基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的運(yùn)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

崔博

（寶雞文理學(xué)院 陜西 寶雞 721013）

近年來，隨著我國科技的迅猛發(fā)展，逐漸加快了大眾的生活節(jié)奏，使得很多人身體呈現(xiàn)亞健康狀態(tài)，越來越多的人渴求有很多的時間鍛煉身體。因受城市空間的制約，使得很多人鍛煉場所大多在室內(nèi)健身中心集中，由此就產(chǎn)生了多樣化的室內(nèi)健身器械，比如室內(nèi)自行車、跑步機(jī)等，盡管這些器械與健身場地使人們身體健康得到有效改善，然而，卻不能滿足大眾不斷提升的快樂、科學(xué)健身之需[1]。希望可以生產(chǎn)出室內(nèi)健身器械、室外生態(tài)空間有機(jī)結(jié)合的現(xiàn)代化健身產(chǎn)品的人越來越多。近年來，出現(xiàn)一種通過人工環(huán)境對真實(shí)環(huán)境加以取代計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，即：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，帶給人一種身臨其境之感。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與結(jié)合健身器械的科研現(xiàn)狀

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將多功能健身器械設(shè)計(jì)出來，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)的運(yùn)動器械能夠讓人們在運(yùn)動過程中有身臨其境之感，與人們室內(nèi)健身過程中還可體驗(yàn)室外環(huán)境之需相滿足。

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是對人們感知外界的狀態(tài)進(jìn)行模擬，此處所說的“外界”，不僅指再現(xiàn)某特定現(xiàn)實(shí)環(huán)境，又指假象所得出的虛擬環(huán)境，健身者可利用聽覺、觸覺和視覺等方式交互虛擬環(huán)境，這樣就能如同身處現(xiàn)實(shí)之中，而且虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也存在處理輸入設(shè)備與多種輸出形式的功能，可以實(shí)施碰撞檢測、實(shí)時交互、視點(diǎn)控制、行為建模等[2]。現(xiàn)階段虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在娛樂、虛擬造、游戲、教育及軍事仿真等領(lǐng)域被廣泛使用，由此可見，對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究，充分、全面體現(xiàn)出多學(xué)科交互特征。

以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)的運(yùn)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可將其具體分為非沉浸式與沉浸式兩種，其中沉浸式必須有三維立體顯示器、數(shù)據(jù)手套、立體眼鏡、高性能計(jì)算機(jī)、圖形工作站及立體聲耳機(jī)等相關(guān)設(shè)備，這樣人們可以感知較為真實(shí)的外在視覺與聽覺，該技術(shù)可和虛擬自然環(huán)境交互操作，讓人們猶如身處自然環(huán)境中，該運(yùn)動系統(tǒng)的主要特征是具有較強(qiáng)沉浸感，而且設(shè)備價格也比較昂貴；而非沉浸式是利用現(xiàn)代化軟件技術(shù)設(shè)計(jì)出具有多樣化視覺信息與聽覺信息的虛擬世界，其特點(diǎn)主要在于應(yīng)用方便，而且價格相對較為經(jīng)濟(jì)[3]。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合健身器械的研究現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實(shí)健身器械可以讓用戶沉浸在虛擬運(yùn)動場景中，同時親身感知虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)產(chǎn)生的視覺與聽覺震撼，同時也可利用互聯(lián)網(wǎng)平臺創(chuàng)建健身團(tuán)隊(duì)，或者舉辦健身對抗賽，從而讓用戶可以親身感受到運(yùn)動的刺激。而且仿真研究健身器械具體可分為可視化仿真、多媒體仿真、定性仿真、分布交互仿真以及基于虛擬現(xiàn)實(shí)仿真等，對比其它仿真研究，基于虛擬現(xiàn)實(shí)仿真主要對多通道感知能力、沉浸感與交互性予以強(qiáng)調(diào)，虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)可為人們提供更多嶄新、現(xiàn)代化的健身手段[4]。

2 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的多功能跑步機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以往跑步機(jī)系統(tǒng)只是一般的健身器械，大眾使用跑步機(jī)主要有兩個目的，即：健身、減肥瘦身。本研究依照人們不同目的，通過虛擬場景為人們提供多級速度調(diào)節(jié)模式與多場所選擇，如圖1所示。

圖1 健身目的選擇界面Fig.1 The purpose of selection interface fitness

本研究針對各健身群體，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對多功能跑步機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行研究，確保用戶能夠達(dá)到健身目的的同時，還可以通過本體感覺、視覺通道及聲覺通道等角度加以考慮。

2.1 相關(guān)研究技術(shù)

2.1.1實(shí)時顯示技術(shù)

將復(fù)雜模型在建模工具中構(gòu)建完成后，以多樣化文件格式加以儲存。因?yàn)樘峁┝巳S模型法，所以存儲方式為三角形網(wǎng)絡(luò)。人們能夠在交互控制中親身感受運(yùn)動場景動態(tài)特性，此為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)鍵特性。為使其顯示性能得以不斷提升，本研究構(gòu)建了非阻塞與多線程漫游框架，同時通過以下措施使刷新場景畫面速度得以不斷提升：1）三維模型轉(zhuǎn)變?yōu)槎S紋理。比如漫游場景中地上所生長的植被，通過三維模型術(shù)表示這些復(fù)雜物體的細(xì)節(jié)，就必須創(chuàng)建大量多邊形，故可用二維紋理代替，在平面中粘貼物體圖像，在場景中放置，在通過三維場景顯示過程中，觀察點(diǎn)始終對準(zhǔn)該平面法，保證物體依照觀察方向而發(fā)生變動，以此使場景顯示實(shí)時性得以提升；2）多層次細(xì)節(jié)模型。為提升繪制速度，一般會選擇多層次細(xì)節(jié)模型。本研究所用度量方法為基于距離的LOD選取：也就是說，根據(jù)判斷選取細(xì)節(jié)層次模型，高精度繪制距離視點(diǎn)相對比較近的物體，遠(yuǎn)視點(diǎn)距離物體則選擇低精度繪制；3）陰影技術(shù)[5]。為提升真實(shí)感，強(qiáng)化繪制效果，應(yīng)該選擇陰影技術(shù)，通過截錐體措施將陰影視為紋理四邊形加以繪制，以此提升繪制效率。其劣勢在于陰影給人一種點(diǎn)光源彼此疊加的感覺。

2.1.2 建模和繪制技術(shù)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的多功能跑步機(jī)中，基本技術(shù)為實(shí)時繪制和建模，在模型繪制速度與精細(xì)程度上，不僅要確保較高顯示質(zhì)量，而且還不會讓用戶在健身過程中感到不適。基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的運(yùn)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)所支持的功能主要包括網(wǎng)格模型動畫、菜單選擇、海量植物生成、路徑漫游及小地圖顯示等，內(nèi)含地形生成子系統(tǒng)，通過可見性剔除、四叉樹地形管理等技術(shù)對渲染速度進(jìn)行不斷優(yōu)化。

2.1.3 立體顯示技術(shù)

事實(shí)上，立體顯示技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)鍵，如果能夠立體顯示于虛擬場景中，那么就必須得到符合三維特征的虛擬立體圖像樹，并依照傳統(tǒng)三維圖像生成法對生成左右片予以生成。由于左右片圖像相關(guān)性相對較強(qiáng)，所以可通過該特征完成立體片快速算法[6]。

如果場景左右片對中 F （x，y，z） 成像分別是 Pl（xl，yl）、Pr（xr，yr），那么，可知：視差 d 如下

得

公式（2）[7]中，D 為左右焦點(diǎn)間距 ，d 為 兩眼視差 ，f為焦距，先計(jì)算左右眼視點(diǎn)向量和矩陣變換，并通過公式（2）[7]對左眼圖加以計(jì)算，由此就能保證左右片對不僅具有真實(shí)性，同時還極為快速。

2.2 集成設(shè)計(jì)

一般可將該系統(tǒng)虛擬場景劃分為3大環(huán)節(jié)：運(yùn)動場（如圖2所示）、公路（如圖3所示）、郊外（如圖4所示）。

圖2 運(yùn)動場環(huán)境Fig.2 The playground environment

圖3 公路環(huán)境Fig.3 The road environment

圖4 郊外環(huán)境Fig.4 Outskirts environment

虛擬環(huán)境中，所有物體都有外觀與形狀兩方面，以此對虛擬環(huán)境模型進(jìn)行存儲。文件不僅要提供以上信息，而且還應(yīng)該滿足虛擬建模常用指標(biāo)，即：交互操縱能力、交互顯示能力以及構(gòu)造能力[8]。圖5為跑步機(jī)系統(tǒng)和虛擬場景集成示意圖，以自動立體顯示，圖6為場景隨著用戶運(yùn)動漫游情境，就像身臨其境一般，讓用戶在鍛煉身體的同時也可以享受到虛擬場景的樂趣。

圖5 多功能跑步機(jī)Fig.5 Multifunction treadmill

圖6 液晶屏幕Fig.6 LCD screen

3 結(jié)束語

本研究基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的多功能跑步機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，與其它仿真技術(shù)相比較，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的健身系統(tǒng)存在多種感知功能，有助于提升健身系統(tǒng)和健身者交互能力，增強(qiáng)人們健身效果。隨著我國科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展與進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在今后必將會改變大眾健身方式，為以往健身增添更多神奇、有效及安全的健身方式。

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