一种基于虚拟现实技术的跑步训练系统的利记博彩app

本发明一种基于虚拟现实技术的跑步训练系统涉及运动健身、医疗康复，属于生物医学工程领域。

背景技术：

虚拟现实(virtualreality，vr)技术具有沉浸性、多感知、交互性、想象性等特征，在医疗、教育、娱乐等领域有广阔应用前景。传统的跑步机安置于室内，使得人在跑步锻炼时会感觉枯燥乏味。将虚拟现实技术应用于人在跑步机的训练，不失为解决这种困扰的现实可行的技术途径。钱克宠等人(钱克宠,胡维华.虚拟现实技术在跑步机中的设计与实现[j].计算机仿真,2009,26(5):259-261.)通过使用计算机图形图像技术构建3d场景，对人体进行运动识别做成模拟的人体3d的运动影像，构成融合了虚拟化身的大型三维跑步场景，实现健身者与虚拟场景之间的动态、实时的交互。李春丽等(李春丽,窦少兵,杨先军,等.智能跑步机上虚拟场景的设计与实现[j].仪表技术,2012(9):46-48.)利用计算机模拟的人工环境，制作虚拟场景，提取跑步时产生的各种运动参数(速度、里程、心率等)，作用于虚拟场景，实现健身者与虚拟环境的实时交互。

上述研究很好地将跑步者的运动与虚拟影像相融合，达到了人机交互的目的。但在实际使用中还有很多不便，如：1、需要使用多种传感器测量跑步者的各种运动状态，导线很多使跑步者多有不便；2、构建虚拟3d场景，实现人机交互，而最后呈现给跑步者的依然是2d影像，缺乏沉浸感；3、需要使用专门的跑步机和专用的影像播放设备，场地、专用设备固定，使用不方便，且使用成本较高。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于虚拟现实技术的跑步训练系统。该系统采用陀螺仪加速度计来采集跑步者单腿变化的角度信号，将该信号传输给计算机，计算机将变化的角度信号转换成跑步速度变化信号，再换算成控制视频图像变化的播放帧数，计算机运算并控制视频播放速度，计算机与vr眼镜上的手机连接，使装有手机的vr眼镜与计算机同步播放视频影像。该系统能将装有手机的vr眼镜应用于传统跑步机，不限场地、设备灵活、操作简便，实现虚拟与现实完美结合，使跑步者感觉置身于自然环境中，增强跑步的趣味性。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，提供一种基于虚拟现实技术的跑步训练系统，其特征在于该系统包括：跑步机、测速组件、装有信号处理及控制程序和视频影像的计算机、接收端蓝牙以及装有手机的vr眼镜。所述测速组件佩戴在跑步者的单腿或手臂上，包括陀螺仪加速度计、三端稳压芯片、发送端蓝牙、电池和电源开关。陀螺仪加速度计的串行数据输出端tx与发送端蓝牙的接收数据端rxd连接，陀螺仪加速度计的串行数据输入端rx与发送端蓝牙的发送数据端txd连接，发送端蓝牙与接收端蓝牙进行蓝牙无线通信；电池的正极通过电源开关与三端稳压芯片的输入端input连接，三端稳压芯片的输出端output同时连接在陀螺仪加速度计的vcc端和发送端蓝牙的电源输入端+5v，陀螺仪加速度计、发送端蓝牙及三端稳压芯片的gnd端均接在电池的负极；陀螺仪加速度计、三端稳压芯片、发送端蓝牙、电池和电源开关均集成在一块电路板上；测速组件通过发送端蓝牙、接收端蓝牙与计算机进行蓝牙通信，接收端蓝牙插在计算机上，所述计算机同时与装有手机的vr眼镜上的手机通过wifi无线连接，所述手机和计算机上均安装有多屏互动软件的客户端；装有手机的vr眼镜佩戴在跑步者的头部。

与现有技术相比，本发明一种基于虚拟现实技术的跑步训练系统的有益效果是：

将虚拟现实技术(vr)应用到传统的跑步机训练中，使室内锻炼者可以融入到虚拟自然环境中，增强户外运动的真实感，实现人与虚拟环境的直观自然地交互。当跑步者在跑步机上跑步时，眼前掠过的风光如同在室外跑步时一样。随着跑步者跑步速度快慢的变化，眼见的风景移动速度也会随着跑步速度的变化而变化。本发明系统小巧实用，而且灵活轻便，不会对跑步者造成不必要的负担。

本发明一种基于虚拟现实技术的跑步训练系统突出的实质性特点是：

1)在传感器的使用上，通过一个陀螺仪加速度计采集跑步者腿部改变的角度信号，控制视频影像播放速度。测速组件使用起来小巧轻便、简易实用、易携带，不会增加跑步者的负担。

2)跑步者在跑步训练时，使用头戴式装有手机的vr眼镜4作为影像播放器，产生3d的影像。跑步速度的变化信号，经过计算机3数据处理，进而改变影像每秒钟播放的帧数数量，达到改变视频播放速度，使在室内使用跑步机的人，有置身于室外环境中跑步的感觉。

3)各设备之间信号无线传输，在信号覆盖的范围内，计算机3可以灵活放置。不局限于某一台跑步机，使用范围更广。由于跑步的时候跑步者头戴着装有手机的vr眼镜，出于安全考虑，最好使用装有扶手的跑步机。

附图说明

图1本发明一种基于虚拟现实技术的跑步训练系统的硬件结构框图；

图2本发明一种基于虚拟现实技术的跑步训练系统实例的测速组件的电路连接图；

图3本发明一种基于虚拟现实技术的跑步训练系统的信号处理及控制程序的程序流程图；

图中，1跑步机、2测速组件、3计算机、4装有手机的vr眼镜、5陀螺仪加速度计、6发送端蓝牙、7电池、8三端稳压芯片、9电源开关、10接收端蓝牙。

具体实施方式

下面结合实例及附图进一步介绍本发明，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。

本发明一种基于虚拟现实技术的跑步训练系统(简称系统，参见图1-3)包括：跑步机1、测速组件2、装有信号处理及控制程序和视频影像的计算机3、接收端蓝牙10以及装有手机的vr眼镜4。所述测速组件2(参见图2)佩戴在跑步者的单腿或手臂上，包括陀螺仪加速度计5、三端稳压芯片8、发送端蓝牙6、电池7和电源开关9。其电路连接：陀螺仪加速度计5的串行数据输出端tx与发送端蓝牙6的接收数据端rxd连接，陀螺仪加速度计5的串行数据输入端rx与发送端蓝牙6的发送数据端txd连接，发送端蓝牙6与接收端蓝牙10进行蓝牙无线通信；电池7的正极通过电源开关9与三端稳压芯片8的输入端input连接，三端稳压芯片8的输出端output同时连接在陀螺仪加速度计5的vcc端和发送端蓝牙6的电源输入端+5v，陀螺仪加速度计5、发送端蓝牙6及三端稳压芯片8的gnd端均接在电池7的负极；陀螺仪加速度计5、三端稳压芯片8、发送端蓝牙6、电池7和电源开关9均集成在一块电路板上。测速组件2通过发送端蓝牙6、接收端蓝牙10与计算机3进行蓝牙通信，接收端蓝牙10插在计算机3的usb接口上。所述计算机3同时与装有手机的vr眼镜4上的手机通过wifi无线连接，且手机和计算机3上均安装有多屏互动软件的客户端，手机和计算机3开启多屏互动软件，就可以在手机屏幕上看到与计算机3屏幕上显示的相同图像。

测速组件2中的陀螺仪加速度计5采集跑步者单腿变化的角度信号，每10ms通过发送端蓝牙6给计算机3发送信号，计算机3通过接收端蓝牙10接收信号。经计算处理后将该角度信号换算成视频图像变化的播放帧数，控制视频播放速度，计算机3与vr眼镜4上的手机通过wifi无线连接，实现同步播放视频影像。

本发明系统的进一步特征在于，所述测速组件还包括有盒子，集成有陀螺仪加速度计5、三端稳压芯片8、发送端蓝牙6、电池7和电源开关9的电路板被固定在包装盒内。电池7为12伏可充电电池，陀螺仪加速度计5的型号为mpu-6050，发送端蓝牙6的型号为hc-05。

本发明系统中所述的跑步机1、计算机3、装有手机的vr眼镜4均为现有设备。跑步机1、测速组件2、计算机3、装有手机的vr眼镜4，这四大硬件设备皆各自独立运行，互不牵扯，之间的信号传输均为无线传输。所述测速组件2的大小与手掌差不多，重量为200克左右，可以绑在脚踝或手臂等肢体上，并且不妨碍运动。

本发明一种基于虚拟现实技术的跑步训练系统，需要在有wifi的环境下运行，具体信号处理及控制程序的程序流程是：

步骤一：清除历史数据，预设参数，所述参数包括跑步者腿长和循环次数n；

步骤二：驱动接收端蓝牙10所插接的计算机usb接口的开启程序，计算机3接收跑步者直立佩戴测速组件时陀螺仪加速度计5采集的角度信号，该角度信号以二进制信号形式输入进计算机，计算机接收到该角度信号后，根据陀螺仪加速度计5的角度计算公式(该公式明确记载在陀螺仪加速度计5的说明书上)求出初始角度；

步骤三：跑步者开始运动，计算机3每δtms接收一次陀螺仪加速度计5采集的角度信号，计算机3会持续接收n次由陀螺仪加速度计5提供的信号，共得到n组数据；再根据陀螺仪加速度计5的角度计算公式求出当前时刻的角度，得到固定间隔变化的、有周期的、有峰值的离散角度值，且记录采集n组数据的时间为t，t＝δt*n，单位ms；所述δt与具体使用的陀螺仪加速度计的型号有关；

步骤四：计算迈步步长和向前迈步的次数：

将步骤三求出的全部当前时刻的角度减去步骤二求得的初始角度，得到一组相对角度，在相对角度中选取最大值θ，θ的单位为度，再结合已知的跑步者腿长，经过三角函数和勾股定理的计算，得到该最大值下对应的最大的迈步步长；

设定角度偏差范围为[θ-10,θ]，当在时间t内记录的当前时刻的相对角度在此角度偏差范围内，记为人腿向前迈了一步，统计时间t内在此角度偏差范围内的相对角度个数，该相对角度个数即为人腿向前迈步的次数；

步骤五：计算跑步速度：

用步骤四计算得到的迈步步长除以采集n次数据的时间t，再乘以向前迈步的次数，得到跑步者的跑步速度；

步骤六：速度限制：

设定速度限制为0.5-1.5m/s；当速度变化量，即步骤五得到的两次跑步速度的差值，超过速度限制时，将跑步的速度换算为新的播放帧数，控制计算机3中视频播放速度，执行步骤七；当速度变化量未超过速度限制时，仍以原帧数播放视频，返回执行步骤三；设置为0.5-1.5m/s的速度限制使有一个弹性区间，这样不会因为跑步者短暂的突然地增速或者减速而改变视频播放的快慢；实际实验中，选择速度限制为1m/s；

步骤七：当超过速度限制后，手机会弹出一个新的视频的播放窗口，点击播放按钮就可以新的播放速度播放视频，返回步骤三。

本发明系统中n设为15-30，循环次数越多，跑步运动的时间越长。

本发明一种基于虚拟现实技术的跑步训练系统的使用方法是：在wifi环境中，首先，跑步者将测速组件2固定在单侧小腿上，头部带上装有手机的vr眼镜4，打开测速组件2上的电源开关9，同时打开用以信号处理及控制并装有视频影像的计算机3，原地站立3秒钟，以便读取初始角度值；然后，跑步者开始在跑步机1上跑步，陀螺仪加速度计5采集到跑步者单腿移动的角度信号之后，通过蓝牙无线传输到计算机3进行数据处理，得到每秒的播放帧数，用以控制播放视频速度；手机和计算机通过多屏互动同步播放视频影像，跑步者在装有手机的vr眼镜4上，看到与跑步速度相对应播放的3d“沿途风光”影像；跑步完成后，关闭测速组件2上的电源开关9，关闭计算机3，解开测速组件2。再次使用时，开启程序会自动清除历史数据。

本发明一种基于虚拟现实技术的跑步训练系统的视频播放应用多屏互动软件(手机屏幕与计算机屏幕的互动，使计算机屏幕图像投影到手机屏幕上。应用多屏互动软件需要在wifi的环境中使用。)技术，控制手机与计算机3同步播放视频影像。将手机放入vr眼镜中，通过光学转换，平面视频将变为3d的效果。这里所述的多屏互动软件为现有软件。

本发明系统在采集角度信号时，可以将测速组件2佩戴在单腿或手臂的任意位置，考虑了跑步者每一步的迈步差异，选取了小于最大值10度的范围为角度偏差范围，在这个角度偏差范围内都看作人腿迈向前的最大相对角度，统计这个角度偏差范围内的相对角度个数。当n＝20时，将采集的20个相对角度数值点连成线，会形成类似正弦形式的波形，最高的波峰就是这组数据中的最大值，用这个最大值求得迈步的步长。每个波峰的数值都不一样，所以设置一个角度偏差范围，到达这个角度偏差范围内就算一次迈步，这样就可以找到所采集时间内到达波峰的次数，波峰的多少就是迈步的次数。

本发明所涉及的元器件均可通过商购获得，未述及之处适用于现有技术。