一种虚拟现实系统的制作方法

本发明属于虚拟现实技术领域，尤其涉及一种虚拟现实系统。

背景技术：

虚拟现实(vr)的重要特性之一是交互性，其中涉及到一个重要的技术是动作捕捉：即现实生活中运动主体(vr体验者)的动作要如实的反馈到vr内容场景中，并产生对应的反馈或反应。目前的动作捕捉系统主要有：机械式、惯性、光学动作捕捉系统，主要是1：1的反应运动主体的运动轨迹。例如已有的万向行走平台，但需要人力人工行走，1：1比例跟踪。

然而目前仅在vr硬件领域便存在着多项影响其普及的因素：

眩晕感严重，相信大多体验过vr的人在体验时都会被眩晕感所困扰，眩晕也已经成了阻碍vr普及最大的绊脚石之一；

不能自由移动，目前htc的lighthouse系统只能提供房间级别的位置跟踪，虽然市面也有其他位置跟踪系统可以做到更大范围的位置跟踪，但追踪范围终究是有限的，更何况更多移动端的虚拟现实产品甚至根本就没有位置跟踪功能，用户只能坐在椅子上玩，或站立在地面上来体验。

现有的主流动作捕捉技术不能无限距离跟踪主体的运动，受限于设备的铺设和监测范围，一般只能在铺设有监测设备的范围内运动，无法模拟无限距离任意方向大空间移动(包括有载具的机械移动或无载具的人或动物移动)。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种虚拟现实系统，特色一是能够在安全的环境下无限距离任意方向自由移动，特色二是通过本系统提供的运动知觉仿真，能够使vr体验者的视觉和运动知觉匹配，大幅降低眩晕感。

为了实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种虚拟现实系统，所述虚拟现实系统包括捕捉传感器、控制装置、vr显示装置，所述虚拟现实系统还包括运动模拟装置，其中：

所述捕捉传感器，用于获取vr体验者发出的触发信息；

所述控制装置，用于接收所述捕捉传感器获取的触发信息，根据接收的触发信息，生成控制vr显示装置的第一控制报文和控制运动模拟装置的第二控制报文；

所述vr显示装置，用于接收第一控制报文，根据第一控制报文播放触发信息对应的vr预置内容；

所述运动模拟装置，用于接收第二控制报文，根据第二控制报文做对应于所述vr预置内容的矢量运动，使得附着在运动模拟装置上的vr体验者体验到与vr预置内容相匹配的运动知觉。

本发明所述触发信息包括位移大小、方向、加速度、速度中的一种或多种信息。

所述第一控制报文携带触发信息对应的vr预置内容编号。

所述第二控制报文携带控制运动模拟装置进行矢量运动的参数，包括方向、加速度、转动圈数、振动频率中的一种或多种信息。

进一步地，所述触发信息还包括同步时间，所述第一控制报文和第二控制报文也携带所述同步时间，所述vr显示装置、运动模拟装置上都设有同步模块，用来根据控制报文中携带的同步时间，来实现同步，保证vr体验者动作、运动模拟装置的动作、vr显示装置里的动作完全同步。

所述同步时间为t，所述vr显示装置上的同步模块，执行如下操作来实现同步：

接收第一控制报文，记录同步时间t，获取延时a1和时钟调整值b1；

先将vr显示装置的时钟调整为t+b1，再将vr预置内容播放时间调整为t+a1来进行播放；

所述运动模拟装置上的同步模块，执行如下操作来实现同步：

接收第二控制报文，记录同步时间t，获取延时a2和时钟调整值b2；

先将运动模拟装置的时钟调整为t+b2，再将运动模拟器对应的动作时间设为t+a2。

进一步地，所述vr显示装置上的同步模块，执行如下步骤来获取延时a1和时钟调整值b1：

接收第一控制报文，记录同步时间为t1和接收第一控制报文的时间为t2；

发送延时请求报文给捕捉传感器，并接收捕捉传感器反馈的响应消息，记录发送延时请求报文的时间t3和响应消息中携带的捕捉传感器接收延时请求报文的时间t4；

通过如下公式计算：

延时a1＝((t2-t1)+(t4-t3))/2，

时钟调整值b1＝((t2-t1)-(t4-t3))/2；

所述运动模拟装置上的同步模块，执行如下步骤来获取延时a2和时钟调整值b2：

接收第二控制报文，记录同步时间为t1和接收第二控制报文的时间为t5；

发送延时请求报文给捕捉传感器，并接收捕捉传感器反馈的响应消息，记录发送延时请求报文的时间t6和响应消息中携带的捕捉传感器接收延时请求报文的时间t7；

通过如下公式计算：

延时a2＝((t5-t1)+(t7-t6))/2，

时钟调整值b2＝((t5-t1)-(t7-t6))/2。

进一步地，所述运动模拟装置包括底座、驱动单元和活动部分，所述底座固定在地面上，所述驱动单元与活动部分通过传动轴连接，所述驱动单元接收第二控制报文驱动活动部分相对于底座做矢量运动。

所述活动部分的运动轨迹为圆形或椭圆形或直线往复。

本发明提出的一种虚拟现实系统，通过运动模拟装置根据控制报文中携带的参数进行矢量运动，使得使用运动模拟装置的vr体验者体验到与vr内容中的动作相匹配的运动知觉。能做到无限距离运动跟踪，模拟现实场景中vr体验者的位移、速度、加速度，从而模拟出更为逼真的应用体验，使vr体验者的视觉和知觉趋同，进而减低眩晕的产生。本发明提出的一种虚拟现实系统，通过携带时间信息的控制报文保证vr体验者人体动作、运动模拟装置的动作、vr显示装置里的动作完全同步；通过传感器捕捉到人体动作信息后，通过本发明定义的算法，达到人机联动；运动模拟装置使vr体验者的视觉和行动知觉趋同，进而减低眩晕的产生。

附图说明

图1为本发明虚拟现实系统的结构示意图；

图2本发明运动模拟装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成对本发明的限定。

如图1所示，本实施例一种虚拟现实系统，包括捕捉传感器、控制装置、vr显示装置和运动模拟装置，其中：

捕捉传感器，用于获取vr体验者发出的触发信息，捕捉传感器包括体感监测传感器或其他传感器、或按键触发器等；

控制装置，用于接收所述捕捉传感器获取的触发信息，根据接收的触发信息，生成控制vr显示装置的第一控制报文和控制运动模拟装置的第二控制报文；

vr显示装置，用于接收第一控制报文，根据第一控制报文播放触发信息对应的vr预置内容；

运动模拟装置，用于接收第二控制报文，根据第二控制报文做对应于所述vr预置内容的矢量运动，使得附着在运动模拟装置上的vr体验者体验到与vr预置内容相匹配的运动知觉。

在本实施例中，vr体验者坐在运动模拟装置上，该运动模拟装置可以设计为座椅、汽车、坦克、飞行器、潜艇、自行车等的模型。通常运动模拟装置有一个底座，底座安装在地面上，底座相对地面是静止的。底座上面的活动部分(比如是座椅)在驱动单元的作用下相对底座或地面做矢量运动，该矢量运动带给骑坐在上面的vr体验者运动知觉(如加速推力、自由落体的失重感、垂直上升的加重感)，从而将运动知觉反馈给vr体验者。

本实施例，捕捉传感器采用lighthouse，也可以采用头显等其他传感器监测技术，例如还可以是语音或其他传感器。捕捉传感器可监测到vr体验者的前倾或后仰等动作，获取vr体验者的触发信息，例如同步时间、位移大小、方向、加速度、速度等，即触发信息包括同步时间、位移大小、方向、加速度、速度中的一种或多种信息，捕捉传感器将获取的触发信息发送给控制装置。需要说明的是，触发信息里可以带有同步时间，也可以不带，不带同步时间时，各设备使用自己的自带时钟，容易产生时间偏差，再加上信号采集、传输、3d渲染过程产生的时延，使vr系统中各设备对同一动作的反应往往不同步。因此，优选地，触发信息中带有同步时间，以便在后续生成第一控制报文、第二控制报文时带有同步时间，使得vr显示设备、运动模拟装置根据同步时间进行同步。

控制装置一般是中央处理器或其他可编程的处理器，将从捕捉传感器获取的触发信息转换成第一控制报文和第二控制报文，分别用来控制vr显示装置和运动模拟装置。该第一控制报文和第二控制报文满足vr显示装置和运动模拟装置的处理要求，由控制装置同时向vr显示装置和运动模拟装置传递。

控制装置根据触发信息生成第一控制报文时，主要是根据触发信息，选择与触发信息中方向、速度、加速度、位移大小等对应的vr预置内容，并将同步时间及选择的vr预置内容编号等参数携带在第一控制报文中。

vr预置内容一般为vr影视动画、vr游戏、vr教育培训内容等，是具备预设剧情、预设人物、预设道具、预设地图建筑等虚拟世界，同时能根据vr体验者的外部输入(包括体感、按键、语音或运动路线、力度等)产生对应的交互反应，而这些交互反应大多数是预置在内容里，根据vr体验者的输入信息选择不同的动作反应。

控制装置根据触发信息生成第二控制报文时，主要是根据生成第一控制报文时选择的vr预置内容，生成运动模拟装置矢量运动的方向、加速度、转动圈数等控制运动模拟装置进行矢量运动的参数，在第二控制报文中携带同步时间、矢量运动的方向、加速度、转动圈数、振动频率等一种或多种参数，控制运动模拟装置运动，使得运动模拟装置的矢量运动能够与vr预置内容中的动作相匹配，给vr体验者相同的运动知觉。

需要说明的是，控制装置根据触发信息生成第一控制报文、第二控制报文，其中触发信息、第一控制报文、第二控制报文包含的参数，根据不同的vr内容也不相同。例如有些vr，触发信息只需要同步时间和方向，而对于另一些vr，触发信息则需要加上加速度、速度、位移大小等，将来随着技术的发展，还可能需要更多的参数信息。同样第一控制报文、第二控制报文中携带的信息，也根据具体的控制需要来携带，本实施例不限于控制报文中携带的具体参数。

vr显示装置接收到此第一控制报文后，解析出其携带的参数，通过vr算法渲染播放vr预置内容，在播放的vr预置内容中根据所述触发信息调整vr中的动作。从而在播放的vr内容中，根据vr体验者的动作，使得vr内容中vr体验者对应的人物做出相应的动作。vr内容中vr体验者对应的人物的动作是预先设置或实时采集匹配生成的，通过触发信息触发在vr内容中播放。

运动模拟装置接收到第二控制报文后，解析出其携带的参数，主要是同步时间、矢量运动的方向、加速度、转动圈数等参数，控制驱动单元工作，带动活动部分做矢量运动，达到一种相对位移的效果。即vr体验者附着在运动模拟器的活动部分上，相对于底座或地面做有速度、方向、频率的矢量运动。使得附着在运动模拟装置上的vr体验者体验到与vr内容中的动作相匹配的运动知觉。

容易理解的是，vr体验者通过vr显示装置(例如vr眼镜、或vr显示器)，看到是虚拟现实场景，如运动场景，或其他游戏场景，体验到视觉和听觉。通过运动模拟器，vr体验者感到一种和虚拟场景完全对应、完全同步的运动知觉。从而达到视觉、听觉、知觉的同步，得到更为真实的体验感，并减低视觉、听觉、知觉的不同步引起的眩晕感。

具体地，将vr体验者的触发信息体现在vr内容中，目前已经广泛应用，这里不再赘述。而运动模拟装置，根据第二控制报文中携带的触发信息进行矢量运动，使得附着在运动模拟装置上的vr体验者体验到与vr内容中的动作相匹配的运动知觉，以下举例进行说明。

例如，捕捉传感器捕获人体的触发信息，该触发信息与运动模拟器的矢量运动有表1所示的对应关系：

表1

捕捉传感器捕获的触发信息，在vr显示装置中通过vr预置内容进行体现，在运动模拟装置中以矢量运动体现。例如触发信息是向前下方的前倾，在vr中显示为前进。相应地，运动模拟装置产生的矢量运动是南向运动，即运动模拟装置的活动部分相对于底座产生相对位移，其方向是向南运动。

由于vr体验者(人)是位于运动模拟装置之上的，人的移动是受限或跟随运动模拟装置的。一般来说，运动模拟装置是一个只能做往复运动(包括上下、左右、前后等六个方向)的平台，由驱动单元(包括数字电机或伺服电机等其他可数控的电机、液压机械或其他动力装置)驱动。运动模拟装置通过矢量运动来带给vr体验者运动知觉，运动知觉通过方向、加速度、振动(模拟颠簸)来体现。

方向的实现，如表1所示，运动模拟装置的活动部分可以实现6个方向的运动。本实施例一种实现方式，如图2所示，运动模拟装置包括底座、驱动单元和活动部分，所述底座固定在地面上，所述驱动单元与活动部分通过传动轴连接，所述驱动单元接收第二控制报文驱动活动部分相对于底座做矢量运动。本实施例另一种实现方式，也可以不设置底座，直接将活动部分设置在驱动单元上，关于运动模拟装置的具体实现，本发明不做限制。

活动部分与驱动单元通过传动轴(例如曲轴)相连，承受传动轴传来的力，并将其转变为转矩通过曲轴输出并驱动活动部分运动，通过曲轴的不同部位与活动部分结合，可以带动活动部分在6个方向运动，也就是垂直的上下两个方向，水平的前后左右四个方向。需要说明的是，运动模拟装置实现6个方向的运动，还有其他实现方式，例如还可以采用齿轮传动，液压传动的方式等等，这里不再赘述。

运动模拟装置矢量运动的加速度与vr内容中动作的加速度之间成正比，从而能够正确将vr内容中的运动对应的知觉反馈给vr体验者。假设vr内容中的运动加速度为α，运动模拟装置的加速度为α′，vr内容中的运动位移为s，运动模拟装置的位移为s′，则有如下公式：

s＝ns′；

α＝s/t²，α′＝s′/t²

α/α′＝n；

其中n为变量，具体根据运动模拟装置的绝对可位移量及人体知觉模拟的最佳值来综合设定。t为时间单位。当n等于1时，α＝α′，运动模拟装置真实模拟了vr内容中的运动。而在现实中，运动模拟装置的运动范围有限，需要无限地模拟vr内容中的运动，只能通过循环运动或比例压缩实现。例如在某一方向上，活动部分的运动轨迹为圆形或椭圆形或直线往复，通过圆形运动或椭圆形运动实现甚至简化为直线型的振动。以圆形为例，有如下公式：

s′＝x*2πr；

r为圆形运动的半径，也就是运动模拟装置活动部分的相对位移，x为圆形运动的圈数。本实施例通过改变圆形运动的圈数x，来匹配vr内容中的无限距离移动。x可以通过驱动单元的转速控制，就可以使得运动模拟装置的加速度与vr内容中运动的加速度相匹配，也就是成正比。

本实施例中，触发信息、第一控制报文、第二控制报文均含有同步时间，vr显示装置、运动模拟装置上都具有同步模块，用来根据控制报文中携带的同步时间，来实现同步，保证vr体验者人体动作、运动模拟装置的动作、vr显示装置里的动作完全同步。

具体地，假设触发信息、第一控制报文、第二控制报文中包含的同步时间信息为t，t为捕捉传感器捕获vr体验者动作的发生时间。vr显示装置与捕捉传感器之间的延时为a1，时钟调整值为b1；运动模拟装置与捕捉传感器之间的延时为a2，时钟调整值为b2。则：

vr显示装置上的同步模块，执行如下操作来实现同步：

接收第一控制报文，记录同步时间t，获取延时a1和时钟调整值b1；

先将vr显示装置的时钟调整为t+b1，再将vr预置内容播放时间调整为t+a1来进行播放；

运动模拟装置上的同步模块，执行如下操作来实现同步：

接收第二控制报文，记录同步时间t，获取延时a2和时钟调整值b2；

先将运动模拟装置的时钟调整为t+b2，再将运动模拟器对应的动作时间设为t+a2。

具体地，vr显示装置接收到第一控制报文后，先将vr显示装置的时钟调整为t+b1(先调整两个设备的时钟一致)，再将vr预置内容播放时间调整为t+a1来进行播放(保证vr预置内容里的动作和vr体验者人体动作一致)；

运动模拟装置接收到第二控制报文后，先将运动模拟器的时钟调整为t+b2(先调整两个设备的时钟一致)，再将运动模拟器对应的动作时间设为t+a2(保证运动模拟装置的动作和vr体验者人体动作一致)。

其中，延时时间和时钟调整值的时间可以通过如下方法获取，以vr显示装置与捕捉传感器之间的时间关系为例：

假设捕捉传感器动作捕捉时间为t1，vr显示装置接收第一控制报文的时间为t2，vr显示装置发送延时请求报文给捕捉传感器，并接收捕捉传感器反馈的响应消息(携带接收延时请求报文的接收时间t4)，vr显示装置发送延时请求报文的时间为t3，捕捉传感器接收延时请求报文后发送响应消息的时间为t4。

根据如下公式计算延时a1和时钟调整值b1：

延时a1＝((t2-t1)+(t4-t3))/2，

时钟调整值b1＝((t2-t1)-(t4-t3))/2。

通过以上算法计算出调整值后，在后续处理中vr显示装置中自动将调整值加入时钟调整中，使得设备间的时钟一致，并根据延时调整vr预置内容的播放时间，从而使捕捉传感器捕捉时间和vr显示装置的对同一动作的处理时间达到同步。

根据同样的原理，运动模拟装置上的同步模块，执行如下步骤来获取延时a2和时钟调整值b2：

接收第二控制报文，记录动作捕捉时间为t1和接收第二控制报文的时间t5；

发送延时请求报文给捕捉传感器，并接收捕捉传感器反馈的响应消息，记录发送延时请求报文的时间t6和响应消息中携带的捕捉传感器接收延时请求报文的时间t7；

通过如下公式计算：

延时a2＝((t5-t1)+(t7-t6))/2，

时钟调整值b2＝((t5-t1)-(t7-t6))/2。

需要说明的是，当捕捉传感器、vr显示装置和运动模拟装置的时钟足够精确时，时钟调整值b1和b2为0，即对个设备的本地时钟不需要进行调整，直接根据延时来计算vr预置内容播放时间和运动模拟器对应的动作时间。本实施例计算延时和时钟调整值的方法为优选方法，也可以根据实验数据，人为设定不同的延时和时钟调整值，使得vr体验者人体动作、运动模拟装置的动作、vr显示装置里的动作完全同步。本技术方案大大减少了由于电路延时导致的眩晕感，提高了vr设备的使用效果。

综上所述，本实施例分主动式和被动式两种。被动式是主动式的一种简化形式，被动式方案里没有捕捉传感器部分，而由vr预置内容直接发送控制信息给运动模拟装置。

主动式：技术方案通过捕捉传感器获取vr体验者的触发信息，通过运动模拟装置模拟无限距离移动，以及与vr内容中运动相匹配的加速度。而现有技术方案只能在万向平台上进行，只能模拟人体行走，无法模拟中高速度的移动，也无法在有限空间里模拟无限距离移动。

被动式：技术方案直接通过vr预置内容发送控制信息，通过运动模拟装置模拟无限距离移动，以及与vr内容中运动相匹配的加速度。而现有技术方案只能在万向平台上进行，只能模拟人体行走，无法模拟中高速度的移动，也无法在有限空间里模拟无限距离移动。

本实施例技术方案就是通过一个能够被触发信息控制的运动模拟装置，vr体验者可以站着、坐着甚至骑在该运动模拟装置上面，利用运动模拟装置的相对位移模拟真实的运动，包括前进、后退、左右转向等，并可模拟路面的颠簸等，就像人是真实地坐在车上或者骑在马上那般，可模拟无限距离的移动。同时，vr眩晕很大程度上是由于视觉感觉到了运动，然而身体却只是安安静静地坐着的，两种感官在大脑内形成冲突造成的，而运动运动模拟装置则使得两种感受趋同，从而避免眩晕。本实施例技术方案可实现与虚拟现实场景类似的速度模拟和人体知觉模拟，解决了在虚拟现实场景中无限距离自由速度移动的难点。从而使vr体验者的视觉和知觉趋同，进而减低眩晕的产生。可广泛应用于有载具的移动，比如汽车、坦克、飞行器、潜艇等，也可用于模拟人体或动物的走、跑、跳等。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。