基於虛擬實境技術的室內綜合運動模擬系統的製作方法
2023-04-26 15:53:46
專利名稱：基於虛擬實境技術的室內綜合運動模擬系統的製作方法
技術領域：
基於虛擬實境技術的室內綜合運動模擬系統，屬於運動訓練模擬設備的設計技術領域。
背景技術：
隨著時代發展，跑步機、室內高爾夫運動模擬系統等多種室內運動設備應運而生，削弱了天氣、時間、空間等因素的限制，滿足了人們的健身要求。發明專利98101140介紹了一種前撐式的跑步器。發明專利96120583.0介紹了具有兩維空間對稱性光傳感器網的高爾夫球訓練裝置，包括裝在擊球地毯上的傳感器；設在球飛行方向一定距離的方形框架；多光源發生器；由一個聚焦的光源而產生多條光信號次光源以組成單一平面兩維空間的光網；光信號接收探測器，裝設在光信號發生器的對應框架上以形成單一平面兩維空間對稱性的光網；及數據處理與顯示器。發明專利00121253.2介紹了一種高爾夫運動模擬系統測量裝置。該裝置採用傳感器測量高爾夫球在被擊起後的有關運動參數。這些運動參數將作為重要參量輸入到高爾夫運動模擬系統的相關軟體中，支持高爾夫運動模擬系統實現對高爾夫運動的精確模擬。
上述這些運動模擬系統僅僅適合於一種運動，用戶不能方便的更換運動項目。而且這樣的運動模擬系統僅將運動的相關參數，如跑步的速度、球到達的最終位置等信息以數字形式顯示在顯示器上，而不能將整個運動軌跡顯示在屏幕上，不能使用戶在視覺上達到真實感。
發明內容
本發明的目的在於，提出一種基於虛擬實境技術的室內綜合運動模擬系統，該系統能夠將各種現有的運動模擬系統集中在一個系統中，用戶需要時能夠方便的選擇；另外，該系統能夠使用戶在運動過程中，通過屏幕看到本人運動的虛擬真實狀態，而不僅僅是相關參數的數字顯示。
本發明的特徵在於它是將不同運動項目的訓練軟體分別存放在不同的運動項目集成卡中，使用時將需要的運動項目集成卡插入與主控機連接的專用插槽中，實現該項目的虛擬實境運動；它含有運動項目集成卡、主控機，仿真平臺、位於所述仿真平臺正前方的投影屏幕，位於所述仿真平臺後上方的投影儀，所述投影儀的輸入端連接所述主控機，以及運動器械和檢測設備；所述運動項目集成卡有專用插槽，該插槽通過USB接口與主控機進行數據傳輸。
其特徵還在於，所述運動器械是球；所述檢測設備是位於運動平臺正上方和側面的兩個垂直放置的無線攝像頭，所述兩個無線攝像頭內部設置有無線發射晶片，並分別配備有一個無線接收器，該兩個無線接收器共用一個視頻採集卡，該視頻採集卡通過PCI接口與主控機相連；所述兩個無線攝像頭採集運動的球的正交平面的運動圖像序列，並通過無線發射晶片和無線接收器傳送到主控機，由主控機進行虛擬實境的數據處理，並最終將球的運動情況通過投影儀顯示在投影屏幕上。
其特徵還在於，所述運動器械是跑步機；該跑步機上裝有檢測設備，該檢測設備將檢測到的位移信息傳送到計算機，進行虛擬實境的數據處理，並最終將跑步的情況通過投影儀顯示在投影屏幕上。
其特徵還在於，所述運動器械是自行車訓練器；該自行車訓練器具有內置傳感器，檢測用戶的騎行速度、拐角度、上下傾斜度、左右傾斜度等參數，並將參數信息傳送到主控機，進行虛擬實境的數據處理，最終將自行車運動的情況通過投影儀顯示在投影屏幕上。
其特徵還在於，所述運動器械是數控式賽艇訓練器；該賽艇訓練器內置有傳感裝置和執行器，檢測用戶的划行速度、拐角度、上下傾斜度、左右傾斜度等參數，並將參數信息傳送到計算機，進行虛擬實境的數據處理，最終將賽艇運動的情況通過投影儀顯示在投影屏幕上。
其特徵還在於，所述運動器械是雷射槍；所述檢測設備是上述無線攝像頭之一；所述無線攝像頭將所述雷射槍發射的雷射點的位置圖像通過無線發射晶片和無線接受器傳輸到主控機，由主控機進行虛擬實境的數據處理，並最終將射擊的情況通過投影儀顯示在投影屏幕上。
實驗證明，本發明所提出的基於虛擬實境技術的室內綜合運動模擬系統能夠集中多種運動模擬系統，用戶需要時能夠方便的選擇；該系統還能夠使用戶在運動過程中，通過屏幕看到本人運動的虛擬實境的狀態，而不僅僅是數字的顯示，使用戶感受「真實的」運動狀態和「真實的」運動環境。
圖1是本發明的結構示意圖。
圖中，1為投影儀，2為仿真平臺，3為大屏幕，4為主控機，5為鍵盤，6為運動項目集成卡，7為語音識別設備，8為兩個垂直放置的攝像頭。
圖2是本發明的工作原理圖。
圖3是無線攝像頭與計算機的「連接」示意圖。其中8為無線攝像頭，9為發射天線，10為接收天線，11為無線接收器，12為接收器的AV輸出端，13為視頻採集卡，14為視頻採集卡PCI接口(插入電腦PCI插槽)。
圖4是本發明的網絡平臺工作原理圖。
具體實施例方式
結合
本發明的具體實施方式
。
如圖1所示，主控機可用一般的PC機，例如配置為CPU1GHZ，內存128M，硬碟20G的計算機。該計算機有USB接口。運動項目軟體集成卡用於存儲模擬運動項目程序，不同的模擬運動項目程序存儲在不同的軟體集成卡中，軟體集成卡可以選用現行標準遊戲卡式的軟體集成卡，該軟體集成卡配備有專用插槽，該插槽有USB接口與計算機相連。通過計算機可以往該軟體集成卡中寫入軟體程序比如可以事先在計算機中編寫好各項運動軟體，然後將不同的軟體寫入(下載至)各軟體集成卡中，需要時插入計算機專用插槽中。用戶在使用時，計算機調出相關的數據，用戶可以通過鍵盤選擇該項運動的場景，如跑步選擇跑道、海灣等場景，高爾夫球選擇高爾夫球場草地的場景等，然後開始進行運動。
仿真平臺2可以選用高性能塑膠地板。
如圖2所示，對於球類運動(包括射擊)，和非球類運動來說，數據的檢測和傳輸的途徑是不同的，球類運動和射擊是依靠兩個垂直放置的無線高頻攝像頭獲取系列幀圖像數據序列，通過無線傳輸到主機來實現數據的檢測和傳輸；而非球類運動，如跑步，自行車等則是通過運動器械內置的檢測裝置來檢測和傳輸數據。系統還可以通過網絡與使用本系統的其它用戶聯網進行交流。
下面結合各種不同的運動介紹本發明的實施情況。
一、跑步運動當用戶選擇跑步運動時，選擇存儲有跑步運動模擬軟體的軟體集成卡，將其於計算機相連，計算機調出其中的虛擬場景選擇項目，用戶可以通過鍵盤選擇所需要的場景，如跑道，及樹林、海灘等場景。用戶使用的運動器械是跑步機，本發明所選用的跑步機是JS-5006型跑步機，該跑步機內部有檢測設備，能夠檢測速度、方向等信息，該跑步機通過電纜與計算機的並口相連，並進行數據傳輸。跑步機可安置於仿真平臺下方，用戶進行其他運動項目時可不啟動。用戶在跑步過程中，投影屏幕上顯示出用戶在跑道或樹林等場地跑步的情況，如快跑、慢跑、拐彎、停止等情況，同時顯示出跑步速度、時間、體力分析等參數，使用戶能夠感受到較真實的運動情況。
二、球類運動球類運動包括保齡球、高爾夫球、撞球、地擲球等。當選擇高爾夫球時應配備相應的球桿，為防止球飛出，還應配備有球網；當選擇撞球時，應配備撞球桌和擊球桿。用戶將保齡球、高爾夫球或撞球的軟體集成卡與計算機相連，通過鍵盤選擇運動場景，然後開始運動。球類運動的參數是通過兩個攝像頭8來獲取的。兩攝像頭8垂直放置，獲取正交平面X-Z、X-Y球的運動圖像序列，並通過攝像頭內部的無線發射晶片和配備的無線接收器和視頻採集卡傳輸給計算機進行數據處理，將球的運動軌跡實時的顯示在投影屏幕上，同時顯示球在X、Y、Z方向的發射角、速度、加速度、運動距離等參數以及擊球力量、地面摩擦係數、風速等。無線攝像頭可以選用例如精誠達-315XXD無線攝像頭，該無線攝像頭內置發射晶片，並配備有無線接受器，接收器端有AV輸出口，將AV輸出口用視頻線連接至PCI視頻採集卡如「天敏-10MOONS TV MASTER」的AV輸入端子即可。採集的無限圖像序列傳輸至計算機。無線攝像頭與計算機的「連接」方式見圖3。
三、自行車運動選擇自行車運動的軟體集成卡與計算機相連中，通過鍵盤選擇運動場景，然後開始騎自行車運動。運動器械是自行車訓練器，本發明選擇的是型號為839E型的功率自行車訓練器該自行車訓練器在具有內置傳感器，能夠將用戶的騎行速度、拐角度、上下傾斜度、左右傾斜度等等參數檢測出來，並通過電纜傳輸給計算機，電纜的一端連接自行車訓練器的信號輸出端，另一端連接計算機的並行埠。運動過程中，用戶可以在屏幕上看到自行車在虛擬場景中行駛的情況，如快速行駛、慢速行駛、拐彎、停止等，還能夠看到速度、加速度等信息。用戶還能夠通過選擇運動軟體中的風速、摩擦係數等參數，使屏幕顯示更具有真實性。
四、射擊運動選擇射擊的軟體集成卡與計算機相連，通過鍵盤選擇射擊場景，如射擊場，然後開始射擊。運動器械是雷射槍，本發明選擇thls-2000系列雷射槍，檢測設備可以選用仿真平臺上方的攝像頭或側面的攝像頭，該攝像頭將雷射槍射擊點的位置圖像通過無線發射晶片和無線接收器，以及視頻採集卡傳輸給計算機，進行處理器的數據處理後，將射擊環與用戶的距離，子彈初始飛行速度，模擬飛行阻力係數，風速，最終射擊環數，總分統計顯示在屏幕上。
五、賽艇運動選擇賽艇的軟體集成卡與計算機相連，通過鍵盤選擇賽艇場景，如河、湖等，然後開始進行賽艇。運動器械可以選擇例如型號為ST-I型數位化動賽艇測試訓練器械。賽艇訓練器內置有傳感裝置和執行器。傳感裝置將檢測到的划行速度、拐角度、上下傾斜度、左右傾斜度等等參數通過電纜傳輸給計算機，電纜的一端連接賽艇訓練器的信號輸出端，另一端連接計算機的並行埠。在運動過程中，屏幕上顯示賽艇的進度情況，如速度、顛簸、傾斜等情況。同時，計算機還將模擬的顛簸、轉彎、傾斜等動作指令通過電纜傳輸給賽艇的執行器，使賽艇進行顛簸、轉彎、傾斜等動作，如同在真實的場景。
本發明的系統還可以聯入網絡，與其他用戶進行網上運動比賽，此時可以通過網絡傳來的網友的運動參數，將網友的運動情況以動畫形式也顯示在屏幕上，並通過語音設備(語音識別晶片、音效卡和擴音器)與網友對話。本發明可以採用高性能DSP語音識別晶片，直接與音效卡相聯接，使用戶可以直接通過語音控制屏幕圖像切換。播音設備可以進行運動模擬信息提示和環境聲響模擬。見圖4，用戶登錄系統指定網站，查詢當前該項目的在線用戶，然後點擊選中用戶ID並發送聯網請求；如果對方用戶相應請求，同意聯網，則雙方可以開始進入聯網競技狀態；該網絡可以是區域網，也可以是廣域網。此時計算機應配備有10/100M的乙太網卡。
其他運動項目類似於上述幾項運動模擬實施。
本發明所涉及到的運動項目軟體算法對於球類運動項目(包括射擊)攝像頭8採集正交平面X-Z、X-Y的運動圖像序列，經過發射接收採集後數據送入攝像頭內存。由Kalman濾波進行運動場估計，由模板匹配確定各圖像中球的球心，並進一步得到此球在三維空間中的初始位置、速度，加速度、角速度。由此利用風速，摩擦係數等參數及運動學、動力學規律確定相應球的軌跡。此後利用動畫仿真，並結合碰撞檢測約束算法以及虛擬實境技術得到三維場景，將輸出的動畫序列通過非線性插值反映在投影屏上。對射擊項目，系統也是通過攝像頭獲取用戶雷射槍光點位置信息，無線傳輸到計算機，經處理後顯示射中環數等。
對於非球類運動項目包括跑步、自行車、賽艇等。跑步時，跑步機上感器利用測量用戶運動情況。此信息送入計算機後，求出用戶跑步的運動信息，此後利用動畫仿真將輸出的模擬跑步動畫序列反映在有虛擬實境背景的投影屏上，聯網則將實時顯示與網友的競技畫面。對自行車項目，通過自行車的傳感器獲取模擬自行車的運動信息(前後傾斜度、左右傾斜度等)後，相應地利用線性插值算法仿真輸出自行車動畫場景，並給與相應提示信息，其它項目類似。
權利要求
1.基於虛擬實境的室內綜合運動模擬系統，其特徵在於，它是將不同運動項目的訓練軟體分別存放在不同的運動項目集成卡中，使用時將需要的運動項目集成卡插入與主控機連接的專用插槽中，實現該項目的虛擬實境運動；它含有運動項目集成卡、主控機，仿真平臺、位於所述仿真平臺正前方的投影屏幕，位於所述仿真平臺後上方的投影儀，所述投影儀的輸入端連接所述主控機，以及運動器械和檢測設備；所述運動項目集成卡有專用插槽，該插槽通過USB接口與主控機進行數據傳輸。
2.如權利要求1所述的基於虛擬實境的室內綜合運動模擬系統，其特徵在於，所述運動器械是球；所述檢測設備是位於運動平臺正上方和側面的兩個垂直放置的無線攝像頭，所述兩個無線攝像頭內部設置有無線發射晶片，並分別配備有一個無線接收器和一個視頻採集卡，該視頻採集卡通過PCI接口與主控機相連；所述兩個無線攝像頭採集運動的球的正交平面的運動圖像序列，並通過無線發射晶片和無線接收器傳送到主控機，由主控機進行虛擬實境的數據處理，並最終將球的運動情況通過投影儀顯示在投影屏幕上。
3.如權利要求1所述的基於虛擬實境的室內綜合運動模擬系統，其特徵在於，所述運動器械是跑步機；該跑步機上裝有檢測設備，該檢測設備將檢測到的位移信息傳送到計算機，進行虛擬實境的數據處理，並最終將跑步的情況通過投影儀顯示在投影屏幕上。
4.如權利要求1所述的基於虛擬實境的室內綜合運動模擬系統，其特徵在於，所述運動器械是自行車訓練器；該自行車訓練器具有內置傳感器，檢測用戶的騎行速度、拐角度、上下傾斜度、左右傾斜度等參數，並將參數信息傳送到主控機，進行虛擬實境的數據處理，最終將自行車運動的情況通過投影儀顯示在投影屏幕上。
5.如權利要求1所述的基於虛擬實境的室內綜合運動模擬系統，其特徵在於，所述運動器械是數控式賽艇訓練器；該賽艇訓練器內置有傳感裝置和執行器，檢測用戶的划行速度、拐角度、上下傾斜度、左右傾斜度等參數，並將參數信息傳送到計算機，進行虛擬實境的數據處理，最終將賽艇運動的情況通過投影儀顯示在投影屏幕上。
6.如權利要求1所述的基於虛擬實境的室內綜合運動模擬系統，其特徵在於，所述運動器械是雷射槍；所述檢測設備是上述兩個無線攝像頭之一；所述無線攝像頭將所述雷射槍發射的雷射點的位置圖像通過無線發射晶片和無線接受卡傳輸到主控機，由主控機進行虛擬實境的數據處理，並最終將射擊的情況通過投影儀顯示在投影屏幕上。
全文摘要
基於虛擬實境技術的室內綜合運動模擬系統屬於運動訓練模擬設備的設計技術領域。其特徵是，它是將不同運動項目的訓練軟體分別存放在不同的運動項目集成卡中，使用時將需要的運動項目集成卡插入與主控機連接的專用插槽中，實現該項目的虛擬實境運動；它含有運動項目集成卡、主控機，仿真平臺、位於所述仿真平臺正前方的投影屏幕，位於仿真平臺後上方的投影儀，投影儀的輸入端連接主控機，以及運動器械和檢測設備；所述運動項目集成卡有專用插槽，該插槽通過USB接口與主控機進行數據傳輸。該系統能將各種現有的運動模擬系統集中於一體，用戶需要時能方便的選擇；還能使用戶在運動過程中，通過屏幕看到本人運動的虛擬真實狀態。
文檔編號G06F9/455GK1480839SQ0315320
公開日2004年3月10日 申請日期2003年8月7日 優先權日2003年8月7日
發明者劉自鴻 申請人:劉自鴻