适用于大众健身的VR眼镜应用研究

韩学辉 许棉 邵钧屹 梁喜庆 蒋志豪

摘要：当代社会人们的物质生活丰富，在吃饱穿暖的基本生活状态下，健康的身体被越来越多的人所追求，健身逐渐走到大众的视野之中。如果将VR技术和运动健身结合起来，发展成一种有益的VR健身眼镜将会受到大家的欢迎。这项基于VR技术的运动健身是指通过特定的虚拟现实设备对虚拟的健身场景在用户的脑内还原，并以此达到在特定场景中锻炼的技术，同时基于VR的虚拟健身可针对当前大众普遍存在的运动不足状况进行有效地改善，改善人们因为时间地点问题不能去健身房锻炼，VR眼镜可以激发人们的运动热情，增强人民体质。

关键词：虚拟技术（VR）;健身;健身场景

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）36-0126-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

所谓虚拟现实技术，就是我们常说的VR技术，是起源于20世纪80年代的一种新兴的实用性技术。虚拟现实技术融合了计算机、电子信息和仿真技术，它的基本实现方式是计算机模拟虚拟环境，近距离给人一种浸入环境的感觉。虚拟现实技术有巨大的市场发展前景，随着我国经济发展的科技含量提高，许多产品都需要通过虚拟现实技术提高其产品科技含量，使得虚拟现实技术的研究成为当今行业发展的一个重要方面。

在多媒体领域中，虚拟技术是比较先进的技术，这种技术利用了许多高科技手段，包括三维模型建模技术、动态感知技术、3D显示技术、前端应用开发技术、系统应用技术、动画设计技术等。这些技术的充分使用能够增强多媒体技术开发的功能，使创作的人物和界面更加真实。虚拟现实技术的特点包括真实性、互动性、开放性。而虚拟现实技术的核心内容之一就是实现虚拟环境的构建，如何让大众能够身临其境是关键。虚拟现实技术可以利用已有的真实场景的数据，结合观众的体验，打造更为真实的虚拟环境模型。而SW是一种可以用来获取场景数据的不错的软件，但是在真实的场景中情况往往比较复杂，需要借助于三维建模技术，并结合SW获取最可靠的场景数据。

1 研究背景

VR，中文意为虚拟现实，又称精神技术或人工环境。虚拟现实的概念最早于20世纪80年代被提出，其具体含义指为了实现更好的人机交互而采用的计算机辅助和先进的传感技术。这种技术旨在为用户建立一个能够满足全身各种感官需要的三维的真实场景，用户可以通过自己的视觉、听觉和触觉等感受到真实的体验，而这些都是建立在计算机模拟仿真的场景基础上的。

当今新一轮的科技革命即将展开帷幕，这次革命势必以互联网为中心，同时充分发挥虚拟现实技术和人工智能的优势，将网络经济放在主要发展地位，力求推动改变人们日常生活方式。当然这次革命需要全世界人民的支持和各国政府的努力，发挥政府管理的职能，预估可能出现的负面影响，并将其风险保持到较低的水平。各国都高度重视人工智能、虚拟现实、增强现实等前沿科技，发改委也提出要重点发展国家 AR/VR工程技术。

在网络快速传播的大环境下，人们通过短视频、社交软件和网站科普视频等形式接受到的体育健身理念越来越多;同时，“人鱼线”“闪电腰”“锁骨养鱼”等热点话题也越来越受到潮流的影响，人民群众也越来越重视体育活动和健身。但是新一代的消费群体已经形成，年轻人更加重视精神消费，物质消费已经不是时代的主流。全民健身的潮流逐渐渗透到我们日常生活中，而科技含量高的VR健身技术更能满足年轻用户对科技感和愉快体验的需要。

2 VR眼镜的实现

2.1 VR眼睛的基本原理

Oculus Rift及PlayStation VR等头戴式可视设备，通用的做法都是要有一个头戴式的显示器。即使没有声音或者手部追踪，放在面前的这个GOOGLE Cardboard里的智能手机足够可以使用户得到一种半沉浸式的虚拟世界。这些硬件的目标就是创造出一种跟真實世界中一样的效果。说到3D的无边界显示的视觉环境，使用者通常会和电视或者电脑屏幕联系到一起。因此不管用户怎么去看，架在用户头上的这台设备一直跟踪着用户。这里就跟AR将整个真实世界的图像包围用户有所区别。以HTC的Vive及Rift为例，他们都是通过高清的数据连接线，平台或者电脑将视频内容输送到头戴设备显示屏。而Google的Cardboard及最新版的Daydream头戴设备，三星的Gear VR，他们都是将智能手机插入到头戴设备中。

通过将数字或模拟信号输入到一块单片机中或者两个发光二极管进行显示，用户可以利用VR设备感受到真实体验，但这种设备之所以被称为眼睛，就是因为用户和屏幕之间有一段距离，这段距离中有一个镜片，而且镜片的位置可以根据需要灵活调节。

VR头戴设备增加沉浸感的一个重要的方式就是扩展视野范围。但是考虑到人体人机学原理，头戴设备没有必要满足全方位的旋转需求。更多的高端设备是取100到110度之间的可视范围，这对于迷惑眼睛来说，足够了。为了使得头戴设备能够足以欺骗人脑感知的图像，使用者把最小的帧速率设定为60帧每秒刷新率，这样才能够避免延迟或者眩晕感。

2.2 头部追踪

当用户头戴一款VR设备时，要想做到头部追踪就要根据用户头部的移动调整场景。使用者选择了6DoF（Six Degrees of Freedom）。这套设备使用了三位坐标系感知技术，将用户的头部移动转化为坐标系的变化。实现这种追踪的是一系列的元件，包括平衡仪、陀螺仪和速度计，可以感知用户头部的移动。同样，使用者也在眼镜上用到了9颗LED灯，辅以PS4上的摄像头监视提供360头部追踪，Oculus也有20颗灯，但是它们不如9颗LED灯的更有标识度。为了实现头部追踪技术必须降低延迟——使用者说的低延迟是50 ms或更低，才能让使用者在转头或者VR环境改变时候，感觉不到画面的延迟。Oculus Rift使这种设备的延迟降低到了人的感受阈值以外，所以很难感受到。所以使用者把延迟降低到了35 ms。

最后，为了使用户有沉浸式体验可以戴上耳机。双耳或3D音频可以被用在应用和游戏中去，与头部追踪技术块应用，给予穿戴者以临场音效从不同的方向传播过来的感觉。所以使用者选择了双耳耳机来搭配VE健身眼镜。

2.3 动作追踪

但是为了提高用户的体验，许多VR领域的研究人员还在努力研究动作追踪功能。当用户穿戴了VR设备后，最想观察的首先是自己，看看自己的身体在虚拟世界中的面貌。使用者用Kinect2摄像头做了一些追踪全身动作的实验。用户用到了来自Oculus、Valve和Sony的输入设备。最终的选择是Oculus Touch。设计这套产品是为了使用户在虚拟环境中能充分利用自己的身体。比如，在箭类娱乐中，用户可以通过触发按钮使箭射出去。这样能让使用者更好地体验到健身动作以及虚拟健身教练的指导。

2.4 眼部追踪

虚拟现实技术最重要的一部分是眼部追踪。其技术原理类似于普通的凸透镜，如果有平行光线通过凸透镜，光线就会汇聚到凸透镜后面一个点，就是焦点，这个点与凸透镜中心之间的距离称作焦距。物体发出的光线如果不超过焦距，其图像是一个放大的虚像。如果超过焦距，但是距离不是很远，就会呈现出一个倒立的实像。当物体距离凸透镜超过焦距的一定倍数时，图像就会逐渐缩小。当用户使用凸透镜时，眼睛距离凸透镜不超过焦距，就能看到放大的物体的虚像，当视线逐渐远离凸透镜时，看到的图像就会变大。而虚拟现实技术就是通过这种方式形成图像，所以用户在不同的距离有不同的感受。

通过在虚拟现实眼镜中安装红外线传感器，可以感知用户的视线停留在哪个地方。除了能够让用户明确地辨别方向之外，它可以提高用户体验的真实感。在一般的VR穿戴设备中，看上去的感觉有些模糊，跟在现实中观察到的事物有区别。通常我们在看远处的物体时，由于注意力都在远处，所以不怎么关注近处的物体，看到的就不怎么清楚。将这种感受模拟到虚拟现实技术中，可以使模拟环境更加真实。如果没有考虑到这一点，则模拟的场景不符合实际，很容易被用户通过视觉感受出来。

3 VR技术应用于健身领域的优势及其功能

在当代社会来说，对大多数人来说，追求并保持体形，保持健康，是一个不小的挑战。而且对一部分新的健身爱好者来说，大多数人会认为，到健身房是一次令人筋疲力尽的艰苦经历，时间长了很辛苦，锻炼就显得单调乏味，健身似乎总是和乏味联系在一起。但VR虚拟现实技术的应用，能使健身增加趣味性，改善健身本身的乏味感，能让人享受快乐健身。

3.1 沉浸感与交互感

利用 VR高度的沉浸感，通过虚拟现实技术和各种健身器材的结合，健身不再局限于健身房，当用户跑步时，带上 VR虚拟现实设备，便可漫步于罗马斗兽场，观赏异域风光，当人心情愉快时，锻炼后的疲劳感自然消失。借助于 VR虚拟现实技术，健身空间将无限扩大，健身者可以在不同地区自由穿梭，观赏世界名山大川。有别于传统健身，人们可以打羽毛球、网球、跳绳等自己喜欢的运动，使自己更加积极主动，增加健身的乐趣。

这一沉浸式技术使 VR成为现实，这也是 VR产业突然间风起云涌的原因。不管是电视还是电脑，都无法带给用户如此真实的感觉，即使是最好的 PC游戏画面，恐怕也比不上旁边一条蓝鲸让人心潮澎湃（HTC VIVE深海体验场景中曾有类似画面）。

3.2 指导性与自主性

为了锻炼心肺功能，可以参与很多有氧运动，比如慢跑、乒乓球、太极拳等。健美操的好处很多：可以锻炼心肺，增强循环功能，燃烧脂肪，增加肺活量，降低血压，甚至可以预防糖尿病，减少心脏病的发生。美国体育学院建议，要了解有氧運动强度是否合适，可以在运动后测试心率，以达到最大心率60%～90%。若要通过有氧运动减肥，可选择低至中等强度的运动，同时延长运动时间，此方法消耗的热量较多，运动频率每周3～5次，每次20～60分钟为最佳。

而且在 VR健身眼镜里，配上专业的虚拟教练，让虚拟教练来指导健身，能让大众自主地进行科学的锻炼，学会正确的姿势，更准确地完成科学的运动目标，同时还能享受一对一的训练，这也降低了健身的成本，让健身不再成为一种不想健身的人望而却步的运动。

基于虚拟现实健康公司 YUR发布的 Oculus Quest测试版，它提供的信息显示，应用程序可以跟踪热量。这个软件能让用户像往常一样，在玩游戏的过程中摄取用户消耗的总热量。了解了用户运动数据后，可以做出更加合理的指导。

3.3 社交性与包容性

查阅大量的文献资料后可以了解到健身房氛围浓郁的;原因有两个：首先是健身房人数比较多，参与健身的积极性强;其次是在健身房可以获得别人的鼓励。而3Glasses与VirZOOM合作，带来社交VR健身和竞技体育。据了解，3Glasses还在环球资源展上带来VirZOOM最新内容和玩法，包括7种游戏和11种场景，支持多人联机健身，带来社交VR运动体验。

这使得VR健身摆脱单独位于一个空间健身的孤独及无法与人更好地交流的局面，打破传统健身无法更好交流的局限性，被誉为“肥宅救星”。

参考文献：

[1] 胡银亨.现代媒体信息技术[M].成都：电子科技大学出版社，2015.

[2] 刘慧，狄丞，沈凌.数字媒体艺术概论[M].北京：华中科技大学出版社，2016.

[3] 刘强，张阿敏，言天舒.大学计算机软件应用基础——多媒体技术与应用[M].长沙：国防工业出版社，2012.

【通联编辑：李雅琪】