基于虛擬現實技術的運動系統設計

崔博

（寶雞文理學院 陜西 寶雞 721013）

近年來，隨著我國科技的迅猛發展，逐漸加快了大眾的生活節奏，使得很多人身體呈現亞健康狀態，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健身中心集中，由此就產生了多樣化的室內健身器械，比如室內自行車、跑步機等，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、科學健身之需[1]。希望可以生產出室內健身器械、室外生態空間有機結合的現代化健身產品的人越來越多。近年來，出現一種通過人工環境對真實環境加以取代計算機模擬技術，即：虛擬現實技術，帶給人一種身臨其境之感。

1 虛擬現實技術與結合健身器械的科研現狀

利用虛擬現實技術將多功能健身器械設計出來，以虛擬現實技術為基礎的運動器械能夠讓人們在運動過程中有身臨其境之感，與人們室內健身過程中還可體驗室外環境之需相滿足。

1.1 虛擬現實技術

虛擬現實技術是對人們感知外界的狀態進行模擬，此處所說的“外界”，不僅指再現某特定現實環境，又指假象所得出的虛擬環境，健身者可利用聽覺、觸覺和視覺等方式交互虛擬環境，這樣就能如同身處現實之中，而且虛擬現實技術也存在處理輸入設備與多種輸出形式的功能，可以實施碰撞檢測、實時交互、視點控制、行為建模等[2]。現階段虛擬現實技術在娛樂、虛擬造、游戲、教育及軍事仿真等領域被廣泛使用，由此可見，對虛擬現實技術的研究，充分、全面體現出多學科交互特征。

以虛擬現實技術為基礎的運動系統設計，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、數據手套、立體眼鏡、高性能計算機、圖形工作站及立體聲耳機等相關設備，這樣人們可以感知較為真實的外在視覺與聽覺，該技術可和虛擬自然環境交互操作，讓人們猶如身處自然環境中，該運動系統的主要特征是具有較強沉浸感，而且設備價格也比較昂貴；而非沉浸式是利用現代化軟件技術設計出具有多樣化視覺信息與聽覺信息的虛擬世界，其特點主要在于應用方便，而且價格相對較為經濟[3]。

1.2 虛擬現實技術結合健身器械的研究現狀

虛擬現實健身器械可以讓用戶沉浸在虛擬運動場景中，同時親身感知虛擬現實技術產生的視覺與聽覺震撼，同時也可利用互聯網平臺創建健身團隊，或者舉辦健身對抗賽，從而讓用戶可以親身感受到運動的刺激。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實仿真等，對比其它仿真研究，基于虛擬現實仿真主要對多通道感知能力、沉浸感與交互性予以強調，虛擬現實仿真技術可為人們提供更多嶄新、現代化的健身手段[4]。

2 基于虛擬現實技術的多功能跑步機系統設計

以往跑步機系統只是一般的健身器械，大眾使用跑步機主要有兩個目的，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節模式與多場所選擇，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，通過虛擬現實技術對多功能跑步機系統進行研究，確保用戶能夠達到健身目的的同時，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 相關研究技術

2.1.1實時顯示技術

將復雜模型在建模工具中構建完成后，以多樣化文件格式加以儲存。因為提供了三維模型法，所以存儲方式為三角形網絡。人們能夠在交互控制中親身感受運動場景動態特性，此為虛擬現實技術的關鍵特性。為使其顯示性能得以不斷提升，本研究構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）三維模型轉變為二維紋理。比如漫游場景中地上所生長的植被，通過三維模型術表示這些復雜物體的細節，就必須創建大量多邊形，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，觀察點始終對準該平面法，保證物體依照觀察方向而發生變動，以此使場景顯示實時性得以提升；2）多層次細節模型。為提升繪制速度，一般會選擇多層次細節模型。本研究所用度量方法為基于距離的LOD選取：也就是說，根據判斷選取細節層次模型，高精度繪制距離視點相對比較近的物體，遠視點距離物體則選擇低精度繪制；3）陰影技術[5]。為提升真實感，強化繪制效果，應該選擇陰影技術，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光源彼此疊加的感覺。

2.1.2 建模和繪制技術

基于虛擬現實技術的多功能跑步機中，基本技術為實時繪制和建模，在模型繪制速度與精細程度上，不僅要確保較高顯示質量，而且還不會讓用戶在健身過程中感到不適。基于虛擬現實技術的運動系統設計所支持的功能主要包括網格模型動畫、菜單選擇、海量植物生成、路徑漫游及小地圖顯示等，內含地形生成子系統，通過可見性剔除、四叉樹地形管理等技術對渲染速度進行不斷優化。

2.1.3 立體顯示技術

事實上，立體顯示技術是虛擬現實技術的關鍵，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性相對較強，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 為左右焦點間距 ，d 為 兩眼視差 ，f為焦距，先計算左右眼視點向量和矩陣變換，并通過公式（2）[7]對左眼圖加以計算，由此就能保證左右片對不僅具有真實性，同時還極為快速。

2.2 集成設計

一般可將該系統虛擬場景劃分為3大環節：運動場（如圖2所示）、公路（如圖3所示）、郊外（如圖4所示）。

圖2 運動場環境Fig.2 The playground environment

圖3 公路環境Fig.3 The road environment

圖4 郊外環境Fig.4 Outskirts environment

虛擬環境中，所有物體都有外觀與形狀兩方面，以此對虛擬環境模型進行存儲。文件不僅要提供以上信息，而且還應該滿足虛擬建模常用指標，即：交互操縱能力、交互顯示能力以及構造能力[8]。圖5為跑步機系統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Fig.5 Multifunction treadmill

圖6 液晶屏幕Fig.6 LCD screen

3 結束語

本研究基于虛擬現實技術的多功能跑步機系統設計，與其它仿真技術相比較，基于虛擬現實技術的健身系統存在多種感知功能，有助于提升健身系統和健身者交互能力，增強人們健身效果。隨著我國科學技術不斷發展與進步，虛擬現實技術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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