一種跑步機3D視頻同步播放系統的設計與實現

顧新鋒，倪晨剛，徐 榮，劉童嶺

(中國衛星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

一種跑步機3D視頻同步播放系統的設計與實現

顧新鋒，倪晨剛，徐 榮，劉童嶺

(中國衛星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

針對目前跑步機鍛煉模式單調、乏味的問題，結合視頻播放設備設計了一套跑步機3D視頻同步播放控制系統。采用磁場傳感器采集跑步機轉軸狀態，通過單片機實時計算跑步機速度，并進行濾波以后送給上位機。編寫上位機控制軟件，利用Windows鍵盤相關的API函數控制播放器速度，使視頻播放速度隨著跑步者速度變化而同步改變，實現了體驗者與視頻播放的互動，增強了跑步運動的趣味性。實驗結果表明，設計方案有效可行，且實用性強，可廣泛地應用到其他健身器械中。

跑步機；主動快門式；單片機；磁場傳感器

0 引言

隨著時代的發展，人們的物質生活水平不斷提高，健康意識也隨之不斷增強。走、跑作為一種健康的有氧代謝健身活動，受到國內外體育界與醫學界的高度重視[1]。這種運動在提高心肺功能、增加肌肉與骨骼強度方面都有顯著效果，如今已廣泛應用于運動鍛煉、醫療復健等領域。進行跑步運動，通常有多種場地可選，如運動場、道路、跑步機等，室外運動場、道路等視野開闊，能夠更好地放松心情，但容易受環境、天氣、場地等自然因素的限制；而使用室內跑步機隨時都可以進行運動，比較方便，不受天氣、氣候的影響，但在跑步機上跑步時視野窄，比較單調，不利于緩解心情、調解壓力。跑步者在跑步機上跑步時，有的戴上耳機，通過音樂來放松心情；有的在跑步機前用平板電腦播放視頻，來緩解跑步健身時的單調，但平板電腦屏幕較小，在跑步過程中眼睛容易累。

在3D技術日益發達的今天，如果能在跑步時把跑道或道路等室外的場景用大屏幕的3D電視機呈現在眼前，體驗者通過配戴3D眼睛觀看視頻，并且在體驗的過程中與視頻互動，即視頻播放的速度會隨著體驗者速度的快慢而同步改變，讓體驗者有一種如同穿越時空，到室外跑步的感受，跑步者跑步時既不受天氣、氣候變化的影響，隨時都可以進行，而且在鍛煉身體的同時起到放松心情，緩解壓力的作用。

跑步機視頻同步播放系統以現有跑步機為基礎，加裝速度測量傳感器，通過單片機[2]采集傳感器數據，經過處理后發送給上位機計算機，在計算機上編寫軟件接收單片機傳送過來的測量數據，并根據跑步機參數計算跑步的速度，再根據速度的變化控制視頻播放器的播放速度，從而實現跑步機速度與視頻播放速度的同步。系統原理框圖如圖1所示。

圖1 跑步機3D視頻同步播放系統原理框圖

1 跑步機視頻同步播放系統的設計

1.1 跑步機速度的測量

要使得視頻播放速度與體驗者速度同步，需要獲取跑步機的速度信息，現有的跑步機具有速度顯示和控制功能，可以在跑步的過程中通過調節按鈕控制跑步機速度，也可以通過自適應的方式調節跑步機的速度[3-5]，并實時顯示，但它沒有對外速度輸出接口，需要自己研制跑步機速度采集設備。

實現跑步機速度采集有以下三種方案：

方案1：跑步機采用七段數碼管顯示速度，可以通過采集數碼管各管腳的電平狀態并進行解碼得到。

方案2：跑步的速度通過按鍵控制，可以通過采集速度控制按鍵的狀態間接得到跑步機的速度。

方案3：利用獨立的傳感器來采集跑步機的速度。

方案1和方案2需要對跑步機的線路進行改造，可能會影響跑步機的性能，方案3需要增加傳感器，但采用獨立的傳感器，不會影響跑步機的性能，綜合考慮，選用方案3。

跑步機具有速度控制功能，自身存在速度采集模塊，拆開跑步機，在跑步機內部帶動履帶前進的滾軸上有一圓形磁鐵，在支架上有一個磁場傳感器。因此，可以在跑步機磁場傳感器附近加裝一套磁場傳感器，采集跑步機的速度。當轉軸每轉動一圈，會帶動磁鐵在磁場傳感器附近穿過一次，磁場傳感器就會輸出一個脈沖信號，只需要測量轉軸旋轉一圈對應履帶前進的距離及相鄰兩次脈沖輸出的時間間隔，就可以計算得到履帶前進的速度，即跑步機的速度可表示為：

v=vn·S

(1)

式中，S為跑步機轉軸旋轉一圈對應履帶前進的距離，vn為跑步機轉軸的轉速，vn=1/Δt,Δt為相鄰兩次脈沖輸出時間間隔。

1.2 跑步機速度信息的濾波與傳輸

考慮到不同跑步機轉軸旋轉一周對應履帶前進的距離不同，速度的計算在計算機端實現。由于在跑步過程中，每一步給履帶帶來一定的沖擊，造成時間間隔的波動，影響視頻控制的穩定性，因此，需要對時間間隔進行濾波后再發送給計算機，進行速度的計算。單片機得到的數據以串口形式發送給計算機。

(1)速度值平滑濾波

為了減小跑步時的沖擊帶來的影響，對測量得到的跑步機轉速vn進行平滑濾波處理。這里采用一種被稱為“leaky integration”的方法，用X(n)(n=1,2,…)表示當前時刻速度值，Y(n)表示當前時刻濾波結果，則Y(n)可表示為[6-7]：

Y(n)=α×Y(n-1)+(1-α)×X(n)

(2)

式中，α(0≤α≤1)為平滑系數，α=0表示不進行平滑，α越大平滑性越好，但系統響應速度會變慢，一般根據經驗值設定，這里設置為0.9。

(2)速度信息的傳輸

單片機和上位機之間采用串口方式進行通信，為了保證數據的正確接收和解調，在數據中增加開始標志和校驗碼。

數據格式為$xx,ddcc,HH；其中$為開始標志，xx從00到99表示傳感器編號，ddcc為速度，dd表示速度的整數部分，cc表示速度的小數部分，如ddcc為1232表示轉速為vn=12.32圈/s，HH為校驗碼，用兩位十六進制數表示，采用字符形式傳輸，校驗碼為從開始標志到第二個逗號共9個字符的ASCII碼的校驗和的十六進制形式。

單片機每收到一個脈沖信號，利用內部的定時器計算得到與上個沖的時間間隔Δt，再計算跑步機的轉速vn，濾波后組幀發送給計算機，考慮到一般跑步機設定的最低速度大于1 km/h,若單片機在10 s內未收到脈沖信號，表明跑步機已停止運轉，直接置vn=0進行數據發送。當計算機收到$表示一幀數據開始，對包括$在內的連續9個字符計算校驗和，將結果與HH代表的十六進制發送校驗和進行比較，若比較結果一致，表明數據傳輸正確，否則認為數據傳輸錯誤，做丟棄處理。

1.3 視頻同步播放控制軟件設計

視頻的同步播放可以通過兩種方法來實現，一種是自己設計制作播放速度可控的3D播放器；另一種是利用軟件控制播放器的播放速度。由于自己設計制作播放器難度相對較大，選用后一種方案，根據單片機送到計算機的跑步機轉速，根據跑步機轉軸旋轉一圈對應的距離參數計算跑步的速度，再轉換成播放器的控制信號，控制視頻播放的速度。

用軟件控制播放器速度，需要播放器有相應的控制接口。通常，播放器的播放控制可以用鼠標來控制，也可以利用快捷鍵通過鍵盤實現快速控制，因此，需要選擇一款可以通過鍵盤按鍵控制播放速度的3D播放軟件，利用軟件模擬鍵盤按鍵來實現播放器速度的控制。

以PotPlayer播放器為例，它可以實現不同格式3D視頻的播放，并且播放速度可以通過快捷鍵控制。打開視頻后其播放的初始速度為1，通過x和c兩個鍵實現播放速度的控制，通過空格鍵實現暫停與播放控制。按下c鍵為加速，每按一次，速度增加0.1，按下x為減速，每按一次，速度降低0.1，播放器最高速度為2倍速，最低為0.2倍速。在軟件設計中，通過Windows的API函數來模擬鍵盤按鍵控制播放器的播放速度。播放器控制軟件界面如圖2所示。

圖2 播放器速度控制軟件

軟件通過串口設置，選擇合適的端口和波特率與單片機通信，獲取轉軸的轉速vn。其中周長為跑步機轉軸的周長，等價為轉軸旋轉一圈，履帶前進的距離，當前數值為單片機實時發送的轉軸速度，速度為轉換后跑步機履帶前進的速度，單位為km/h。周長可以在軟件中通過“+”或“-”按鈕調節，也可以直接輸入對應的數字，以適應不同的跑步機。

實驗用跑步機能夠設置的最低速度為2 km/h，最高速度為20 km/h，步進變化為0.1 km/h。在拍攝視頻時，以10 km/h的速度前進，所以當跑步機速度為10 km/h時，控制播放器速度為1，即以正常速度播放視頻；當跑步機速度為20 km/h時，控制播放器以2倍速播放視頻。由于跑步機速度是一個連續變化量，而播放器的速度控制是0.1倍速變化的離散控制量，需要在軟件中將連續變化的速度轉換為離散的控制量，軟件設計流程如圖3所示，具體對應關系如表1所示。

圖3 播放器控制流程圖

跑步機速度v/(km/h)播放器速度000

軟件啟動時，首先對其進行初始化，根據數據連接端口進行接收端口設置，并初始化播放器速度都為0.2，使播放器暫停播放。當跑步機開始運行，速度從零開始增加，當軟件接收到速度信息時，模擬空格鍵，使播放器開始播放，當速度v>2.5時，模擬鍵盤c鍵，控制播放器速度增加0.1，變為0.3倍速；當v>3.5時，模擬鍵盤c鍵，控制播放器速度再增加0.1，變為0.4倍速，依次類推。跑步機減速時，模擬鍵盤x鍵，控制播放器播放速度減慢，當跑步機速度為零時，模擬空格鍵，控制播放器暫停。至此，就實現了跑步機速度與播放器速度的同步控制。

2 3D電視的選購與3D視頻的獲取

通過市場調查，為達到較好的顯示效果，選定一款三星的65英寸的電視機作為3D視頻的播放顯示器，并配合主動快門式3D眼鏡，以達到觀看效果。

3D視頻獲取方式有兩種，一是直接下載，二是自己拍攝。為了能夠有一種在真實場景中漫步的效果，選擇后者，利用3D攝像機在道路上拍攝視頻。在拍攝過程中，把3D攝像機通過三腳架安放在小型汽車中，從天窗伸出拍攝車前的景色，讓汽車啟動后保持10 km/h的速度勻速前進，選定馬路、運動場跑道等路線進行拍攝。

3 軟硬件平臺搭建及測試

Δt采用單片機采集磁場傳感器輸出脈沖信號，利用定時計數器測量相鄰脈沖之間的時間差得到。對于距離S，首先在跑步機履帶上做好標記，然后讓轉軸旋轉一圈，測量履帶前進的距離，利用多次測量值求平均后得到。表2是5次測量得到的結果。

表2 跑步機轉周旋轉一圈對應履帶前進的距離

對5次測量結果求平均，得到跑步機轉軸旋轉1圈履帶前進的平均距離S=243 mm,在軟件界面的周長對應的文本框中填入距離值243。這一數值也可以通過如下的調試方式得到。

在調試時先不打開播放器，只開啟播放器同步控制軟件，當跑步機速度穩定以后，查看軟件界面顯示的速度與跑步機設置的速度是否一致，若不一致可以通過軟件界面的“+”按鈕或“-”按鈕調節周長，使得播放器控制軟件界面顯示的速度值與跑步機的實際速度一致。這里假設跑步機顯示的速度是準確的。

暫停跑步機，打開播放器，加載待播放的視頻文件，將播放器速度調到最低0.2倍速，并暫停播放，開啟跑步機，設置跑步機的速度，隨著跑步機履帶開始前進行，視頻開始播放，當跑步機速度加快時，播放器的速度也隨之加快；當跑步機速度減慢時，播放器的速度也隨之降低；當跑步機暫停時，視頻也隨即暫停播放。經測試，跑步機的速度與播放器的播放速度的關系與表1給出的值一致。

4 結論

本文針對目前跑步機與視頻播放相對獨立的情況，利用磁場傳感器結合單片機制作了跑步機的速度測量模塊，利用Windows的與鍵盤相關的API函數設計播放器速度控制軟件，實現了播放器速度與跑步機速度的同步控制，并且可以通過軟件界面對跑步機參數進行調節，以適應不同的跑步機，也可以實現速度的比例變化。采用主動快門式3D電視與相應的眼鏡結合，用3D數碼相機勻速拍攝道路和跑道視頻，讓體驗者在跑步機上跑步時獲得如同在道路上跑步一樣的感受，具有沉浸式的效果[8]，且有助于緩解壓力，放松心情。

[1] 程龍樂. 基于視頻圖像處理的跑步機速度自適應控制技術的研究[D]. 合肥：安徽大學,2015.

[2] MONK S. 基于Anduino的趣味電子制作[M]. 吳蘭臻，鄭海昕，王天祥,譯.北京：科學出版社，2011.

[3] 劉洋,周旭,孫怡寧,等. 基于步法的跑步機速度跟蹤控制方法[J]. 傳感技術學報, 2015, 28(2):121-124.

[4] 崔文琪， 李峰. 下肢康復機器人系統中的跑步機速度跟隨自適應控制方法[J]. 現代制造工程，2013(9): 30-34.

[5] 王鵬, 韓穎. 電動跑步機上步態特征獲取系統的設計[J]. 電子測試，2013(22): 238-239.

[6] 劉利生.外彈道測量數據處理[M].北京：國防工業出版社,2002.

[7] 陳以恩.遙測數據處理[M].北京：國防工業出版社,2002.

[8] 李婷婷, 劉石, 陳發祿. 沉浸式虛擬校園仿真系統開發及關鍵技術研究[J]. 微型機與應用,2017,36(1):79-82.

Design and implementation of 3D video synchronous broadcasting system for the treadmill

Gu Xinfeng, Ni Chengang, Xu Rong, Liu Tongling

(China Satellite Maritime Tracking & Control Department, Jiangyin 214431, China)

A 3D Video synchronous broadcasting system for the treadmill is designed in view of the monotonicity and insipidity of the traditional treadmill. The speed of treadmill is measured by the magnetic sensor and the single chip machine and then it is transmitted to the PC software after filtering. PC software, controlling the speed of 3 dimension (3D) player, is compiled by using the Windows Application Programming Interface(API) function related to the keyboard. The speed of 3D video player is synchronized with the speed of the treadmill. It realizes the interaction between experiencer and the 3D player, and it increases the enjoyment. The results show the efficiency, feasibility and practicability of the design. The technique also can be widely applied in other fitness equipments.

treadmill; active shutter type; single chip machine; magnetic sensors

TP273

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.20.028

顧新鋒，倪晨剛，徐榮，等.一種跑步機3D視頻同步播放系統的設計與實現[J].微型機與應用，2017,36(20)：101-103，107.

2017-03-23)

顧新鋒(1983-)，通信作者，男，博士，工程師，主要研究方向：航天測控、信號處理、嵌入式系統開發與應用。E-mail:y6ckgxf@126.com。

倪晨剛(1989-)，男，本科，助理工程師，主要研究方向：3D建模與仿真。

徐榮(1979-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：航天測控。