专利名称：基于虚拟现实技术的室内综合运动模拟系统的制作方法
技术领域：
基于虚拟现实技术的室内综合运动模拟系统，属于运动训练模拟设备的设计技术领域。
背景技术：
随着时代发展，跑步机、室内高尔夫运动模拟系统等多种室内运动设备应运而生，削弱了天气、时间、空间等因素的限制，满足了人们的健身要求。发明专利98101140介绍了一种前撑式的跑步器。发明专利96120583.0介绍了具有两维空间对称性光传感器网的高尔夫球训练装置，包括装在击球地毯上的传感器；设在球飞行方向一定距离的方形框架；多光源发生器；由一个聚焦的光源而产生多条光信号次光源以组成单一平面两维空间的光网；光信号接收探测器，装设在光信号发生器的对应框架上以形成单一平面两维空间对称性的光网；及数据处理与显示器。发明专利00121253.2介绍了一种高尔夫运动模拟系统测量装置。该装置采用传感器测量高尔夫球在被击起后的有关运动参数。这些运动参数将作为重要参量输入到高尔夫运动模拟系统的相关软件中，支持高尔夫运动模拟系统实现对高尔夫运动的精确模拟。
上述这些运动模拟系统仅仅适合于一种运动，用户不能方便的更换运动项目。而且这样的运动模拟系统仅将运动的相关参数，如跑步的速度、球到达的最终位置等信息以数字形式显示在显示器上，而不能将整个运动轨迹显示在屏幕上，不能使用户在视觉上达到真实感。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种基于虚拟现实技术的室内综合运动模拟系统，该系统能够将各种现有的运动模拟系统集中在一个系统中，用户需要时能够方便的选择；另外，该系统能够使用户在运动过程中，通过屏幕看到本人运动的虚拟真实状态，而不仅仅是相关参数的数字显示。
本发明的特征在于它是将不同运动项目的训练软件分别存放在不同的运动项目集成卡中，使用时将需要的运动项目集成卡插入与主控机连接的专用插槽中，实现该项目的虚拟现实运动；它含有运动项目集成卡、主控机，仿真平台、位于所述仿真平台正前方的投影屏幕，位于所述仿真平台后上方的投影仪，所述投影仪的输入端连接所述主控机，以及运动器械和检测设备；所述运动项目集成卡有专用插槽，该插槽通过USB接口与主控机进行数据传输。
其特征还在于，所述运动器械是球；所述检测设备是位于运动平台正上方和侧面的两个垂直放置的无线摄像头，所述两个无线摄像头内部设置有无线发射芯片，并分别配备有一个无线接收器，该两个无线接收器共用一个视频采集卡，该视频采集卡通过PCI接口与主控机相连；所述两个无线摄像头采集运动的球的正交平面的运动图像序列，并通过无线发射芯片和无线接收器传送到主控机，由主控机进行虚拟现实的数据处理，并最终将球的运动情况通过投影仪显示在投影屏幕上。
其特征还在于，所述运动器械是跑步机；该跑步机上装有检测设备，该检测设备将检测到的位移信息传送到计算机，进行虚拟现实的数据处理，并最终将跑步的情况通过投影仪显示在投影屏幕上。
其特征还在于，所述运动器械是自行车训练器；该自行车训练器具有内置传感器，检测用户的骑行速度、拐角度、上下倾斜度、左右倾斜度等参数，并将参数信息传送到主控机，进行虚拟现实的数据处理，最终将自行车运动的情况通过投影仪显示在投影屏幕上。
其特征还在于，所述运动器械是数控式赛艇训练器；该赛艇训练器内置有传感装置和执行器，检测用户的划行速度、拐角度、上下倾斜度、左右倾斜度等参数，并将参数信息传送到计算机，进行虚拟现实的数据处理，最终将赛艇运动的情况通过投影仪显示在投影屏幕上。
其特征还在于，所述运动器械是激光枪；所述检测设备是上述无线摄像头之一；所述无线摄像头将所述激光枪发射的激光点的位置图像通过无线发射芯片和无线接受器传输到主控机，由主控机进行虚拟现实的数据处理，并最终将射击的情况通过投影仪显示在投影屏幕上。
实验证明，本发明所提出的基于虚拟现实技术的室内综合运动模拟系统能够集中多种运动模拟系统，用户需要时能够方便的选择；该系统还能够使用户在运动过程中，通过屏幕看到本人运动的虚拟现实的状态，而不仅仅是数字的显示，使用户感受“真实的”运动状态和“真实的”运动环境。
图1是本发明的结构示意图。
图中，1为投影仪，2为仿真平台，3为大屏幕，4为主控机，5为键盘，6为运动项目集成卡，7为语音识别设备，8为两个垂直放置的摄像头。
图2是本发明的工作原理图。
图3是无线摄像头与计算机的“连接”示意图。其中8为无线摄像头，9为发射天线，10为接收天线，11为无线接收器，12为接收器的AV输出端，13为视频采集卡，14为视频采集卡PCI接口(插入电脑PCI插槽)。
图4是本发明的网络平台工作原理图。
具体实施例方式
结合
本发明的具体实施方式
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如图1所示，主控机可用一般的PC机，例如配置为CPU1GHZ，内存128M，硬盘20G的计算机。该计算机有USB接口。运动项目软件集成卡用于存储模拟运动项目程序，不同的模拟运动项目程序存储在不同的软件集成卡中，软件集成卡可以选用现行标准游戏卡式的软件集成卡，该软件集成卡配备有专用插槽，该插槽有USB接口与计算机相连。通过计算机可以往该软件集成卡中写入软件程序比如可以事先在计算机中编写好各项运动软件，然后将不同的软件写入(下载至)各软件集成卡中，需要时插入计算机专用插槽中。用户在使用时，计算机调出相关的数据，用户可以通过键盘选择该项运动的场景，如跑步选择跑道、海湾等场景，高尔夫球选择高尔夫球场草地的场景等，然后开始进行运动。
仿真平台2可以选用高性能塑胶地板。
如图2所示，对于球类运动(包括射击)，和非球类运动来说，数据的检测和传输的途径是不同的，球类运动和射击是依靠两个垂直放置的无线高频摄像头获取系列帧图像数据序列，通过无线传输到主机来实现数据的检测和传输；而非球类运动，如跑步，自行车等则是通过运动器械内置的检测装置来检测和传输数据。系统还可以通过网络与使用本系统的其它用户联网进行交流。
下面结合各种不同的运动介绍本发明的实施情况。
一、跑步运动当用户选择跑步运动时，选择存储有跑步运动模拟软件的软件集成卡，将其于计算机相连，计算机调出其中的虚拟场景选择项目，用户可以通过键盘选择所需要的场景，如跑道，及树林、海滩等场景。用户使用的运动器械是跑步机，本发明所选用的跑步机是JS-5006型跑步机，该跑步机内部有检测设备，能够检测速度、方向等信息，该跑步机通过电缆与计算机的并口相连，并进行数据传输。跑步机可安置于仿真平台下方，用户进行其他运动项目时可不启动。用户在跑步过程中，投影屏幕上显示出用户在跑道或树林等场地跑步的情况，如快跑、慢跑、拐弯、停止等情况，同时显示出跑步速度、时间、体力分析等参数，使用户能够感受到较真实的运动情况。
二、球类运动球类运动包括保龄球、高尔夫球、台球、地掷球等。当选择高尔夫球时应配备相应的球杆，为防止球飞出，还应配备有球网；当选择台球时，应配备台球桌和击球杆。用户将保龄球、高尔夫球或台球的软件集成卡与计算机相连，通过键盘选择运动场景，然后开始运动。球类运动的参数是通过两个摄像头8来获取的。两摄像头8垂直放置，获取正交平面X-Z、X-Y球的运动图像序列，并通过摄像头内部的无线发射芯片和配备的无线接收器和视频采集卡传输给计算机进行数据处理，将球的运动轨迹实时的显示在投影屏幕上，同时显示球在X、Y、Z方向的发射角、速度、加速度、运动距离等参数以及击球力量、地面摩擦系数、风速等。无线摄像头可以选用例如精诚达-315XXD无线摄像头，该无线摄像头内置发射芯片，并配备有无线接受器，接收器端有AV输出口，将AV输出口用视频线连接至PCI视频采集卡如“天敏-10MOONS TV MASTER”的AV输入端子即可。采集的无限图像序列传输至计算机。无线摄像头与计算机的“连接”方式见图3。
三、自行车运动选择自行车运动的软件集成卡与计算机相连中，通过键盘选择运动场景，然后开始骑自行车运动。运动器械是自行车训练器，本发明选择的是型号为839E型的功率自行车训练器该自行车训练器在具有内置传感器，能够将用户的骑行速度、拐角度、上下倾斜度、左右倾斜度等等参数检测出来，并通过电缆传输给计算机，电缆的一端连接自行车训练器的信号输出端，另一端连接计算机的并行端口。运动过程中，用户可以在屏幕上看到自行车在虚拟场景中行驶的情况，如快速行驶、慢速行驶、拐弯、停止等，还能够看到速度、加速度等信息。用户还能够通过选择运动软件中的风速、摩擦系数等参数，使屏幕显示更具有真实性。
四、射击运动选择射击的软件集成卡与计算机相连，通过键盘选择射击场景，如射击场，然后开始射击。运动器械是激光枪，本发明选择thls-2000系列激光枪，检测设备可以选用仿真平台上方的摄像头或侧面的摄像头，该摄像头将激光枪射击点的位置图像通过无线发射芯片和无线接收器，以及视频采集卡传输给计算机，进行处理器的数据处理后，将射击环与用户的距离，子弹初始飞行速度，模拟飞行阻力系数，风速，最终射击环数，总分统计显示在屏幕上。
五、赛艇运动选择赛艇的软件集成卡与计算机相连，通过键盘选择赛艇场景，如河、湖等，然后开始进行赛艇。运动器械可以选择例如型号为ST-I型数字化动赛艇测试训练器械。赛艇训练器内置有传感装置和执行器。传感装置将检测到的划行速度、拐角度、上下倾斜度、左右倾斜度等等参数通过电缆传输给计算机，电缆的一端连接赛艇训练器的信号输出端，另一端连接计算机的并行端口。在运动过程中，屏幕上显示赛艇的进度情况，如速度、颠簸、倾斜等情况。同时，计算机还将模拟的颠簸、转弯、倾斜等动作指令通过电缆传输给赛艇的执行器，使赛艇进行颠簸、转弯、倾斜等动作，如同在真实的场景。
本发明的系统还可以联入网络，与其他用户进行网上运动比赛，此时可以通过网络传来的网友的运动参数，将网友的运动情况以动画形式也显示在屏幕上，并通过语音设备(语音识别芯片、声卡和扩音器)与网友对话。本发明可以采用高性能DSP语音识别芯片，直接与声卡相联接，使用户可以直接通过语音控制屏幕图像切换。播音设备可以进行运动模拟信息提示和环境声响模拟。见图4，用户登录系统指定网站，查询当前该项目的在线用户，然后点击选中用户ID并发送联网请求；如果对方用户相应请求，同意联网，则双方可以开始进入联网竞技状态；该网络可以是局域网，也可以是广域网。此时计算机应配备有10/100M的以太网卡。
其他运动项目类似于上述几项运动模拟实施。
本发明所涉及到的运动项目软件算法对于球类运动项目(包括射击)摄像头8采集正交平面X-Z、X-Y的运动图像序列，经过发射接收采集后数据送入摄像头内存。由Kalman滤波进行运动场估计，由模板匹配确定各图像中球的球心，并进一步得到此球在三维空间中的初始位置、速度，加速度、角速度。由此利用风速，摩擦系数等参数及运动学、动力学规律确定相应球的轨迹。此后利用动画仿真，并结合碰撞检测约束算法以及虚拟现实技术得到三维场景，将输出的动画序列通过非线性插值反映在投影屏上。对射击项目，系统也是通过摄像头获取用户激光枪光点位置信息，无线传输到计算机，经处理后显示射中环数等。
对于非球类运动项目包括跑步、自行车、赛艇等。跑步时，跑步机上感器利用测量用户运动情况。此信息送入计算机后，求出用户跑步的运动信息，此后利用动画仿真将输出的模拟跑步动画序列反映在有虚拟现实背景的投影屏上，联网则将实时显示与网友的竞技画面。对自行车项目，通过自行车的传感器获取模拟自行车的运动信息(前后倾斜度、左右倾斜度等)后，相应地利用线性插值算法仿真输出自行车动画场景，并给与相应提示信息，其它项目类似。
权利要求
1.基于虚拟现实的室内综合运动模拟系统，其特征在于，它是将不同运动项目的训练软件分别存放在不同的运动项目集成卡中，使用时将需要的运动项目集成卡插入与主控机连接的专用插槽中，实现该项目的虚拟现实运动；它含有运动项目集成卡、主控机，仿真平台、位于所述仿真平台正前方的投影屏幕，位于所述仿真平台后上方的投影仪，所述投影仪的输入端连接所述主控机，以及运动器械和检测设备；所述运动项目集成卡有专用插槽，该插槽通过USB接口与主控机进行数据传输。
2.如权利要求1所述的基于虚拟现实的室内综合运动模拟系统，其特征在于，所述运动器械是球；所述检测设备是位于运动平台正上方和侧面的两个垂直放置的无线摄像头，所述两个无线摄像头内部设置有无线发射芯片，并分别配备有一个无线接收器和一个视频采集卡，该视频采集卡通过PCI接口与主控机相连；所述两个无线摄像头采集运动的球的正交平面的运动图像序列，并通过无线发射芯片和无线接收器传送到主控机，由主控机进行虚拟现实的数据处理，并最终将球的运动情况通过投影仪显示在投影屏幕上。
3.如权利要求1所述的基于虚拟现实的室内综合运动模拟系统，其特征在于，所述运动器械是跑步机；该跑步机上装有检测设备，该检测设备将检测到的位移信息传送到计算机，进行虚拟现实的数据处理，并最终将跑步的情况通过投影仪显示在投影屏幕上。
4.如权利要求1所述的基于虚拟现实的室内综合运动模拟系统，其特征在于，所述运动器械是自行车训练器；该自行车训练器具有内置传感器，检测用户的骑行速度、拐角度、上下倾斜度、左右倾斜度等参数，并将参数信息传送到主控机，进行虚拟现实的数据处理，最终将自行车运动的情况通过投影仪显示在投影屏幕上。
5.如权利要求1所述的基于虚拟现实的室内综合运动模拟系统，其特征在于，所述运动器械是数控式赛艇训练器；该赛艇训练器内置有传感装置和执行器，检测用户的划行速度、拐角度、上下倾斜度、左右倾斜度等参数，并将参数信息传送到计算机，进行虚拟现实的数据处理，最终将赛艇运动的情况通过投影仪显示在投影屏幕上。
6.如权利要求1所述的基于虚拟现实的室内综合运动模拟系统，其特征在于，所述运动器械是激光枪；所述检测设备是上述两个无线摄像头之一；所述无线摄像头将所述激光枪发射的激光点的位置图像通过无线发射芯片和无线接受卡传输到主控机，由主控机进行虚拟现实的数据处理，并最终将射击的情况通过投影仪显示在投影屏幕上。
全文摘要
基于虚拟现实技术的室内综合运动模拟系统属于运动训练模拟设备的设计技术领域。其特征是，它是将不同运动项目的训练软件分别存放在不同的运动项目集成卡中，使用时将需要的运动项目集成卡插入与主控机连接的专用插槽中，实现该项目的虚拟现实运动；它含有运动项目集成卡、主控机，仿真平台、位于所述仿真平台正前方的投影屏幕，位于仿真平台后上方的投影仪，投影仪的输入端连接主控机，以及运动器械和检测设备；所述运动项目集成卡有专用插槽，该插槽通过USB接口与主控机进行数据传输。该系统能将各种现有的运动模拟系统集中于一体，用户需要时能方便的选择；还能使用户在运动过程中，通过屏幕看到本人运动的虚拟真实状态。
文档编号G06F9/455GK1480839SQ0315320
公开日2004年3月10日 申请日期2003年8月7日 优先权日2003年8月7日
发明者刘自鸿 申请人:刘自鸿