DE69630037T2

DE69630037T2 - Vorrichtung und methode zum umgeben eines benutzers mit virtueller realität

Info

Publication number: DE69630037T2
Application number: DE69630037T
Authority: DE
Inventors: Nurakhmed Nurislamovic Latypov
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-07-14
Filing date: 1996-06-24
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2016-06-25
Also published as: US5846134A; WO1997003740A1; EP0839559B1; KR19990028962A; EP0839559A1; RU2109336C1; CN1193394A; CN1114882C; DE69630037D1; EP0839559A4; AU6537396A; JPH11509446A; JP2007229500A; KR100484369B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Computer-Spiele, Weltraum-, Sport- und Militärsimulatoren und genauer ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Eintauchen eines Anwenders in eine virtuelle Realität.
Beschreibung des Standes der Technik
Die virtuelle Realität ist eine Kombination von Mitteln, die es möglich machen, für einen Anwender die Illusion, dass er sich in einer künstlich erzeugten Welt befindet, zu erzeugen, indem die normale Wahrnehmung der umgebenden Realität mittels der Sinnesorgane durch durch einen Computer erzeugte Informationen ersetzt wird. Dies wird unter Verwendung dreidimensionaler Graphiken und spezieller Vorrichtungen, die Informationen bereitstellen, erreicht, wobei die normale Beziehung zwischen dem Anwender und der umgebenden Welt nachgeahmt wird. Gegenwärtig ist die virtuelle Realität ein unabhängiger Zweig der Computer-Technologie.
Die virtuelle Realität ist etwas, das es möglich macht, eine Bewegung in einer dreidimensionalen Welt mit sechs Freiheitsgraden auszuführen und sie in Echtzeit zu sehen. Dies bedeutet, dass das Programm für sechs Bewegungstypen sorgt und die Vorrichtung sechs Bewegungstypen identifiziert: vorwärts und rückwärts, aufwärts und abwärts, nach links und nach rechts, Neigen, Gieren, Rollen. Die virtuelle Realität ist ein künstliches Medium, das die physische Realität nachahmen oder unüblich und phantastisch sein kann.
Die virtuelle Realität versieht den Anwender mit der seltenen Gelegenheit eines fast realen Gefühls seiner Anwesenheit in irgendeiner anderen Welt. In dieser Welt können sie einander sehen, miteinander sprechen und in einem dreidimensionalen Raum in Wechselwirkung treten sowie Farbe und Ton unterscheiden. Ein derartiges vollständiges Eintauchen erzeugt eine beeindruckende Wirkung für das Dasein. Dies wird durch die verwendete Ausrüstung erreicht – ein Kopfstück mit eingebauten Kopfhörern und einen Manipulator, der für die räumliche Bewegung empfindlich ist.
In der einfachsten Variante eines Systems der virtuellen Realität wird der Kontakt mit der virtuellen Welt durch einen üblichen Monitor eines Personal-Computers erreicht, der als ein Fenster in diese Welt dient. Zusätzliche Mittel, wie z. B. ein Datenhandschuh, der verwendet wird, um Objekte in einem virtuellen Medium zu manipulieren, und eine visuelle Schnittstelle in der Form einer am Kopf angebrachten Anzeige (HMD) machen es möglich, nur im virtuellen Raum völlig rundum zu sehen, dessen Bild sich ändern wird, wenn der Joystick manipuliert wird, was die die Wahrnehmung intensiviert und es möglich macht, noch tiefer in diesen Raum einzutauchen.
Die Mittel, die die virtuelle Realität bilden, umfassen einen Hochleistungs-Computer, der normalerweise einen Beschleuniger für die dreidimensionale Graphik enthält, von einem einfachen Personal-Computer bis zu Super-Computern und Software für die virtuelle Realität, wie z. B. VIRTUS VR, VIRTUS WALKTHROUGH PRO, SUPERSC APE VRT, VRCREATOR u. a.
Alle möglichen Typen von Monitoren, am Kopf angebrachten Anzeigen oder die automatische virtuelle Cave-Umgebung (CAVE) sind Mittel, um die virtuelle Realität anzuzeigen, d. h. Mittel zum Hören und Sehen.
Herkömmliche und nicht herkömmliche E/A-Vorrichtungen, spezielle dreidimensionale Mäuse, Handschuhe, Joysticks und Verfolgungsvorrichtungen sind Mittel für die Wechselwirkung mit der virtuellen Realität. Der CyberGlove der Firma Virtual Technologies verfolgt z. B. fast jede Bewegung, die die Hand ausführen kann.
Die Verfolgungsvorrichtungen machen es möglich, die Positionen der Hände, der Füße und des Körpers des Anwenders und ihre Orientierung in der realen Welt zu bestimmen und sie in der virtuellen Welt anzuzeigen. Die Verfolgungssysteme können durch das Prinzip der Erfassung der Bewegung unterschieden werden – mit Quecksilber-Ausgleichsvorrichtungen, Funkwellen, Ultraschall, Laser usw.
Ein einfacher Satz von Mitteln, der vor 7–8 Jahren verfügbar war, ist für das Bilden der virtuellen Realität bekannt (siehe z. B. das Spiel DOOM der Firma ID-Software, "Entsiklopediya kompjuternykh igr", Sankt Petersburg, 1995, S. 119–122). Dieser Satz umfasst einen stationären Computer und einen Farbmonitor, der ein "Fenster" in die virtuelle Welt öffnet, die scheinbar auf der anderen Seite des Bildschirms liegt. Eine Manipulatorvorrichtung des Typs einer Maus, eines Joysticks oder einer Tastatur schafft die Möglichkeit der Steuerung der Bewegung, Drehung und Betrachtung in jeder horizontalen Richtung des virtuellen Raums.
In diesem Spiel findet das vollständige Eintauchen in die virtuelle Realität nicht statt, weil der virtuelle Raum durch ein "Fenster" gesehen wird, das durch die Kanten des Schirmes der Bildröhre begrenzt ist. Die Bewegung wird manuell durch einen Manipulator gesteuert. Das System spiegelt die Interaktivität der physischen Bewegung durch den Anwender im virtuellen Raum nicht wieder.
Die wachsende Leistung der Computer und das Erscheinen von höher entwickelten Audiovisualisierungsmitteln hat zur Erzeugung einer Vorrichtung vom Typ eines stereoskopischen Monitors oder Projektors zum Anzeigen der virtuellen Realität geführt, die der Anwender als Kopfstück oder Brille an seinen Kopf bringen und dadurch die Möglichkeit erhalten kann, ein dreidimensionales Bild zu sehen (siehe z. B. die Zeitschrift Mir PK, Nr. 1, 1995, S. 164–175).
In dieser Vorrichtung erhält die virtuelle Welt die volle Größe, erstreckt sich über die Grenzen des Bildschirms und umgibt den Anwender. Die volle Freiheit der Bewegung im virtuellen Raume wird möglich, wobei außer zu einem horizontalen Blick ein Blick aufwärts und abwärts in irgendeinem Winkel möglich ist. Die Manipulatoren des Typs einer dreidimensionalen Maus, "Handschuhe", machen die Wechselwirkung mit den Objekten möglich. Entweder reagieren sie darauf mit einer vorhersehbaren Reaktion oder sie werden deformiert. Ein derartiges Niveau der Mittel machte ein vollständigeres Eintauchen in den virtuellen Raum möglich, es macht es möglich, sich selbst innerhalb dieses virtuellen Raums zu fühlen und mit den Objekten in Wechselwirkung zu treten.
Die Steuerung der Objekte und ihrer Bewegung wird jedoch durch Manipulatoren ausgeführt, wobei dies es nicht möglich macht, die Bewegung im virtuellen Raum und im realen Raum zu identifizieren.
Die letzten Entwicklungen auf dem Gebiet der virtuellen Realität sichern das fast vollständige Eintauchen des Anwenders in den virtuellen Raum.
Es ist ein Verfahren zum Bilden eines virtuellen Raums bekannt, wobei es aus dem Bilden eines virtuellen Raums, in dem Objekte in einer vorgegebenen und zufälligen Weise erscheinen und sich bewegen, dem Anzeigen des gebildeten virtuellen Raums für den Anwender, und dem Ausführen einer kontinuierlichen Verwandlung des virtuellen Raums in Übereinstimmung mit den wirklichen Bewegungen einer physischen Hand, eines physischen Fußes und eines physischen Kopfes des Anwenders im realen Raum unter Berücksichtigung der Wechselwirkung mit den Objekten im virtuellen Raum besteht.
Es ist außerdem eine Vorrichtung für das Eintauchen in eine virtuelle Realität bekannt, die Mittel zum Bilden des virtuellen Raums, in dem Objekte in einer vorgegebenen und zufälligen Weise erscheinen und sich bewegen, umfasst, und mit denen Mittel für die Anzeige des virtuellen Raums für den Anwender und eine Einheit für die Verwandlung des virtuellen Raums in Übereinstimmung mit den wirklichen Bewegungen einer physischen Hand, eines physischen Fußes und eines physischen Kopfes des Anwenders im realen Raum unter Berücksichtigung der Wechselwirkung mit den Objekten im virtuellen Raum verbunden sind (siehe z. B. PC Magazine, russische Ausgabe, Nr. 6, 1995, S. 60–79).
In dieser Vorrichtung zum Eintauchen in eine virtuelle Realität wird ein Kopfstück des Standes der Technik, das es möglich macht, die Position des Kopfes zu verfolgen, als das Mittel zum Anzeigen des virtuellen Raums verwendet. Diese Informationen werden zu einem Computer geschickt – das Mittel zum Bilden des virtuellen Raums – der das entsprechende Bild berechnet. Falls der Anwender nach oben blickt, sieht er einen virtuellen Himmel, falls er nach unten blickt – einen virtuellen Boden, d. h. in dem virtuellen Raum ist ein Blick in jede Richtung möglich. Die Möglichkeit für die Wechselwirkung des Anwenders mit den virtuellen Objekten ist verbessert. Es ist möglich, ein dreidimensionales Objekt der virtuellen Realität zu ergreifen und es wegzuwerfen oder ein dreidimensionales Objekt zu nehmen und es zu deformieren.
Aber selbst in diesem Fall mit ausreichend hoch entwickelter Hardware und Software wird der Anwender gezwungen, seine Bewegung in einem "unendlichen virtuellen Raum" durch Manipulatoren nachzuahmen. Das vollständige Eintauchen des Anwenders in die virtuelle Realität findet nicht statt, weil es nicht möglich ist, dass sich der Anwender im realen Raum mit einem Kopfstück auf seinem Kopf frei bewegt, während er mit der obenerwähnten Vorrichtung in Wechselwirkung tritt. Der reale Raum, der den Anwender umgibt, während er ein Spiel spielt oder trainiert, ist normalerweise durch einen kleinen Bereich begrenzt, in dem sich der Anwender nicht in jeder Richtung irgendeine beträchtliche Entfernung frei bewegen kann.
WO 95 121 88 A offenbart eine Bewegungssimulationsvorrichtung, die aus einer im Allgemeinen kugelförmigen Kapsel besteht, an die eine Anzahl von Rollen unterstützend anstößt. Wenigstens eine der Rollen ist eine mehrfach gerichtete aktive Rolle, die mit der kugelförmigen Kapsel reibschlüssig verbunden ist und bewirkt, dass sich die kugelförmige Kapsel in jeder Richtung dreht. Ein Anwender kann eine visuelle Eingabe von einer am Kopf angebrachten visuellen Anzeige und eine Audioeingabe von Kopfhörern oder Lautsprechern innerhalb der Kugel empfangen. Die Kapsel ist an einem Stuhl und einem Satz Gurte für die vollständige Beschränkung angebracht. Demzufolge wird die Hülle zusammen mit einem Anwender gedreht, der daran befestigt ist. Alternativ sind zwei sphärische Plattformen an der inneren Oberfläche befestigt, um das Gehen eines Anwenders zu simulieren. Wie sich die Füße des Anwenders nach oben und nach unten erheben, hebt sich oder senkt sich eine erste Plattform oder eine zweite Plattform, um jedem Schritt zu entsprechen.
Ein Nachteil einer derartigen Vorrichtung ist, dass der Anwender in der inneren Oberfläche der Hülle nicht frei gehen kann, wobei dies nicht erlaubt, ein vollständiges Eintauchen in eine virtuelle Realität bereitzustellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum Eintauchen eines Anwenders in eine virtuelle Realität zu schaffen, in der die Bildung eines realen geschlossenen Raums und die Verwandlung des virtuellen Raums in Übereinstimmung mit wirklichen physischen Bewegungen des Anwenders es möglich machen, dass sich der Anwender in einem begrenzten realen Raum durch Schritte in irgendeine Richtung ohne Einschränkung bewegen kann, und damit die Bewegung im realen Raum mit der Bewegung in einem virtuellen Raum zu kombinieren, d. h. um ein vollständigeres Eintauchen in eine virtuelle Realität zu sichern.
Eine weitere der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung zum Eintauchen in eine virtuelle Realität zu schaffen, in der die Verwendung einer an einem Träger angebrachten Hülle, um einen realen geschlossenen Raum zu bilden, und einer Einheit für die Verwandlung des virtuellen Raums in Übereinstimmung mit wirklichen physischen Bewegungen des Anwenders es möglich macht, ein vollständigeres Eintauchen des Anwenders in eine virtuelle Realität zu sichern.
Die dargelegte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Eintauchen eines Anwenders in eine virtuelle Realität, das umfasst: Bilden eines virtuellen Raums, in dem Objekte in vorgegebener und zufälliger Weise erscheinen und sich bewegen, Anzeigen des gebildeten virtuellen Raums für den Anwender und kontinuierliches Verwandeln des virtuellen Raums in Übereinstimmung mit wirklichen Bewegungen der physischen Hand, des physischen Fußes und des physischen Kopfes des Anwenders in dem realen Raum unter Berücksichtigung der Wechselwirkung mit den Objekten im virtuellen Raum, wobei gemäß der Erfindung eine geschlossene Hülle, die einen realen geschlossenen Raum begrenzt, vor der Bildung des virtuellen Raumes gebildet wird, die Hülle in einem Unterstützungsmittel mit der Möglichkeit für die Drehung um ihr Zentrum angebracht ist, der Anwender innerhalb der Hülle mit der Möglichkeit der freien Bewegung längs der inneren Oberfläche der Hülle untergebracht wird, die Größe und Richtung der Bewegung des Anwenders relativ zur Hülle bestimmt werden und eine kontinuierliche Verwandlung des virtuellen Raums und ihre Anzeige für den Anwender zusätzlich in Übereinstimmung mit der obenerwähnten bestimmten Größe und Richtung der Bewegung ausgeführt werden.
Es ist zweckmäßig, dass die Hülle zusätzlich gedreht wird, um das Kraftmoment zu minimieren, das auftritt, wenn sich der Schwerpunkt des Anwenders relativ zu einer durch das Zentrum der Hülle verlaufenden Vertikalen bewegt.
Es ist ratsam, dass eine geschlossene konvexe Oberfläche als die Hülle verwendet wird.
Es ist vorteilhaft, dass eine Kugel als die geschlossene konvexe Oberfläche verwendet wird.
Es ist zweckmäßig, dass wenigstens drei Kugelunterstützungen, die unter der Hülle angebracht sind, als der Hüllenträger verwendet werden.
Es ist vorteilhaft, dass eine perforierte Hülle verwendet wird, sodass der Anwender frei atmen kann.
Es ist ratsam, dass eine Hülle aus einem lichtdurchlässigen Material verwendet wird.
Es ist zweckmäßig, dass die Mittel zum Bilden des virtuellen Raums außerhalb der Hülle angebracht sind.
Es ist vorteilhaft, dass die Mittel zum Bilden des virtuellen Raums innerhalb der Hülle angebracht sind.
Es ist vorzuziehen, dass die Mittel zum Bilden des virtuellen Raums am Anwender angebracht sind.
Es ist zweckmäßig, dass ein Träger, der die Aufgabe des Befestigens von Zusatzmitteln, um die virtuelle Realität zu bilden, und die Möglichkeit des Drehens besitzt, im Innern der Hülle angebracht ist.
Die obenerwähnte Aufgabe wird außerdem durch eine Vorrichtung zum Eintauchen in eine virtuelle Realität, die umfasst: eine geschlossene Hülle mit einem Zentrum und einer inneren Oberfläche, ein Unterstützungsmittel, an dem die Hülle so angeordnet ist, dass sie um ihr Zentrum drehbar ist, eine Öffnung, die in der Hülle ausgebildet und mit der Abdeckung versehen ist, wobei die Öffnung als Eingang und Ausgang für einen Anwender dient, Mittel, die einen virtuelle Objekte enthaltenden virtuellen Raum bilden, Mittel, die den gebildeten virtuellen Raum für den Anwender anzeigen und mit den Mitteln zum Bilden eines virtuellen Raums verbunden ist, eine Einheit, die den virtuellen Raum in Übereinstimmung mit physischen Bewegungen des Anwenders im realen Raum modifiziert und dabei die Wechselwirkung des Anwenders mit den virtuellen Objekten berücksichtigt, und Mittel, die die Größe und die Richtung der Bewegung des Anwenders relativ zu seinem Unterstützungspunkt an der Hülle bestimmen, wobei die Mittel mit der Einheit zum Modifizieren des virtuellen Raums verbunden sind, gelöst, weil gemäß der Erfindung die Hülle in einer Richtung, die zu der Richtung der Bewegung des Anwenders entgegengesetzt ist, drehbar ist, wenn der Schwerpunkt des Anwenders relativ zu einer vertikalen Achse, die durch das Zentrum der Hülle verläuft, verlagert wird, und der Anwender sich längs der inneren Oberfläche der Hülle frei bewegen kann.
Es ist ratsam, dass die Vorrichtung zusätzlich Mittel zum Drehen der Hülle umfasst, die mit den Unterstützungsmitteln verbunden sind und die Aufgabe der Minimierung des Kraftmoments besitzen, dass während der Verlagerung des Schwerpunkts des Anwenders relativ zu einer durch das Zentrum der Hülle verlaufenden Vertikalen auftritt.
Es ist zweckmäßig, dass die Hülle eine geschlossene konvexe Oberfläche ist.
Vorzugsweise ist die geschlossene konvexe Oberfläche in der Form einer Kugel ausgebildet.
Es ist vorteilhaft, dass die Unterstützungsmittel der Hülle aus wenigstens drei Kugelunterstützungen bestehen.
Es ist zweckmäßig, dass die Hülle perforiert ist.
Es ist vorteilhaft, dass die Hülle aus einem lichtdurchlässigen Material hergestellt ist.
Vorzugsweise sind die Mittel zum Bilden eines virtuellen Raums außerhalb der Hülle angebracht.
Es ist zweckmäßig, dass die Mittel zum Bilden des virtuellen Raums innerhalb der Hülle angebracht sind.
Vorzugsweise sind die Mittel zum Bilden des virtuellen Raums am Anwender angebracht.
Es ist zweckmäßig, dass die Vorrichtung einen Träger zum Befestigen von Zusatzvorrichtungen umfasst, um eine virtuelle Realität zu bilden.
Es ist ratsam, dass Vorrichtungen, die aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus einem Rollstuhl, Bewegungsnachahmungsmitteln, einer Kugel, Dummies und Vorrichtungen, die die Handlung eines Gegners in einem Kampf nachahmen, besteht, als die Zusatzvorrichtungen verwendet werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird ferner durch konkrete Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erklärt.
1 zeigt eine Vorrichtung zum Eintauchen in eine virtuelle Realität gemäß der Erfindung.
2 zeigt eine Ausführungsform der Hülle in der Form eines Rotationsellipsoids gemäß der Erfindung.
3 zeigt eine Ausführungsform des Trägers der Hülle gemäß der Erfindung.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Trägers der Hülle gemäß der Erfindung.
5 zeigt eine Variante der Anordnung der Mittel zum Bilden des virtuellen Raums am Anwender gemäß der Erfindung.
6 zeigt eine Variante der Anordnung der Mittel zum Bilden des virtuellen Raums innerhalb der Hülle auf einem Träger gemäß der Erfindung.
7 zeigt eine Variante der Verwirklichung der Zusatzvorrichtung in der Form eines Rollstuhls, der ein Motorrad nachahmt, gemäß der Erfindung.
8 zeigt eine Variante der Verwirklichung der an einem Träger befestigten Zusatzvorrichtung in der Form einer Kugel gemäß der Erfindung.
9 zeigt eine Variante der Verwirklichung der Zusatzvorrichtung in der Form eines Dummies und einer Vorrichtung, die das Verhalten eines Gegners in einem Kampf nachahmt, gemäß der Erfindung.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die Vorrichtung zum Eintauchen in eine virtuelle Realität umfasst ein Mittel 1 (1) zum Bilden eines virtuellen Raums, in dem Objekte in einer vorgegebenen und zufälligen Weise erscheinen und sich bewegen. Ein Computer mit einem Beschleuniger der dreidimensionalen Graphik wird normalerweise als das Mittel 1 zum Bilden eines virtuellen Raums verwendet.
Ein Mittel 2 zum Anzeigen des virtuellen Raums für den Anwender 3 ist mit dem Mittel 1 verbunden. Ein Kopfstück, das am Kopf des Anwenders angebracht ist und zwei Flüssigkristallbildschirme zum Übertragen der Bilder zum Anwender und Kopfhörer zum Übertragen des Tons umfasst, wird in der Variante verwendet, die als das Mittel 2 zum Anzeigen des virtuellen Raums beschrieben wird.
Die Vorrichtung umfasst eine geschlossene Hülle 4, die einen realen geschlossenen Raum begrenzt und auf einem Unterstützungsmittel 5 mit der Möglichkeit der Drehung um ihr Zentrum 0 angeordnet ist. In der beschriebenen Variante umfasst das Unterstützungsmittel der Hülle wenigstens drei Kugelunterstützungen 6. Die Kugelunterstützungen 6 sichern die freie Drehung der Hülle 4 mit drei Freiheitsgraden um ihr Zentrum.
In der Hülle 4 ist für den Eingang und den Ausgang des Anwenders eine Öffnung 7 ausgebildet, wobei die Öffnung mit einer Abdeckung 8 versehen ist.
Die Vorrichtung umfasst außerdem ein Mittel 9 zum Bestimmen der Größe und der Richtung der Bewegung des Anwenders 3 relativ zur Hülle, das Mittel ist mit der Einheit 1 verbunden, um den virtuellen Raum zu verwandeln. Ein Sensor 10, der Infrarotstrahlung verwendet, um die Bewegung des Anwenders relativ zur Hülle zu bestimmen, und ein Empfänger 11 der durch den Sensor 10 gesendeten Signale werden in der beschriebenen Variante als das Mittel 9 verwendet.
Der Ausgang des Empfängers 11 des Signals vom Sensor der Bewegung des Anwenders relativ zur Hülle ist mit einer Einheit 12 für die Verwandlung des virtuellen Raums in Übereinstimmung mit den wirklichen Bewegungen der physischen Hand, des physischen Fußes und des physischen Kopfes des Anwenders in dem realen Raum unter Berücksichtigung der Wechselwirkung mit den Objekten im virtuellen Raum verbunden. Angesichts dessen ist eine Anzahl von Sensoren 13, 14, 15, 16, die die Position der Hände, der Füße, des Kopfes bzw. des Körpers des Anwenders bestimmen, am Anwender 3 angebracht.
Der Manipulator 17 ist normalerweise in der Hand des Anwenders angeordnet und ist mit dem Mittel 1 verbunden.
Eine Ausführungsform der Vorrichtung ist möglich, in der sie Mittel 18 zum Drehen der Hülle umfasst, wobei diese Mittel mit der Unterstützung 5 verbunden sind und die Aufgabe haben, das Kraftmoment F zu minimieren, das erzeugt wird, wenn der Schwerpunkt des Anwenders relativ zur Vertikalen a-a verlagert wird, die durch das Zentrum 0 der Hülle 4 verläuft.
Perforationen 19 sind in der Hülle 4 ausgebildet, damit der Anwender atmen kann, während er sich für eine lange Zeitperiode innerhalb der Hülle 4 befindet.
Im allgemeinen Fall ist die Hülle 4 eine geschlossene konvexe Oberfläche, z. B. ein Rotationsellipsoid (2).
Es ist ratsam, dass die Hülle in der Form einer Kugel (1) aus einem lichtdurchlässigen Material hergestellt ist.
Es ist eine Variante möglich, bei der eine Aufhängung 20, die an der Decke 21 eines Innenbereichs befestigt ist und an der die Vorrichtung angeordnet und mit wenigstens drei Kugelunterstützungen 22 versehen ist, als das Unterstützungsmittel 5 verwendet wird. Die Variante ist für die Installation in Arkaden ratsam.
Es ist eine Variante möglich, bei der ein Träger 23, der eine kugelförmige Oberfläche besitzt, die mit der Krümmung der Hülle zusammenfällt, und aus einem Material hergestellt ist, das einen niedrigen Reibungskoeffizienten besitzt, als das Unterstützungsmittel 5 verwendet wird.
Es ist in 1 gezeigt, dass das Mittel 1 zum Bilden des virtuellen Raums außerhalb der Hülle 4 angeordnet ist.
Es ist eine Variante möglich, bei der das Mittel 1 zum Bilden des virtuellen Raums innerhalb der Hülle 4 angeordnet ist, womit das Mittel 12 ebenfalls innerhalb der Hülle oder am Anwender 3 (5) oder an einem Träger 24 (6) angeordnet ist.
Der Träger 24 zum Befestigen der Zusatzvorrichtungen, die die Aufgabe besitzen, die virtuelle Realität zu bilden, ist innerhalb der Hülle 4 auf wenigstens drei Kugelunterstützungen 25 angeordnet. Der Schwerpunkt des Trägers 24 befindet sich unter dem Zentrum 0 der Hülle, was es möglich macht, dass der Träger 24 relativ zum Unterstützungsmittel 5 praktisch unbeweglich verbleibt.
Ein Rollstuhl, der Motorräder (7), Automobile, Flugzeuge und Raumschiffe nachahmt, Kugeln 26 (8), Dummies 27 (9) und Vorrichtungen 28, die das Verhalten eines Gegners in einem Kampf nachahmen, können in der obenerwähnten Vorrichtung als die Zusatzvorrichtungen verwendet werden, die am Träger 24 befestigt sind.
Der Betrieb der Vorrichtung zum Eintauchen in eine virtuelle Realität findet in der folgenden Weise statt.
Es wird eine geschlossene Hülle 4 (1), die einen realen geschlossenen Raum begrenzt, gebildet. In der Variante, die beschrieben wird, wird eine Kugel, die auf den Unterstützungsmitteln 5 mit der Möglichkeit der Drehung um ihr Zentrum 0 mit drei Freiheitsgraden angebracht ist, als die Hülle verwendet.
Ein Anwender 3, der die Möglichkeit der freien Bewegung längs der inneren Oberfläche der Hülle 4 besitzt, wird in die Hülle 4 gebracht.
Ein virtueller Raum, in dem Objekte, z. B. Wände von Häusern, Bäume, Maschinen, Tiere, Menschen, Wolken usw. in einer vorgegebenen und zufälligen Weise erscheinen und sich bewegen, wird durch einen Computer gebildet.
Der gebildete virtuelle Raum wird dem Anwender auf den Bildschirmen des Kopfstücks 2 angezeigt (1), in dem Anwender ein dreidimensionales Bild der virtuellen Welt sieht.
Die kontinuierliche Verwandlung des virtuellen Raums wird in Übereinstimmung mit einem eingefügten Programm ausgeführt. Weil der Anwender die Kanten des Bildschirms infolge der Konstruktion gemäß dem Stand der Technik des Kopfstücks nicht sieht, erhält er die Illusion der vollständigen Anwesenheit in einem virtuellen dreidimensionalen Raum. Der Anwender erhält den Wunsch, aktiv mit den Objekten dieses virtuellen Raums in Wechselwirkung zu treten, z. B. einen Baum mit seinen Händen zu berühren, sich einem Objekt zu nähern, es in seine Hände zunehmen, mit einem virtuellen Partner zu tanzen, in einem Flugzeug zu fliegen usw. In Übereinstimmung mit einer Änderung der Position der Objekte im virtuellen Raum ändert der Anwender seine Position im realen und virtuellen Raum durch wirkliche Bewegungen der physischen Hand, des physischen Fußes und des physischen Kopfs. Der Anwender, der reale Schritte macht, nährt sich den Objekten im virtuellen Raum.
Die Größe und die Richtung der Bewegung des Anwenders 3 relativ zur Hülle 4 werden bestimmt, wobei in Übereinstimmung mit diesen die kontinuierliche Verwandlung des virtuellen Raums und ihre Anzeige für den Anwender ausgeführt werden.
Wenn sich der Anwender 3 (3) relativ zur Hülle 4 bewegt, wird sein Schwerpunkt A um die Größe OB relativ zur Vertikalen a-a verlagert, die durch das Zentrum 0 der Hülle 4 geht. Dabei wird ein Moment M der Kraft F erzeugt, das bestrebt ist, die Hülle zu drehen, sodass der Schwerpunkt A des Anwenders 3, der auf den Träger im Punkt D auf der Hülle 4 wirkt, sich zur Vertikalen a-a bewegen würde.
Das Moment M der Kraft dreht die Hülle 4 unter der Bedingung der minimalen Reibungskraft zwischen der Hülle 4 und den Unterstützungsmitteln 5, bis der Schwerpunkt A des Anwenders auf der Vertikalen a-a liegt. Folglich bewegt sich die Hülle in der umgekehrten Richtung zur gleichen Größe wie der, die der Anwender in einer Vorwärtsrichtung über die Hülle 4 gegangen ist. Im realen Raum kehrt der Anwender nach einem oder zwei Schritten, zurückzuführen auf die Drehung der Hülle, zur Anfangsposition zurück, während er tatsächlich auf einem Fleck bleibt. Dabei besitzt seine Bewegung relativ zur Hülle 4 eine Wirkung auf seine Position relativ zu den Objekten im virtuellen Raum. Deshalb macht es seine Bewegung in der Hülle 4 möglich, sich frei und ohne irgendeine Einschränkung im virtuellen Raum zu bewegen.
Weil die Funktion der Bewegung in einem virtuellen Raum, die früher manuell unter Verwendung eines Manipulators ausgeführt wurde, durch den Anwender selbst durch Gehen ausgeführt wird, besitzt er größere Möglichkeiten, um die Objekte manuell unter Verwendung von Manipulatoren zu steuern.
In der Praxis, wenn es eine Reibungskraft gibt, dreht das Moment M der Kraft die Hülle, bis die Rückstellkraft F = P × sin & gleich der Reibungskraft zwischen den Unterstützungsmitteln 5 und der Hülle 4 wird. Diese Reibungskraft hängt von der Masse der Hülle 4, dem Gewicht des Anwenders 3, dem Gewicht der zusätzlichen Vorrichtungen und dem Reibungskoeffizienten zwischen der Hülle 4 und den Unterstützungsmitteln 5 ab.
Das Moment der Kraft ist M = P × R sin &, wobei P das Gewicht einer Person ist, R ist der Radius OD und sin & = OB/OD.
Um die Reibungskraft in dem Fall zu überwinden, in dem eine natürliche Rückstellkraft nicht ausreichend ist, wird eine Spezialvorrichtung 18 verwendet, die die Hülle 4 kräftig dreht, die Abweichung des Zentrums A von der Vertikalen a-a zu minimieren.
Die Vorrichtung 18 kann außerdem verwendet werden, um die Bewegung des Anwenders nachzuahmen, z. B. in einem Automobil, einem Hubschrauber oder einem Raumschiff, wobei diesem Fall ein normaler Sessel oder Rollstuhl mit entsprechenden Manipulatoren in der Hülle angeordnet wird (7). In diesem Fall wird die Hülle 4 mit dem in einem Stuhl sitzenden Anwender gedreht, wobei der Schwerpunkt des Anwenders von der Vertikalen a-a mit einer derartigen Geschwindigkeit und Beschleunigung kräftig bewegt wird, dass der Anwender den Eindruck einer realen Bewegung in Übereinstimmung mit der Änderung im angezeigten virtuellen Raum erhält. Selbst wenn der Schwerpunkt des Anwenders mit dem Zentrum der Kugel übereinstimmt, erscheint die Wirkung der Realität der Bewegung, zurückzuführen auf die Wirkung der Impulse der Drehung der Kugel in der vestibulären Vorrichtung des Anwenders.
Die Unterstützungsmittel 5 werden in einer vertikalen Richtung verlagert, um eine entsprechende Reaktion der vestibulären Vorrichtung des Anwenders bei der Nachahmung von Anstiegen und Stürzen hervorzurufen.
Industrielle Anwendbarkeit
Die Erfindung kann für die Unterhaltung von Kindern und Erwachsenen verwendet werden. Die Vorrichtungen für Computer-Spiele können in einem Gebäude, auf dem Hof oder in Arkaden aufgebaut werden. Die Vorrichtung kann umfassend verwendet werden, um militärisches Personal oder Sportler zu unterrichten und zu trainieren, und sie kann während des Unterrichts verschiedener Spezialgebiete, z. B. für Polizisten, verwendet werden. Die Vorrichtung kann für die Forschung zweckmäßig sein, wenn eine Untersuchung des Verhaltens eines Menschen ausgeführt wird, der sich in einem virtuellen Computer-Raum befindet.

Claims

Verfahren zum Eintauchen eines Anwenders in eine virtuelle Realität, das die folgenden Schritte umfaßt: Bilden eines virtuellen Raums durch Computermittel (1), in dem Objekte in vorgegebener und zufälliger Weise erscheinen und sich bewegen, Anzeigen des gebildeten virtuellen Raums für den Anwender (3), kontinuierliches Verwandeln des virtuellen Raums in Übereinstimmung mit wirklichen Bewegungen der physischen Hand, des physischen Fußes oder des physischen Kopfes des Anwenders (3) in dem realen Raum in einer Hülle (4) unter Berücksichtigung der Wechselwirkung mit den Objekten im virtuellen Raum, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt: Bilden einer geschlossenen Hülle (4), die ein Drehzentrum (O) und eine innere Oberfläche besitzt und einen realen geschlossenen Raum begrenzt, Einrichten eines Unterstützungsmittels (5) und Anbringen der Hülle (4) an dem Unterstützungsmittel (5) mit der Möglichkeit einer freien Drehung daran um das Drehzentrum (O), Bringen eines Anwenders (3) in die Hülle (4), der einen Schwerpunkt besitzt und sich längs der inneren Oberfläche der Hülle (4) frei bewegen kann, wobei sich der Schwerpunkt des Anwenders relativ zu einer vertikalen Achse, die durch das Drehzentrum (O) verläuft, bewegt, und Versehen des Anwenders (3) mit Mitteln (2) zum Anzeigen eines virtuellen Raums für ihn, Anzeigen des gebildeten virtuellen Raums für den Anwender (3) in der Hülle (4) auf den Mitteln (2) zum Anzeigen des virtuellen Raums für den Anwender (3), wobei eine Wechselwirkung des Anwenders (3) mit den ihm angezeigten Objekten des virtuellen Raums einschließlich der Bewegung des Anwenders (3) relativ zu seinem Unterstützungspunkt bewirkt wird, Drehen der Hülle (4) unter der Wirkung eines Kraftmoments, das erzeugt wird, wenn der Schwerpunkt des Anwenders (3) relativ zu einer durch das Zentrum (O) der Hülle (4) verlaufenden Vertikalen verlagert wird, wobei die Hülle (4) in einer Richtung, die zu der Bewegungsrichtung des Anwenders (3) entgegengesetzt ist, gedreht wird, Bestimmen der Größe und der Richtung der Änderung der Position des Anwenders (3) relativ zu der Hülle (4), wobei die Änderung während der Wechselwirkung des Anwenders (3) mit den ihm angezeigten Objekten des virtuellen Raums auftrat, Ausführen einer zusätzlichen kontinuierlichen Verwandlung des virtuellen Raums in Übereinstimmung mit der erhaltenen Größe und der erhaltenen Richtung der Bewegung des Anwenders (3) und Anzeigen der Verwandlung für den Anwender (3).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt: Verwenden von Mitteln (18) für eine erzwungene Drehung der Hülle (4) und Drehen der Hülle (4) in erzwungener Weise durch die Mittel (18) für eine erzwungene Drehung, um das Kraftmoment, das auftritt, wenn der Schwerpunkt des Anwenders (3) relativ zu einer durch das Zentrum (O) der Hülle (4) verlaufenden Vertikalen bewegt wird, minimal zu machen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Hülle (4) eine geschlossene konvexe Oberfläche verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als geschlossene konvexe Oberfläche eine Kugel verwendet wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1–4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens drei Kugelunterstützungen (6) unter der Hülle (4) angeordnet sind, wobei die drei Kugelunterstützungen (6) als die Unterstützungsmittel (5) dienen.
Verfahren nach den Ansprüchen 1–5, dadurch gekennzeichnet, daß eine perforierte Hülle (4) verwendet wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1–6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hülle (4) aus einem lichtdurchlässigen Material verwendet wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1–7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (1) zum Bilden eines virtuellen Raums außerhalb der Hülle (4) angeordnet sind.
Verfahren nach den Ansprüchen 1–7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (1) zum Bilden eines virtuellen Raums innerhalb der Hülle (4) angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (1) zum Bilden eines virtuellen Raums am Anwender (3) angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Unterstützungsmittel (24) zum Befestigen von Zusatzmitteln zum Bilden einer virtuellen Realität in der Hülle (4) so angeordnet ist, daß es möglich ist, die Unterstüt zungsmittel zu drehen.
Vorrichtung zum Eintauchen in eine virtuelle Realität, die umfaßt: eine geschlossene Hülle (4) mit einem Zentrum (O) und einer inneren Oberfläche, ein Unterstützungsmittel (5), an dem die Hülle (4) so angeordnet ist, daß sie um ihr Zentrum (O) drehbar ist, eine Öffnung (7), die in der Hülle (4) ausgebildet und mit der Abdeckung (8) versehen ist, wobei die Öffnung (7) als Eingang und Ausgang für einen Anwender (3) dient, Mittel (1), die einen virtuelle Objekte enthaltenden virtuellen Raum bilden, Mittel (2), die den gebildeten virtuellen Raum für den Anwender (3) anzeigen, der mit den Mitteln (1) zum Bilden eines virtuellen Raums verbunden ist, eine Einheit (12), die den virtuellen Raum in Übereinstimmung mit physischen Bewegungen des Anwenders (3) im realen Raum modifizieren und dabei die Wechselwirkung des Anwenders (3) berücksichtigt, und Mittel (9), die die Größe und die Richtung der Bewegung des Anwenders (3) relativ zu seinem Unterstützungspunkt an der Hülle (4) bestimmen, wobei die Mittel (9) mit der Einheit (12) zum Modifizieren des virtuellen Raums verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (4) in einer Richtung, die zu der Richtung der Bewegung des Anwenders (3) entgegengesetzt ist, drehbar ist, wenn der Schwerpunkt des Anwenders (3) relativ zu einer vertikalen Achse, die durch das Zentrum (O) der Hülle (4) verläuft, verlagert wird, und der Anwender (4) sich längs der inneren Oberfläche der Hülle (4) frei bewegen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner Mittel (18) zum Drehen der Hülle (4) umfaßt, wobei die Mittel (18) mit den Unterstützungsmitteln (5) verbunden sind und dazu dienen, das Kraftmoment, das auftritt, wenn der Schwerpunkt des in der Hülle sich bewegenden Anwenders (3) relativ zu einer durch das Zentrum (O) der Hülle (4) verlaufenden Vertikalen verlagert wird, minimal zu machen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (4) eine geschlossene konvexe Oberfläche ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die geschlossene konvexe Oberfläche in Form einer Kugel ausgebildet ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 12–15, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterstütrungsmittel (5) aus wenigstens drei Kugelunterstützungen (6) bestehen.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 12–16, dadurch gekennzeichnet, daß in der Hülle (4) Perforationen (19) ausgebildet sind.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 12–17, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (4) aus einem lichtdurchlässigen Material hergestellt ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 12–18, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (1) zum Bilden eines virtuellen Raums außerhalb der Hülle (4) angeordnet sind.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 12–18, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (1) zum Bilden eines virtuellen Raums innerhalb der Hülle (4) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (1) zum Bilden eines virtuellen Raums an dem Anwender (3) angebracht sind.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 12–21, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner einen quasistationären Träger (24) zum Befestigen von Zusatzvorrichtungen zum Bilden einer virtuellen Realität umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzvorrichtung aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Rollstuhl, Bewegungsnachahmungsmitteln, einer Kugel (26), Dummies (27) und Vorrichtungen (28), die das Verhalten eines Gegners in einem Kampf nachahmen, besteht, und als die Zusatzvorrichtung verwendet wird.