目標支配的用戶界面的製作方法
2023-11-02 16:43:37
專利名稱：目標支配的用戶界面的製作方法
1．發明領域本發明涉及計算機方面，特別是計算機遊戲，模擬，和機器人的控制領域。
2．相關技術說明用戶通過不同的用戶界面互用和控制計算機遊戲及模擬。一個常見的用戶界面使用有一個或多個按鈕或觸發器的操縱杆。用戶可以控制一個遊戲件的模擬運動，例如計算機屏幕上的動畫形象，用戶可通過傾斜操縱杆的方向指向用戶希望遊戲件移動的方向。同樣的，用戶在控制模擬飛機的飛行中傾斜操縱杆就相當於控制真正飛機的移動。操縱杆也被普遍的應用為遙控設備的輸入裝置，例如飛機模型，工廠用移送電梯，等等。隨著機器人領域的長足發展，更多的裝置和器材要被遙控，這種遙控主要是通過用戶和被控裝置之間的計算機界面。
另一個常見的計算機界面裝置是滑鼠。儘管滑鼠在與電腦程式如文字處理和電子表格進行交互上非常方便，但在某種程度上它作為遊戲，模擬，和遙控的界面裝置的使用上是有限的。傳統上講，滑鼠是通過選擇選項菜單來控制裝置的。比如說，用戶可以指向屏幕上顯示的一個控制的動畫，並點擊這個控制的不同位置產生不同的動作。在遊戲或模擬中，用戶可以點擊一個動畫形象並把它拖拉到一個新的位置，但這種同步轉換與大多數遊戲和模擬力求實現生動形象的運動效果不相符合。鍵盤上的觸摸板和方向箭標也是常用的和滑鼠特徵類似的界面。
計算機遊戲或模擬的用戶界面在涉及到控制可被單獨移動的形象和物體時相當麻煩。傳統上講，一個單一的動作向量與用戶界面控制相關。比如，用戶控制一個模擬的桌球拍，模擬桌球的運動直接受控於桌球拍的運動和位置。同樣，一個用戶控制模擬飛行器的運動時，通過適當的模擬飛行器定位，然後在此方位觸動飛彈發射，來控制模擬飛彈的軌道。然而，有些真實的遊戲或事件，並不遵守這種模擬範例。一個足球運動員並不是只有在與他行進方向同向時才能傳球。一個飛行員可以向與飛機飛行方向不同的方向發射飛彈。如果計算機遊戲和模擬要表達的是一個生物形象，那他必須要支持形象和物體的獨立動作控制。在傳統的計算機遊戲和模擬中，獨立的動作控制要通過環境轉換鍵來實現。比如說，有了雙重控制，要麼它是兩個分立的操縱杆，要麼是屏幕上顯示的兩個分立的控制。其中一個操縱杆或控制用於控制，如控制足球運動員的動作，而另一個用來控制足球的傳遞。假若只有一個操縱杆或控制可用，用戶通過另一個控制從單一操縱杆或控制收到的輸入解碼的開關，起用獨立控制。這個明顯的環境轉換開關，或者是屏幕上第二個控制區的開關，會是一個不協調的分心物幹擾預想逼真姿態的模擬。
發明簡述此發明的目標是提供一個使用方便並能使動畫形象和物體有生動形象運動的用戶界面。此發明更進一步的目標是提供一個不需要非連續的環境轉換的獨立控制多個形象和物體運動的用戶界面。
這些目標及其它目標的實現是在注意到，在很多情形中，一個欲達目標的識別與直接控制物體趨向目標的動作同等重要。也就是說，比如有些遊戲的挑戰在於控制一個武器去攻擊目標，而另一些遊戲的挑戰在於有效的選擇目標。在足球賽中，一個遊戲可能挑戰用戶調動球員通過錯綜複雜的阻礙的能力，而另一個遊戲可能挑戰用戶選擇何時傳球，和傳球給誰的能力。在很多現實生活的情況中，遊戲者自覺的選擇一個目標，本能和訓練影響了達到目的的方式。也就是說，足球隊中的後衛知道在每一場比賽的關鍵時刻他該在哪裡。大多數後衛向給定目標的運動是當他迂迴於對手之間時產生的相對的不自覺的思維。自覺的思維是當情況出現後導致球員改變目標時才有的。
依據此發明，用戶通過識別物體運動的目的或目標來控制遊戲或模擬，而不是直接控制那個運動。被控制的物體在其向明確目標的運動中虛擬的自行運作。為確保其真實，被控物體遵照動作規則，例如慣性效果，還有與其他物體接合的規則，例如躲避，碰撞，等等。隨著模擬遊戲的發展，用戶可以調整目標，由此模擬在真正遊戲中出現的判決過程。通過識別目的或目標，而不是被控物體的實際運動，用戶界面固有的更適合於使用滑鼠和觸摸板的交互作用。例如，在一個足球場的顯示面上，用戶用滑鼠指向被控後衛的目標位置。在點擊那個位置後，模擬的後衛以一種實質上的獨立方式向那個位置前進。
據此發明的另一方面，用戶靠獨立地識別每個物體的目標控制獨立物體的動作。在足球賽中，用戶指定足球的目的位置來控制足球的動作。當用戶開動一個開關，象是滑鼠開關或觸發器，在目的位置，帶球的模擬球員把足球扔向目的位置的方向。這個模擬的足球向目的位置前進，並依據動作規則，空氣動力學，接合，等等。注意足球目的位置的選擇同帶球者目標位置的選擇是獨立的。輸入裝置上的每個按鈕或開關都與一個被控物體相關。比如，點擊滑鼠的左鍵可識別帶球者的目標位置，點擊滑鼠的右鍵可確定足球的目標位置。
本發明的另一個實施例中，目標支配的用戶界面是用來控制物質的物體，象是工廠環境中的半自動機器人。另一個實施例中，用戶是與物質的環境交互作用，而不是計算機屏幕，來識別這些物質物體的目標。
圖1說明了一個依據此發明的控制物體運動的用戶界面的例子。
圖2說明了一個依此發明的一個拋射物體的運動過程的例子。
圖3說明了一個依此發明的一個自行推進物體的運動過程的例子。
圖4說明，依據此發明，通過對兩個目標位置的識別的兩個運動著物體的獨立控制。
圖5說明了一個依此發明的一個用來實現物體運動的控制器的框圖例子圖6說明了一個依此發明的一個實現物體運動的流程圖。
發明詳述圖1說明了一個依據此發明的用戶界面的例子。這個界面是由一個通過控制器180連接在屏幕100上圖像110的輸入裝置190組成。圖像110代表一個坐標空間內的範圍。圖1所示的是兩個在坐標空間內的物體，物體1131代表一個足球，物體2132代表一個帶球的人。如計算機模擬領域中常見的，圖像110隨著相對不變的時間遞增而更新。每一次時間的增加，物體131和132的位置也在不斷的調節著，相應於一個物理元素的距離，例如代表一個真正球員的物體132，會隨著時間的增加移動。
依據此發明，要扔足球131，一個用戶(沒有顯示)用輸入裝置190在足球131被扔的坐標空間內來識別一個目標位置120。根據足球131的位置和目標位置120，控制器180決定足球131隨後的運動目標方向125。在每個隨後的時間增量，足球131沿該目標方向125運動。如果帶球者132有一個原定運動方向150，控制器180會繼續沿著原定方向150漸增移動帶球者132。足球131將會持續移向目標方向120，而不需要用戶的更多的直接控制。
在一個最佳實施例中，依據一個真正足球的運程模型或系列模型，控制器180會在足球131向目標位置120的線路上穿過時運用動作規則。比如說，足球的高度會是一個拋物線，足球在空氣中前進的速度將繼續降低，如果它遇到障礙物，足球的速度和路線會突然改變，象遇到一個對方球員，或是場地，如果它的高度降低到零時。動作規則也可能要依賴於帶球者132的特性。帶球者132可能是建立在一個真正足球運動員的模型之上，就象最初的足球速度和軌跡正確性是根據真正足球運動員的以往表現的採樣。同樣的，速度和軌道的正確性可能是足球131被扔出時帶球者132的狀態的一個函數。比如說，當足球131被扔出時帶球者132是固定的，那這時速度和準確性就可能很高。同樣，如果帶球者132正被趕上來的對方球員包圍著，那這時的準確性就可能很低。在一個最佳實施例中，程控的控制器180會啟用這些和其他類似的規則，還有隨機因素來實現對屏幕上的遊戲的真實模擬和表達。
在一個最佳實施例中，動作規則依賴於被移動的物體。圖2表明一個拋射物體的運動過程，如足球131，圖3表明一個自行運動的物體的運動過程，如帶球者132。在圖2中，目標位置121是足球131的預定目標位置；在圖3中，目標位置122是帶球者132的預定目標位置。也就是說，圖2代表一個途經場景，圖3代表一個跑步場景。圖2和圖3所顯示的是存在於物體131,132和目標點121,122的位置和目標方向125之間的一個障礙物160。每一次時間增值，控制器180沿著目標方向125移動物體131,132，使物體131,132和障礙物160之間的距離減少。在這些時間增值期間，障礙物160，及其他障礙物和球員，也可以由控制器180移動。
根據圖2，在某些時間點，足球131與障礙160相撞，它的速度和路線會突然改變。圖2所示的是由於足球131和障礙160的碰撞，足球131向不同方向141的偏斜。或者是，控制器180可形成障礙160對足球131的中途阻截，就是說足球131的繼後運動與障礙160的繼後運動一致。
根據圖3，在某些時間點，帶球者132會去接近障礙160。那麼，在同帶球者132有關動作規則的控制下，帶球者132會試圖躲避障礙160。例如，如圖3所示，控制器180可被程序化來造成一場聲東擊西的假象。帶球者132緩慢的向方向325移動並把障礙160帶向那個方向，然後向反方向326移動，直到可以毫無阻礙的向目標方向行進，朝向一個新的物體方向142。注意通過提供包括特定類型物體的正常反應的動作規則，就像一個帶球者的直覺反應，控制器180可以實現一個真實表現的遊戲，而沒有由於要求用戶明確表明這種直覺反應或自動答覆的典型的中斷。在一個最佳實施例中，用戶如果願意還可以選擇覆蓋自行運動物體自動運動的這項選擇。
如在本領域中常見的，控制器180，或另一個控制器，可以通過允許不同用戶控制不同物體來實現一個有多參與者的遊戲。例如，障礙160可以是一個對手控制的球員。為模擬一對一防衛，控制器180可讓對手明確一個變化的目標位置，就象是帶球者132的動態位置。目標位置與一個移動的目標物體相關，如每當目標物體的位置發生變化，目標位置也在更新。在這個例子中，障礙160的目標隨著帶球者132的移動方向而持續移動，甚至和帶球者132的運動一樣，由此模擬動作，如，在真正球賽中對立的衝撞。
圖4所示的是通過對兩個目標位置121,122的識別，兩個移動物體131,132的獨立控制。起初，物體132，代表帶球者，位於位置132a。用戶用輸入裝置190在圖像110的坐標空間內選擇一個位置122，並使那個目標位置122與物體132相關。在一個最佳實施例中，目標位置122的識別是通過被輸入裝置190，如滑鼠，觸摸板，操縱杆，等控制的指示器401來實現的，一個確定的物體與目標位置的聯繫是藉助於輸入裝置190上的開關S1,S2。注意屏幕100上的圖象110隻是作為一個在坐標空間內識別位置的參考平面。正如本領域常見的，其他識別坐標空間內的位置的方式也廣泛應用。例如，坐標空間可在「數碼白板」上體現，用戶可以藉助板上的雷射指示器識別目標位置。用戶可能處於一個虛擬實境環境中，靠儀器來感覺動作和姿勢。在這種環境中，用戶只需指向一個目標位置就可實現它的識別。這種輸入手段的結合也是本發明的範圍內。例如，用戶可能在一個真實的環境中用控制器上的指示器指示真實環境中的實際位置，從而識別目標位置。同樣的，輸入裝置上的開關可以被用來控制其他的不是被移動的物體，象模擬的環境狀況，或是象照明一樣的實際情況。總體而言，附加的開關可被用於控制控制器180的狀態。
在圖4中，當指示器401在預定的目標位置122時，用戶通過關閉輸入裝置190上的一個特定開關S2 192，使特定物體132與目標位置122相聯繫。在此之後控制器180會如上所述的把物體132移向目標位置122。因為物體131，足球，是分配給物體132，帶球者的，除非球被扔出，足球131與帶球者132是一致的。
在此後的一個時間點，當物體132,131位於132b,131a時，用戶給足球131選擇一個目標位置121，由此模擬了帶球者132移動球131。當指示器401′位於目標位置121時，目標位置121通過用戶關閉開關S1 191而足球131相聯繫。此後，物體132繼續沿著原定目標方向332移向目標位置122，如132c所示；物體131沿著目標方向331移向目標位置121，如131b所示。正如本領域中常見的，附加物體可被附加開關控制，或是通過開關的關閉組合而與特定物體相聯繫。
圖5展示的是控制器180的框圖例子。輸入處理器510收到輸入裝置190的輸入參數。在本領域中已知的，輸入處理器510把輸入裝置的移動和屏幕上指標的移動互相關聯，用以提供指標坐標與圖像坐標空間的對應。輸入處理器510還會識別輸入事件，包括開關關閉，並將輸入事件的時間和指標坐標相結合。輸入事件511被傳送到目標坐標決定器520。目標坐標決定器520響應開關關閉事件。當一個開關的關閉出現時，目標坐標決定器520分配一個新的目標位置，同開關關閉時指標所在的位置一致，給同那個關閉的開關有關的物體。目標坐標決定器520還持續識別任何其他物體目標位置的改變，例如對所有由控制器180直接控制的物體，如人對計算機遊戲中對立的參與者，或同移動著的目標物體相關的目標位置。物體識別器和目標位置521與障礙檢測器和方向決定器530通信。與障礙檢測器和方向決定器530相連的是一個生成時間事件561的時間增值生成器560。
每次時間增值，障礙檢測器和方向決定器530根據與每個物體相關的目標位置和每個物體的現時位置，決定每個物體的預期方向，並確定在每個物體和它的相應目標位置之間的路線附近是否有障礙。根據物體的類型，障礙檢測器和方向決定器將決定物體即將移往的方向。例如，如果物體是拋射的，躲避是不可能的；物體沿著它當前的方向移動直到碰到障礙。在碰撞時，障礙檢測器和方向決定器530根據以前提到的碰撞和動作規則為有關的物體決定產生新方向。如果這個物體是自行運動的，障礙檢測器和方向決定器530運用與此物體有關的碰撞和動作規則來決定適當的改變，如果有，向著物體的前進方向。為了前後一致，障礙檢測器和方向決定器530也運用其他影響物體方向的規則，如隨機因素的採用，空氣動力效應，等等。比如，如果物體是一個從運動著的飛行器發射出的飛彈，障礙檢測器和方向決定器530會算出飛彈的推力和原速度的向量和來決定飛彈向它的目標位置前進的更實際的路線。根據障礙的出現和適當的動作規則，障礙檢測器和方向決定器530傳達一個和每個物體相關的速度531到物體移動器540。速度531包括相關物體的運動方向和幅度。
物體移動器540依靠當前與每個物體相關的速度531改變每個物體的位置541。每個物體的位置541都被傳達到渲染屏幕100上的圖像110的顯示生成器550上。在下一個時間增值，時間增值生成器560啟動了一個計時事件561引起障礙檢測器和方向決定器530更新每一個物體的速度531。依據新的速度531，物體移動器540調節物體位置，一個新的圖像110也由顯示生成器550產生了。
有些優化可能會被上述過程影響。例如，物體移動器540可能只與自最後一個計時事件後被移動的物體位置541聯繫，顯示生成器只需要更新被移動物體附近的圖像。同樣的，目標坐標決定器520隻同改變了的目標位置521通信。需要定義一個從屬結構來把特定事件和特定物體聯繫起來，使得只有那些依靠特定事件的物體才被處理。例如，一個物體的速度可能被定義為常量直到它撞上了障礙物。障礙檢測器和方向決定器530不會再計算物體的速度531除非這樣的碰撞事件發生。這些和其他模擬優化技術在本領域是已知的。
圖6說明了一個依此發明的一個實現物體運動的流程圖的例子。每一個時間的增值，一個刷新的圖像被顯示在610上；通過循環620-650，圖像坐標空間內一個與物體運動一致的新的圖像產生了。為清晰起見，圖像內每個可移動物體都被顯示為是由循環620-650處理的，儘管以前提到的優化技巧會在知道程序段的輸出不被影響時產生一個或多個程序段的分流。
在620，物體的目標位置的任何改變都會被確定。如前所述，一個物體的目標位置可由用戶選擇來改變，或經過內部處理。在以上提及的一對一防衛的事例中，每當另一個物體的位置改變時這個物體的目標位置也會改變。在630，從物體的位置到它目標位置的方向是確定的。這是物體所希望的前進方向，由於障礙物，動作規則及其它，它不一定是可實現的或現實的方向。在640，物體實際的前進方向被確定。如以上所提到和如方塊642,644,646,648所說明的，物體前進的方向和幅度依賴於多個因素，每個被確定的因素都會影響物體行進時的真實感。在650，根據在640確定的速度，物體在增值的移動著。移動的數量取決於計算顯示圖像之間的時間增值時，在確定的速度下行進的距離。在所有的物體通過循環620-650被移動後，新的圖像在下一個時間增值時顯示出來，在610，重複程序610-650。
以上所述的只列舉是了本發明的原理。本領域的技術人員能在本發明的精神和範疇內，設計出在此沒有明確描述或表示出來的，體現本發明原理的不同方案。比如說，這個發明只是演示在一個計算機遊戲的環境中。本領域的技術人員可以理解這個目標支配的用戶界面能被運用到模擬的和實際中任何與移動物體有關的應用程式中。對工廠或辦公室中機器人的控制可通過指向每個機器人的預定目的地來實現，而不是通過控制每個機器人的特定動作。這個例子中的控制者要運用動作規則和障礙躲避，以便引用每個機器人的實際控制來達到目標位置。這個發明也在物體和目標位置之間的主要直線路線環境中展示過。正如一般技巧中常見的，通路形成算法，如迷宮路線算法，可以被用來決定在一個更加複雜的環境中的速度增值和物體運動。
權利要求
1．一種計算機界面，包括一個在坐標空間內選擇目標位置(120)的輸入裝置(190)，和一個控制器(180)，可操控連接在輸入裝置(190)上，實現物體(131)沿著目標方向(125)向目標位置(120)的運動。
2．如權利要求1的計算機界面，其中物體(131)在同原方向(150)實質不同的目標方向(125)上有一個原始的移動。
3．如權利要求1的計算機界面，其中控制器(180)包括一個障礙檢測器(530)，檢測物體(131)的位置和目標位置(121)之間的障礙(160)，一個方向決定器(530)，依據目標方向(125)和根據在物體位置(131)和目標位置(121)之間的障礙(160)決定物體方向(141)，和一個物體移動器(540)，依據物體方向(141)，遞增的調節物體(131』)的位置。
4．如權利要求1的計算機界面，其中輸入裝置(190)包括多個開關(S1,S2)多個開關(S1,S2)中至少一個開關(S1)和物體(131)相關，和多個開關(S1,S2)中的另一個開關(S2)和另一個物體(132)相關，和控制器(180)更進一步可操控連接在多個開關(S1,S2)上，作用至少另一個物體(132)的至少另一個運動，該至少至少另一個運動朝向至少另一個被選擇的與該至少另一個物體(132)有關的開關(S2)的關閉有關的目標位置(122)的方向(332)。
5．如權利要求1的計算機界面，進一步包括一個描述與坐標空間一致的圖像(110)的屏幕(100)，其中控制器(180)，根據與物體(131)相關的運動的規則影響物體(131)的運動以實現屏幕(100)上圖像(110)的真實渲染。
6．如權利要求5的計算機界面，其中控制器(180)根據與至少另一個物體(132)相關的動作規則實現該至少另一個物體(132)的運動以實現屏幕(100)上圖像(110)的真實渲染。
7．如權利要求1的計算機界面，其中輸入裝置(190)還包括了至少另一個開關，該另一個開關與控制器(180)的狀態有關。
8．如權利要求1的計算機界面，其中目標位置(121)與另一個位置可變的物體相關，和控制器(180)依據該另一個物體的可改變位置來改變目標位置(121)。
9．一種保存在計算機可讀媒介裡的電腦程式(180)，用來控制多個物體(131,132)的運動，多個物體中的每個物體在坐標空間內都有一個物體位置，電腦程式(180)包括在坐標空間內識別指示器(401)的坐標的裝置(510)，裝置(510)用來檢測多個輸入開關(S1,S2)的每個開關的關閉，多個輸入開關的每個開關與多個物體的各個物體相關，一個目標坐標決定器(520,620)，依據在檢測到與每個物體相關的各個開關(S1,S2)的關閉時指示器(401,401』)的坐標，決定與每個物體有關的多個目標位置的每個目標位置(121,122)，一個物體移動器(540,650)，在朝向與每個物體(131,132)有關的每個目標位置(121,122)的每個物體方向上遞增的調節每個物體的位置。
10．如權利要求9的電腦程式，還包含一個障礙檢測器(642)，識別與位於每個物體位置和相關的目標位置(121,122)之間的與每個物體的相關的障礙(160)，和一個方向決定器(640)，依據與每個物體相關的障礙改變每個物體的方向。
11．一種用於控制物體運動的方法，包括以下步驟定義一個坐標空間，有物體位置的物體在此坐標空間內，在坐標空間內識別一個與物體相關的目標位置(620)，在物體位置和目標位置之間確定一個方向(630)，基本上在物體位置和目標位置的之間的方向遞增的更改(640-650)物體位置。
12．如權利要求11的方法，還有以下幾個步驟確定在物體位置和目標位置之間的與物體相關的障礙(642)，和其中遞增的更改物體位置(640-650)的步驟可更進一步的依賴於與物體相關的障礙。
13．如權利要求11的方法，還包括如下幾個步驟識別與至少另一個物體相關的至少另一個目標位置(620)，確定在至少另一個物體位置和至少另一個目標位置之間的至少另一個方向(630)，基本上在至少另一個物體位置和至少另一個目標位置之間的至少另一個方向遞增地更改該至少另一個物體(640-650)的位置。
14．如權利要求11的電腦程式，其中物體移動器(650)基本上根據與每個物體(131,132)相關的規則調節每個物體位置，模擬與該物體相聯繫的物理物體的運動。
15．如權利要求11的電腦程式，其中目標坐標決定器(520,620)依據在坐標空間內的目標物體的位置，進一步確定多個目標位置中的至少一個。
16．如權利要求15的方法，還包括以下幾個步驟確定與物體相關的速度(648)，和其中遞增的更改物體位置(640-650)的步驟可更進一步的依賴於與物體相關的速度。
全文摘要
提供了一種用戶界面,它允許通過設備與多個物體的每一個相關的目標位置而控制多個物體的運動。目標位置的識別是通過與輸入設備的坐標指示器實現,目標位置與特定物體相關是通過與特定物體相關的輸入設備上的開關實現。在識別相關的目標位置後,物體朝向目標位置移向而不需要用戶的進一步輸入。在最佳實施例中,物體朝向目標位置的運動基於與其它物體或障礙物運動和碰撞規則,因而實現物體朝向目標運動的真實渲染。運動和碰撞的規則可以是運動物體的每種類型所特有的,並隨多個物體和障礙物之間互動而改變。
文檔編號G06F3/033GK1300388SQ99804218
公開日2001年6月20日 申請日期1999年10月27日 優先權日1998年11月20日
發明者K·E·馬蒂爾斯, J·D·沙菲爾 申請人:皇家菲利浦電子有限公司