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一种面向个人的集群化 虚拟现实交互系统

阅读：1025发布：2021-01-17

专利汇可以提供一种面向个人的集群化虚拟现实交互系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本申请提供一种面向个人的集群化虚拟现实交互系统，包括步行模拟器、身体数据采集反馈设备、移动头戴式虚拟现实和增强现实设备以及数据背包设备；其中，模拟步行器用于模拟人的行走和限制人的移动，并且进行步行数据的采集和反馈；身体数据采集反馈设备用于对虚拟环境中的虚拟人体进行互动控制，通过惯性传感器、陀螺仪采集现实中人体的姿态数据，控制虚拟身体并且反作用于身体；移动头戴式虚拟现实和增强现实设备用于集成音视频输出、数据处理及空间点定位，实现图像、音频的仿真输出；数据背包设备用于接收模拟步行器、身体数据采集反馈设备、移动头戴式虚拟现实和增强现实设备的数据，并且进行综合处理，并且反馈到各设备上。，下面是一种面向个人的集群化虚拟现实交互系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种面向个人的集群化虚拟现实交互系统，包括步行模拟器、身体数据采集反馈设备、移动头戴式虚拟现实和增强现实设备以及数据背包设备；其中，模拟步行器用于模拟人的行走和限制人的移动，并且进行步行数据的采集和反馈；身体数据采集反馈设备用于对虚拟环境中的虚拟人体进行互动控制，通过惯性传感器、陀螺仪采集现实中人体的姿态数据，控制虚拟身体并且反作用于身体；移动头戴式虚拟现实和增强现实设备用于集成音视频输出、数据处理及空间点定位，实现图像、音频的仿真输出；数据背包设备用于接收模拟步行器、身体数据采集反馈设备、移动头戴式虚拟现实和增强现实设备的数据，并且进行综合处理，并且反馈到各设备上。
2.根据权利要求1所述的面向个人的集群化虚拟现实交互系统，其中，所述步行模拟器包括传动机构和模拟面板，其中，所述模拟面板布置在所述传动机构上，所述传动机构用于同步模拟面板上的运动轨迹，和模拟面板的行进进行相对运动；所述模拟面板用于采样面板上脚步的运动数据，包括位置、速度、方位、姿态数据，反馈给传动机构。
3.根据权利要求2所述的面向个人的集群化虚拟现实交互系统，其中，所述传动机构包括同步皮带和滚轴机械结构，同步皮带布置在滚轴机械结构上，皮带和滚轴机械结构做相对运动。
4.根据权利要求2所述的面向个人的集群化虚拟现实交互系统，其中，所述滚轴机械结构包括沿皮带方向的滚轴和垂直于皮带方向的竖向旋转轴，以使传动机构360度进行旋转，以带动模拟面板进行360旋转。
5.根据权利要求1所述的面向个人的集群化虚拟现实交互系统，其中，模拟面板布置多个分区，每个分区布设多个超声定位传感器，面向面板中心，围绕整个面板，形成超声探测空间矩阵，用于分别对脚步动作数据进行连续采样。
6.根据权利要求1所述的面向个人的集群化虚拟现实交互系统，其中，身体数据采集反馈设备包括：身体姿态数据采集模块和力反馈数据输出模块，其中，身体姿态数据采集模块包括惯性传感器、UWB超宽带测距子模块和无线网络子模块，用于实时采集身体姿态数据信息和采集点相对位置信息，通过无线方式传输给中枢控制器；其中，力反馈数据输出模块包括电脉冲反馈装置，用于无线接收中枢控制器发送的力反馈信号，通过接收识别核心传输来的反馈数据作用于相应的身体部位。
7.根据权利要求6所述的面向个人的集群化虚拟现实交互系统，其中，该身体数据采集反馈设备用于采集体验者人体姿态，将体验者肢体及全身反馈信号与中枢处理器有效融合，以达到控制虚拟环境下虚拟身体和让现实环境下人体感受到触摸、拍打、撞击感觉。
8.根据权利要求6所述的面向个人的集群化虚拟现实交互系统，其中，身体姿态数据采集模块包括布置在全身肢体关键节点部位的传感器，其中，传感器包括9 自由度传感器，该9自由度传感器包括3轴陀螺仪、3轴罗盘和3轴加速度计。
9.根据权利要求8所述的面向个人的集群化虚拟现实交互系统，其中，关键节点部位包括手足肢端节点、踝腕关节节点、膝肘关节节点、肩跨关节节点、及头、颈、躯干节点的必要节点及其他可临时配置的扩展节点；其中，各个独立传感器的无线通讯网络包含特征地址信息及自组网系统，网络系统内包括一个协调器和若干节点，每个节点上电后由协调器配置组网，形成以协调器为中心的星型网络。
10.根据权利要求9所述的面向个人的集群化虚拟现实交互系统，其中，各节点传感器互不干扰的将数据传送至姿态信息整合单元，该姿态信息整合单元是一个包含协调器的控制中心。
11.根据权利要求10所述的面向个人的集群化虚拟现实交互系统，其中，姿态信息整合单元用于将节点传感器上传的包括加速度、方向角、角加速度数据进行融合，辅以肢体骨络算法融合技术，计算出人体肢体位置及运动轨迹和速度等数据后，传输给中枢控制器平台。
12.根据权利要求1所述的面向个人的集群化虚拟现实交互系统，其中，移动头戴式虚拟现实和增强现实设备包括控制器、头部姿态捕捉模块、空间点定位模块、超短焦光学模块和视频显示模块，其中，处理器用于接收头部姿态信号、空间信号进行位置判断和头部姿态判断，并且生成显示内容控制发送到超短焦光学设备和视频显示模块进行适应性显示。
13.根据权利要求12所述的面向个人的集群化虚拟现实交互系统，其中，该设备还包括音频处理模块，自带高品质净噪环绕音响系统，采用解码芯片和MAX9723功放芯片，基于低噪声电荷泵600kHz 开关频率。
14.根据权利要求12所述的面向个人的集群化虚拟现实交互系统，其中，空间点定位模块具有相对定位子模块和绝对定位子模块，其中，相对定位子模块通过路线规划、前进方向和头部姿态导向，基于内置地图确定相对位置；绝对定位子模块，基于GPS模块，采用伪距差分原理和载波相位差分原理，获取厘米级定位精度。
15.根据权利要求12所述的面向个人的集群化虚拟现实交互系统，其中，头部姿态捕捉模块包括布置在设备上的多个三维姿态传感器，用于测量头部的三维运动，并且基于加速度传感器来获取设备即头部的相对于水平面的倾斜角度，通过分析动态加速度，确定出设备移动的方式。

说明书全文

一种面向个人的集群化虚拟现实交互系统

技术领域

[0001] 本发明涉及虚拟现实技术，更具体地，涉及一种面向个人的集群化虚拟现实交互系统。

背景技术

[0002] 虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术是当今世界前沿科学之一，21世纪以来，在游戏、军事、勘探等领域已经有类似应用设备，但这些设备都面临造价昂贵、体积庞大和重量较重的问题。

[0003] 传统虚拟现实和增强现实视听设备多以投影系统，或是超高分辨率大屏幕显示系统外置音响设备为基础，数据处理更是依托大型计算机甚至机群实现，主要应用与一些大型项目，成本高，占地广，不适合个人应用。

[0004] 其中，Oculus公司以可以接受的价格将广角、低延迟的沉浸体验带给大众，oculus是一个虚拟现实实现的里程碑、是第一个实现个人虚拟现实的设备。但其只有视频输出，不能独立采集和处理数据，也不能独立接驳其他应用接口。类似的设备还有集成音频和游戏控制功能的蚁视等，而这类设备只能作为台式系统外设存在。

[0005] 目前是市场上的虚拟现实设备有：Oculus Rift、谷歌Cardboard、三星Gear VR、微软FOVE、ZEISS VR One、Dexta Robot ics Dexmo、索尼Morpheus、Cybertith Virtualizer、Omni、Leap Motion、Perception Neuron、蚁视、暴风魔镜、Sixense STEM、Reactive Grip、Trinity MAGNUM等等大致可分为以下类别。

[0006] 头戴显示设备：这类大多拥有头盔外形，作用为：图像显示和捕捉头部旋转信息。Oculus Rift、微软FOVE、索尼Morpheus、蚁视都属于这类。

[0007] 手机虚拟现实外壳：这是种简易装置，可以将手机等设备放入并固定。从而实现类似头戴设备的效果。谷歌Cardboard、三星Gear VR、ZEISS VR One、暴风魔镜都属于这类。

[0008] 全身动作捕捉：多个传感器遍布全身捕捉全身动作数据。如Perception Neuron。

[0009] 局部动作捕捉：万向跑步机可捕捉脚部运动数据，如Cybertith Virtualizer、Omni；手指动作捕捉，如：Dexta Robotics Dexmo、Leap Motion。

[0010] 游戏控制器：特殊的输入设备，模拟虚拟世界中的道具，如打枪舞剑等。Sixense STEM、Reactive Grip、Trinity MAGNUM都是属于此类。

[0011] 目前大多数虚拟现实产品都由欧美厂商设计，根本不考虑亚洲人的审美感受。目前其他产品硬件分为普通电脑和移动设备，前者性能好但笨重，后者轻便但效果明显简陋。当前的产品由于不是完整的解决方案，所以必须让用户逐个使用，安装设置，非常麻烦。设备功能单一，设计之初都是相互独立的。一旦用户将它们组合到一起，必然会出问题，导致无法正常使用。

发明内容

[0012] 为克服现有技术的上述缺陷，本发明提出一种面向个人的集群化虚拟现实交互系统。

[0013] 根据本发明的一个方面，提出了一种面向个人的集群化虚拟现实交互系统，包括步行模拟器、身体数据采集反馈设备、移动头戴式虚拟现实和增强现实设备以及数据背包设备；其中，模拟步行器用于模拟人的行走和限制人的移动，并且进行步行数据的采集和反馈；身体数据采集反馈设备用于对虚拟环境中的虚拟人体进行互动控制，通过惯性传感器、陀螺仪采集现实中人体的姿态数据，控制虚拟身体并且反作用于身体；移动头戴式虚拟现实和增强现实设备用于集成音视频输出、数据处理及空间点定位，实现图像、音频的仿真输出；数据背包设备用于接收模拟步行器、身体数据采集反馈设备、移动头戴式虚拟现实和增强现实设备的数据，并且进行综合处理，并且反馈到各设备上。

[0014] 本发明的交互系统设计包含了亚洲式的细腻同时兼顾了简约的主流风格，使用定制的平台，不但轻便可轻松穿戴同时性能强劲。其服装采用一体化服装设计，将所有传感器整合于服装中，不经穿戴方便且对用户造成的活动限制为同类产品中最小。以集成音视频输出、数据处理能力及空间点定位功能的VRGate-brain为核心，接收、处理、反馈相关数据来完成整套系统的运行。VRGate-brain的视频输出组件把视频信号形成的图像通过特殊的光学系统投射到人眼，配以音频输出组件来完成系统音视频方面的仿真输出。空间坐标定位依靠UWD和差分GPS技术方式实现。

[0015] 系统对虚拟环境中的虚拟身体的互动控制是依靠VRGate-body这个部件实现的。VRGate-body通过惯性传感器、陀螺仪等来采集现实中人体的姿态数据传输给系统核心VRGate-brain来达到控制虚拟身体的功能。VRGate-body部件同时集成静电反馈装置，通过接收识别核心传输来的反馈数据作用于人体，达到让人体感受到触摸、拍打、撞击等感觉的功能。

[0016] 人的模拟行走和限制移动功能通过VRGate-Walker来实现。VRGate-Walker是一种模拟步行数据的采集与反馈输出的设备，其通过皮带机械传动机构实现脚下无限延展面的功能，使人在原地模拟行走中获得脚下的无限延展面。另外VRGate-Walker集成多个超声定位传感器，形成空间矩阵，对脚步动作数据进行连续采样回传给核心，达到实时监测脚步位置及速度功能，通过核心的数据处理后使脚与传动装置配合，获得更好的仿真行走感受。附图说明

[0017] 图1为根据本发明的一种面向个人的集群化虚拟现实交互系统的布置示意图；

[0018] 图2为根据本发明的一种面向个人的集群化虚拟现实交互系统的逻辑结构示意图。

[0019] 图3为根据本发明的模拟步行器的示意图；

[0020] 图4为根据本发明的身体数据采集反馈的设备的逻辑结构示意图。

[0021] 图5为根据本发明的一种移动头戴式虚拟现实和增强现实设备的布置示意图；

[0022] 为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的尺寸、结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定尺寸、结构、器件和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在后附的权利要求的范围中。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种面向个人的集群化虚拟现实交互系统进行详细描述。

[0024] 在以下的描述中，将描述本发明的多个不同的方面，然而，对于本领域内的普通技术人员而言，可以仅仅利用本发明的一些或者全部结构或者流程来实施本发明。为了解释的明确性而言，阐述了特定的数目、配置和顺序，但是很明显，在没有这些特定细节的情况下也可以实施本发明。在其他情况下，为了不混淆本发明，对于一些众所周知的特征将不再进行详细阐述。

[0025] 如本文所使用的，术语“部件”可指代、包含于、或包含专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享、专用或组)和/或存储器(共享、专用或组)、组合逻辑电路和/或提供所描述的功能性的其它合适的部件。

[0026] 如图1和图2所示，本申请提供一种面向个人的集群化虚拟现实交互系统，该系统包括模拟步行器、身体数据采集反馈设备、移动头戴式虚拟现实和增强现实设备以及数据背包设备。其中，模拟步行器用于模拟人的行走和限制人的移动，并且进行步行数据的采集和反馈；身体数据采集反馈设备用于对虚拟环境中的虚拟人体进行互动控制，通过惯性传感器、陀螺仪采集现实中人体的姿态数据，控制虚拟身体并且反作用于身体；移动头戴式虚拟现实和增强现实设备用于集成音视频输出、数据处理及空间点定位，实现图像、音频的仿真输出；数据背包设备用于接收模拟步行器、身体数据采集反馈设备、移动头戴式虚拟现实和增强现实设备的数据，并且进行综合处理，并且反馈到各设备上。

[0027] 其中，如图3所示，模拟步行器(VRGate-Walker)具备模拟行走数据采集和限制人体位置移动两个功能，并且可以消除由于视神经和人体感知神经不同步所造成的眩晕。

[0028] 其中，VRGate-Walker也是一种360度全方位的步行模拟器，使用同步皮带接触的机械结构实现方式模拟行走，代替了摩擦和滚轮接触模拟行走方式。由于采用面接触，大大提高了模拟步行的拟真度。数据采集方面，应用多个非接触式的超声定位传感器进行实时采样，保证了步行数据采集的连续性，也为未来更多的应用方向奠定了基础。

[0029] 其中，本申请的步行模拟器包括传动机构和模拟面板，模拟面板布置在传动机构上，传动机构用于同步模拟面板上的运动轨迹，和模拟面板的行进进行相对运动；模拟面板用于采样面板上脚步的运动数据，包括位置、速度、方位、姿态数据。

[0030] 其中，传动机构包括同步皮带和滚轴机械结构，同步皮带布置在滚轴机械结构上，皮带和滚轴机械结构做相对运动。滚轴机械结构包括沿皮带方向的滚轴和垂直于皮带方向的竖向旋转轴，以使传动机构可以360度进行旋转，以带动模拟面板进行360旋转，从而保证模拟步行器在方向上的全面模拟程度。

[0031] 其中，模拟面板上包括多个分区，每个分区布设多个超声定位传感器，面向面板中心，围绕整个面板，形成超声探测空间矩阵，对脚步动作数据进行连续采样。通过采用非接触式的超声定位传感器，可以不限制用户使用何种脚步穿着。

[0032] 其中，如图4所示，身体数据采集反馈设备(RGate-Body)，包括身体姿态数据采集模块和力反馈数据输出模块，其中，身体姿态数据采集模块包括惯性传感器、UWB超宽带测距子模块和无线网络子模块，用于实时采集身体姿态数据信息和采集点相对位置信息，通过无线方式传输给计算机。其中，力反馈数据输出模块包括电脉冲反馈装置，用于无线接收计算机发送的力反馈信号，通过接收识别核心传输来的反馈数据作用于相应的身体部位，让人体感受到触摸、拍打、撞击等感觉，达到游戏拟真，物理按摩等效果。

[0033] 其中，该身体数据采集反馈设备用于采集体验者人体姿态，将体验者肢体及全身反馈信号与中枢处理器有效融合，以达到控制虚拟环境下虚拟身体和让现实环境下人体感受到触摸、拍打、撞击等感觉，达到游戏拟真，物理按摩等效果。

[0034] 其中，身体姿态数据采集模块包括布置在全身肢体关键节点部位的传感器，其中，传感器包括9 自由度传感器，该9自由度传感器包括3轴陀螺仪、3轴罗盘和3轴加速度计。其中，关键节点部位包括手足肢端节点、踝腕关节节点、膝肘关节节点、肩跨关节节点、及头、颈、躯干节点等必要节点及其他可临时配置的扩展节点。

[0035] 其中，所有节点与协调器组成星型网络，该多个节点处于星形网络的末端。其中，底层布置处理器，用于进行初步的卡尔曼滤波等基础容错过滤操作。其中，该传感器独立电池供电，自成一体，可随时增减节点数量，减少现场体验环节的穿戴复杂程度。

[0036] 其中，各个独立传感器的无线通讯网络(ZIGBEE网络)包含特征地址信息及自组网系统，网络系统内包括一个协调器和若干节点，每个节点上电后由协调器配置组网，形成已协调器为中心的星型网络。各节点传感器互不干扰的将数据传送至姿态信息整合单元，该姿态信息整合单元是一个包含协调器的控制中心。

[0037] 其中，姿态信息整合单元用于将节点传感器上传的数据(包括加速度、方向角、角加速度)融合，辅以肢体骨络算法融合技术，计算出人体肢体节点及运动轨迹和速度等数据后，传输给中枢控制器平台，进一步实现应用场景与人体模型节点的贴合。

[0038] 其中，力反馈数据输出模块用于接收来自中枢控制器平台的反馈触发信号(如被击打、接触等)，以控制佩戴在体验者身上的节点产生电流脉冲或震动作，让现实环境下人体感受到触摸、拍打、撞击等感觉，达到游戏拟真、物理按摩等效果。

[0039] 其中，如图5所示，移动头戴式虚拟现实和增强现实设备(VRGate-Brain)是一种集成视频、音频、以及移动数据处理功能的移动式虚拟现实和增强现实实现设备。该设备包括控制器、头部姿态捕捉模块、空间点定位模块、超短焦光学模块和视频显示模块，其中，处理器用于接收头部姿态信号、空间信号进行位置判断和头部姿态判断，并且生成显示内容控制发送到超短焦光学设备和视频显示模块进行显示。

[0040] 其中，该设备还包括音频处理模块，用于通过自带高品质净噪环绕音响系统，采用解码芯片和MAX9723功放芯片，基于低噪声电荷泵600kHz的开关频率远远高于音频范围，不仅不会干扰音频信号，从而使MAX9723能够获得99dB的SNR。

[0041] 其中，该设备采用小尺寸2K或2k以上分辨率液晶面板和强光可见投影及强光可见透屏，点距布置高达490ppi以上，配合X86平台高性能数据系统，能提供绝大部分应用接口的接入，成为了第一个个人应用级的虚拟现实和增强现实移动实现设备。

[0042] 其中，处理器为X86数据处理平台，兼容各种应用接口和操作系统。

[0043] 其中，空间点定位模块具有相对定位子模块和绝对定位子模块，其中，相对定位子模块通过路线规划、前进方向和头部姿态导向，基于内置地图确定相对位置；绝对定位子模块，基于GPS模块，采用伪距差分原理和载波相位差分原理，获取厘米级定位精度。

[0044] 其中，头部姿态捕捉模块包括布置在设备上的多个三维姿态传感器，用于测量头部的三维运动，并且基于加速度传感器来获取设备即头部的相对于水平面的倾斜角度，通过分析动态加速度，确定出设备移动的方式。

[0045] 其中，视频显示模块包括显示子模块和视频信号转换子模块，其中，显示子模块采用高分辨面板和强光可见投影设备；视频信号转换子模块包括将4K超高清视频流无损、无压缩地从HDMI转换至MIPI-DSI的桥接芯片。

[0046] 最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。

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