移动平台的健身交互虚拟体验系统的研究

杨红兰

(安徽文达信息工程学院 人事处， 合肥 231201)

移动平台的健身交互虚拟体验系统的研究

杨红兰

(安徽文达信息工程学院 人事处， 合肥 231201)

利用VR技术满足人们更高的健身娱乐体验需求，已成为研究的热点之一。在简介VR技术在健身领域的研究、应用情况的基础上，从实用性角度出发，研究基于移动平台的VR技术应用与传统跑步机相结合的可能性，给出系统总体方案，并对方案中涉及主要技术进行分析。

移动平台；VR；跑步机；方案

随着社会不断地发展和进步，人们的生活水平逐步提高，健康可持续的生活方式逐渐受到人们重视，而有计划地进行健身运动，也已被越来越多的人提上日程。因受限于城镇化发展所带来的空间等问题，不少人将一些健身活动转移到室内，相应室内健身器械也逐渐被普及应用，如室内跑步机、自行车等，这些健身器材能够在一定程度上满足人们的健身需求，但在用户体验上稍有不足，人们更期望通过这些室内器械实现与室外相同的健身体验。

近些年随着科技进步，虚拟现实(VirtualReality，简称VR)技术逐渐成为研究的热点，其利用计算机模拟出使用者可以通过感知器官与之交互的虚拟环境，使其产生置身其中的“真实”体验。本文作者对VR技术与跑步机系统的结合进行分析研究，提出一基于移动平台的系统方案。

1 VR技术及其在健身跑步系统方面的研究现状

1.1 VR技术简介

VR技术是以浸没感、交互性等为基本特征的集成技术，其通过利用计算机、网络、多媒体、人工智能、仿真和传感等技术，结合人的视觉、听觉、触觉等感觉器官特性，在相关设备中模拟生成虚拟环境，使人产生“身临其境”的逼真感，并且可以通过语言、肢体表达等与真实世界相同或相似的方法与之交互。利用VR技术，还可以突破时间、空间等条件限制，使人获得在真实世界中较难或无法亲身经历的体验。

VR技术的研究，为我们提供了解决问题的新思路、新方法。随着VR技术的不断发展，其已广泛应用于军事、生产、医疗、教育、娱乐等领域，如虚拟战场模拟训练、虚拟设计与制造、虚拟教室教学等，其为各行各业的发展提供了更富创新性的技术工具和发展平台，其将深刻改革行业发展模式，促进相关产业转型[1]。

1.2 研究现状

将VR技术应用于健身系统，也一直是人们关注并研究的热点，主要研究的方向之一就是利用高性能设备，在健身系统中应用实现虚拟交互，以提高使用者的“真实”健身体验。按照健身交互设备的不同，相关研究呈现多样化，如运动跟踪系统、跳舞毯系统、虚拟自行车健身系统、虚拟现实跑步机系统等等[2]。

近些年在面向市场方面，虚拟现实跑步机系统的研究成果尤其受人关注，比较突出的有由美国Virtuix公司推出的全方位跑步机Virtuix Omni，其在速率和距离这两个维度数据的基础上，加入了方位因素，让用户可以自由转向，向任意方向前进；中国杭州虚现科技有限公司独立研发的无束缚虚拟现实跑步机KAT Walk，其采用了悬挂式框架设计，实现人体活动空间和支撑结构的分离，将使用者受到的动作限制降至最低；奥地利的Cyberith公司推出的CyberithVirtualizer，采用特殊平衡配重系统，以最小化阻力并平稳运行，同时可提供全方位的声音和触觉系统，给使用者更全面的使用体验；欧洲WizDish公司推出的WizDishRovr，结构相对简单，但采用特殊底盘设计，可供使用者以独特的滑行方式，获得更沉浸式的虚拟体验。但是通过了解分析，这些系统应用在健身方面还存在一些问题，如针对系统设备的使用，使用者需要重新学习行走、跑步等行为方式；系统设备一般占据较大空间，且需要额外辅助设施，对一般家庭来说总体价格偏高等[3]。

当前，从跑步健身角度出发，比较实用的依然是传统跑步机系统，在其与VR技术的结合中，基于技术难度、成本控制、安全性等因素，目前多以非沉浸式虚拟体验研究为主。本文将研究利用当前流行的移动平台技术，结合传统跑步机系统，给出一非沉浸式虚拟体验系统方案。

2 系统方案

借助当前越来越先进的移动设备、传感技术以及跑步机系统，本文着眼于实际可操作性，研究给出一个系统方案。

2.1 总体方案

按照数据处理过程，将整个系统抽象设计为传感器、DSP处理器、无线发射模块和移动端设备4个部分，见图1所示。系统首先利用传感器捕获运动相关数据，然后使用DSP处理器收集传感器数据，在完成模/数转换后，将数据交由无线发射模块向外发送；而移动设备在无线接收到所需数据后，利用预先设计、实现并安装的处理软件，对数据进行分析运算，并实时生成运动虚拟景象，完成与使用者之间的交互。

图1 总体设计方案示例图

按照方案设计，系统预期集成效果示例见图2所示。健身者可以通过无线设置，将移动设备和跑步机系统相连，随着健身者运动，数据实时传递和处理，在移动端设备中实现同步运动漫游，见图3示例，增强健身运动的娱乐性。

图2 系统预期效果图

图3 系统虚拟场景示例图

该方案的优势在于：结合传统跑步机系统，不改变使用者的运动习惯；集成利用普及率较高的移动设备，有效控制系统整体成本；使用者可自行下载喜好的场景和人物形象等，针对个性化需求，系统具有更好的适应性和可扩展性。

2.2 方案技术选择

在技术选择上,需要重点考虑移动端虚拟实现开发、无线数据传输、传感器数据处理等方面的问题。

2.2.1 移动端虚拟实现开发

随着移动平台技术的不断发展，移动设备的配置及性能越来越高，这为相关软件的安装及运行提供良好基础条件。而在具体开发上，目前市面上也已有丰富的技术工具可供选择，如在引擎开发方面，比较主流的有支持C#的Unity和支持C++的Unreal，它们都提供了blueprint，供用户随意选择使用、修改，以制作虚拟现实版本软件[4]。从开发成本、效率、编程要求和兼容性等多方面因素考虑，本方案选择针对普及性更好的手机设备进行软件设计开发；开发上选择利用Unity技术工具进行主体开发，针对其中所需虚拟场景、人物等材料的三维建模，可以先利用C4D、3dsMax或Maya等软件工具完成制作，然后导入Unity工具软件进行二次处理。

2.2.2 无线数据传输

本方案中需要进行近距离的无线数据传输，目前可采用的主流无线网络技术有Zigbee、WiFi、Bluetooth等[5]。Zigbee采用IEEE 802.15.4协议，其简单、组网容量大、功耗低，采用免执照频段，成本较低，但总体数据传输速率不高，且信道接入不支持时分复用，对实时业务不能很好地支持。目前Zigbee技术主要应用在物联网中，而在移动网络及相关设备上的应用支持较少。WiFi采用IEEE 802.11协议，其覆盖范围广，传输速度快，应用非常普遍，基本上已经成为主流标准配置，但是设备之间不能直接进行点对点通信，一般需要通过路由器等设备进行中转；随着技术的进步，WiFi点对点通信技术WiFi Direct也开始得到应用，但其对移动设备的配置要求较高，且支持的应用程序不多，目前普及程度还不高。Bluetooth目前集传统IEEE 802.15.1协议，IEEE 802.11物理、MAC层以及Wibree标准为一体，可用于近距离设备间的直接点对点或点对多通信，其已是移动设备上的标准配置，受限于高速跳频，Bluetooth传输中的数据包不能太大。通过对主流无线网络技术的分析比较，见表1所示[6]，再结合简易性、可支持性以及数据传输量等综合因素，本方案选择利用Bluetooth网络技术进行系统设备间的点对点数据传输。

表1 协议技术特征对比

2.2.3 传感器数据处理

按输入信息的类型分，目前有速度传感器、压力传感器、温度传感器和气敏传感器等。从可行性方面考虑，本方案选择前期主要采用速度传感器进行应用测试，后期再研究其他类型传感器的应用可能性。

按输出信息的性质分，传感器技术目前主要有模拟信号和数字信号两类，前者成本相对较低，但需要利用DSP等设备进行信号转换处理；后者成本相对较高，所产生数据信号可以直接利用，但在数据格式等方面可能仍需要额外处理。综合成本、普及性和适用性等因素，本方案选择主要利用模拟信号传感器加DSP处理器进行运动数据的收集和处理。

在本方案的具体VR实现中，设计采用C++等编程语言，对传感器传输数据进行接收处理，其接口代码示例如下：

var target : Transform;

var distance = 10.0;

var xSpeed = 250.0;

var ySpeed = 120.0;

var yMinLimit = -20;

var yMaxLimit = 80;

private var x = 0.0;

private var y = 0.0;

private var smooth = 0.0;

@script AddComponentMenu("Camera-Control/Mouse Orbit")

function Start () {

var angles = transform.eulerAngles;

x = angles.y;

y = angles.x;

change rotation

if (rigidbody) rigidbody.freezeRotation = true;

}

function LateUpdate () {

if (target) {

if(Input.GetMouseButton(0)) {

x += Input.GetAxis("Mouse X") * xSpeed * 0.02;

y -= Input.GetAxis("Mouse Y") * ySpeed * 0.02;

}

y = ClampAngle(y, yMinLimit, yMaxLimit);

var rotation = Quaternion.Euler(y, x, 0);

var position = rotation * Vector3(0.0, 0.5, -distance) + target.position;

transform.rotation = rotation;

transform.position = position;

}

if(Input.GetAxis("Mouse ScrollWheel")) {

smooth += Input.GetAxis("Mouse ScrollWheel");

}

distance += smooth;

if(distance < 1) distance = 1;

if(distance > 6) distance = 6;

if(smooth != 0) smooth /= 1.2;

}

static function ClampAngle (angle : float, min : float, max : float) {

if (angle < -360)

angle += 360;

if (angle > 360)

angle -= 360;

return Mathf.Clamp (angle, min, max);

}

#pragma strict

function Start () {

animation.CrossFade("Idle");

}

function Update () {}

function OnGUI () {

if(GUILayout.Button("Idle")){ animation.CrossFade("Idle");}

if(GUILayout.Button("Idle2")){ animation.CrossFade("Idle2");}

if(GUILayout.Button("Walk")){ animation.CrossFade("Walk");}

if(GUILayout.Button("Run")){ animation.CrossFade("Run");}

if(GUILayout.Button("Jump")){ animation.CrossFade("Jump");}

if(GUILayout.Button("AttackReady")){ animation.CrossFade("AttackReady");}

if(GUILayout.Button("Attack1")){ animation.CrossFade("Attack1");}

if(GUILayout.Button("Attack2")){ animation.CrossFade("Attack2");}

if(GUILayout.Button("Attack3-1")){ animation.CrossFade("Attack3-1");}

if(GUILayout.Button("Attack3-2")){ animation.CrossFade("Attack3-2");}

if(GUILayout.Button("Attack3-3")){ animation.CrossFade("Attack3-3");}

if(GUILayout.Button("Attack4")){ animation.CrossFade("Attack4");}

if(GUILayout.Button("Wound")){ animation.CrossFade("Wound");}

if(GUILayout.Button("Stun")){ animation.CrossFade("Stun");}

if(GUILayout.Button("HitAway")){ animation.CrossFade("HitAway");}

if(GUILayout.Button("HitAwayUp")){ animation.CrossFade("HitAwayUp");}

if(GUILayout.Button("Death")){ animation.CrossFade("Death");}

if(GUILayout.Button("Magic")){ animation.CrossFade("Magic");}

if(GUILayout.Button("Fire")){ animation.CrossFade("Fire");}

}

3 总 结

依据VR技术在健身领域的研究、应用现状，从实用性角度出发，提出基于移动平台的VR技术应用与传统跑步机相结合的系统总体方案，并对方案中主要涉及技术环节进行分析。由于当前知识能力和条件有限，在许多具体细节上还留待以后进一步研究和探讨，方案中存在的不足和不妥之处，还需在今后具体实践中发现和纠正。

[1] 黎明．虚拟现实VR(Virtrual Reality)现状和前景[J]．艺术科技，2016(9)：103- 104．

[2] 王永强．基于虚拟现实技术的多功能跑步机系统的研究与设计[J]．科技信息．2010(5)：57- 58．

[3] 邱元阳．VR的悲哀[J]．中国信息技术教育，2016(17):24．

[4] 王运．基于手机Android平台的虚拟校园漫游系统的设计与实现[D].北京：北京工业大学，2013．

[5] SONG Xue- hui，WANG Shao- rong， LAI Shun- nan，etc.A Network Scheduling Strategy of Android- Based Virtual Reality System[J].Computer Aided Drafting,Design and Manufacturing，2015，25(2)：36- 42．

[6] 石明明，鲁周迅．三种无线通信协议综述[J]．通信技术，2011，44(7)：72- 73，91.

[责任编辑：李德才]

On the Scheme of Running Fitness in Teractive Virtual Experience System Based on Mobile Platform

YANG Hong- lan

(Personnel Division,Anhui Wenda University of Information Engineering, Hefei 231201,China)

Using VR technology to meet the higher needs of people’s fitness and entertainment Expe rience has become one of the hottest topicsof research.Firstly, this paper introduces the research and application of VR technology in the field of fitness. Secondly, starting from the practical point of view,the overall plan of system is given, which focuses on the combinational possibility of using VR technology based on mobile platform and traditional treadmill. Finally,the mainly involved technologies are introduced and analyzed.

mobile platform; Virtual Reality; treadmill; scheme

2016-09-28

2016-12-20

安徽省质量工程教学研究项目(2015jyxm430)、安徽省级自然科学研究重点项目(KJ2017A649)、安徽文达信息工程学院自然研究项目(XZR2016B04)资助。

杨红兰(1968— )，女，安徽肥西人，安徽文达信息工程学院人事处讲师，硕士；研究方向：软件工程、数字媒体技术。

TN402,TP29

A

2096-2371(2017)02-0064-05