DE102017120779B4 - System zur Darstellung einer virtuellen Umgebung für einen Nutzer - Google Patents

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Abstract

System zur Darstellung einer virtuellen oder gemischt-realen Umgebung für einen Nutzer (30) mit
1.1 einer Brille zur Darstellung der virtuellen und/oder gemischt-realen Umgebung, die von dem Nutzer (30) getragen werden kann;
1.2 einem Fußboden (10);
1.3 wobei auf dem Fußboden (10) eine Mehrzahl von verschiebbaren Segmenten (20) angeordnet ist, auf denen der Nutzer (30) stehen und sich bewegen kann;
1.4 wobei der Fußboden (10) als elektromagnetischer Flächenmotor ausgebildet ist, der die Segmente (20) individuell in verschiedene Richtungen verschieben kann;
1.5 Mitteln zum Erfassen der Bewegung der Füße des Benutzers (30);
1.6 einer Steuerung für die Bewegung der Segmente (20);
1.7 wobei die Steuerung die Segmente (20) abhängig von Bewegungen der Füße des Nutzers (30) derart verschieben kann, dass der Nutzer (30) stets in einem vorgegebenen Bereich auf dem Fußboden bleibt.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein „Virtual Reality“ (VR) oder „Augmented Reality“ (AR) System. Derartige Vorrichtungen dienen vorwiegend dazu, für den Nutzer eine Umgebung zu simulieren, in die er aus praktischen Gründen (z.B. Sicherheit, Kosten, Entfernung o.ä.) nicht real gelangen kann, oder seine reale Umgebung mit virtuellen Elementen zu ergänzen. Vielfach dient so eine Vorrichtung zu Unterhaltungs- oder Ausbildungszwecken.
  • Stand der Technik
  • Kernelement der meisten VR-Systeme ist eine sogenannte Virtual-Reality-Brille, die typischerweise als VR-Brille abgekürzt bezeichnet wird. VR-Brillen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Damit kann dem Nutzer das „Eintauchen“ in eine virtuelle Welt simuliert werden. Allerdings haben derartige Systeme große Einschränkungen, was die Bewegungsmöglichkeiten des Nutzers in dieser virtuellen Welt betrifft. Typischerweise kann der Nutzer seine Orientierung innerhalb gewisser Grenzen ändern, aber nicht aktiv seinen Standort durch größere eigene Bewegungen (über bestenfalls wenige Meter hinaus) verändern. Im Gegenteil, auch bei Positionsänderungen innerhalb der virtuellen Umgebung muss der Nutzer in der realen Welt im Wesentlichen regungslos an seinem ursprünglichen Standort stehen bleiben. Der Realitätsgrad der Simulation bleibt so eingeschränkt, insbesondere in Situationen, in denen der Nutzer in der virtuellen Umgebung „zu Fuß“ unterwegs ist.
  • Für den „Augmented Reality“-Einsatz werden sogenannte AR-Brillen verwendet, die auch aus dem Stand der Technik bekannt sind. Für diese gelten grundsätzlich vergleichbare Einschränkungen.
  • Ebenso sind Laufbänder aus dem Stand der Technik bekannt, mit denen dem Nutzer ermöglicht wird, mit einem halbwegs natürlichen Bewegungsablauf zu laufen oder zu gehen, ohne seine tatsächliche Position zu verändern. Derartige Vorrichtungen kommen vor allem im Fitness-Bereich bzw. bei medizinischen Untersuchungen zum Einsatz. Teilweise sind diese Geräte auch mit einem Bildschirm ausgestattet oder verbindbar, um dem Nutzer zumindest andeutungsweise zu suggerieren, er laufe durch eine Umgebung seiner Wahl. Eine brauchbare Darstellung einer virtuellen Welt wird durch ein solches System jedoch nicht erreicht. Vielfach muss sich der Nutzer beispielsweise an einem Griff festhalten, um eine optimale Bewegung des Laufbandes zu erreichen, was den Simulationseindruck nachhaltig stört. Zudem ist eine Bewegung des Nutzers nur in Vorwärtsrichtung (oder bestenfalls noch rückwärts) möglich - natürliche Bewegungen in der virtuellen Umgebung können auf diese Weise nicht real erlebbar gemacht werden.
  • Aufgabe
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein VR-System anzugeben, das das Bewegungsempfinden des Nutzers in der virtuellen Welt verbessert.
  • Lösung
  • Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstands des unabhängigen Anspruchs sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.
  • Die Verwendung der Einzahl soll die Mehrzahl nicht ausschließen, was auch im umgekehrten Sinn zu gelten hat, soweit nichts Gegenteiliges offenbart ist.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird ein System zur Darstellung einer virtuellen oder gemischt-realen Umgebung für einen Nutzer vorgeschlagen, mit einer Virtual-Reality-Brille und/oder Augmented-Reality-Brille, die von dem Nutzer getragen werden kann, und einem Fußboden, wobei auf dem Fußboden eine Mehrzahl von verschiebbaren Segmenten angeordnet ist, auf denen der Nutzer stehen und sich bewegen kann, wobei der Fußboden als elektromagnetischer Flächenmotor ausgebildet ist, der die Segmente individuell in verschiedene Richtungen verschieben kann. Das System hat ferner Mittel zum Erfassen der Bewegung der Füße des Benutzers, sowie eine Steuerung für die Bewegung der Segmente, wobei die Steuerung die Segmente abhängig von Bewegungen der Füße des Nutzers derart verschieben kann, dass der Nutzer stets in einem vorgegebenen Bereich auf dem Fußboden bleibt.
  • Der Nutzer kann entweder eine Virtual-Reality-Brille oder eine Augmented-Reality-Brille tragen. Möglich ist auch eine Brille, die beide Modi darstellen kann. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass eine Augmented-Reality-Brille zusätzlich mit einem Flüssigkristall-Shutter versehen wird. Ist der Shutter geöffnet, wirkt diese Brille wie eine übliche Augmented-Reality-Brille. Ist der Shutter geschlossen, kann über die Fähigkeit einer Augmented-Reality-Brille, Daten einzuspielen, eine vollständige virtuelle Umgebung simuliert werden.
  • Die Segmente des Fußbodens bewegen sich dergestalt, dass der Nutzer des VR-Systems das Gefühl hat, er könne laufen und sich frei in jede Richtung bewegen. Bewegt der Nutzer sich in entsprechender Weise, reagiert die Steuerung und bewegt mittels des Flächenmotors die Segmente derart, dass der Nutzer einen vorgegebenen begrenzten Bereich, in dem er vom System erfasst werden kann, nicht verlässt. Dazu muss das VR-System feststellen, in welche Richtung der Nutzer sich bewegt, und diese Bewegung mit dem Fußboden und den darauf befindlichen Segmenten, auf denen der Nutzer steht, gerade wieder kompensieren. Dabei müssen allerdings auch ausreichend viele benachbarte Segmente bereitgestellt und mitbewegt werden, so dass der Benutzer seine Bewegung ausführen kann, ohne einen mit Segmenten belegten Bereich des Fußbodens zu verlassen.
  • Um dies sicherzustellen, werden im Außenbereich des Fußbodens, also in einer gewissen Entfernung vom Standort des Nutzers, Segmente derart bewegt, dass dem Nutzer jeweils aus der Richtung, in die er zu laufen glaubt, neue Segmente zugeführt werden. In seiner momentanen Bewegungsrichtung hinter dem Nutzer „zurückgelassene“ Segmente werden dort abgezogen, um nach entsprechender Umleitung von „vorne“ wieder zugeführt zu werden. Im Falle einer gleichmäßigen Bewegung des Nutzers zirkulieren die Segmente also um den Nutzer bzw. um den Bereich herum, in dem sich der Nutzer bewegt, bzw. um die Segmente herum, auf denen sich der Nutzer bewegt.
  • Der Fußboden, der als elektromagnetischer Flächenmotor ausgebildet ist, ist dabei insbesondere so gestaltet, wie es in WO 2008/148513 A1 beschrieben ist. Die Segmente entsprechen von ihrer technischen Ausgestaltung her den Transportvorrichtungen aus der genannten WO 2008/148513 A1 . Insbesondere können die Segmente nicht nur individuell, sondern auch in Gruppen oder in ihrer Gesamtheit verschoben bzw. positioniert werden.
  • Dem Nutzer eines solchen VR-Systems wird also die Möglichkeit geboten, sich entsprechend der in der virtuellen Welt dargestellten Situation in der realen Welt natürlich zu bewegen. Insbesondere kann der Nutzer in beliebiger Richtung gehen, laufen, springen oder ähnliches, ohne damit die virtuelle Darstellung zu beeinträchtigen oder zu verlassen. Diese Bewegungen können ihrerseits in die Darstellung der virtuellen Welt integriert werden. Für den Nutzer ergibt sich der große Vorteil, dass er bei Bewegungen in der virtuellen Welt nicht den Eindruck hat, auf einer Plattform zu stehen, die sich in „magischer“ Weise mit ihm bewegt, sondern diese Bewegung wirklich selbst auslösen und ausführen kann.
  • Der Eindruck für den Nutzer wird verbessert, wenn die Mehrzahl von verschiebbaren Segmenten auf dem Fußboden derart angeordnet ist, dass unter dem Nutzer keine oder nur kleine Lücken zwischen den Segmenten auftreten. Insbesondere sollte der mit Segmenten bedeckte Bereich des Fußbodens unter dem Nutzer derart geschlossen sein, dass er für den Benutzer begehbar ist.
  • Um die Position der Füße und insbesondere die Bewegung bzw. Bewegungsansätze des Nutzers erkennen zu können, werden Controller,Markierungen bzw. Marker oder Sensoren bereitgestellt, die an den Fußgelenken des Nutzers angebracht werden können, wobei das System die Position und Bewegung der Controller, Marker oder Sensoren zum Erfassen der Bewegung der Füße des Nutzers registrieren kann. Die Controller, Marker bzw. Sensoren können hierzu wie bei handelsüblichen VR-Systemen ausgeführt sein und z.B. IR- oder Funktechnologie nutzen.
  • Alternativ können die Controller oder Marker oder Sensoren an Schuhen angebracht sein, die der Nutzer tragen kann.
  • Eine Möglichkeit, die Marker zu realisieren, wäre die Integration von Metall in die vom Nutzer getragenen Schuhe. Das Metall könnte mit den grundsätzlich vorhandenen Fähigkeiten zu Metalldetektion durch den Flächenmotor selbst detektiert werden. Auf diese Weise könnten die Bewegungen des Nutzers ebenfalls erfasst werden.
  • Eine weitere alternative Ausgestaltung hierzu weist mindestens eine Kamera auf, wobei die Bewegungen der Füße des Nutzers mittels der mindestens einen Kamera erfasst werden.
  • Damit der virtuelle und reale Bewegungseindruck für den Nutzer besonders flüssig erscheint, ist es vorteilhaft, wenn das System bereits den Ansatz einer Bewegung des Nutzers erkennen kann, wobei die Steuerung die Segmente abhängig von dem erkannten Bewegungsansatz derart verschieben kann, dass der Nutzer auch beim Ausführen der angesetzten Bewegung stets in einem vorgegebenen Bereich auf dem Fußboden bleibt.
  • Das Erkennen von Bewegungsansätzen wird dadurch erleichtert, dass das System den Druck, den der Nutzer auf die verschiebbaren Segmente ausüben kann, wenn er darauf steht, ortsaufgelöst erfassen kann, wobei das System aus den ortsaufgelösten Druckdaten den Ansatz einer Bewegung des Nutzers erkennen kann. Beispielsweise verschiebt sich der Schwerpunkt des Nutzers beim Ansetzen einer Bewegung in eine gewisse Richtung. Damit verschiebt sich auch der Druckschwerpunkt seiner Füße auf den Segmenten, bevor seine Füße mittels Ausführen von Schritten ihren Standort ändern.
  • Vorteilhafterweise werden zum Erfassen der ortsaufgelösten Druckdaten entweder die Segmente und/oder der Fußboden selbst (hier insbesondere die einzelnen Wandler) mit Piezosensoren und/oder kapazitiven Sensoren und/oder Induktionssensoren bestückt. Dabei müssen hinreichend viele dieser Sensoren mit hinreichend kleinen Abständen bereitgestellt werden, um die gewünschte Ortsauflösung zu erreichen, so dass z.B. Schwerpunktsverlagerungen des Nutzers ausreichend präzise erfasst werden können, um daraus den entsprechenden Bewegungsansatz erkennen zu können.
  • Die virtuelle Welt, die dem Nutzer simuliert wird, lässt sich noch realistischer gestalten, wenn der als elektromagnetischer Flächenmotor ausgebildete Fußboden auf einer Neigungsvorrichtung montiert ist, wobei die Neigungsvorrichtung zumindest um zwei Rotationsachsen, die in einer Ebene rechtwinklig zur Richtung der Schwerkraft angeordnet sind, Kippbewegungen ausführen kann.
  • Hierbei kann z.B. ein hydraulisches Bewegungssystem, wie es von Flugsimulatoren her bekannt ist, verwendet werden. Durch ein solches System lassen sich Steigungen, Schaukelbewegungen, schnelle Kurven, kurzzeitig veränderte Schwerkraft und Ähnliches simulieren - der Nutzer sieht (und hört ggf.) die Bewegung nicht nur, sondern fühlt auch entsprechende Kräfte.
  • Eine noch realistischer erscheinende Simulation einer virtuellen Umgebung lässt sich erreichen, in dem noch weitere Elemente der virtuellen Welt auch in der realen Welt fühl- und erlebbar gemacht werden. Dazu können sich auf den verschiebbaren Segmenten reale Objekte befinden, die dem Nutzer in der virtuellen oder gemischt-realen Umgebung begegnen können, z.B. ein Stuhl oder ähnliches. Begegnet der Nutzer dem Stuhl in der virtuellen Umgebung, kann er sich sogar real darauf setzen. Dies ist typisch für eine gemischt-reale Umgebung, auch „Augmented Reality“ genannt.
  • Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.
  • Ein Ausführungsbeispiel ist in der Figur schematisch dargestellt. Im Einzelnen zeigt:
    • 1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen VR-Fußboden-Systems.
  • Der Fußboden ist in 1 als elektromagnetischer Planar- bzw. Flächenmotor gemäß WO 2008/148513 A1 ausgebildet. Die Wandler dieses Flächenmotors sind in kachelförmigen Elementen 10 angeordnet. Auf diesem Fußboden laufen die verschiebbaren Segmente 20, die typischerweise als (passive) Läufer verwirklicht sind. Sie können beispielsweise auf Rollen gelagert sein, so dass sie Bewegungen in alle Richtungen ausführen können. Unterhalb des Nutzers 30 sind die Segmente 20 dicht an dicht angeordnet, also insbesondere derart, dass eventuelle Lücken maximal so klein bleiben, dass sie den Nutzer 30 nicht beeinträchtigen. Um diesen zentralen Bereich herum werden die Lücken üblicherweise größer sein, so dass die Segmente 20 zirkulieren können, um ggf. bei einer Bewegung des Nutzers 30 aus der Bewegungsrichtung neue Segmente 20 anzuliefern und hinter dem Nutzer die „zurückgelegten“ Segmente abzuführen.
  • Der Nutzer 30 ist mit einer VR-Brille 40 und Controllern 50 ausgestattet, die in handelsüblicher Form ausgeführt sein können. Mit dieser Ausrüstung kann der Nutzer in bekannter Weise die Simulation einer virtuellen Welt erleben und steuern. Die Positionen und ggf. Bewegungen von Kopf und Händen des Nutzers können von der Steuerung des Systems (nicht dargestellt) über die Position der VR-Brille 40 und der Controller 50 in bekannter Weise ermittelt werden. Die Positionen und ggf. Bewegungen der Füße des Nutzers können auf dieselbe Weise ermittelt werden, wobei in diesem Beispiel spezielle Schuhe 60 verwendet werden, welche ähnlich wie die Controller 50 ausgestattet sind.
  • Alternativ kann die Position der Füße oder von Extremitäten durch Sensoren oder Markierungspunkte, welche am Fuß oder den Extremitäten des Nutzers angelegt werden können, erfasst werden. Die Ortung dieser Sensoren bzw. Markierungen kann wie in einer VR-Umgebung üblich umgesetzt werden. Oder sie kann durch optische oder sonstige Erfassungen erfolgen.
  • Glossar
  • Augmented-Reality-Brille
  • Die Augmented-Reality-Brille (auch Datenbrille genannt) projiziert virtuell Informationen vor die Augen des Brillenträgers, während er weiterhin visuell nicht von der Außenwelt abgeschirmt ist. Von Brille zu Brille unterschiedlich, können z.B. Internetseiten angezeigt (Display bei Google Glass), aber auch „Hologramme“, d.h. 3D-Grafiken in das Sichtfeld projiziert werden (z. B. mit der Microsoft HoloLens).
  • Flächenmotor bzw. Planarmotor
  • Dabei handelt es sich um eine Verallgemeinerung eines Linearmotors, bei der z.B. der oder die Stator/-en so angeordnet sind, dass eine beliebige Bewegung von Mobilteilen (Läufern o.ä.) in zwei Dimensionen erreicht werden kann. Die Bewegung ist insbesondere nicht durch Führungen oder Schienen o.ä. eingeschränkt.
  • Flächenmotoren, wie sie hier zum Einsatz kommen, sind z.B. in der Druckschrift WO 2008/148513 A1 , welche hiermit durch Bezugnahme in diese Beschreibung integriert wird, detailliert beschrieben.
  • Gemischt-reale Umgebung
  • Eine gemischt reale Umgebung zeigt sowohl die reale Umgebung als auch zusätzliche virtuelle Elemente oder Informationen. Ein gebräuchlicher Ausdruck hierfür ist das englische „augmented reality“. Eine gemischt-reale Umgebung kann mit einer Augmented-Reality-Brille verwirklicht werden.
  • Segment
  • Unter einem Segment ist hier eine flache Platte in einer einheitlichen Größe zu verstehen, mit z.B. Rollen oder Rädern auf der Unterseite. Eine Mehrzahl dieser Segmente ist auf dem als Flächenmotor ausgebildeten Fußboden angeordnet, wobei die Segmente wie die Transportvorrichtungen aus WO 2008/148513 A1 funktionieren.
  • Virtual-Reality-Brille
  • Eine Virtual-Reality-Brille ist ein Head-Mounted Display (HMD, wörtlich „am Kopf befestigte Anzeige“), also ein auf dem Kopf getragenes visuelles Ausgabegerät. Es präsentiert Bilder entweder auf einem augennahen Bildschirm oder projiziert sie direkt auf die Netzhaut. Eine Virtual-Reality-Brille oder ein entsprechender Helm hat zusätzlich noch Sensoren zur Bewegungserfassung des Kopfes. Damit kann die Anzeige der berechneten Grafik an die Bewegungen des Nutzers angepasst werden. Als weitere Eingabegeräte können z.B. Datenhandschuhe oder eine 3D-Maus zum Einsatz kommen.
  • Bezugszeichen
    • 10
    Fußboden-Element
    20
    verschiebbares Segment
    30
    Nutzer
    40
    VR-Brille
    50
    Controller
    60
    Schuh
  • zitierte Literatur
  • zitierte Patentliteratur WO 2008/148513 A1

Claims (10)

  1. System zur Darstellung einer virtuellen oder gemischt-realen Umgebung für einen Nutzer (30) mit 1.1 einer Brille zur Darstellung der virtuellen und/oder gemischt-realen Umgebung, die von dem Nutzer (30) getragen werden kann; 1.2 einem Fußboden (10); 1.3 wobei auf dem Fußboden (10) eine Mehrzahl von verschiebbaren Segmenten (20) angeordnet ist, auf denen der Nutzer (30) stehen und sich bewegen kann; 1.4 wobei der Fußboden (10) als elektromagnetischer Flächenmotor ausgebildet ist, der die Segmente (20) individuell in verschiedene Richtungen verschieben kann; 1.5 Mitteln zum Erfassen der Bewegung der Füße des Benutzers (30); 1.6 einer Steuerung für die Bewegung der Segmente (20); 1.7 wobei die Steuerung die Segmente (20) abhängig von Bewegungen der Füße des Nutzers (30) derart verschieben kann, dass der Nutzer (30) stets in einem vorgegebenen Bereich auf dem Fußboden bleibt.
  2. System nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von verschiebbaren Segmenten (20) auf dem Fußboden (10) derart angeordnet ist, dass unter dem Nutzer (30) keine Lücken zwischen den Segmenten (20) auftreten.
  3. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 3.1 dass Controller oder Marker oder Sensoren bereitgestellt werden, 3.1.1 die an den Fußgelenken des Nutzers angebracht werden können; 3.2 wobei das System die Position und Bewegung der Controller oder Sensoren zum Erfassen der Bewegung der Füße des Nutzers (30) registrieren kann.
  4. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, 4.1 dass Controller oder Marker oder Sensoren bereitgestellt werden, 4.1.1 die an Schuhen (60) angebracht sind, die der Nutzer (30) tragen kann; 4.2 wobei das System die Position der Controller oder Sensoren zum Erfassen der Bewegung der Füße des Nutzers (30) registrieren kann.
  5. System nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch 5.1 mindestens eine Kamera; 5.1.1 wobei die Bewegungen der Füße des Nutzers (30) mittels der mindestens einen Kamera erfasst werden.
  6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 6.1 dass das System den Ansatz einer Bewegung des Nutzers (30) erkennen kann; 6.2 wobei die Steuerung die Segmente (20) abhängig von dem erkannten Bewegungsansatz derart verschieben kann, dass der Nutzer (30) auch beim Ausführen der angesetzten Bewegung stets in einem vorgegebenen Bereich auf dem Fußboden (10) bleibt.
  7. System nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, 7.1 dass das System den Druck, den der Nutzer (30) auf die verschiebbaren Segmente (20) ausüben kann, wenn er darauf steht, ortsaufgelöst erfassen kann; 7.2 wobei das System aus den ortsaufgelösten Druckdaten den Ansatz einer Bewegung des Nutzers (30) erkennen kann.
  8. System nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, 8.1 dass die verschiebbaren Segmente (20) und/oder der Fußboden (10) mit Piezosensoren und/oder kapazitiven Sensoren und/oder Induktionssensoren bestückt sind; 8.2 wobei diese Sensoren zum Erfassen der ortsaufgelösten Druckdaten dienen.
  9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 9.1 dass der als elektromagnetischer Flächenmotor ausgebildete Fußboden (10) auf einer Neigungsvorrichtung montiert ist; 9.2 wobei die Neigungsvorrichtung zumindest um zwei Rotationsachsen, die in einer Ebene rechtwinklig zur Richtung der Schwerkraft angeordnet sind, Kippbewegungen ausführen kann.
  10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf den verschiebbaren Segmenten (20) reale Objekte befinden, die dem Nutzer (30) in der virtuellen oder gemischt-realen Umgebung begegnen können.
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