基于虚拟现实技术的多功能跑步机系统的

基于虚拟现实技术的多功能跑步机系统的

研究与设计

王永强

兰州大学信息科学与工程学院，兰州（730000)

E-mail:wangyongq@

摘要：虚拟现实技术在健身运动中的应用不仅可以提高健身者的健身效果，还可以使人们亲身体验“科技奥运”活动所带来的乐趣。本文结合自己的工作，介绍了虚拟现实技术与健身体育器械结合的现状和使用的关键技术，并研究设计了基于虚拟现实技术的跑步机系统，可以得出结论，VR技术必将改变人们的健身方式，在与体育技术结合的过程中必将发挥越来越重要的作用。最后对虚拟现实技术在体育训练中的应用前景进行了讨论。

关键词：虚拟现实；健身器械；科技奥运；跑步机

中图分类号：TP391.9

文献标识码：A

1. 引言

随着科技日新月异的发展，人们生活节奏明显加快，这导致很多人处于亚健康状态，人们对健康的渴求变得空前高涨。在城市中由于受到空间的限制，人们锻炼场所多集中于各种室内健身中心，这样各种室内健身器械就随之产生，如室内跑步机、室内自行车等。这些场所和器械虽然在一定程度上提高了人们的健康状态，但是却无法满足人们日益增长的科学健身、快乐健身的需求。人们期待出现能够有效地将室内健身器械与室外自然空间结合起来的健身产品。

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)[1]技术利用计算机模拟的人工环境代替现实世界的真实环境，可以给人身临其境的沉浸感。本文作者对现存传统的跑步机系统进行了研究，结合VR技术和通过立体显示等多通道交互技术设计了满足锻炼者在由计算机构造的虚拟环境中获得如同在真实环境中跑步体验的多功能跑步机系统。

2. VR技术及其与健身器械结合的研究现状

VR技术辅助开发了多种健身器械供人们健身。基于VR技术的健身器械能够使人们在运动的同时有身临其境的感觉，满足人们置身室内锻炼的同时体验到室外自然环境的需求。

2.1 VR技术概述

VR技术是模拟人类感觉世界的实时表示，这里的“世界”既可以是某种特定现实环境的再现，也可以是纯粹构想的虚拟环境。使用者可以通过视觉、听觉、触觉等多通道与之交互，从而能产生“身临其境”的沉浸感。VR系统具有多种输出形式和处理多种输入设备1

的能力，能够进行碰撞检测、实时交互、视点控制和复杂行为建模等[2]。VR技术在军事仿真、娱乐、游戏、教育、医学、虚拟制造等领域都得到了广泛的应用，它的研究体现了多学科交叉的特点。

基于VR技术的健身系统可以分为沉浸式和非沉浸式，前者需要头盔式三维立体显示器,立体眼镜,数据手套,立体声耳机,图形工作站和高性能计算机等设备,使得用户能够感受到比较真实的立体视觉,立体听觉,与虚拟环境进行自然的交互操作,使用户能够完全沉浸在虚拟

王永强，男，1981年出生，兰州大学信息科学与工程学院，硕士

环境中,犹如身临其境,这类系统特点是设备昂贵,沉浸感强；而后者主要依靠软件技术来建立具有丰富视觉和听觉信息的虚拟世界,其特点是价格经济,使用便利。

2.2研究现状

VR健身器械使健身者能够沉浸于各种奇妙的虚拟运动场景，感受VR技术带来的震撼，也可通过网络平台组建自己的健身团队，还可组织各种健身项目的对抗比赛，让健身者体验竞技运动的刺激。近年来，健身器械系统仿真的研究热点大致分为定性仿真、分布交互仿真、可视化仿真、多媒体仿真和基于VR的仿真等[3]。与前四种方法不同，基于VR的仿真强调多通道感知能力以及交互性和沉浸感, VR技术能够为健身者提供有效的、崭新的训练手段。

Amusitronix的研究开发人员开发了VR Baseball，VR Golf，VR Kayaking，VR Tennis，和VR Snow/Skate/Surf等系统[4]。美国图像公司和加利福尼亚戴维斯大学联合开发了一种雪橇比赛装置，这种装置可以把运动员带到一个仿真世界。计算机技术造成的立体图像，将一间黑暗的训练室变成了比赛现场，运动员在这套装置上能真切体验到驾驶雪橇沿着跑道飞速下滑的感觉。Thalmann领导的研究小组[5]实现了允许带有变形的身体，头部和手的实时动画的虚拟人仿真系统，并在此基础上开发了虚拟网球游戏CyberTennis[6]和跳舞游戏CyberDance。C. Smash[7]开发了基于PC的乒乓球游戏，Csmash游戏是基于OpenGL的一个窗口应用，使用者通过鼠标的点击模拟挥动球拍的效果，并用键盘的按键控制回球落点[8]。中国北京仿真中心，浙江大学等国内科研院所开发了几个基于VR的健身器系统，如北京仿真中心开发研制的VR趣味健身车，保龄球游艺健身机等[9]。

本文基于VR技术与健身器械结合的研究开发现状，尝试采用VR技术对传统的跑步机系统进行研究和设计。

3.多功能跑步机系统研究与设计

传统跑步机系统属于普通健康器械产品,人们使用跑步机的目的一般有两种:减肥瘦身和健身。本文根据不同的使用目的，虚拟场景应该能提供多场所（操场、公路、郊外等）选择和多级速度调节模式,如图1。

图 1 选择界面

本文针对不同健身人群，利用VR技术研究设计的多功能跑步机系统在满足用户健身需求的同时，从视觉通道、声觉通道以及本体感觉多方面进行了考虑。

3.1研究相关技术

系统的设计离不开相关技术的支持，包括场景的建模与绘制技术、实时显示技术、立体显示技术和运动数据捕获技术。

3.1.1 建模与绘制技术

在基于VR技术的跑步机系统中，建模与实时绘制是最基本的技术，在模型的精细程度和绘制速度方面，既要保证一定的显示质量，又不能造成用户运动时的不适感。该系统使用VC++和OpenGL开发，支持H3F格式网格模型动画、菜单选择、小地图显示、路径漫游、海量植物生成和地形生成功能。含有地形生成子系统，使用4叉树地形管理，可见性剔除，层次细节等技术优化渲染速度。

3.1.2 实时显示技术

在Creator建模工具中建立好复杂模型后，可以用多种文件格式存储。考虑到Open GL 提供了最基本的由多边形构造三维模型的方法，故以三角形网络方式存储。虚拟现实最重要的特性是人可以在随意变化的交互控制下感受到场景的动态特性。为了提高显示性能本文建立了多线程、非阻塞的漫游框架，并采用了以下方法来提高场景画面的刷新速度。

（1）LOD（Level of Detail）

为了加速绘制，通常使用多层次细节模型（LOD）[10]。给定一个物体的不同细节层次后，决定绘制或者混合其中的哪个层次，本文使用的度量方法是基于距离的LOD选取：根据两种不同的判断选取细节层次不同的模型，离视点近的物体采用较高精度绘制，离视点远的物体则用较低精度绘制；通过跑步者的速度设定不同的阈值，根据阈值选取不同精度的模型，在不同细节层次间来回切换，继而通过平滑过渡技术显示。

（2）二维纹理取代三维模型

对漫游场景中复杂物体的细节表示，如路旁的植被等，若用三维模型表示，将需要大量的多边形，本文使用二维纹理代替三维模型。将复杂物体的图像粘贴在一个平面上并放置于场景，在三维复杂场景实时显示时，令该平面的法向始终指向观察点，使这些物体随观察方向的改变而转动，从而提高场景显示的实时性。

（3）阴影技术

为了增强绘制效果，提高真实感，可以使用阴影技术。使用基于截锥体的方法可以把阴影作为一个纹理四边形来绘制，从而达到比较高的效率，但缺点是产生的阴影看上去像一系列点光源的叠加，而且在一些有限的灰度梯度之间阴影会被量化。

3.1.3 立体显示技术

立体显示技术是虚拟现实的关键技术。要实现虚拟场景的立体显示，必须得到符合三维特征的立体图像对。左右片对的生成可以按照传统的单目三维图形生成方法分别生成，由于左右片对图像的相关性很强，物体在左右图上通常只有一个视差d，而其色彩与亮度值相差很小，可以利用这一特点实现立体片对生成的快速算法。

假设场景中任意点F(x,y,z)在左右片对中分别成像为P1（xl,yl）、Pr(xr,yr)，则可得：视差 d=x l-x r=(D.f)/z (1)

得x l=x r+d=x r+(D.f)/z

y l=y r(2)

其中D代表左右焦点之间的间距，f代表焦距，d代表两眼的视差。首先分别计算得到左右眼的视点向量及其变换矩阵，而后在生成右眼图的同时，利用式（2）计算左眼图[11]。在这一过程中，对离视点近的特体不采用式（2）计算，而用分别计算方法生成。这样可以使生成的左右片对既不失真实性，又具有快速性。