基于虚拟现实技术的运动系统设计

崔博

（宝鸡文理学院 陕西 宝鸡 721013）

近年来，随着我国科技的迅猛发展，逐渐加快了大众的生活节奏，使得很多人身体呈现亚健康状态，越来越多的人渴求有很多的时间锻炼身体。因受城市空间的制约，使得很多人锻炼场所大多在室内健身中心集中，由此就产生了多样化的室内健身器械，比如室内自行车、跑步机等，尽管这些器械与健身场地使人们身体健康得到有效改善，然而，却不能满足大众不断提升的快乐、科学健身之需[1]。希望可以生产出室内健身器械、室外生态空间有机结合的现代化健身产品的人越来越多。近年来，出现一种通过人工环境对真实环境加以取代计算机模拟技术，即：虚拟现实技术，带给人一种身临其境之感。

1 虚拟现实技术与结合健身器械的科研现状

利用虚拟现实技术将多功能健身器械设计出来，以虚拟现实技术为基础的运动器械能够让人们在运动过程中有身临其境之感，与人们室内健身过程中还可体验室外环境之需相满足。

1.1 虚拟现实技术

虚拟现实技术是对人们感知外界的状态进行模拟，此处所说的“外界”，不仅指再现某特定现实环境，又指假象所得出的虚拟环境，健身者可利用听觉、触觉和视觉等方式交互虚拟环境，这样就能如同身处现实之中，而且虚拟现实技术也存在处理输入设备与多种输出形式的功能，可以实施碰撞检测、实时交互、视点控制、行为建模等[2]。现阶段虚拟现实技术在娱乐、虚拟造、游戏、教育及军事仿真等领域被广泛使用，由此可见，对虚拟现实技术的研究，充分、全面体现出多学科交互特征。

以虚拟现实技术为基础的运动系统设计，可将其具体分为非沉浸式与沉浸式两种，其中沉浸式必须有三维立体显示器、数据手套、立体眼镜、高性能计算机、图形工作站及立体声耳机等相关设备，这样人们可以感知较为真实的外在视觉与听觉，该技术可和虚拟自然环境交互操作，让人们犹如身处自然环境中，该运动系统的主要特征是具有较强沉浸感，而且设备价格也比较昂贵；而非沉浸式是利用现代化软件技术设计出具有多样化视觉信息与听觉信息的虚拟世界，其特点主要在于应用方便，而且价格相对较为经济[3]。

1.2 虚拟现实技术结合健身器械的研究现状

虚拟现实健身器械可以让用户沉浸在虚拟运动场景中，同时亲身感知虚拟现实技术产生的视觉与听觉震撼，同时也可利用互联网平台创建健身团队，或者举办健身对抗赛，从而让用户可以亲身感受到运动的刺激。而且仿真研究健身器械具体可分为可视化仿真、多媒体仿真、定性仿真、分布交互仿真以及基于虚拟现实仿真等，对比其它仿真研究，基于虚拟现实仿真主要对多通道感知能力、沉浸感与交互性予以强调，虚拟现实仿真技术可为人们提供更多崭新、现代化的健身手段[4]。

2 基于虚拟现实技术的多功能跑步机系统设计

以往跑步机系统只是一般的健身器械，大众使用跑步机主要有两个目的，即：健身、减肥瘦身。本研究依照人们不同目的，通过虚拟场景为人们提供多级速度调节模式与多场所选择，如图1所示。

图1 健身目的选择界面Fig.1 The purpose of selection interface fitness

本研究针对各健身群体，通过虚拟现实技术对多功能跑步机系统进行研究，确保用户能够达到健身目的的同时，还可以通过本体感觉、视觉通道及声觉通道等角度加以考虑。

2.1 相关研究技术

2.1.1实时显示技术

将复杂模型在建模工具中构建完成后，以多样化文件格式加以储存。因为提供了三维模型法，所以存储方式为三角形网络。人们能够在交互控制中亲身感受运动场景动态特性，此为虚拟现实技术的关键特性。为使其显示性能得以不断提升，本研究构建了非阻塞与多线程漫游框架，同时通过以下措施使刷新场景画面速度得以不断提升：1）三维模型转变为二维纹理。比如漫游场景中地上所生长的植被，通过三维模型术表示这些复杂物体的细节，就必须创建大量多边形，故可用二维纹理代替，在平面中粘贴物体图像，在场景中放置，在通过三维场景显示过程中，观察点始终对准该平面法，保证物体依照观察方向而发生变动，以此使场景显示实时性得以提升；2）多层次细节模型。为提升绘制速度，一般会选择多层次细节模型。本研究所用度量方法为基于距离的LOD选取：也就是说，根据判断选取细节层次模型，高精度绘制距离视点相对比较近的物体，远视点距离物体则选择低精度绘制；3）阴影技术[5]。为提升真实感，强化绘制效果，应该选择阴影技术，通过截锥体措施将阴影视为纹理四边形加以绘制，以此提升绘制效率。其劣势在于阴影给人一种点光源彼此叠加的感觉。

2.1.2 建模和绘制技术

基于虚拟现实技术的多功能跑步机中，基本技术为实时绘制和建模，在模型绘制速度与精细程度上，不仅要确保较高显示质量，而且还不会让用户在健身过程中感到不适。基于虚拟现实技术的运动系统设计所支持的功能主要包括网格模型动画、菜单选择、海量植物生成、路径漫游及小地图显示等，内含地形生成子系统，通过可见性剔除、四叉树地形管理等技术对渲染速度进行不断优化。

2.1.3 立体显示技术

事实上，立体显示技术是虚拟现实技术的关键，如果能够立体显示于虚拟场景中，那么就必须得到符合三维特征的虚拟立体图像树，并依照传统三维图像生成法对生成左右片予以生成。由于左右片图像相关性相对较强，所以可通过该特征完成立体片快速算法[6]。

如果场景左右片对中 F （x，y，z） 成像分别是 Pl（xl，yl）、Pr（xr，yr），那么，可知：视差 d 如下

得

公式（2）[7]中，D 为左右焦点间距 ，d 为 两眼视差 ，f为焦距，先计算左右眼视点向量和矩阵变换，并通过公式（2）[7]对左眼图加以计算，由此就能保证左右片对不仅具有真实性，同时还极为快速。

2.2 集成设计

一般可将该系统虚拟场景划分为3大环节：运动场（如图2所示）、公路（如图3所示）、郊外（如图4所示）。

图2 运动场环境Fig.2 The playground environment

图3 公路环境Fig.3 The road environment

图4 郊外环境Fig.4 Outskirts environment

虚拟环境中，所有物体都有外观与形状两方面，以此对虚拟环境模型进行存储。文件不仅要提供以上信息，而且还应该满足虚拟建模常用指标，即：交互操纵能力、交互显示能力以及构造能力[8]。图5为跑步机系统和虚拟场景集成示意图，以自动立体显示，图6为场景随着用户运动漫游情境，就像身临其境一般，让用户在锻炼身体的同时也可以享受到虚拟场景的乐趣。

图5 多功能跑步机Fig.5 Multifunction treadmill

图6 液晶屏幕Fig.6 LCD screen

3 结束语

本研究基于虚拟现实技术的多功能跑步机系统设计，与其它仿真技术相比较，基于虚拟现实技术的健身系统存在多种感知功能，有助于提升健身系统和健身者交互能力，增强人们健身效果。随着我国科学技术不断发展与进步，虚拟现实技术在今后必将会改变大众健身方式，为以往健身增添更多神奇、有效及安全的健身方式。

[1]马乐，宋嵘，刘燕，等.基于虚拟现实技术的康复训练系统设计与实验验证[J].计算机应用与软件，2013，30（7）:94-97.MA Le，SONG Rong，LIU Yan，et al.Design and experimental verification of rehabilitation training system based on virtual reality technology[J].Computer Applications and Software，2013，30（7）:94-97.

[2]杨帮华，刘丽，陆文宇，等.基于虚拟现实技术的脑机交互反馈系统设计[J].北京生物医学工程，2011，30（4）:401-404.YANG Bang-hua，LIU Li，LU Wen-yu，et al.The system design of interactive feedback brain machine based on virtual reality technology[J].Beijing Biomedical Engineering，2011，30（4）:401-404.

[3]赵波，龚勉.基于虚拟现实技术的汽车转向系统设计与分析[J].机械设计与制造，2006，2（8）:165-167.ZHAO Bo，GONG Mian.Design and analysis of automobile steering system based on virtual reality technology[J].Mechanical Design and Manufacturing，2006，2（8）:165-167.

[4]王武礼，王延江，李瑞民，等.基于虚拟现实技术的钻井仿真系统设计 [J].计算机技术与发展，2011，21（9）:171-174，178.WANG Wu-li，WANG Yan-jiang，LI Run-min，et al.The design of drilling simulation system based on virtual reality technology[J].Computer Technology and Development，2011，21（9）:171-174，178.

[5]Yang U Y，Kim G J.Implementation and Evaluation of“Just Follow me”:Animmersive， vr-based， motion training system[J].Presence:Teleoperators and Virtual Environments，2012，11（3）:304-323．

[6]马杰.基于虚拟现实技术的足球传接球运动仿真系统设计[J].电子测试，2015，10（1）:158-159.MA Jie.Design of transfer soccer ball sports simulation system based on virtual reality technology[J].Electronic Test，2015，10（1）:158-159.

[7]杨艳春，王伟，鲍劲松，等.虚拟现实环境下月球车运动仿真系统设计研究[J].机械设计与研究，2008，24（5）:108-111，115.YANG Yan-chun，WANG Wei，BAO Jin-song，et al.Design of lunar rover motion simulation system virtual reality environment[J].Mechanical Design and Research，2008，24（5）:108-111，115.

[8]王子健.基于虚拟现实技术的机器人遥操作系统设计[D].石家庄：河北工业大学，2010.