本發(fā)明一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的跑步訓(xùn)練系統(tǒng)涉及運動健身、醫(yī)療康復(fù)，屬于生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

虛擬現(xiàn)實(virtualreality，vr)技術(shù)具有沉浸性、多感知、交互性、想象性等特征，在醫(yī)療、教育、娛樂等領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的跑步機(jī)安置于室內(nèi)，使得人在跑步鍛煉時會感覺枯燥乏味。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于人在跑步機(jī)的訓(xùn)練，不失為解決這種困擾的現(xiàn)實可行的技術(shù)途徑。錢克寵等人(錢克寵,胡維華.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在跑步機(jī)中的設(shè)計與實現(xiàn)[j].計算機(jī)仿真,2009,26(5):259-261.)通過使用計算機(jī)圖形圖像技術(shù)構(gòu)建3d場景，對人體進(jìn)行運動識別做成模擬的人體3d的運動影像，構(gòu)成融合了虛擬化身的大型三維跑步場景，實現(xiàn)健身者與虛擬場景之間的動態(tài)、實時的交互。李春麗等(李春麗,竇少兵,楊先軍,等.智能跑步機(jī)上虛擬場景的設(shè)計與實現(xiàn)[j].儀表技術(shù),2012(9):46-48.)利用計算機(jī)模擬的人工環(huán)境，制作虛擬場景，提取跑步時產(chǎn)生的各種運動參數(shù)(速度、里程、心率等)，作用于虛擬場景，實現(xiàn)健身者與虛擬環(huán)境的實時交互。

上述研究很好地將跑步者的運動與虛擬影像相融合，達(dá)到了人機(jī)交互的目的。但在實際使用中還有很多不便，如：1、需要使用多種傳感器測量跑步者的各種運動狀態(tài)，導(dǎo)線很多使跑步者多有不便；2、構(gòu)建虛擬3d場景，實現(xiàn)人機(jī)交互，而最后呈現(xiàn)給跑步者的依然是2d影像，缺乏沉浸感；3、需要使用專門的跑步機(jī)和專用的影像播放設(shè)備，場地、專用設(shè)備固定，使用不方便，且使用成本較高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明擬解決的技術(shù)問題是，提供一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的跑步訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用陀螺儀加速度計來采集跑步者單腿變化的角度信號，將該信號傳輸給計算機(jī)，計算機(jī)將變化的角度信號轉(zhuǎn)換成跑步速度變化信號，再換算成控制視頻圖像變化的播放幀數(shù)，計算機(jī)運算并控制視頻播放速度，計算機(jī)與vr眼鏡上的手機(jī)連接，使裝有手機(jī)的vr眼鏡與計算機(jī)同步播放視頻影像。該系統(tǒng)能將裝有手機(jī)的vr眼鏡應(yīng)用于傳統(tǒng)跑步機(jī)，不限場地、設(shè)備靈活、操作簡便，實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實完美結(jié)合，使跑步者感覺置身于自然環(huán)境中，增強(qiáng)跑步的趣味性。

本發(fā)明解決所述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是，提供一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的跑步訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括：跑步機(jī)、測速組件、裝有信號處理及控制程序和視頻影像的計算機(jī)、接收端藍(lán)牙以及裝有手機(jī)的vr眼鏡。所述測速組件佩戴在跑步者的單腿或手臂上，包括陀螺儀加速度計、三端穩(wěn)壓芯片、發(fā)送端藍(lán)牙、電池和電源開關(guān)。陀螺儀加速度計的串行數(shù)據(jù)輸出端tx與發(fā)送端藍(lán)牙的接收數(shù)據(jù)端rxd連接，陀螺儀加速度計的串行數(shù)據(jù)輸入端rx與發(fā)送端藍(lán)牙的發(fā)送數(shù)據(jù)端txd連接，發(fā)送端藍(lán)牙與接收端藍(lán)牙進(jìn)行藍(lán)牙無線通信；電池的正極通過電源開關(guān)與三端穩(wěn)壓芯片的輸入端input連接，三端穩(wěn)壓芯片的輸出端output同時連接在陀螺儀加速度計的vcc端和發(fā)送端藍(lán)牙的電源輸入端+5v，陀螺儀加速度計、發(fā)送端藍(lán)牙及三端穩(wěn)壓芯片的gnd端均接在電池的負(fù)極；陀螺儀加速度計、三端穩(wěn)壓芯片、發(fā)送端藍(lán)牙、電池和電源開關(guān)均集成在一塊電路板上；測速組件通過發(fā)送端藍(lán)牙、接收端藍(lán)牙與計算機(jī)進(jìn)行藍(lán)牙通信，接收端藍(lán)牙插在計算機(jī)上，所述計算機(jī)同時與裝有手機(jī)的vr眼鏡上的手機(jī)通過wifi無線連接，所述手機(jī)和計算機(jī)上均安裝有多屏互動軟件的客戶端；裝有手機(jī)的vr眼鏡佩戴在跑步者的頭部。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的跑步訓(xùn)練系統(tǒng)的有益效果是：

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)(vr)應(yīng)用到傳統(tǒng)的跑步機(jī)訓(xùn)練中，使室內(nèi)鍛煉者可以融入到虛擬自然環(huán)境中，增強(qiáng)戶外運動的真實感，實現(xiàn)人與虛擬環(huán)境的直觀自然地交互。當(dāng)跑步者在跑步機(jī)上跑步時，眼前掠過的風(fēng)光如同在室外跑步時一樣。隨著跑步者跑步速度快慢的變化，眼見的風(fēng)景移動速度也會隨著跑步速度的變化而變化。本發(fā)明系統(tǒng)小巧實用，而且靈活輕便，不會對跑步者造成不必要的負(fù)擔(dān)。

本發(fā)明一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的跑步訓(xùn)練系統(tǒng)突出的實質(zhì)性特點是：

1)在傳感器的使用上，通過一個陀螺儀加速度計采集跑步者腿部改變的角度信號，控制視頻影像播放速度。測速組件使用起來小巧輕便、簡易實用、易攜帶，不會增加跑步者的負(fù)擔(dān)。

2)跑步者在跑步訓(xùn)練時，使用頭戴式裝有手機(jī)的vr眼鏡4作為影像播放器，產(chǎn)生3d的影像。跑步速度的變化信號，經(jīng)過計算機(jī)3數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而改變影像每秒鐘播放的幀數(shù)數(shù)量，達(dá)到改變視頻播放速度，使在室內(nèi)使用跑步機(jī)的人，有置身于室外環(huán)境中跑步的感覺。

3)各設(shè)備之間信號無線傳輸，在信號覆蓋的范圍內(nèi)，計算機(jī)3可以靈活放置。不局限于某一臺跑步機(jī)，使用范圍更廣。由于跑步的時候跑步者頭戴著裝有手機(jī)的vr眼鏡，出于安全考慮，最好使用裝有扶手的跑步機(jī)。

附圖說明

圖1本發(fā)明一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的跑步訓(xùn)練系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖；

圖2本發(fā)明一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的跑步訓(xùn)練系統(tǒng)實例的測速組件的電路連接圖；

圖3本發(fā)明一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的跑步訓(xùn)練系統(tǒng)的信號處理及控制程序的程序流程圖；

圖中，1跑步機(jī)、2測速組件、3計算機(jī)、4裝有手機(jī)的vr眼鏡、5陀螺儀加速度計、6發(fā)送端藍(lán)牙、7電池、8三端穩(wěn)壓芯片、9電源開關(guān)、10接收端藍(lán)牙。

具體實施方式

下面結(jié)合實例及附圖進(jìn)一步介紹本發(fā)明，但并不以此作為對本申請權(quán)利要求保護(hù)范圍的限定。

本發(fā)明一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的跑步訓(xùn)練系統(tǒng)(簡稱系統(tǒng)，參見圖1-3)包括：跑步機(jī)1、測速組件2、裝有信號處理及控制程序和視頻影像的計算機(jī)3、接收端藍(lán)牙10以及裝有手機(jī)的vr眼鏡4。所述測速組件2(參見圖2)佩戴在跑步者的單腿或手臂上，包括陀螺儀加速度計5、三端穩(wěn)壓芯片8、發(fā)送端藍(lán)牙6、電池7和電源開關(guān)9。其電路連接：陀螺儀加速度計5的串行數(shù)據(jù)輸出端tx與發(fā)送端藍(lán)牙6的接收數(shù)據(jù)端rxd連接，陀螺儀加速度計5的串行數(shù)據(jù)輸入端rx與發(fā)送端藍(lán)牙6的發(fā)送數(shù)據(jù)端txd連接，發(fā)送端藍(lán)牙6與接收端藍(lán)牙10進(jìn)行藍(lán)牙無線通信；電池7的正極通過電源開關(guān)9與三端穩(wěn)壓芯片8的輸入端input連接，三端穩(wěn)壓芯片8的輸出端output同時連接在陀螺儀加速度計5的vcc端和發(fā)送端藍(lán)牙6的電源輸入端+5v，陀螺儀加速度計5、發(fā)送端藍(lán)牙6及三端穩(wěn)壓芯片8的gnd端均接在電池7的負(fù)極；陀螺儀加速度計5、三端穩(wěn)壓芯片8、發(fā)送端藍(lán)牙6、電池7和電源開關(guān)9均集成在一塊電路板上。測速組件2通過發(fā)送端藍(lán)牙6、接收端藍(lán)牙10與計算機(jī)3進(jìn)行藍(lán)牙通信，接收端藍(lán)牙10插在計算機(jī)3的usb接口上。所述計算機(jī)3同時與裝有手機(jī)的vr眼鏡4上的手機(jī)通過wifi無線連接，且手機(jī)和計算機(jī)3上均安裝有多屏互動軟件的客戶端，手機(jī)和計算機(jī)3開啟多屏互動軟件，就可以在手機(jī)屏幕上看到與計算機(jī)3屏幕上顯示的相同圖像。

測速組件2中的陀螺儀加速度計5采集跑步者單腿變化的角度信號，每10ms通過發(fā)送端藍(lán)牙6給計算機(jī)3發(fā)送信號，計算機(jī)3通過接收端藍(lán)牙10接收信號。經(jīng)計算處理后將該角度信號換算成視頻圖像變化的播放幀數(shù)，控制視頻播放速度，計算機(jī)3與vr眼鏡4上的手機(jī)通過wifi無線連接，實現(xiàn)同步播放視頻影像。

本發(fā)明系統(tǒng)的進(jìn)一步特征在于，所述測速組件還包括有盒子，集成有陀螺儀加速度計5、三端穩(wěn)壓芯片8、發(fā)送端藍(lán)牙6、電池7和電源開關(guān)9的電路板被固定在包裝盒內(nèi)。電池7為12伏可充電電池，陀螺儀加速度計5的型號為mpu-6050，發(fā)送端藍(lán)牙6的型號為hc-05。

本發(fā)明系統(tǒng)中所述的跑步機(jī)1、計算機(jī)3、裝有手機(jī)的vr眼鏡4均為現(xiàn)有設(shè)備。跑步機(jī)1、測速組件2、計算機(jī)3、裝有手機(jī)的vr眼鏡4，這四大硬件設(shè)備皆各自獨立運行，互不牽扯，之間的信號傳輸均為無線傳輸。所述測速組件2的大小與手掌差不多，重量為200克左右，可以綁在腳踝或手臂等肢體上，并且不妨礙運動。

本發(fā)明一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的跑步訓(xùn)練系統(tǒng)，需要在有wifi的環(huán)境下運行，具體信號處理及控制程序的程序流程是：

步驟一：清除歷史數(shù)據(jù)，預(yù)設(shè)參數(shù)，所述參數(shù)包括跑步者腿長和循環(huán)次數(shù)n；

步驟二：驅(qū)動接收端藍(lán)牙10所插接的計算機(jī)usb接口的開啟程序，計算機(jī)3接收跑步者直立佩戴測速組件時陀螺儀加速度計5采集的角度信號，該角度信號以二進(jìn)制信號形式輸入進(jìn)計算機(jī)，計算機(jī)接收到該角度信號后，根據(jù)陀螺儀加速度計5的角度計算公式(該公式明確記載在陀螺儀加速度計5的說明書上)求出初始角度；

步驟三：跑步者開始運動，計算機(jī)3每δtms接收一次陀螺儀加速度計5采集的角度信號，計算機(jī)3會持續(xù)接收n次由陀螺儀加速度計5提供的信號，共得到n組數(shù)據(jù)；再根據(jù)陀螺儀加速度計5的角度計算公式求出當(dāng)前時刻的角度，得到固定間隔變化的、有周期的、有峰值的離散角度值，且記錄采集n組數(shù)據(jù)的時間為t，t＝δt*n，單位ms；所述δt與具體使用的陀螺儀加速度計的型號有關(guān)；

步驟四：計算邁步步長和向前邁步的次數(shù)：

將步驟三求出的全部當(dāng)前時刻的角度減去步驟二求得的初始角度，得到一組相對角度，在相對角度中選取最大值θ，θ的單位為度，再結(jié)合已知的跑步者腿長，經(jīng)過三角函數(shù)和勾股定理的計算，得到該最大值下對應(yīng)的最大的邁步步長；

設(shè)定角度偏差范圍為[θ-10,θ]，當(dāng)在時間t內(nèi)記錄的當(dāng)前時刻的相對角度在此角度偏差范圍內(nèi)，記為人腿向前邁了一步，統(tǒng)計時間t內(nèi)在此角度偏差范圍內(nèi)的相對角度個數(shù)，該相對角度個數(shù)即為人腿向前邁步的次數(shù)；

步驟五：計算跑步速度：

用步驟四計算得到的邁步步長除以采集n次數(shù)據(jù)的時間t，再乘以向前邁步的次數(shù)，得到跑步者的跑步速度；

步驟六：速度限制：

設(shè)定速度限制為0.5-1.5m/s；當(dāng)速度變化量，即步驟五得到的兩次跑步速度的差值，超過速度限制時，將跑步的速度換算為新的播放幀數(shù)，控制計算機(jī)3中視頻播放速度，執(zhí)行步驟七；當(dāng)速度變化量未超過速度限制時，仍以原幀數(shù)播放視頻，返回執(zhí)行步驟三；設(shè)置為0.5-1.5m/s的速度限制使有一個彈性區(qū)間，這樣不會因為跑步者短暫的突然地增速或者減速而改變視頻播放的快慢；實際實驗中，選擇速度限制為1m/s；

步驟七：當(dāng)超過速度限制后，手機(jī)會彈出一個新的視頻的播放窗口，點擊播放按鈕就可以新的播放速度播放視頻，返回步驟三。

本發(fā)明系統(tǒng)中n設(shè)為15-30，循環(huán)次數(shù)越多，跑步運動的時間越長。

本發(fā)明一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的跑步訓(xùn)練系統(tǒng)的使用方法是：在wifi環(huán)境中，首先，跑步者將測速組件2固定在單側(cè)小腿上，頭部帶上裝有手機(jī)的vr眼鏡4，打開測速組件2上的電源開關(guān)9，同時打開用以信號處理及控制并裝有視頻影像的計算機(jī)3，原地站立3秒鐘，以便讀取初始角度值；然后，跑步者開始在跑步機(jī)1上跑步，陀螺儀加速度計5采集到跑步者單腿移動的角度信號之后，通過藍(lán)牙無線傳輸?shù)接嬎銠C(jī)3進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到每秒的播放幀數(shù)，用以控制播放視頻速度；手機(jī)和計算機(jī)通過多屏互動同步播放視頻影像，跑步者在裝有手機(jī)的vr眼鏡4上，看到與跑步速度相對應(yīng)播放的3d“沿途風(fēng)光”影像；跑步完成后，關(guān)閉測速組件2上的電源開關(guān)9，關(guān)閉計算機(jī)3，解開測速組件2。再次使用時，開啟程序會自動清除歷史數(shù)據(jù)。

本發(fā)明一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的跑步訓(xùn)練系統(tǒng)的視頻播放應(yīng)用多屏互動軟件(手機(jī)屏幕與計算機(jī)屏幕的互動，使計算機(jī)屏幕圖像投影到手機(jī)屏幕上。應(yīng)用多屏互動軟件需要在wifi的環(huán)境中使用。)技術(shù)，控制手機(jī)與計算機(jī)3同步播放視頻影像。將手機(jī)放入vr眼鏡中，通過光學(xué)轉(zhuǎn)換，平面視頻將變?yōu)?d的效果。這里所述的多屏互動軟件為現(xiàn)有軟件。

本發(fā)明系統(tǒng)在采集角度信號時，可以將測速組件2佩戴在單腿或手臂的任意位置，考慮了跑步者每一步的邁步差異，選取了小于最大值10度的范圍為角度偏差范圍，在這個角度偏差范圍內(nèi)都看作人腿邁向前的最大相對角度，統(tǒng)計這個角度偏差范圍內(nèi)的相對角度個數(shù)。當(dāng)n＝20時，將采集的20個相對角度數(shù)值點連成線，會形成類似正弦形式的波形，最高的波峰就是這組數(shù)據(jù)中的最大值，用這個最大值求得邁步的步長。每個波峰的數(shù)值都不一樣，所以設(shè)置一個角度偏差范圍，到達(dá)這個角度偏差范圍內(nèi)就算一次邁步，這樣就可以找到所采集時間內(nèi)到達(dá)波峰的次數(shù)，波峰的多少就是邁步的次數(shù)。

本發(fā)明所涉及的元器件均可通過商購獲得，未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。