本发明属于虚拟现实技术领域，特别涉及一种虚拟游泳健身装置。
背景技术：
虚拟现实技术起源于20世纪60年代，是指借助计算机模拟生成一个三维的虚拟空间，用户用自然的方式与虚拟空间中的物体进行交互。虚拟现实通过模拟人的视觉、听觉、触觉、味觉和嗅觉等多种感官，让用户感觉处在逼真的虚拟世界中，可以实时地、不受限制地感受和体验虚拟世界中的场景。
近年来，虚拟现实技术发展迅猛，涉及国内外众多研究和应用领域，是公认的21世纪重要的发展学科以及影响人们生活的重要技术之一。尤其是2014年3月，facebook以20亿美元的交易总额收购了沉浸式虚拟现实技术厂商oculusvr，这使得虚拟现实再次成为人们关注的热点。与20世纪90年代最终沉寂的虚拟现实热相比，当前计算机的运算能力足够强大，手机性能也大幅提升，技术的发展已经突破了90年代制约虚拟现实成长的种种局限。因此，许多大型公司逐步加入到虚拟现实行业中。
但是，虚拟现实产业的发展仍存在着内容短板，大部分的虚拟现实作品仍然属于用户体验产品的范畴。人们体验之后，会有惊奇新颖的感觉，但大多数人不会有购买虚拟现实产品长期使用的想法，这一是由于内容吸引力不够，目前尚无真正让人沉迷其中无法自拔的虚拟现实游戏或者影视作品问世；二是在于当前的虚拟现实产品往往价格高昂，且体积庞大，不适合于普通消费者使用，仅适合存在于虚拟现实体验馆之中。
因此，虚拟现实产品想要真正的深入人心，除了在加强内容方面的开发创作以外，还应该更注重产品与人们实际生活之间的联系。虚拟现实已经在很多领域得到了应用，改变了传统的人机交互模式。例如，在军事领域，虚拟现实军事训练有效地提高了军队训练质量，缩短了武器装备的研制周期；在医学界，虚拟内窥镜手术、虚拟现实实验室、虚拟视听训练、虚拟牙检测治疗等技术为医生的培养和患者的康复提供了巨大帮助；在教育方面，虚拟现实可以使学习者通过亲历方式主动学习的特性在职业技能训练和虚拟消防训练中体现的淋漓尽致。
如今，经济社会的快速发展的使得生活节奏加快，生活压力增大，人们总是希望在繁重的工作之余能健康有效地放松自己。健身无疑是理所当然的选择，但是，无论是跑步、打球、游泳或者去健身房锻炼，枯燥单一的健身模式时常让人感到无聊，容易使人失去坚持下去的动力。而在当前的vr热潮之中，已经有人对在体育健身项目中融入虚拟现实技术进行了初步的探索，但目前市场上并没有太多令人感到满意的产品。
游泳作为一项受到广大人民群众喜爱的运动，由于其本身必须在水中完成的特性限制，让它没有像跑步、篮球等“陆上运动”那样成为大多数人想要锻炼身体、放松身心时的首选。游泳培训课程的费用高昂，在河流、水塘中游泳又无法保证安全，而且现在水环境污染十分严重，学会游泳已经成了一件代价较高的事情。即使会游泳的人，大多也不具备经常去游泳馆的经济能力和时间。此外，游泳池资源的稀缺使得泳池常常十分拥挤，水质无法得到保障。综上所述，现在人们想要在水中体验游泳乐趣的成本是较高的，这不仅是不会游泳、不愿游泳者的巨大损失，也不利于游泳事业的健康发展。
瑞典游泳联盟在2016年7月发布了一项计划，旨在利用vr技术帮助国人客服对水的恐惧，让更多瑞典人在这个湖泊资源丰富的国家爱上游泳。该计划使用谷歌的cardboardvr作为辅助工具，将用专门的360°摄像机拍摄的水下场景展现给使用者，使其在视觉和听觉上完全模拟在游泳池中的场景。该计划目前仍在施行阶段，尚不知效果如何，而且也仅仅在视觉和听觉上将游泳场景对使用者进行展示，并没有在其他感官上进行更多探索，使用体验相比与目前市场上常见的vr视频体验类似。但这仍然是vr技术与游泳健身项目有机融合的初步探索。
由于游泳运动需要在水中完成的特点，国内外产业界鲜有试图将游泳这一运动融合到虚拟现实设备中的有效尝试，更多的是如瑞典游泳联盟的计划那样从视觉和听觉上向使用者呈现水下场景为主。而在体育训练领域，则有一些利用虚拟现实技术再现运动员动作并与标准动作比较的尝试。它们都没有让使用者真正地参与其中，戴上vr眼镜的使用者看到眼前逼真的水环境时的第一反应应该是挥动双臂，摆动双腿，立刻体验游泳的乐趣，而不是仅仅通过视觉、听觉来“看”和“听”游泳。
目前，人们在其他运动与虚拟现实技术有机结合的方面做出了很多有效的探索。夏新华等提出了一种可用于专业训练的自行车虚拟综合训练仿真器；hwanjeongsung等对虚拟现实自行车系统在康复训练中的应用进行了探索；n.ouadahi等设计了一种用于强化帆板运动员训练的虚拟现实系统；htcvive在2016台北国际电脑展上展示了配合holodia划船健身机器在多种场景中划船的新游戏；somniacs公司推出的birdly飞翔模拟器可以让人挥动手臂就体验到像鸟一样在空中飞行的感觉。
实现虚拟现实系统中人机交互的方法有很多，视觉检测技术就是其中的一种。国内对利用视觉检测技术完成虚拟现实人机交互的研究较少：蔡平提出了一种基于静止的多个标志特征参照物的通过对视频序列图像进行分析确定人体头部位姿的虚拟现实人机交互系统；陆宽等提出了一种基于多标志物和聚类分析算法的头部姿态检测算法并应用于虚拟现实人机交互系统中；王会平等使用camshift算法和openmp对多标志物特征点同步跟踪并用posit算法获取头部位姿。
但有很多对飞行员头盔瞄准技术的研究可以应用于虚拟现实人机交互系统的实现。头盔瞄准系统要求能实时提供瞄准线的准确位置，需要一套精确的头部位置探测装置——头位跟踪器。头位跟踪方法包括电磁法、超声波法、光电法、惯性法和图像识别法，随着图像传感器制造工艺的改进和处理器运算速度的提高，图像识别法越来越受到重视。孟举、魏生民等对基于视频图像处理的头部位置跟踪方法进行探索，使用的头部信标为两条垂直的直线，并考虑了人眼在跟踪瞄准过程中的功能；王超、魏生民等研究了视频头部跟踪系统的应用，使用的头部信标为等腰直角三角形；周仕娥等对基于ccd图像处理的六自由度头部跟踪系统进行了误差修正和算法改进，大大降低了六自由度的测量误差；种兰祥等在视频头部跟踪系统中使用的信标为三个等强度的红、绿、蓝发光二极管；闫龙在图像式头盔瞄准具的研究中使用的是四点定位模型。国外在这方面的研究开始的较早。paneraif等在1999年提出了一种测量主动视觉实验中头部运动的6自由度设备；robbinss在1999年进行了头盔显式系统和光学头盔追踪系统的仿真和飞行试验；leeyj等研究了利用立体摄像机的头盔跟踪系统；krinidism等提出了一种基于线性相机自标定的单目图像序列三维头部姿态估计方法；matsumotoy等进行了用于人机交互的以单摄像头基于三维模型的六自由度头部跟踪方法研究。
技术实现要素：
针对上述需求，本发明设计了一种虚拟游泳健身装置，该装置使用户可以悬浮并完成游泳动作，感受到由悬吊装置提供的模拟浮力，其软件模块通过摄像头采集到的头部标识物实时图像分析用户头部位姿，并据此更新vr头显呈现给用户的视场，提供了真实的虚拟现实游泳体验。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种虚拟游泳健身装置，包括支撑架1、悬吊结构2、摄像头3、定位球组4、vr头显5和电脑6六个部分，所述支撑架1为空心方形结构，支撑架1上方设有至少3根固定杆7，所述悬吊结构2由8条粗拉力绳22、4组细拉力绳21、尼龙绳23和柔性托板24组成，所述8条粗拉力绳22与中间的固定杆7连接，所述粗拉力绳22两条为一组，每组粗拉力绳22与柔性托板24通过尼龙绳23连接，所述4组细拉力绳21分别与两侧的固定杆7连接，测试人员的胸腹部趴在柔性托板24上，双膝和双臂与细拉力绳21与相连，定位球组4固定在vr头显5上，所述支撑架1和悬吊结构2组成运动支撑结构，测试人员佩戴vr头显5，定位球组4与测试人员头部相对位姿固定，支撑架1上方固定有摄像头3，所述摄像头3对准定位球组4，所述电脑6连接摄像头3。
本发明所述的支撑架1需要承受使用者的全部体重以及游泳动作产生的晃动。综合考虑了成本、安全等因素后，支撑架1选用4040铝型材作为材料，支撑架1由短横梁12、立杆13、长横梁14组成的长方形框架结构；整体尺寸为2.8m×2m×2.3m，在支撑架1各个面的拐角处设有短斜撑11与长斜撑15，以16根斜撑保证晃动稳定性，型材间以135°重型挤压角件相连并以螺栓紧固；悬吊结构2由8条28公斤级黑色粗拉力绳22和4组5公斤级紫色细拉力绳21，直径8mm的尼龙绳23和柔性托板24组成，细拉力绳21与使用者双膝和双臂相连，每两条粗拉力绳22与柔性托板24一角通过尼龙绳23相连，所述粗拉力绳、细拉力绳为弹性绳，利用细拉力绳21和粗拉力绳22的弹性来模拟在水中游泳时受到的浮力；所述柔性托板24为帆布材质，可调节尼龙绳23长度保证用户浮空高度合适。
本发明所述的定位球组4固定在vr头显5上，定位球组4由红、黄、蓝、绿四种不同颜色的小球连接而成，用户使用时需要佩戴vr头显5，定位球组4与用户头部相对位姿固定，定位球组4相对于摄像头3的相对位姿，即旋转平移矩阵与用户头部位姿一致。电脑6中的软件模块对摄像头3捕捉到的定位球组4实时运动图像进行图像处理，得到头部位姿。
本发明将虚拟现实技术和游泳有机结合，让使用者戴上vr眼镜，看到、听到水中的场景、声音的同时，还能像在游泳池中一样做出游泳的动作，就能看到自己的手臂扬起水花，水边的风景缓缓退后，无疑是一种新奇的体验，会让所有用过的人都爱上游泳，且能方便地体验游泳的乐趣，在本发明中，对使用者与虚拟环境交互（即人机交互）的研究是实现虚拟现实系统的关键技术。
虚拟游泳时，摄像头3采集到的实时图像中除了定位球组，还有很多其他干扰因素，因此先采用高斯背景建模方法，对基本固定的背景物体，如地面、支撑架1等建立背景模型，提取出运动物体的前景掩模。将前景掩模与彩色实时图像作与运算可得到运动彩色图像，对运动彩色图像进行颜色空间转换，由rgb颜色空间转换为hsv颜色空间。hsv模型用色调(hue)、饱和度(saturation)和明度(value)三个分量来表示颜色，与常见的rgb模型不同，hsv模型中的色调h值唯一确定了颜色的种类。这种特性使得hsv模型非常适合用于颜色识别算法中。定位球组4由红、黄、蓝、绿四种不同颜色的小球连接而成，每个小球的颜色所处的h值范围不同定位。因此在hsv颜色空间中对彩色运动图像以不同h值范围进行阈值分割，再对各小球的二值化图像分别进行霍夫圆变换运算，得到不同颜色小球球心的图像坐标。最后利用各球心图像坐标和空间坐标之间的对应关系，解pnp问题，得出定位球组4相对于相机坐标系的旋转平移矩阵，即可得到头部位姿。
运用unity3d软件可以生成虚拟游泳环境并部署在任意平台上，在手机上安装虚拟环境软件，用户可佩戴内置手机的vr头显5观察虚拟环境。unity3d中支持脚本语言c#和javascript，通过编写脚本，虚拟环境软件可以从wifi接收数据，解析得到旋转四元数和平移向量，驱动主相机位移和头部转动与用户同步，成比例放大前向位移实现向前游泳。而主相机呈现在vr头显5中的视场就会随着用户的移动和头部转动发生相应的改变，在视觉上产生真实的虚拟现实游泳体验。
本发明的有益效果是：
本发明设计的虚拟游泳健身装置，安全实用，通过实时图像处理，可以实现稳定快速的头部位姿检测，提供自然的虚拟游泳方式。借助该装置，用户可以舒适地完成游泳动作，有全真的虚拟现实游泳体验，使用者看到眼前逼真的水环境时的第一反应是挥动双臂，摆动双腿，立刻体验游泳的乐趣，对虚拟现实技术和游泳运动推广有促进作用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的整体设计框图。
图3是本发明所述的支撑架的设计示意图。
图4是本发明所述的定位球组所处物体坐标系的示意图。
图5是本发明所述的电脑中的软件模块中位姿检测的流程图。
图6是本发明所述的电脑中的软件模块中模型驱动的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进一步说明。
用户使用虚拟游泳健身装置时，需要佩戴vr头显5，vr头显5上固定有定位球组4。vr头显5中内置有运行着虚拟环境软件的手机；虚拟环境软件由unity3d软件生成，具有通过wifi接收位姿数据并根据用户的实时头部位姿更新主相机视场的功能。用户借助悬吊结构2可以舒适地悬浮于半空，借助手脚上佩戴的游泳脚蹼加大空气推动力，做出游泳动作，产生较小范围内的位移；摄像头3固定在支撑架1上方，拍摄用户头部、定位球组4和vr头显5的运动图像，并通过usb数据线将实时图像数据发送到电脑6中的软件模块；经过位姿检测可以得到定位球组4所处的物体坐标系相对于固定的摄像头3的相机坐标系的旋转平移矩阵，即位姿数据，其流程如图4所示。电脑6中的软件模块通过wifi将位姿数据发送给虚拟环境软件，经过如图5所示的模型驱动流程，虚拟环境中的主相机将与用户发生同步的位移和头部转动，主相机呈现在vr头显5中的视场就会随着用户的移动和头部转动发生相应的改变，提供全真的虚拟现实游泳体验。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。