本發明一種基于虛擬現實技術的跑步訓練系統涉及運動健身、醫療康復，屬于生物醫學工程領域。

背景技術：

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

上述研究很好地將跑步者的運動與虛擬影像相融合，達到了人機交互的目的。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，導線很多使跑步者多有不便；2、構建虛擬3d場景，實現人機交互，而最后呈現給跑步者的依然是2d影像，缺乏沉浸感；3、需要使用專門的跑步機和專用的影像播放設備，場地、專用設備固定，使用不方便，且使用成本較高。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明擬解決的技術問題是，提供一種基于虛擬現實技術的跑步訓練系統。該系統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，計算機將變化的角度信號轉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，計算機運算并控制視頻播放速度，計算機與vr眼鏡上的手機連接，使裝有手機的vr眼鏡與計算機同步播放視頻影像。該系統能將裝有手機的vr眼鏡應用于傳統跑步機，不限場地、設備靈活、操作簡便，實現虛擬與現實完美結合，使跑步者感覺置身于自然環境中，增強跑步的趣味性。

本發明解決所述技術問題采用的技術方案是，提供一種基于虛擬現實技術的跑步訓練系統，其特征在于該系統包括：跑步機、測速組件、裝有信號處理及控制程序和視頻影像的計算機、接收端藍牙以及裝有手機的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、三端穩壓芯片、發送端藍牙、電池和電源開關。陀螺儀加速度計的串行數據輸出端tx與發送端藍牙的接收數據端rxd連接，陀螺儀加速度計的串行數據輸入端rx與發送端藍牙的發送數據端txd連接，發送端藍牙與接收端藍牙進行藍牙無線通信；電池的正極通過電源開關與三端穩壓芯片的輸入端input連接，三端穩壓芯片的輸出端output同時連接在陀螺儀加速度計的vcc端和發送端藍牙的電源輸入端+5v，陀螺儀加速度計、發送端藍牙及三端穩壓芯片的gnd端均接在電池的負極；陀螺儀加速度計、三端穩壓芯片、發送端藍牙、電池和電源開關均集成在一塊電路板上；測速組件通過發送端藍牙、接收端藍牙與計算機進行藍牙通信，接收端藍牙插在計算機上，所述計算機同時與裝有手機的vr眼鏡上的手機通過wifi無線連接，所述手機和計算機上均安裝有多屏互動軟件的客戶端；裝有手機的vr眼鏡佩戴在跑步者的頭部。

與現有技術相比，本發明一種基于虛擬現實技術的跑步訓練系統的有益效果是：

將虛擬現實技術(vr)應用到傳統的跑步機訓練中，使室內鍛煉者可以融入到虛擬自然環境中，增強戶外運動的真實感，實現人與虛擬環境的直觀自然地交互。當跑步者在跑步機上跑步時，眼前掠過的風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，眼見的風景移動速度也會隨著跑步速度的變化而變化。本發明系統小巧實用，而且靈活輕便，不會對跑步者造成不必要的負擔。

本發明一種基于虛擬現實技術的跑步訓練系統突出的實質性特點是：

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擔。

2)跑步者在跑步訓練時，使用頭戴式裝有手機的vr眼鏡4作為影像播放器，產生3d的影像。跑步速度的變化信號，經過計算機3數據處理，進而改變影像每秒鐘播放的幀數數量，達到改變視頻播放速度，使在室內使用跑步機的人，有置身于室外環境中跑步的感覺。

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

附圖說明

圖1本發明一種基于虛擬現實技術的跑步訓練系統的硬件結構框圖；

圖2本發明一種基于虛擬現實技術的跑步訓練系統實例的測速組件的電路連接圖；

圖3本發明一種基于虛擬現實技術的跑步訓練系統的信號處理及控制程序的程序流程圖；

圖中，1跑步機、2測速組件、3計算機、4裝有手機的vr眼鏡、5陀螺儀加速度計、6發送端藍牙、7電池、8三端穩壓芯片、9電源開關、10接收端藍牙。

具體實施方式

下面結合實例及附圖進一步介紹本發明，但并不以此作為對本申請權利要求保護范圍的限定。

本發明一種基于虛擬現實技術的跑步訓練系統(簡稱系統，參見圖1-3)包括：跑步機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3、接收端藍牙10以及裝有手機的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、三端穩壓芯片8、發送端藍牙6、電池7和電源開關9。其電路連接：陀螺儀加速度計5的串行數據輸出端tx與發送端藍牙6的接收數據端rxd連接，陀螺儀加速度計5的串行數據輸入端rx與發送端藍牙6的發送數據端txd連接，發送端藍牙6與接收端藍牙10進行藍牙無線通信；電池7的正極通過電源開關9與三端穩壓芯片8的輸入端input連接，三端穩壓芯片8的輸出端output同時連接在陀螺儀加速度計5的vcc端和發送端藍牙6的電源輸入端+5v，陀螺儀加速度計5、發送端藍牙6及三端穩壓芯片8的gnd端均接在電池7的負極；陀螺儀加速度計5、三端穩壓芯片8、發送端藍牙6、電池7和電源開關9均集成在一塊電路板上。測速組件2通過發送端藍牙6、接收端藍牙10與計算機3進行藍牙通信，接收端藍牙10插在計算機3的usb接口上。所述計算機3同時與裝有手機的vr眼鏡4上的手機通過wifi無線連接，且手機和計算機3上均安裝有多屏互動軟件的客戶端，手機和計算機3開啟多屏互動軟件，就可以在手機屏幕上看到與計算機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通過發送端藍牙6給計算機3發送信號，計算機3通過接收端藍牙10接收信號。經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，控制視頻播放速度，計算機3與vr眼鏡4上的手機通過wifi無線連接，實現同步播放視頻影像。

本發明系統的進一步特征在于，所述測速組件還包括有盒子，集成有陀螺儀加速度計5、三端穩壓芯片8、發送端藍牙6、電池7和電源開關9的電路板被固定在包裝盒內。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，發送端藍牙6的型號為hc-05。

本發明系統中所述的跑步機1、計算機3、裝有手機的vr眼鏡4均為現有設備。跑步機1、測速組件2、計算機3、裝有手機的vr眼鏡4，這四大硬件設備皆各自獨立運行，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。

本發明一種基于虛擬現實技術的跑步訓練系統，需要在有wifi的環境下運行，具體信號處理及控制程序的程序流程是：

步驟一：清除歷史數據，預設參數，所述參數包括跑步者腿長和循環次數n；

步驟二：驅動接收端藍牙10所插接的計算機usb接口的開啟程序，計算機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，該角度信號以二進制信號形式輸入進計算機，計算機接收到該角度信號后，根據陀螺儀加速度計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3會持續接收n次由陀螺儀加速度計5提供的信號，共得到n組數據；再根據陀螺儀加速度計5的角度計算公式求出當前時刻的角度，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組數據的時間為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；

步驟四：計算邁步步長和向前邁步的次數：

將步驟三求出的全部當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，再結合已知的跑步者腿長，經過三角函數和勾股定理的計算，得到該最大值下對應的最大的邁步步長；

設定角度偏差范圍為[θ-10,θ]，當在時間t內記錄的當前時刻的相對角度在此角度偏差范圍內，記為人腿向前邁了一步，統計時間t內在此角度偏差范圍內的相對角度個數，該相對角度個數即為人腿向前邁步的次數；

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次數據的時間t，再乘以向前邁步的次數，得到跑步者的跑步速度；

步驟六：速度限制：

設定速度限制為0.5-1.5m/s；當速度變化量，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，控制計算機3中視頻播放速度，執行步驟七；當速度變化量未超過速度限制時，仍以原幀數播放視頻，返回執行步驟三；設置為0.5-1.5m/s的速度限制使有一個彈性區間，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：當超過速度限制后，手機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。

本發明系統中n設為15-30，循環次數越多，跑步運動的時間越長。

本發明一種基于虛擬現實技術的跑步訓練系統的使用方法是：在wifi環境中，首先，跑步者將測速組件2固定在單側小腿上，頭部帶上裝有手機的vr眼鏡4，打開測速組件2上的電源開關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，通過藍牙無線傳輸到計算機3進行數據處理，得到每秒的播放幀數，用以控制播放視頻速度；手機和計算機通過多屏互動同步播放視頻影像，跑步者在裝有手機的vr眼鏡4上，看到與跑步速度相對應播放的3d“沿途風光”影像；跑步完成后，關閉測速組件2上的電源開關9，關閉計算機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據。

本發明一種基于虛擬現實技術的跑步訓練系統的視頻播放應用多屏互動軟件(手機屏幕與計算機屏幕的互動，使計算機屏幕圖像投影到手機屏幕上。應用多屏互動軟件需要在wifi的環境中使用。)技術，控制手機與計算機3同步播放視頻影像。將手機放入vr眼鏡中，通過光學轉換，平面視頻將變為3d的效果。這里所述的多屏互動軟件為現有軟件。

本發明系統在采集角度信號時，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都看作人腿邁向前的最大相對角度，統計這個角度偏差范圍內的相對角度個數。當n＝20時，將采集的20個相對角度數值點連成線，會形成類似正弦形式的波形，最高的波峰就是這組數據中的最大值，用這個最大值求得邁步的步長。每個波峰的數值都不一樣，所以設置一個角度偏差范圍，到達這個角度偏差范圍內就算一次邁步，這樣就可以找到所采集時間內到達波峰的次數，波峰的多少就是邁步的次數。

本發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有技術。