適用于大眾健身的VR眼鏡應用研究

韓學輝 許棉 邵鈞屹 梁喜慶 蔣志豪

摘要：當代社會人們的物質生活豐富，在吃飽穿暖的基本生活狀態下，健康的身體被越來越多的人所追求，健身逐漸走到大眾的視野之中。如果將VR技術和運動健身結合起來，發展成一種有益的VR健身眼鏡將會受到大家的歡迎。這項基于VR技術的運動健身是指通過特定的虛擬現實設備對虛擬的健身場景在用戶的腦內還原，并以此達到在特定場景中鍛煉的技術，同時基于VR的虛擬健身可針對當前大眾普遍存在的運動不足狀況進行有效地改善，改善人們因為時間地點問題不能去健身房鍛煉，VR眼鏡可以激發人們的運動熱情，增強人民體質。

關鍵詞：虛擬技術（VR）;健身;健身場景

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）36-0126-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

所謂虛擬現實技術，就是我們常說的VR技術，是起源于20世紀80年代的一種新興的實用性技術。虛擬現實技術融合了計算機、電子信息和仿真技術，它的基本實現方式是計算機模擬虛擬環境，近距離給人一種浸入環境的感覺。虛擬現實技術有巨大的市場發展前景，隨著我國經濟發展的科技含量提高，許多產品都需要通過虛擬現實技術提高其產品科技含量，使得虛擬現實技術的研究成為當今行業發展的一個重要方面。

在多媒體領域中，虛擬技術是比較先進的技術，這種技術利用了許多高科技手段，包括三維模型建模技術、動態感知技術、3D顯示技術、前端應用開發技術、系統應用技術、動畫設計技術等。這些技術的充分使用能夠增強多媒體技術開發的功能，使創作的人物和界面更加真實。虛擬現實技術的特點包括真實性、互動性、開放性。而虛擬現實技術的核心內容之一就是實現虛擬環境的構建，如何讓大眾能夠身臨其境是關鍵。虛擬現實技術可以利用已有的真實場景的數據，結合觀眾的體驗，打造更為真實的虛擬環境模型。而SW是一種可以用來獲取場景數據的不錯的軟件，但是在真實的場景中情況往往比較復雜，需要借助于三維建模技術，并結合SW獲取最可靠的場景數據。

1 研究背景

VR，中文意為虛擬現實，又稱精神技術或人工環境。虛擬現實的概念最早于20世紀80年代被提出，其具體含義指為了實現更好的人機交互而采用的計算機輔助和先進的傳感技術。這種技術旨在為用戶建立一個能夠滿足全身各種感官需要的三維的真實場景，用戶可以通過自己的視覺、聽覺和觸覺等感受到真實的體驗，而這些都是建立在計算機模擬仿真的場景基礎上的。

當今新一輪的科技革命即將展開帷幕，這次革命勢必以互聯網為中心，同時充分發揮虛擬現實技術和人工智能的優勢，將網絡經濟放在主要發展地位，力求推動改變人們日常生活方式。當然這次革命需要全世界人民的支持和各國政府的努力，發揮政府管理的職能，預估可能出現的負面影響，并將其風險保持到較低的水平。各國都高度重視人工智能、虛擬現實、增強現實等前沿科技，發改委也提出要重點發展國家 AR/VR工程技術。

在網絡快速傳播的大環境下，人們通過短視頻、社交軟件和網站科普視頻等形式接受到的體育健身理念越來越多;同時，“人魚線”“閃電腰”“鎖骨養魚”等熱點話題也越來越受到潮流的影響，人民群眾也越來越重視體育活動和健身。但是新一代的消費群體已經形成，年輕人更加重視精神消費，物質消費已經不是時代的主流。全民健身的潮流逐漸滲透到我們日常生活中，而科技含量高的VR健身技術更能滿足年輕用戶對科技感和愉快體驗的需要。

2 VR眼鏡的實現

2.1 VR眼睛的基本原理

Oculus Rift及PlayStation VR等頭戴式可視設備，通用的做法都是要有一個頭戴式的顯示器。即使沒有聲音或者手部追蹤，放在面前的這個GOOGLE Cardboard里的智能手機足夠可以使用戶得到一種半沉浸式的虛擬世界。這些硬件的目標就是創造出一種跟真實世界中一樣的效果。說到3D的無邊界顯示的視覺環境，使用者通常會和電視或者電腦屏幕聯系到一起。因此不管用戶怎么去看，架在用戶頭上的這臺設備一直跟蹤著用戶。這里就跟AR將整個真實世界的圖像包圍用戶有所區別。以HTC的Vive及Rift為例，他們都是通過高清的數據連接線，平臺或者電腦將視頻內容輸送到頭戴設備顯示屏。而Google的Cardboard及最新版的Daydream頭戴設備，三星的Gear VR，他們都是將智能手機插入到頭戴設備中。

通過將數字或模擬信號輸入到一塊單片機中或者兩個發光二極管進行顯示，用戶可以利用VR設備感受到真實體驗，但這種設備之所以被稱為眼睛，就是因為用戶和屏幕之間有一段距離，這段距離中有一個鏡片，而且鏡片的位置可以根據需要靈活調節。

VR頭戴設備增加沉浸感的一個重要的方式就是擴展視野范圍。但是考慮到人體人機學原理，頭戴設備沒有必要滿足全方位的旋轉需求。更多的高端設備是取100到110度之間的可視范圍，這對于迷惑眼睛來說，足夠了。為了使得頭戴設備能夠足以欺騙人腦感知的圖像，使用者把最小的幀速率設定為60幀每秒刷新率，這樣才能夠避免延遲或者眩暈感。

2.2 頭部追蹤

當用戶頭戴一款VR設備時，要想做到頭部追蹤就要根據用戶頭部的移動調整場景。使用者選擇了6DoF（Six Degrees of Freedom）。這套設備使用了三位坐標系感知技術，將用戶的頭部移動轉化為坐標系的變化。實現這種追蹤的是一系列的元件，包括平衡儀、陀螺儀和速度計，可以感知用戶頭部的移動。同樣，使用者也在眼鏡上用到了9顆LED燈，輔以PS4上的攝像頭監視提供360頭部追蹤，Oculus也有20顆燈，但是它們不如9顆LED燈的更有標識度。為了實現頭部追蹤技術必須降低延遲——使用者說的低延遲是50 ms或更低，才能讓使用者在轉頭或者VR環境改變時候，感覺不到畫面的延遲。Oculus Rift使這種設備的延遲降低到了人的感受閾值以外，所以很難感受到。所以使用者把延遲降低到了35 ms。

最后，為了使用戶有沉浸式體驗可以戴上耳機。雙耳或3D音頻可以被用在應用和游戲中去，與頭部追蹤技術塊應用，給予穿戴者以臨場音效從不同的方向傳播過來的感覺。所以使用者選擇了雙耳耳機來搭配VE健身眼鏡。

2.3 動作追蹤

但是為了提高用戶的體驗，許多VR領域的研究人員還在努力研究動作追蹤功能。當用戶穿戴了VR設備后，最想觀察的首先是自己，看看自己的身體在虛擬世界中的面貌。使用者用Kinect2攝像頭做了一些追蹤全身動作的實驗。用戶用到了來自Oculus、Valve和Sony的輸入設備。最終的選擇是Oculus Touch。設計這套產品是為了使用戶在虛擬環境中能充分利用自己的身體。比如，在箭類娛樂中，用戶可以通過觸發按鈕使箭射出去。這樣能讓使用者更好地體驗到健身動作以及虛擬健身教練的指導。

2.4 眼部追蹤

虛擬現實技術最重要的一部分是眼部追蹤。其技術原理類似于普通的凸透鏡，如果有平行光線通過凸透鏡，光線就會匯聚到凸透鏡后面一個點，就是焦點，這個點與凸透鏡中心之間的距離稱作焦距。物體發出的光線如果不超過焦距，其圖像是一個放大的虛像。如果超過焦距，但是距離不是很遠，就會呈現出一個倒立的實像。當物體距離凸透鏡超過焦距的一定倍數時，圖像就會逐漸縮小。當用戶使用凸透鏡時，眼睛距離凸透鏡不超過焦距，就能看到放大的物體的虛像，當視線逐漸遠離凸透鏡時，看到的圖像就會變大。而虛擬現實技術就是通過這種方式形成圖像，所以用戶在不同的距離有不同的感受。

通過在虛擬現實眼鏡中安裝紅外線傳感器，可以感知用戶的視線停留在哪個地方。除了能夠讓用戶明確地辨別方向之外，它可以提高用戶體驗的真實感。在一般的VR穿戴設備中，看上去的感覺有些模糊，跟在現實中觀察到的事物有區別。通常我們在看遠處的物體時，由于注意力都在遠處，所以不怎么關注近處的物體，看到的就不怎么清楚。將這種感受模擬到虛擬現實技術中，可以使模擬環境更加真實。如果沒有考慮到這一點，則模擬的場景不符合實際，很容易被用戶通過視覺感受出來。

3 VR技術應用于健身領域的優勢及其功能

在當代社會來說，對大多數人來說，追求并保持體形，保持健康，是一個不小的挑戰。而且對一部分新的健身愛好者來說，大多數人會認為，到健身房是一次令人筋疲力盡的艱苦經歷，時間長了很辛苦，鍛煉就顯得單調乏味，健身似乎總是和乏味聯系在一起。但VR虛擬現實技術的應用，能使健身增加趣味性，改善健身本身的乏味感，能讓人享受快樂健身。

3.1 沉浸感與交互感

利用 VR高度的沉浸感，通過虛擬現實技術和各種健身器材的結合，健身不再局限于健身房，當用戶跑步時，帶上 VR虛擬現實設備，便可漫步于羅馬斗獸場，觀賞異域風光，當人心情愉快時，鍛煉后的疲勞感自然消失。借助于 VR虛擬現實技術，健身空間將無限擴大，健身者可以在不同地區自由穿梭，觀賞世界名山大川。有別于傳統健身，人們可以打羽毛球、網球、跳繩等自己喜歡的運動，使自己更加積極主動，增加健身的樂趣。

這一沉浸式技術使 VR成為現實，這也是 VR產業突然間風起云涌的原因。不管是電視還是電腦，都無法帶給用戶如此真實的感覺，即使是最好的 PC游戲畫面，恐怕也比不上旁邊一條藍鯨讓人心潮澎湃（HTC VIVE深海體驗場景中曾有類似畫面）。

3.2 指導性與自主性

為了鍛煉心肺功能，可以參與很多有氧運動，比如慢跑、乒乓球、太極拳等。健美操的好處很多：可以鍛煉心肺，增強循環功能，燃燒脂肪，增加肺活量，降低血壓，甚至可以預防糖尿病，減少心臟病的發生。美國體育學院建議，要了解有氧運動強度是否合適，可以在運動后測試心率，以達到最大心率60%～90%。若要通過有氧運動減肥，可選擇低至中等強度的運動，同時延長運動時間，此方法消耗的熱量較多，運動頻率每周3～5次，每次20～60分鐘為最佳。

而且在 VR健身眼鏡里，配上專業的虛擬教練，讓虛擬教練來指導健身，能讓大眾自主地進行科學的鍛煉，學會正確的姿勢，更準確地完成科學的運動目標，同時還能享受一對一的訓練，這也降低了健身的成本，讓健身不再成為一種不想健身的人望而卻步的運動。

基于虛擬現實健康公司 YUR發布的 Oculus Quest測試版，它提供的信息顯示，應用程序可以跟蹤熱量。這個軟件能讓用戶像往常一樣，在玩游戲的過程中攝取用戶消耗的總熱量。了解了用戶運動數據后，可以做出更加合理的指導。

3.3 社交性與包容性

查閱大量的文獻資料后可以了解到健身房氛圍濃郁的;原因有兩個：首先是健身房人數比較多，參與健身的積極性強;其次是在健身房可以獲得別人的鼓勵。而3Glasses與VirZOOM合作，帶來社交VR健身和競技體育。據了解，3Glasses還在環球資源展上帶來VirZOOM最新內容和玩法，包括7種游戲和11種場景，支持多人聯機健身，帶來社交VR運動體驗。

這使得VR健身擺脫單獨位于一個空間健身的孤獨及無法與人更好地交流的局面，打破傳統健身無法更好交流的局限性，被譽為“肥宅救星”。

參考文獻：

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[3] 劉強，張阿敏，言天舒.大學計算機軟件應用基礎——多媒體技術與應用[M].長沙：國防工業出版社，2012.

【通聯編輯：李雅琪】