确认在虚拟空间内和现实空间的运动。
在虚拟现实领域内的最近研究保证了近乎使使用者完全投入虚拟空间。
已知的一种形成虚拟空间的方法是，形成一个虚拟空间，在这种虚拟空间内，研究对象是以给定的和随机的方式出现和移动的。为使用者放映所形成的虚拟空间，并根据在现实空间中使用者手、脚和头部的真实体力运动并考虑与研究对象在虚拟空间的相互作用而连续变换虚拟空间。
还公知一种投入虚拟现实的装置，它具有形成虚拟空间的设备，在该虚拟空间内研究对象是以给定的和随机的方式出现了移动的，与该设备连接的是为使用者放映虚拟空间的设备和根据在现实空间中使用者手、脚和头部的真实体力运动和考虑与研究对象在虚拟空间的相互作用的虚拟空间变换组件(参见，例如，杂志“PC Magazine”俄文版，1995年，P.60-79)。
在上述的投入虚拟现实的装置中，作为虚拟空间的放映设备使用了可以跟踪头的位置的现代头盔。这个信息传给形成虚拟空间用的计算机，它计算出相应的图像。如果使用者向上看，则看见虚拟的天空，如果向下看，则看见虚拟的地面，即可观察虚拟空间的任何方向。提高了使用者与虚拟对象相互作用的可能性。可以抓住虚拟现实的三维对象并将它抛走，或者捉住三维对象并将其压扁。
然而，在这种相当完善的设备和编程器情况下，使用者不得不借助于控制器在“无限的虚拟空间”内模拟自己的移动。不能产生使用者完全投入虚拟现实的效果，因为与上述装置相互作用时，使用者不可能头戴头盔在现实空间内自由移动，游戏或训练时围绕使用者的现实空间通常受区域狭小的限制，使用者不可能自由地沿任何方向移动足够的距离。
发明内容
根据本发明的目的是建立一种使使用者投入虚拟现实的方法，用这种方法时形成现实的封闭空间并根据使用者真实的体力运动变换虚拟空间，它可使使用者在有限的现实空间内向任何方向步行移动不受阻碍，并且同时将在现实空间内的运动与虚拟空间内的运动相重合，也就是保证更全面地投入虚拟现实中。
本发明的目的还在于建立一种投入虚拟现实的装置，它使用一种放置在支承体上的壳体形成现实的封闭空间，并设置有根据使用者真实的体力运动而工作的虚拟空间变换组件，它可以保证使用者更全面地投入虚拟现实。
为实现本发明的上述目的，本发明提供了一种使使用者投入虚拟现实的方法，包括：形成一个封闭壳体，该壳体有一中心和一内表面，安装一支承体；把所述的壳体安装在所述的支承体上，所述壳体可在所述的支承体上绕一转动中心转动；其中使用者有沿着所述的壳体的内表面的运动的自由度，和所述的使用者的重心相对于穿过所述的壳体的中心的垂直轴线运动；给使用者提供显示虚拟空间的装置；使用计算机设备作为形成一虚拟空间的设备，该虚拟空间包括虚拟物体；在显示虚拟空间的装置上对在所述的壳体内的使用者显示形成的虚拟空间，其中通过使用者相对于一个支承点的运动，使用者与虚拟空间的物体相互作用；在使用者的重心相对于穿过所述的壳体的中心的垂直轴线位移时产生的力的作用下使壳体转动，壳体沿与使用者运动相反的方向转动；确定使用者相对所述的壳体的位置的改变的大小和方向；根据在所述的虚拟空间与所述的物体的相互作用时使用者的手、脚和头部在所述的壳体内的运动，和根据得到的使用者运动的大小和方向变换虚拟空间，和进行附加的连续改变虚拟空间；对使用者显示虚拟空间。
最好，能够补充地转动壳体，以便当使用者的重心相对于通过壳体中心垂线偏移时产生的力矩降至最低。
最好，使用凸起的封闭表面作为壳体。最好，使用球形作为上述的凸起的封闭表面。
最好，使用至少3个放置在壳体下面的球形支座作为壳体的支承体。
最好，使用带孔的壳体，以便使使用者能自由呼吸。
最好，使用透明材料制成的壳体。
可以将形成虚拟空间的设备放置在壳体之外。
可以将形成虚拟空间的设备放置在壳体之内。
最好，将形成虚拟空间的设备放置在使用者身上。
最好，在壳体内安装可转动地支承用来固定辅助形成虚拟现实的设备的支架。
为实现本发明的上述目的，本发明还提供了一种使使用者投入虚拟现实的装置，包括：一个壳体，具有一个中心和一个内表面；一个支承体，支承着所述的壳体，使所述的壳体可在所述的支承体上转动，其中在所述的使用者的重心相对于穿过所述的壳体的中心的垂直轴线位移产生的力的作用下，所述的壳体转动，所述的壳体沿与使用者运动相反的方向转动；还设有形成包括虚拟的物体的虚拟空间的装置；把所形成的虚拟空间显示给使用者的显示装置，与形成虚拟空间的装置连接，其特征在于所述的装置还设有按照所述的使用者与在所述的虚拟空间的物体的相互作用时使用者的身体的运动变换虚拟空间的装置；以及相对于所述的作用者在所述的壳体上的一支承点测定所述的使用者的运动的大小和方向的装置，其中所述的测定所述的使用者的运动的大小和方向的装置和所述的变换虚拟空间的装置连接。
上述装置最好还具有与支承体连接的使壳体转动的设备，用于降低当使用者的重心相对于通过壳体中心垂线偏移时产生的力矩。
上述的壳体最好是凸起的封闭表面。
上述的凸起的封闭表面最好制成球形。
上述壳体的支承体最好采用至少3个球形支座。
最好在壳体上制出孔。
上述壳体最好由透明材料制成。
可以将形成虚拟空间的设备放置在壳体之外。
可以将形成虚拟空间的设备放置在壳体之内。
可以将形成虚拟空间的设备放置在使用者身上。
上述装置最好具有固定形成虚拟现实的辅助器件的支架。
可以采用下列附件作为辅助器件：带轮子的座椅、运动模拟设备、球、假人和模拟搏斗中敌人动作的附件。
为实现本发明的上述目的，本发明还提供了一种使使用者投入虚拟现实的方法，使用一个壳体，安装在转动的支承装置上，其中一个使用者位于所述的壳体中和装备有显示虚拟空间的装置，所述的方法包括：使用计算机形成一个虚拟空间，所述的空间包括虚拟的物体；使用显示虚拟空间的装置把至少一部分形成的虚拟空间显示给所述的使用者；当所述的使用者的重心相对于穿过所述的壳体的中心的垂直轴线位移时转动所述的壳体，所述的壳体沿与所述的使用者运动的方向相对的方向转动；测定使用者相对所述的壳体的位置的改变的大小和方向；按照测定的使用者的运动的大小和方向改变虚拟空间；和把所述的改变的虚拟空间的至少一部分显示给使用者。
附图说明
下面通过具体实施例结合附图说明本发明，附图：
图1为按本发明的投入虚拟现实用的装置；
图2为按本发明的椭圆形壳体的实施例图；
图3为按本发明的壳体支承体的实施例图；
图4为按本发明的壳体支承体的另一实施例图；
图5为按本发明的将形成虚拟空间的设备放置在使用者身上的实施例图；
图6为按照本发明将形成虚拟空间的设备放置在支承体上的壳体内的实施例图；
图7为按照本发明将辅助器件制成模拟摩托车的座椅的实施例图；
图8为按照本发明将固定在支承点上的辅助器件制成球的实施例图；
图9为按照本发明将辅助器件制成假人和模拟敌人在搏斗中的动作的附件的实施例图。
具体实施方式
用于投入虚拟现实的装置具有形成虚拟空间的设备1(图1)，在该虚拟空间内研究对象按给定的和随机的方式出现和移动。通常采用带三维图像的调速器的计算机作为形成虚拟空间的设备1。
为使用者3放映虚拟空间的设备2与设备1相连接，在本实施例中该设备2为戴在使用者头上的头盔，头盔含有两块给使用者传送图像的液晶屏幕和传送声音的耳机。
上述装置具有一个限制现实封闭空间的封闭壳体4，放置在可绕自己的中心转动的支承体5上。在本实施例中壳体的支承体5为至少有3个球形支座6。该球形支座6可保证壳体4围绕自己中心以三个自由度自由转动。
在壳体4上设置有供使用者出入用的带有盖板8的孔7。
上述装置还具有确定使用者相对于壳体的移动量和方向的设备9，该设备9与虚拟空间的变换组件1连接。在该实施例中设备9使用了测定使用者相对于壳体移动量的红外线传感器10和接收该传感器10发送的信号接收器11。
接收使用者相对于壳体位移的传感器信号的接收器11的输出端与根据在现实空间中使用者的手、脚和头部真实的体力运动并考虑与研究对象在虚拟空间中的相互作用的虚拟空间变换组件12相连接。为此目的在使用者身上安装一系列传感器13、14、15、16分别用以测定使用者手、脚、头部、躯体的位置。
控制器17通常放置在使用者手中并与设备1连接。
在一种可能的实例中，上述装置具有与支承体连接的转动壳体的设备18，用以减小当使用者的重心偏移通过壳体4的中心o的垂线a-a时产生的力矩F。
在壳体4上设置有孔19以便使用者能够呼吸，这样就可较长时间处于壳体内。
在一般情况下壳体4为凸起的封闭表面，例如转动椭圆形(图2)。
最好，将壳体4制成球形(图1)并用透明材料制造。
在可能的实施例中，可采用固定在放置装置的室内天花板21上的挂架20作为支承体5，并且至少配置3个球形支座22。这种方案适宜于在自由游戏机大厅内安装。
在可能的实施例中，可以采用曲率与壳体相同的球形表面的支承体23，该支承体23由摩擦系数低的材料制成。
图1示出形成虚拟空间的设备1放置在壳体4之外的情况。
在可能的实施例中形成虚拟空间的设备1可以放置在壳体4之内，这时设备12也可以放置在壳体之内的使用者的身上(图5)或支架24上(图6)。
用于固定形成虚拟现实的辅助器件的支架24放置在壳体4内部的至少3个球形支座25上。支架24的重心低于壳体4的中心o，这样，支架24相对于支承体5实际上是固定的。
在上述装置中可以使用各种固定在支架24上的辅助器件，它们可以是置于轮子上的模拟摩托车(图7)、汽车、飞机、星际飞船的座椅、球26(图8)、假人27(图9)和产生模拟敌人搏斗动作的附件28。
投入虚拟现实的装置的工作方式如下。
制成一个限制现实封闭空间的封闭壳体4(图1)。在所述实施例中，采用安装在支承体5上有可能围绕自己中心o作三个自由度转动的球体作为壳体4。
进入壳体4的使用者3可以沿壳体4的内表面自由移动。
借助计算机形成虚拟空间。研究对象例如，房屋的墙壁、树木、车辆、动物、人物、白云等在上述空间内以给定的和随机的方式出现和移动。
将形成的虚拟空间放映在使用者3的头盔屏幕2上(图1)，这时使用者可看见虚拟世界的立体图像。
按照储存的程序实现虚拟空间的连续变换。由于使用者看不见屏幕边界，故可借助于头盔完善的结构使使用者产生完全参与虚拟三维空间的幻觉，并产生与虚拟空间中的研究对象积极相互作用的愿望，例如用手触摸树木，走近研究对象将其握到手中，与虚拟舞伴跳舞，驾驶飞机等。根据在虚拟空间中研究对象位置的变化使用者用手、脚、头部的真实体力运动改变自己在现实和虚拟空间内的位置。使用者迈出真实的步伐，就会接近在虚拟空间内的对象。
确定使用者相对于壳体4的移动量的方向，并据此实施虚拟空间的连续变换并反映给使用者。
当使用者3(图3)相对于壳体4移动时其重心A相对于通过壳体中心o的垂线a-a的偏移量为oB。这时产生了力F的力矩M，它企图转动壳体使作用于壳体4的支承点D的使用者的重心A移向垂线a-a。
在壳体4与支承体5之间摩擦力最小的条件下，力矩M可使壳体4转动直至使用者重心A与垂线a-a重合为止。这样一来，壳体向相反方向移动的量正好等于使用者在壳体中向前走动的量。在现实空间中使用者走1～2步就回到起始位置，但由于壳体转动他实际上仍停留在一处。而这时他相对于壳体4的运动则反映在他在虚拟空间中相对于研究对象的位置上。因此他在壳体4内的运动使他可以自由地无限制地在虚拟空间内移动。
由于原先借助控制器用手操纵的在虚拟空间中移动的功能现在由使用者在自己步行中实现，他就有了借助控制器用手操纵研究对象的极大的可能性。
实际上，由于存在摩擦力，力矩M转动壳体至回复力F＝P×Sin2x，等于支承体5与壳体4之间的摩擦力为止，该摩擦力取决于壳体重量、使用者重量、辅助器件重量和壳体4与支承体5之间的摩擦系数。
这时力矩M＝P×RSinx，式中P为人的重量，R为半径OD，Sinx＝OB/OD.
当自然回复力不足时，为了克服摩擦力可使用专用装置18，它强制转动壳体4，以便将中心A与垂线a-a的偏差减至最小。
专用装置18还可用于模拟使用者在例如汽车、直升机、星际飞船中的移动，为此在壳体中放置普通座椅或设置在带有相应控制器的轮子上的座椅(图7)。这时壳体带着坐在椅中的使用者转动并强制使使用者的重心离开垂线a-a，其速度和加速度使得使用者随着放映的虚拟空间的变化而产生真实运动的感觉。即使使用者的重心与球体中心重合，也可以由球体转动脉冲对使用者的前庭器官的作用来产生运动的现实效应。
为了激起使用者前庭器官的相应反应，可在模拟升降时沿垂直方向移动支承体5。
本发明可用于儿童和成人的娱乐活动。这种用于计算机游戏的装置可安装在室内和户外以及自动游戏机大厅内。该装置可广泛用于训练军事人员和运动员、培训各种专业人员如警察。也可用来研究人在计算机虚拟空间内的行为。

Claims (24)

1.一种使使用者投入虚拟现实的方法，包括：
形成一个封闭壳体，该壳体有一中心和一内表面，
安装一支承体；
把所述的壳体安装在所述的支承体上，所述壳体可在所述的支承体上绕一转动中心转动；
其中使用者有沿着所述的壳体的内表面的运动的自由度，和其中所述的使用者的重心相对于穿过所述的壳体的中心的垂直轴线运动；
给使用者提供显示虚拟空间的装置；
使用计算机设备作为形成一虚拟空间的设备，该虚拟空间包括虚拟物体；
在显示虚拟空间的装置上对在所述的壳体内的使用者显示形成的虚拟空间，其中通过使用者相对于壳体和支承体之间连接的支承点的运动，使用者与虚拟空间的物体相互作用；
在使用者的重心相对于穿过所述的壳体的中心的垂直轴线位移时产生的力的作用下使壳体转动，壳体沿与使用者运动相反的方向转动；
确定使用者相对所述的壳体的位置的改变的大小和方向；
根据在所述的虚拟空间与所述的物体的相互作用时使用者的手、脚和头部在所述的壳体内的运动，和根据得到的使用者运动的大小和方向变换虚拟空间，和继续改变虚拟空间；
对使用者显示虚拟空间。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于使用转动装置转动壳体以降低使用者的重心相对于通过壳体中心的垂线的偏移。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述的壳体具有一凸起的封闭表面。
4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于所述的凸起的封闭表面是一个球。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述的壳体的支承装置包括至少3个球形支座，安排在所述的壳体下面。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述的壳体设有多个供呼吸的孔。
7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述的壳体是透明材料制成的。
8.按照权利要求1所述的方法，其特征在于形成虚拟空间的设备放置在所述的壳体的外面。
9.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述的形成虚拟空间的设备放置在壳体之内。
10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于所述的形成虚拟空间的设备放置在使用者身上。
11.按照权利要求1所述的方法，其特征在于还设有一支承装置，用于把辅助形成虚拟空间的辅助器件固定在所述的壳体内。
12.一种使使用者投入虚拟现实的装置，包括：
一个壳体，具有一个中心和一个内表面；
一个支承体，支承着所述的壳体，使所述的壳体可在所述的支承体上转动，其中在所述的使用者的重心相对于穿过所述的壳体的中心的垂直轴线位移产生的力的作用下，所述的壳体转动，所述的壳体沿与使用者运动相反的方向转动；
还设有形成包括虚拟的物体的虚拟空间的装置；
把所形成的虚拟空间显示给使用者的显示装置，与形成虚拟空间的装置连接，其特征在于：
所述的装置还设有按照所述的使用者与在所述的虚拟空间的物体的相互作用时使用者的身体的运动变换虚拟空间的装置；以及
相对于所述的使用者在所述的壳体上的一支承点测定所述的使用者的运动的大小和方向的装置，其中所述的测定所述的使用者的运动的大小和方向的装置和所述的变换虚拟空间的装置连接。
13.按照权利要求12所述的装置，其特征在于具有可使壳体转动的装置，该装置与所述的支承装置连接以便减小使用者的重心相对于通过壳体中心的垂线的偏移。
14.按照权利要求12所述的装置，其特征在于壳体为凸起的封闭表面。
15.按照权利要求14所述的装置，其特征在于所述的凸起的封闭表面是一个球。
16.按照权利要求12所述的装置，其特征在于所述的支承体包括至少3个球形的支座。
17.按照权利要求12所述的装置，其特征在于所述的壳体上设有多个供呼吸吸的孔。
18.按照权利要求12所述的装置，其特征在于所述的壳体由透明材料制成。
19.按照权利要求12所述的装置，其特征在于所述的形成虚拟空间的装置设置在壳体的外面。
20.按照权利要求12所述的装置，其特征在于所述的形成虚拟空间的装置设置在所述的壳体内。
21.按照权利要求20所述的装置，其特征在于形成虚拟空间的设备放置在使用者身上。
22.按照权利要求12-21中任一项所述的装置，其特征在于还设有一支承装置，用于把辅助形成虚拟空间的辅助器件固定在所述的壳体内。
23.按照权利要求22所述的装置，其特征在于所述的辅助装置选自下列组中的一个或多个：带轮子的座椅、运动模拟设备、球、假人和模拟搏斗中敌人动作的器件。
24.一种使使用者投入虚拟现实的方法，使用一个壳体，安装在转动的支承装置上，其中一个使用者位于所述的壳体中和装备有显示虚拟空间的装置，所述的方法包括：
使用计算机形成一个虚拟空间，所述的空间包括虚拟的物体；
使用显示虚拟空间的装置把至少一部分形成的虚拟空间显示给所述的使用者；
当所述的使用者的重心相对于穿过所述的壳体的中心的垂直轴线位移时转动所述的壳体，所述的壳体沿与所述的使用者运动的方向相对的方向转动；
测定使用者相对所述的壳体的位置的改变的大小和方向；
按照测定的使用者的运动的大小和方向改变虚拟空间；和
把所述的改变的虚拟空间的至少一部分显示给使用者。
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