Способ погружения пользователя в виртуальную реальность и устройство для его реализации - RU2109336C1
Код документа: RU2109336C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к компьютерным играм, космическим, спортивным, военным тренажерам, а более точно - к способу погружения пользователя в виртуальную реальность и устройству для его реализации.
Изобретение может использоваться для развлечения детей и взрослых. Устройства для компьютерных игр могут быть установлены в помещении, во дворе, в залах для игровых автоматов. Широкое применение устройство имеет для обучения и тренинга военных, спортсменов и при обучении различным специальностям, например полицейских. Устройство может быть полезно для исследовательских целей при изучении поведения человека в компьютерном виртуальном пространстве.
Виртуальная реальность - это совокупность средств, позволяющих создать у человека иллюзию, что он находится в искусственно созданном мире, путем подмены обычного восприятия окружающей действительности с помощью органов чувств информацией, генерируемой компьютером. Это достигается использованием трехмерной графики и специальных устройств вывода информации, имитирующих привычную связь человека с окружающим миром. В настоящее время виртуальная реальность представляет собой вполне самостоятельное направление компьютерной технологии.
Виртуальная реальность - это то, что позволяет перемещаться в трехмерном мире с шестью степенями свободы и обозревать его в реальном времени. Это означает, что программа задает, а аппаратура распознает шесть видов движения: вперед-назад, вверх-вниз, налево-направо, наклон вверх-вниз, крен налево-направо и вращение налево-направо. Виртуальная реальность - имитация физической реальности.
Виртуальная реальность предоставляет пользователю редкую возможность почти по-настоящему ощутить свое присутствие в неком ином мире. В нем они могут увидеть друг друга, разговаривать и взаимодействовать в трехмерном пространстве, различая цвета и звуки. Такое полное погружение создает впечатляющий эффект присутствия. Это достигается за счет используемого оборудования - шлема с встроенными наушниками и джойстика, чувствительного к пространственному передвижению.
В самом простом варианте системы виртуальной реальности контакт с виртуальным миром осуществляется через обычный монитор персонального компьютера, служащим окном в этот мир. Дополнительные средства, такие как информационная перчатка, используемая для манипуляции объектами в виртуальной среде, и визуальный интерфейс в виде шлема-дисплея, позволяют видеть кругом только виртуальное пространство, картина которого будет меняться при манипуляции джойстиком, что обостряет ощущения и позволяют полнее погрузиться в это пространство.
Средства, формирующие виртуальную реальность, содержат быстродействующий компьютер, обычно включающий акселератор трехмерной графики от просто персонального компьютера до супер-ЭВМ и программные средства виртуальной реальности, например, такие как VIRTUS VR, VIRTUS WALKTHROUGH PRO, SUPERSC APE VRT, VRCREATOR и др.
Средства отображения виртуальной реальности, т.е. средства аудио- визуализации, представляют собой мониторы всевозможных типов, шлемы- дисплеи HMD (Head Maunted Display) или CAVE (Cave Automatic Virtual Environment).
Средства для интерактивного взаимодействия с виртуальной реальностью традиционные и нетрадиционные устройства ввода-вывода, специальные трехмерные мыши, перчатки, джойстики и следящие устройства. Например, перчатка CyberGlove фирмы Virtual Technologies отслеживает почти любое движение, на которое способна рука.
Следящие устройства позволяют определять положение рук, ног и туловища пользователя и ориентацию в реальном мире и отображать их в мире виртуальном. Следящие системы различаются по принципу обнаружения движения - с ртутными балансирами, радиоволновые, ультразвуковые, лазерные и др.
Известен простейший набор средств для формирования виртуальной реальности, который был доступен 7 - 8 лет назад (например, игру DOOM фирмы ID Software, Энциклопедия компьютерных игр, Санкт-Петербург, 1995, с. 11 - 122). Этот набор содержит стационарный компьютер, цветной монитор, открывающий "окно" в виртуальный мир, который представляется лежащим по другую сторону экрана. Устройство-манипулятор типа мышь, джойстик или клавиатура дают возможность управлять передвижением, поворотом, обзором в любом горизонтальном направлении виртуального пространства.
В указанной игре полного погружения в виртуальную реальность не происходит, так как виртуальное пространство видно через "окно", ограниченное границами экрана кинескопа. Передвижение управляется посредством манипулятора рукой. Система не отражает интерактивно физических движений пользователя в виртуальном пространстве.
Возросшая мощность компьютеров и появившиеся более развитые средства аудио-визуализации привели к созданию устройства для отображения виртуальной реальности типа стереоскопического монитора или проектора, которые человек одевает на голову как шлем или очки и получает возможность видеть объемное изображение (например, журнал Мир ПК, N 1, 1995, с. 164 - 175).
В указанном устройстве виртуальный мир становится полноразмерным, выходит за рамки экрана и окружает человека. Появляется полная свобода передвижения в виртуальном пространстве, возможность кроме горизонтального обзора посмотреть под некоторым углом вверх-вниз. Манипуляторы типа трехмерной мыши, "перчатки" позволяют взаимодействовать с объектами. Они либо отвечают на это предсказуемой реакцией, либо деформируются. Такой уровень средств позволяет полнее погрузиться в виртуальное пространство, ощутить себя внутри этого виртуального пространства и взаимодействовать с объектами.
Однако управление объектами и передвижением происходит с помощью манипуляторов и не позволяет идентифицировать движения в виртуальном пространстве и в реальном пространстве.
Последние разработки в области виртуальной реальности обеспечивают почти полное погружение человека в виртуальное пространство.
Известен способ формирования виртуального пространства, заключающийся в том, что формируют виртуальное пространство, в котором объекты возникают и перемещаются заданным и случайным образом, отображают сформированное виртуальное пространство пользователю, осуществляют непрерывное преобразование виртуального пространства в соответствии с реальными физическими движениями руки, ноги, головы, туловища и глаз человека в реальном пространстве с учетом взаимодействия с объектами в виртуальном пространстве.
Известно также устройство для погружения в виртуальную реальность, содержащее средство формирования виртуального пространства, в котором объекты возникают и перемещаются заданным и случайным образом, к которому подключены средство отображения виртуального пространства пользователю и блок преобразования виртуального пространства в соответствии с реальными физическими движениями руки, ноги, головы, туловища и глаз пользователя в реальном пространстве с учетом взаимодействия с объектами в виртуальном пространстве (например, журнал PC Magazint/Russian Edision, N 6, 1995 г., с. 60 - 79).
В указанном устройстве для погружения в виртуальную реальность в качестве средств отображения виртуального пространства используется современный шлем, позволяющий отслеживать положение головы. Эта информация передается на компьютер - средство формирования виртуального пространства, который вычисляет соответствующее изображение. Если пользователь смотрит вверх, видит виртуальное небо, если вниз - виртуальную землю, т.е. возможен обзор любого направления виртуального пространства. Повысились возможности взаимодействия человека с виртуальными объектами. Можно схватить трехмерный объект виртуальной реальности и отбросить его или взять трехмерный объект и деформировать его. Но и в этом случае достаточно развитых аппаратных и программных средств человек вынужден имитировать свое передвижение в "бесконечном виртуальном пространстве" с помощью манипуляторов. Не происходит полного погружения человека-пользователя в виртуальную реальность, поскольку взаимодействуя с указанным устройством человек не имеет возможности с надетым на голову шлемом свободно передвигаться в реальном пространстве. Реальное пространство, окружающее пользователя во время игры или тренировки, обычно ограничено небольшой областью, где человек не может свободно передвигаться в любую сторону на достаточное расстояние.
В основу предлагаемого изобретения поставлена задача создания способа погружения пользователя в виртуальную реальность, в котором формирование реального замкнутого пространства и преобразование виртуального пространства в соответствии с реальными физическими движениями пользователя позволит пользователю передвигаться в ограниченном реальном пространстве шагами в любую сторону без ограничений и совместить при этом движения в реальном пространстве с движениями в виртуальном пространстве, т.е. обеспечить более полное погружение в виртуальную реальность.
В основу предлагаемого изобретения поставлена также задача создания устройства для погружения в виртуальную реальность, в котором использование оболочки, размещенной на опоре, для формирования реального замкнутого пространства и блока преобразования виртуального пространства в соответствии с реальными физическими движениями пользователя позволит обеспечить более полное погружение пользователя в виртуальную реальность.
Поставленная задача решается тем, что в способе погружения пользователя в виртуальную реальность, заключающемся в том, что формируют виртуальное пространство, в котором объекты возникают и перемещаются заданным и случайным образом, отображают сформированное виртуальное пространство пользователю, осуществляют непрерывное преобразование виртуального пространства в соответствии с реальными физическими движениями руки, ноги, головы, туловища и глаз пользователя в реальном пространстве с учетом взаимодействия с объектами в виртуальном пространстве, согласно изобретению до формирования виртуального пространства формируют замкнутую оболочку, ограничивающую реальное замкнутое пространство, устанавливают оболочку на опоре с возможностью вращения вокруг своего центра, помещают в оболочку пользователя, который имеет возможность свободного перемещения по внутренней поверхности оболочки, определяют величину и направление перемещения пользователя относительно оболочки, в соответствии с которыми дополнительно осуществляют непрерывное преобразование виртуального пространства и отображение его пользователю.
Полезно, чтобы вращали оболочку для минимизации момента силы, возникающего при смещении центра тяжести пользователя относительно вертикали, проходящей через центр оболочки. Целесообразно, чтобы в качестве оболочки использовали выпуклую замкнутую поверхность. Выгодно, чтобы в качестве выпуклой замкнутой поверхности использовали сферу. Полезно, чтобы в качестве опоры оболочки использовали по меньшей мере три шаровых опоры, которые размещали под оболочкой. Выгодно, чтобы использовали перфорированную оболочку, чтобы пользователь мог свободно дышать. Целесообразно, чтобы использовали оболочку из прозрачного материала. Полезно, чтобы средство для формирования виртуального пространства размещали вне оболочки. Выгодно, чтобы средство для формирования виртуального пространства размещали внутри оболочки. Предпочтительно, чтобы средство для формирования виртуального пространства размещали на пользователе. Полезно, чтобы внутри оболочки устанавливали с возможностью поворота опору, предназначенную для закрепления вспомогательных средств для формирования виртуальной реальности.
Поставленная задача решается также тем, что устройство для погружения в виртуальную реальность, содержащее средство формирования виртуального пространства, в котором объекты возникают и перемещаются заданным и случайным образом, к которому подключены средство отображения виртуального пространства пользователю и блок преобразования виртуального пространства в соответствии с реальными физическими движениями руки, ноги, головы, туловища и глаз пользователя в реальном пространстве с учетом взаимодействия с объектами в виртуальном пространстве, согласно изобретению/содержит замкнутую оболочку, ограничивающую реальное замкнутое пространство, размещенную на опоре с возможностью вращения вокруг своего центра, отверстие, выполненное в оболочке и снабженное крышкой для входа и выхода пользователя, средство определения величины и направления перемещения пользователя относительно оболочки, подключенное к блоку преобразования виртуального пространства.
Целесообразно, чтобы устройство содержало средство вращения оболочки, связанное с опорой и предназначенное для минимизации момента силы, возникающего при смещении центра тяжести пользователя относительно вертикали, проходящей через центр оболочки. Полезно, чтобы оболочка представляла собой выпуклую замкнутую поверхность. Предпочтительно, чтобы выпуклая замкнутая поверхность была выполнена в виде сферы. Выгодно, чтобы опора оболочки представляла собой по меньшей мере три шаровых опоры. Полезно, чтобы на оболочке была выполнена перфорация. Выгодно, чтобы оболочка была выполнена из прозрачного материала. Целесообразно, чтобы средство для формирования виртуального пространства было размещено вне оболочки. Полезно, чтобы средство для формирования виртуального пространства было размещено внутри оболочки. Предпочтительно, чтобы средство для формирования виртуального пространства было размещено на пользователе. Полезно, чтобы устройство содержало опору для закрепления вспомогательных приспособлений для формирования виртуальной реальности. Целесообразно, чтобы в качестве вспомогательных приспособлений были использованы приспособления, выбранные из группы, состоящей из кресла на колесах, имитирующего средства передвижения, мяча, манекенов и приспособлений, имитирующих поведение противника в поединках.
На фиг.1 изображено устройство для погружения в виртуальную реальность; на фиг.2 - вариант выполнения оболочки в виде эллипсоида вращения; на фиг.3 - вариант выполнения опоры оболочки; на фиг.4 - другой вариант выполнения опоры оболочки; на фиг.5 - вариант размещения средства формирования виртуального пространства на пользователе; на фиг.6 - вариант размещения средства формирования виртуального пространства внутри оболочки на опоре; на фиг.7 - вариант выполнения вспомогательного приспособления в виде кресла на колесах, имитирующего мотоцикл; на фиг.8 - вариант выполнения вспомогательного приспособления, закрепленного на опоре в виде мяча; на фиг.9 - вариант выполнения вспомогательного приспособления в виде манекена и приспособления, имитирующего поведение противника в поединке.
Устройство для погружения в виртуальную реальность содержит средство 1 (фиг. 1) формирования виртуального пространства, в котором объекты возникают и перемещаются заданным и случайным образом. В качестве средства 1 формирования виртуального пространства обычно используется компьютер с акселератором трехмерной графики. К средству 1 подключено средство 2 отображения виртуального пространства пользователю 3. В качестве средства 2 отображения в описываемом варианте использован шлем, надетый на голову человека и содержащий два экрана на жидких кристаллах для передачи изображения пользователю и наушники для передачи звука.
Устройство содержит замкнутую оболочку 4, ограничивающую реальное замкнутое пространство, размещенную на опоре 5 с возможностью вращения вокруг своего центра О. В описываемом варианте опора оболочки представляет собой по меньшей мере три шаровых опоры 6. Шаровые опоры 6 обеспечивают свободное вращения оболочки 4 с тремя степенями свободы вокруг своего центра. В оболочке 4 выполнено отверстие 7 для входа и выхода человека, которое снабжено крышкой 8. Устройство содержит также средство 9 определения величины и направления перемещения пользователя 3 относительно оболочки, подключенное к блоку 1 преобразования виртуального пространства. В качестве средства 9 в описываемом варианте использован датчик 10, определяющий перемещения человека относительно оболочки на инфракрасном излучении и приемник 11 сигналов, посылаемых датчиком 10.
Выход приемника 11 сигналов с датчика перемещения человека относительно оболочки подключен к блоку 12 преобразования виртуального пространства в соответствии с реальными физическими движениями руки, ноги, головы, туловища и глаз пользователя в реальном пространстве с учетом взаимодействия с объектами в виртуальном пространстве. Для этого на пользователе 3 установлен ряд датчиков 13 - 16, определяющих положение рук, головы, туловища и глаз человека соответственно. При этом датчик 16 положения глаз размещен на шлеме 2. Манипулятор 17 обычно размещается в руке человека и подключается к средству 1.
Возможен вариант выполнения устройства, когда устройство содержит средство 18 вращения оболочки, связанное с опорой 5 и предназначенное для минимизации момента силы F, возникающего при смещении центра тяжести пользователя относительно вертикали а-а, проходящей через центр О оболочки 4. На оболочке 4 выполнена перфорация 19, чтобы человек мог дышать, находясь продолжительное время внутри оболочки 4. В общем случае оболочка 4 представляет собой выпуклую замкнутую поверхность, например эллипсоид вращения (фиг.2).
Целесообразно оболочку выполнять в виде сферы (фиг.1) из прозрачного материала. Возможен вариант, когда в качестве опоры 5 использован подвес 20, прикрепленный к потолку 21 помещения, где размещено устройство, и снабженный по меньшей мере тремя шаровыми опорами 22. Этот вариант целесообразен для установки в зале игровых автоматов. Возможен вариант, когда в качестве опоры 5 использована опора 23, имеющая сферическую поверхность, совпадающую с кривизной оболочки 5, выполненная из материала, имеющего малый коэффициент трения.
На фиг. 1 показано, что средство 1 для формирования виртуального пространства размещено вне оболочки 4. Возможен вариант, когда средство 1 для формирования виртуального пространства размещено внутри оболочки 4, при этом средство 12 также размещено внутри оболочки либо на пользователе 3 (фиг.5), либо на опоре 24 (фиг.6). Опора 24 для закрепления вспомогательных приспособлений, предназначенных для формирования виртуальной реальности размещена внутри оболочки 4 по меньшей мере на трех шаровых опорах 25. Центр тяжести опоры 24 расположен ниже центра О оболочки, что позволяет опоре 24 оставаться практически неподвижной относительно опоры 5 оболочки.
В указанном устройстве в качестве вспомогательных приспособлений, которые закреплены на опоре 24, могут быть использованы кресло 25 на колесах, имитирующее мотоциклы (фиг. 7), автомобили, самолеты, звездолеты, мячи 26 (фиг. 8), манекены 27 (фиг. 9) и приспособления 28, имитирующие поведение противника в поединках.
Работа устройства для погружения в виртуальную реальность осуществляется следующим образом.
Формируют замкнутую оболочку 4 (фиг.1), ограничивающую реальное замкнутое пространство, в предлагаемом варианте в качестве оболочки использована сфера, установленная на опоре 5 с возможностью вращения вокруг своего центра О с тремя степенями свободы. Помещают в оболочку 4 пользователя 3, который имеет возможность свободного перемещения по внутренней поверхности оболочки 4. Посредством компьютера формируют виртуальное пространство, в котором объекты, например, стены домов, деревья, машины, животные, люди, облака и т.д. возникают и перемещаются заданным и случайным образом. Отображают сформированное виртуальное пространство на экраны шлема 2 (фиг.1) человеку 3, причем человек видит объемное изображение виртуального мира.
Осуществляют непрерывное преобразование виртуального пространства согласно заложенной программе. Поскольку человек не видит границ экрана благодаря совершенной конструкции шлема, у него возникает иллюзия полного присутствия в виртуальном трехмерном пространстве. У него появляется желание активно взаимодействовать с объектами этого виртуального пространства, например, потрогать руками деревья, подойти ближе к объекту, взять его в руки, потанцевать с виртуальным партнером, полетать в самолете и т.д. В соответствии с изменением положения объектов в виртуальном пространстве человек реальными физическими движениями рук, ног, головы, туловища и глаз изменяет свое положение в реальном и виртуальном пространстве. Человек, делая реальные шаги, приближается к объектам в виртуальном пространстве. Определяют величину и направление перемещения пользователя 3 относительно оболочки 4, в соответствии с которыми осуществляют непрерывное преобразование виртуального пространства и отображение его пользователю.
При перемещении пользователя 3 (фиг.3) относительно оболочки 4 смещается его центр A тяжести относительно вертикали a-a, проходящей через центр О оболочки 4 на величину OB. При этом возникает момент M силы F, стремящийся повернуть оболочку так, чтобы центр A тяжести пользователя 3, действующий на опору в точке D на оболочке 4, сдвигался к вертикали a-a.
Момент M силы вращает оболочку 4 при отсутствии трения до тех пор, пока не совместятся центр A тяжести пользователя и вертикаль a-a. Таким образом оболочка смещается в обратную сторону на такую же величину, на которую человек прошел по оболочке вперед. В реальном пространстве человек возвращается через шаг или два в исходное положение за счет вращения оболочки, фактически оставаясь на одном месте. При этом его движения по отношению к оболочке отражаются на его положении относительно объектов в виртуальном пространстве. Поэтому его движения в оболочке позволяют свободно и без ограничений перемещаться в виртуальном пространстве.
Поскольку функцию перемещения в виртуальном пространстве, ранее выполняемую рукой при помощи манипулятора, выполняет человек сам при ходьбе, у него появляются большие возможности для управления объектами руками посредством манипуляторов. При наличии трения момент M сил вращает оболочку до тех пор, пока возвращающая сила F = PxSin & не станет равной силе трения между опорой 5 и оболочкой 4, зависящей от массы оболочки 4, веса пользователя 3, веса дополнительных приспособлений и коэффициента трения между оболочкой 4 и опорой 5. При этом момент силы M = PxRSin &, где P - вес человека, R - радиус OD, Sin & = OB/OD. Для преодоления силы трения в случае, когда естественной возвращающей силы недостаточно, используют специальное устройство 18, которое принудительно поворачивает оболочку 4, чтобы минимизировать отклонение центра A от вертикали a-a.
Устройство 18 может быть использовано также для имитации передвижения пользователя, например, в автомобиле, вертолете, звездолете, для чего в оболочку 4 помещают кресло или кресло на колесах с соответствующими манипуляторами (фиг.7). В этом случае оболочку 4 с пользователем, сидящим на кресле, вращают и принудительно выводят центр тяжести пользователя от вертикали a-a с такой скоростью и ускорением, что у пользователя возникает ощущение реального движения в соответствии с изменением отображаемого виртуального пространства.
Для возбуждения соответствующей реакции вестибулярного аппарата пользователя при имитации подъемов и спусков перемещают опору 5 в вертикальном направлении.
Реферат
Способ погружения пользователя в виртуальную реальность, заключается в том, что формируют замкнутую оболочку, ограничивающую реальное замкнутое пространство, и устанавливают оболочку на опоре с возможностью вращения вокруг своего центра. Помещают в оболочку пользователя, который имеет возможность свободного перемещения по внутренней поверхности оболочки. Затем формируют виртуальное пространство, в котором объекты возникают и перемещаются заданным и случайным образом. Отображают это сформированное виртуальное пространство пользователю. Осуществляют непрерывное преобразование виртуального пространства в соответствии с реальными физическими движениями руки, ноги, головы, туловища и глаз пользователя в реальном пространстве с учетом взаимодействия с объектами в виртуальном пространстве. Устройство для погружения в виртуальную реальность содержит средство формирования виртуального пространства, в котором объекты возникают и перемещаются заданным и случайным образом, к которому подключены средство отображения виртуального пространства пользователю и блок преобразования виртуального пространства в соответствии с реальными физическими движениями руки, ноги, головы, туловища и глаз пользователя в реальном пространстве с учетом взаимодействия с объектами в виртуальном пространстве. Устройство содержит также замкнутую оболочку, ограничивающую реальное замкнутое пространство, размещенную на опоре с возможностью вращения вокруг своего центра, и средство определения величины и направления перемещения пользователя относительно оболочки, подключенное к блоку преобразования виртуального пространства. 2 с. и 21 з.п. ф-лы, 9 ил.
