虚拟现实环境的触觉产生模拟方法与流程

本发明涉及虚拟现实环境的触觉产生模拟方法，属于虚拟现实技术领域。

背景技术：

虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中。

目前市面上出现了越来越多的虚拟现实头戴式显示设备(简称vr头显)，虚拟现实技术通过眼镜和耳机基本解决了视觉听觉需求，但触觉还没有很好的解决方案，目前的触觉手套，只能模拟轻微压力的触觉刺激，且生硬不真实。如果触觉不能很好解决，虚拟和现实就存在明显的界限，虚拟现实给人的感觉就会大打折扣。

技术实现要素：

本发明为解决现有虚拟现实技术的触觉不真实的问题，提供了虚拟现实环境的触觉产生模拟方法。

本发明所述虚拟现实环境的触觉产生模拟方法，通过以下技术方案实现：根据虚拟场景中的虚拟物品设置对应的道具，利用输送设备将用户在虚拟场景中即将触碰到的虚拟物体所对应的道具，输送到相应位置，用户触碰到该道具，配合虚拟现实的图形、声音输出，产生真实的触感。

作为对上述技术方案的进一步阐述：

进一步的，用户在虚拟场景中是否即将触碰到虚拟物品，通过动作捕捉设备对用户身体关节的转动动作进行捕捉，结合用户与虚拟场景中虚拟物品的位置关系进行判断。

进一步的，所述用户与虚拟场景中虚拟物品的位置关系，通过将虚拟场景与现实场景的方位进行同步，并结合角度、高度、距离来确定。

进一步的，所述根据虚拟场景中的虚拟物品设置对应的道具，利用输送设备将用户在虚拟场景中即将触碰到的虚拟物体所对应的道具，输送到相应位置，用户触碰到该道具，配合虚拟现实的图形、声音输出，产生真实的触感，具体通过以下步骤实现：

s1、动作捕捉设备实时捕捉用户身体关节的转动数据并传送至虚拟现实系统的控制服务器；

s2、虚拟现实系统的控制服务器接收动作捕捉设备传送的数据，并结合该用户身体关节的转动数据与虚拟场景中的虚拟物品位置，判断用户是否即将与虚拟物品发生触碰；

s3、若判断结果为即将发生触碰，则虚拟现实系统的控制服务器向输送设备发送指令将相应的道具输送至虚拟场景中对应的位置；若判断结果为不会发生触碰，则虚拟现实系统的控制服务器向输送设备发送指令将道具输送至初始位置；

s4、输送设备接收到控制服务器发送的指令后，结合该道具当前所处位置获得道具的运动轨迹，并按照该运动轨迹将道具输送至指定位置；

s5、用户触碰到该道具，配合虚拟现实高沉浸感的图形、声音输出，产生真实的触感。

进一步的，所述输送设备呈圆环状设置在用户周围，用户身体位于该圆环的圆心处。

进一步的，所述输送设备包括圆环导轨、滑座、滑座驱动组件以及若干输送单元；

每一所述输送单元上设置有一个载物台，载物台上设置有道具，所述输送单元上设有平移组件和垂直移位组件；平移组件用于驱动载物台在圆环与圆心之间的水平位移，垂直移位组件用于驱动载物台的垂直位移；所述输送单元底部固设在滑座上；所述滑座套设在所述圆环导轨上，该滑座能够在滑座驱动组件的驱动下沿圆环导轨转动，并带动所述输送单元同步转动。

进一步的，所述滑座与导轨之间设置有滑轮。

本发明最为突出的特点和显著的有益效果是：

本发明所涉及的虚拟现实环境的触觉产生模拟方法，根据虚拟场景中的虚拟物品设置对应的道具，利用输送设备将用户在虚拟场景中即将触碰到的虚拟物体所对应的道具，输送到相应位置，用户触碰到道具后，配合虚拟现实高沉浸感的图形、声音输出，产生真实的触感；本发明简单实用，甚至还能利用道具模拟风、雨、太阳等难于触摸的物体的感官刺激，给人逼真的感受。

附图说明

图1为本发明方法应用示意图；

图2为本发明方法控制示意图；

图3为本发明方法道具移动示意图；

图4为本发明中输送设备结构示意图；

图5为本发明中圆环导轨及滑座切面示意图；

图6为本发明中的输送设备俯视图；

1.输送设备，2.道具，3.载物台，4.可转动固定支架，5.滑座，6.圆环导轨，7.滑座驱动组件，8.滑轮，9.输送单元。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2、图3对本实施方式进行说明，本实施方式给出的虚拟现实环境的触觉产生模拟方法，根据虚拟场景中的虚拟物品设置对应的道具，利用输送设备将用户在虚拟场景中即将触碰到的虚拟物体所对应的道具，输送到相应位置，用户触碰到该道具，配合虚拟现实高沉浸感的图形、声音输出，产生真实的触感。具体包括以下步骤：

s1、动作捕捉设备实时捕捉用户身体关节的转动数据并传送至虚拟现实系统的控制服务器；

s2、虚拟现实系统的控制服务器接收动作捕捉设备传送的数据，并结合该用户身体关节的转动数据与虚拟场景中的虚拟物品位置，判断用户是否即将与虚拟物品发生触碰；虚拟场景的方位通过虚拟现实(vr)系统与现实场景的方位进行同步；虚拟场景中的物体和用户的位置关系通过角度、高度、距离来确定；

s3、若判断结果为即将发生触碰，则虚拟现实系统的控制服务器向输送设备发送指令将相应的道具输送至虚拟场景中对应的位置；若判断结果为不会发生触碰，则虚拟现实系统的控制服务器向输送设备发送指令将道具输送至初始位置；这里所述初始位置指的是输送单元上的载物台回复到圆环导轨上方，即，平移组件和垂直移位组件回复到0位移处。

s4、输送设备接收到控制服务器发送的指令后，结合该道具当前所处位置获得道具的运动轨迹，并按照该运动轨迹将道具输送至指定位置；

s5、用户触碰到该道具，配合虚拟现实高沉浸感的图形、声音输出，产生真实的触感。

如图1中是本发明的应用，用户穿戴上vr设备后，站立于输送设备1环形圆心，并连接可转动固定支架4从而使用户能在避免摔倒的同时方便运动。输送单元9上设置有载物台3，载物台3上根据用户体验的虚拟场景设置有对应的道具2；输送设备1上的输送单元9可以根据需求增减；对输送单元进行编号，虚拟现实系统的控制服务器中存储有对应输送单元编号信息、每个输送单元上设置的道具信息，以及每个道具与虚拟场景中物品的对应关系(因为道具并不一定是真实物品，为了减少道具的投入成本，只需要设定在触觉上比较有代表性的几类道具即可，虚拟场景中的物品可以以多对一的方式关联到道具)。

如图2所示，动作捕捉设备实时捕捉用户身体关节的转动数据并传送至虚拟现实系统的控制服务器，虚拟场景的方位与现实的方位在控制服务器中通过数据转换实现完全同步；这样虚拟场景中的物体和现实中的人的位置关系就可以用同样的量来描述。对即将发生触碰的判定可以结合人体关节前进方向、速度、身体边缘与虚拟场景中物体的距离阈值(可设定)来判定；当控制服务器结合用户身体关节的转动数据与虚拟场景中的虚拟物品位置(坐标)，判断即将与虚拟物品发生触碰时，控制服务器就会向输送设备发送指令；输送设备上的滑座驱动组件、平移组件、垂直移位组件就会协作将相应道具2输送至指定的坐标位置；

如图3中，p、m、n为3个道具；d1、d2为虚拟物体位置；f为圆环导轨中心，也是用户站立的位置。当控制服务器判断用户与d2位置虚拟物品即将发生触碰时，控制服务器调取数据查询到对应的道具为p，则向输送设备发出将p输送至d2位置的指令；

各个输送单元的位置坐标由位置传感器实时获得，这里需要结合该道具p当前所处位置与d2的坐标运算获得道具p的运动轨迹，运算过程可以在控制服务器中完成也可以在输送设备上设置单片机来完成。本实施方式采用后一种方式获得(可以减少数据传送距离)。运算获得p的运动轨迹并向驱动组件发送信号驱动输送单元9运动：滑座驱动组件驱动滑座5沿圆环导轨逆时针转动150°，道具p所在的输送单元9转动到d1位置(d1、d2、f三点在水平面上投影在一条直线上)，道具p再由该输送单元9上的平移组件和垂直移位组件配合输送至d2位置。然后用户触碰到该道具，配合虚拟现实高沉浸感的图形、声音输出，产生真实的触感。

可知，传输设备的传输速度需要相当快才能保证用户能够及时获得触感刺激。因此，当接下来控制服务器根据接收的用户身体关节的转动数据，判断用户不会与虚拟物品发生触碰时，则虚拟现实系统的控制服务器向输送设备发送指令将道具输送至初始位置，也就是道具p所在的输送单元9上的平移组件和垂直移位组件配合将道具p输送至d1位置即可，就不需要返回图3中p所在位置了，这样可以避免很多无效的动作，提高反应速度，减少消耗。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，本实施方式实例了一种输送设备；如图4、图5所示，所述输送设备1包括圆环导轨6、滑座5、滑座驱动组件7以及若干输送单元9；所述圆环导轨6设置在用户周围；用户身体位于该圆环的圆心处；

每一所述输送单元9上设置有一个载物台3(载物台也可以替换为夹子、机械爪等)，载物台3上设置有道具2，所述输送单元9上设有平移组件和垂直移位组件(类似机械臂)；平移组件用于驱动载物台3在圆环与圆心之间的水平位移，垂直移位组件用于驱动载物台3的垂直位移；所述输送单元9底部固设在滑座5上；所述滑座5套设在所述圆环导轨6上，所述滑座5与导轨之间设置有滑轮8；该滑座5能够在滑座驱动组件7的驱动下沿圆环导轨6高速转动，并带动所述输送单元9同步转动；本实施方式中的滑座驱动为电动机。

其他步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，圆环导轨6可以设置多个，各个圆环导轨6同心设置，每个圆环导轨6上设置的输送单元9输送不同类型的道具。如图6中所示，由内而外，第一个圆环导轨6上的输送单元9上设置了常规的可触摸物体道具，第二个圆环导轨6上的输送单元9上设置了难以触摸的物体，如风、雨、雪等；不过不同于普通的道具，这类难于触摸的物体需要依靠别的设备产生，并保持动态，比方说风可以使用鼓风机，雨可以采用喷枪，雪采用雪花机，同时注意判断位置关系时，应该保证是“风”、“雨”、“雪”与用户接触，而不是鼓风机、喷枪、雪花机。第三个圆环导轨6上的输送单元9上设置了不可触摸的物体，如阳光(可用日光灯)、冷热温度(空调、暖风机、冷气机)等；使人有真实的触觉和冷热感觉，使虚拟更加真实。

其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域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。