CN106802718A - 一种用于室内攀岩机的沉浸式虚拟现实系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于室内攀岩机的沉浸式虚拟现实系统，该系统架构分为功能界面层、逻辑计算层、数据存储层和平台支持层四个层级；其中功能界面层是用户、系统和管理员之间进行信息交流互通的窗口；逻辑计算层是根据用户与平台交互过程中的操作行为，在系统的后台进行物理引擎计算、场景渲染计算和界面算法支撑等内容的功能性层级；数据存储层是攀岩机沉浸式虚拟现实系统的数据信息库，存储了虚拟攀岩系统中的所有数据信息；平台支持层主要为系统提供必须的硬件与环境支持。本系统能使用户在攀岩过程中身临其境地沉浸在虚拟环境的攀岩体验中，能让用户更真实地体会到攀岩的乐趣，使攀岩健身运动更具新颖性和趣味性。

Description

一种用于室内攀岩机的沉浸式虚拟现实系统

技术领域

本发明涉及运动健身沉浸式设备的设计技术，尤其涉及一种用于室内攀岩机的沉浸式虚拟现实系统。

背景技术

当前国内的室内攀岩运动普遍存在代入感不强和攀岩形式单调的问题，现有的室内攀岩墙和室内攀岩机因其路径固定和体验性差的原因，难以给予攀岩爱好者真实的攀岩体验与攀岩乐趣，同时大多数室内体育运动也存在沉浸感不强的问题。而在2016年火爆兴起的虚拟现实技术给予了解决这种问题的一种新的手段。

虚拟现实技术（VR）是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学人机接口技术、多媒体技术、传感技术和网络技术等多种技术的集合，是一门富有挑战性的学科交叉前沿技术和研究领域。虚拟现实技术能通过人为建模十分真实地展示出各种不同的场景，用户足不出户就可以达到在不同场景游玩的沉浸式体验。

由于地形限制无法参与到室外攀岩运动中，又因为室内攀岩运动的局限性，运用虚拟现实技术的沉浸式体育在室内攀岩行业中得到了越来越大的重视。虽然当今世界上几大著名体育公司都在致力于移动沉浸式体育健身产品的开发，但世界沉浸式体育健身运动行业仍处于起步阶段，仅仅是在固定式体育健身器材上得到了一定程度的应用，移动式的体育健身比如攀岩、游泳和球类运动等暂时没有任何实质上的VR产品。虚实同步问题依然是移动VR体育的重大难题，虽已有数家公司尝试通过感应手套和物体感应器基本完成虚实同步的状况，不过效果并不是特别优秀。当今存在一些VR攀岩游戏，其只能通过手套捕捉到手部动作，而无法提供真实的攀岩抓手的感觉，仅仅在虚拟场景中表现了逼真的攀岩场景，实际体验感较差。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种用于室内攀岩机的沉浸式虚拟现实系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于室内攀岩机的沉浸式虚拟现实系统，包括：

数据存储层，用于存储三维模型数据，所述三维模型数据分为Solidworks建模数据、Unity3D引擎数据和3ds Max建模数据，虚拟山峰建模通过调用三者中的数据即完成模型的建立；其中Solidworks建模数据为攀岩工具模型数据，包括攀岩绳索和攀岩工具的模型数据；Unity3D引擎数据包括三维地形地貌数据和天空环境数据；3ds Max建模数据包括人物建模数据，其中人物建模为3ds Max中建立人物整体模型；

逻辑计算层，逻辑计算层是根据用户在戴上虚拟现实眼镜后，在与平台进行交互过程中的操作行为时，在系统的后台进行物理引擎计算、场景渲染计算和界面算法计算等内容的功能性层级。如用户于功能界面进行选择时，逻辑计算层进行功能界面的调出；用户于攀岩场景内进行攀爬时，逻辑计算层导入数据层中的山峰模型特殊位置对应事件的输入等。逻辑计算层分为界面层控制、功能性控制和攀岩场景控制三个控制层级。

所述界面层控制模块，用于用户登录控制和界面音效控制；其中用户登录控制又分为用户信息控制单元和用户权限管控单元，用户信息控制单元用于读取用户输入信息并调用数据库中信息进行账号密码匹配，识别登录用户是否为系统内注册用户；用户权限管控单元用于将读取后的用户信息与权限库内信息相匹配，识别用户所属的用户等级；界面音效控制通过在Unity3D中设置相应的背景音乐，当用户进入界面层后自动开始循环播放；

功能性控制模块，用于实现场景切换、、协同网络通讯和攀岩过程中的路径变更；包括场景切换单元、协同网络通讯单元和路径变更控制单元；

其中，场景切换包括功能界面到攀岩场景的切换和攀岩场景到功能界面的切换；

协同网络通讯单元分为资源地址配置与信息共享设置，其中资源地址配置用于配置山峰资源下载的地址；信息共享设置可以设置是否共享与共享信息的内容，给予用户自由的共享设置选择；

路径变更控制单元主要通过路径变更算法完成，根据实际控制需要，需将攀岩点空间位置数据变换成攀岩机上的平面位置数据和变幅角度数据。之后沿算法流程图运作：完成坐标变换后，遍历变换后的坐标，判断所输入的QUOTE 值，其若为0、1、2，则左侧推拉式电磁铁将抓手推出；若为3、4，则右侧推拉式电磁铁将抓手推出；若为不合法的数据点，则返回错误。根据排布要求，第一个攀岩点的空间位置数据必须位于攀岩机攀岩平面坐标的点（0,0）位置，即初始点的输入值为 QUOTE ，QUOTE ，以此作为开始标志。最后一个攀岩点的空间位置数据必须x方向偏离第一个攀岩点 QUOTE ，即变换的x坐标为-1，以此特殊的不合法数据点作为结束标志。两个特殊点在排布时不进行排布操作。在完成抓手的退出过程后，通过读取输入 QUOTE 的值，执行 QUOTE 动作，即控制相应的吸盘式电磁铁通电，实现对于抓手的初次定位过程。

所述攀岩场景控制模块，包括动态加载单元、可见性计算单元、实时渲染单元和虚拟山地场景资源优化；

其中动态加载单元用于优先加载用户初始攀岩点附近的场景资源；

可见性计算单元，包括模型遮挡可见性和山峰遮挡可见性，模型遮挡可见性和山峰遮挡可见性均通过光栅化光照来实现模型的遮挡，并减少必须由动态遮挡系统进行处理的图元数目，以节省渲染线程时间；

实时渲染单元，用于网格渲染和阴影渲染，采用在Unity3D引擎中创建一个新相机的方法进行场景录制后，以每秒100帧的形式来完成实时渲染，并根据攀岩者攀岩速度和攀岩高度等因素采用脚本控制每秒帧数，模拟攀岩用户在不同情况下身边的场景变化状况；

虚拟山地场景资源优化，包括混入视域剔除、山地背面剔除、模型遮挡剔除、多层次细节模型和模型分块加载五个部分，其中混入视域剔除指人物模型与场景模型之间由于物理面积产生的视域混入问题，需要对于不同的模型的层次进行调整；山地背面剔除，指用户在攀岩过程中由于无法达到山峰背面，则在攀岩过程中将背面的模型场景进行剔除操作，减少模型和环境加载时间，提高攀岩场景读取速度；模型遮挡剔除，与可见性计算相关，需要考虑模型遮挡可见性和山峰遮挡可见性，用于解决各种模型之间由于物理面积产生遮挡的情况。多层次细节模型，即为攀岩场景中各种地形元素的模型，如石头、树木、鸟类和凹槽等攀岩特有地形，在3ds Max调试贴图后打包在三维模型数据库中。模型分块加载，与实时渲染和动态加载有关，在用户进入攀岩场景后，优先读取用户身边的数据资源并进行渲染，之后再读取和渲染场景的其他地方。

功能界面层，用于用户、系统和管理员之间进行信息交流互通，包括用户管理单元、攀岩模式选择单元、攀岩地图选择单元和系统设置单元。

平台支持层，为系统提供了硬件、操作系统、网络环境、交互式外设等平台所必须的硬件与环境支持。其主要分为PC机、交互式硬件、操作系统和网络环境四个部分。

按上述方案，所述攀岩模式选择单元分为单人模式和竞赛模式。

按上述方案，所述攀岩地图选择单元包括山峰选择和路径选择，山峰选择即用户观察通过VR眼镜内所呈现的各个山峰的图像以及数据信息，来控制VR手套选择自己所想要攀爬的山峰；路径选择即为通过路径变更控制单元中的算法设计出攀岩机运行过程中，对推拉式电磁铁的打击控制与吸盘式电磁铁的通电顺序控制，实现攀岩过程中的不同路径。用户在选择完毕山峰后，即可进入路径选择界面，通过在该界面中阅读该山峰各条路径的数据以及推荐难度来确定适合自己的攀岩路径。

按上述方案，所述数据存储层还存储有虚拟攀岩系统中的用户信息数据和操作日志数据。

按上述方案，所述虚拟攀岩山峰建模包括3ds Max多边形建模、Unity3d的Terrain工具地形建模和Photoshop的贴图绘制，通过Terrain地形编辑器进行山峰地形的初步建模、利用笔刷等工具进行美术修改，利用多边形建模技术进行细致岩石的制作，利用Photoshop进行贴图绘制，将岩石模型与山峰地形相契合，得到最终的虚拟攀岩山峰模型。

本发明所指的虚拟现实系统的操作流程如下：在现实场景中，用户在PC机上登入本攀岩机的虚拟现实系统后，戴上配备的HTC Vive虚拟现实眼镜，进入功能管理层中，进行模式选择、山峰选择和路径选择等个性化设置。

在完成攀岩前设置后，用户的视角将移动到所选择山峰路径的起点处，此时PC机内开始加载攀岩机VR系统的场景与环境资源。随着现实中攀岩机开始传动，攀岩抓手的定位与复位工作也开始进行，此时用户在攀岩场景中即可沿加载出来的攀岩抓手进行攀岩运动。在用户沉浸在虚拟场景中进行攀岩的过程中，根据用户的攀岩速度，攀岩机的液压系统将通过调节比例调速阀流量进行整机转速改变，保持用户在攀岩上保持相对位置的稳定；根据用户的攀岩点角度预设值，变幅机构将驱动蜗轮蜗杆机构运动使整机角度倾斜，提升用户攀岩过程的沉浸感。

本发明产生的有益效果是：本发明采用虚拟现实技术，通过Zbrush和3ds Max软件精致雕刻建模贴图形成具有极强真实感的山地模型，再通过Solidworks软件建立攀岩工具、攀岩绳索和场景元素等物体模型，在Unity3D引擎中制作出精致的虚拟山地场景，通过虚拟现实眼镜HTC Vive实现用户视觉听觉上与虚拟场景的交互，通过Leap Motion体感控制器实现用户双手在虚拟场景中的定位，达到用户与虚拟场景的交互的功能，使用户在攀岩过程中能身临其境地沉浸在虚拟环境的攀岩体验中，同时系统还能采集用户攀岩时的速度、高度和时间等攀岩数据，对于用户的攀岩情况统计做出身体情况报告反馈给攀岩用户，让用户不仅能在攀岩健身中享受真实攀岩的刺激感，也能通过报告更清楚自己身体的状况，做出更适合自己的健身方案。本用于室内攀岩机的沉浸式虚拟现实系统能让用户更真实地体会到攀岩的乐趣，在用户在健身的同时更了解自己的身体状况，使攀岩健身运动更具新颖性和趣味性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例的路径变更算法程序框图；

图3是本发明实施例的用户操作流程图；

图4是本发明实施例的攀岩抓手虚实同步流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明公开了一种用于室内攀岩机的沉浸式虚拟现实系统，其包括功能界面层、逻辑计算层、数据存储层和平台支持层四大主要层级，每个层级分为多个子模块，各个模块之间性质独立但功能关联。平台支持层作为用户与VR系统的联接层级，通过PC主机登入虚拟现实系统后，借助虚拟现实眼镜和交互手套实现现实与虚拟世界中的功能界面层实现操作信息交互，同时该层级中的所有操作都会被采集进入数据存储层中。功能界面层是VR系统与用户的交互层级，通过接受用户在平台支持层中的操作信息，进行用户登录、模式选择、系统设置、山峰选择和路径选择等攀岩的个性化设置选项，实现进入虚拟攀岩场景前的所有预处理。逻辑计算层是系统的功能层级，其接受功能界面层传递的数据信息流，进行数据存储层的数据库调用后进行分析处理，并将信息反馈给用户管理层，实现界面层管理，同时其仍具有功能性控制模块与攀岩场景控制模块，用于完成网络通讯、界面切换以及场景优化处理功能。数据存储层作为整个系统的信息存储层级，用于储存各种用户信息、场景资源以及操作信息等数据，并随时完成信息的采集与其他层级的信息调用。通过四个层级之间的协同作用关系，实现了整个虚拟现实系统的交互过程与用户攀岩过程，并由于相关优化使得平台支持层的硬件负荷得以降低，对整个系统运行的流畅性也提供了保障。具体来说：

所述功能界面层是用户、系统和管理员之间进行信息交流互通的窗口，不同的用户可以根据自身对系统功能的需要在该层级上进行个性选择，是实现系统功能操作的应用界面层级，其分为用户管理、攀岩模式选择、攀岩地图选择和系统设置四个部分。

所述用户管理内容包括用户级别设置和登陆验证，用户级别设置包括普通攀岩用户和攀岩机管理员用户，普通攀岩用户即为准备使用攀岩机健身的用户，管理员用户用于技术人员进行攀岩机内部权限调整等设置；登陆验证即通过登陆人员的账号密码确定登录人员的信息实现用户进入系统。

所述模式选择分为单人模式和竞赛模式，单人模式即用户独自选择地图和调整个性化设置后一人进行攀爬健身，所采集的攀岩信息只储存到本用户内部储存中；竞赛模式为连接网络的数据共享模式，当用户进入该模式后，其所进行的选择、攀岩截图、攀岩的情况、攀岩的时间和攀岩的高度等数据都会传输到网络上与所有其他用户共享，用户可以通过浏览他人数据实现彼此间的数据竞赛。

所述地图选择包括山峰选择和路径选择，山峰选择即用户观察通过VR眼镜内所呈现的各个山峰的图像以及数据信息，来控制VR手套选择自己所想要攀爬的山峰；路径选择即为用户选择完毕山峰后通过阅读该山峰各条路径的数据以及推荐难度来确定适合自己的攀岩路径。

所述系统设置为用户对攀岩机系统的音效和攀岩场景画面渲染等系统属性进行设置，其由视频设置和音频设置组成，其中视频设置包括基本设置和细节调整，基本设置中可以设置主机上攀岩画面显示的分辨率、场景渲染的抗锯齿模式、过滤模式和多核渲染效果；细节调整中包括攀岩过程中各种场景互动的效果调节，光照遮挡处的阴影Shader调节和不同模型的纹理调节。音频设置主要包括界面音效的调节、游戏音效的调节、音效质量的调节和主机与HTC Vive眼镜的音效配置器调整。

所述逻辑计算层是根据用户在戴上虚拟现实眼镜后，在与平台进行交互过程中的操作行为时，在系统的后台进行物理引擎计算、场景渲染计算和界面算法支撑等内容的功能性层级。如用户于功能界面进行选择时，逻辑计算层进行功能界面的调出；用户于攀岩场景内进行攀爬时，逻辑计算层导入数据层中的山峰模型中特殊位置的对应事件的输入等。逻辑计算层分为界面层控制、功能性控制和攀岩场景控制三个控制层级。

所述界面层控制包括用户登录控制和界面音效控制，其中用户登录控制又分为用户信息控制和用户权限管控两部分，用户信息控制用于读取用户输入信息并调用数据库中信息进行账号密码匹配，识别登录用户是否为系统内注册用户；用户权限管控用于将读取后的用户信息与权限库内信息相匹配，识别用户所属的用户等级；界面音效控制通过在Unity3D中设置相应的背景音乐，当用户进入界面层后自动开始循环播放。

功能性控制模块包括场景切换单元、协同网络通讯单元和路径变更控制单元，其中场景切换包括功能界面到攀岩场景的切换和攀岩场景到功能界面的切换，当在功能界面层中，只需在完成地图选择和个性化选择后点击“完成”按钮即可完成到攀岩场景的场景切换工作；当在攀岩场景中，在天空界面上设置了返回和退出的两个图标按钮，用户只需在攀岩过程中抬头点击两个按钮，即可完成从攀岩场景到功能界面的切换。协同网络通讯单元分为资源地址配置与信息共享设置，其中资源地址配置用于配置山峰资源下载的地址；信息共享设置可以设置是否共享与共享信息的内容，给予用户自由的共享设置选择。

如图2所示，路径变更控制单元主要通过路径变更算法完成，根其据实际控制需要，需将攀岩点空间位置数据变换成攀岩机上的平面位置数据和变幅角度数据。之后沿算法流程图运作：完成坐标变换后，遍历变换后的坐标，判断所输入的 QUOTE 值，其若为0、1、2，则左侧推拉式电磁铁将抓手推出；若为3、4，则右侧推拉式电磁铁将抓手推出；若为不合法的数据点，则返回错误。根据排布要求，第一个攀岩点的空间位置数据必须位于攀岩机攀岩平面坐标的点（0,0）位置，即初始点的输入值为 QUOTE ， QUOTE ，以此作为开始标志。最后一个攀岩点的空间位置数据必须x方向偏离第一个攀岩点 QUOTE ，即变换的x坐标为-1，以此特殊的不合法数据点作为结束标志。两个特殊点在排布时不进行排布操作。在完成抓手的退出过程后，通过读取输入 QUOTE 的值，执行 QUOTE 动作，即控制相应的吸盘式电磁铁通电，实现对于抓手的初次定位过程。

所述攀岩场景控制模块，包括动态加载单元、可见性计算单元、实时渲染单元和虚拟山地场景资源优化，其中动态加载即优先加载用户初始攀岩点附近的场景资源，在攀岩的过程中，不影响用户攀岩操作的情况下，后台加载剩余的资源，直到所有加载完毕。可见性计算包括模型遮挡可见性和山峰遮挡可见性，模型遮挡可见性和山峰遮挡可见性均通过光栅化光照来实现模型的遮挡，并减少必须由动态遮挡系统进行处理的图元数目，以节省渲染线程时间。实时渲染分为网格渲染和阴影渲染，本攀岩机沉浸式虚拟现实系统采用在Unity3D引擎中创建一个新相机的方法进行场景录制后，以每秒100帧的形式来完成实时渲染，并根据攀岩者攀岩速度和攀岩高度等因素采用脚本控制每秒帧数，模拟攀岩用户在不同情况下身边的场景变化状况。虚拟山地场景资源优化，包括混入视域剔除、山地背面剔除、模型遮挡剔除、多层次细节模型和模型分块加载五个部分，其中混入视域剔除指人物模型与场景模型之间由于物理面积产生的视域混入问题，需要对于不同的模型的层次进行调整；山地背面剔除，指用户在攀岩过程中由于无法达到山峰背面，则在攀岩过程中将背面的模型场景进行剔除操作，减少模型和环境加载时间，提高攀岩场景读取速度；模型遮挡剔除，与可见性计算相关，需要考虑模型遮挡可见性和山峰遮挡可见性，用于解决各种模型之间由于物理面积产生遮挡的情况。多层次细节模型，即为攀岩场景中各种地形元素的模型，如石头、树木、鸟类和凹槽等攀岩特有地形，在3ds Max调试贴图后打包在三维模型数据库中。模型分块加载，与实时渲染和动态加载有关，在用户进入攀岩场景后，优先读取用户身边的数据资源并进行渲染，之后再读取和渲染场景的其他地方。

数据存储层，用于存储三维模型数据，所述三维模型数据分为Solidworks建模数据、Unity3D引擎数据和3ds Max建模数据，虚拟山峰建模通过调用三者中的数据即完成模型的建立；其中Solidworks建模数据为攀岩工具模型数据，包括攀岩绳索和攀岩工具的模型数据；Unity3D引擎数据包括三维地形地貌数据和天空环境数据；3ds Max建模数据包括人物建模数据，其中人物建模为3ds Max中建立人物整体模型。

所述用户信息库包括用户的信息储存和信息管理，其中信息储存是用户信息的储存系统，每当有新用户注册信息，新信息将通过信息储存系统存入用户信息库中，而在数据表中对常用信息和不常用信息做分离设计，比如用户的详细信息，只有用户编辑个人信息时才会修改；信息管理用于管理用户信息库中的全部用户数据信息，可进行筛选和精确查找等管理功能。

所述三维模型数据分为Solidworks建模数据、Unity3D引擎数据和3ds Max建模数据，这些场景文件及二进制文件都直接封装在AssetBundle中，其中Solidworks建模数据为攀岩工具模型数据，包括攀岩绳索和攀岩工具的模型数据储存；Unity3D引擎数据包括三维地形地貌数据和天空环境数据，其中三维地形由Unity3D引擎山地画笔绘制而成，并根据所参考山峰峰貌进行仿真绘制，运用贴图设置补全山峰峰面的地貌设计。天空环境由预设好的Unity3D中的Skybox贴图实现，由程序控制不同的场景选择不同的天空贴图设计，实现天空环境的多变化；3ds Max建模包括人物建模和模型面片数优化设计，其中人物建模为3dsMax中建立人物整体模型，当用户进行攀岩操作时显示出用户的手部模型在场景界面中；模型面片数优化设计即保证各种模型几何外观的前提下进行模型面片数优化，针对山地虚拟环境模型，进行几何建模与图像建模相结合，通过高模低模的变化与Zbrush雕刻贴图设计，在到达最佳画面效果的同时最大限度降低场景面片数。

所述操作日志库分为用户操作信息库和管理员操作信息库，应用Log4net作为开源日志组件，其中用户操作信息库用于存储用户在登陆进入系统后在界面层的操作和用户在进入攀岩场景后的攀岩高度、攀岩平均速度和攀岩整体时间等攀岩操作信息，以便用户查询与网络共享；管理员操作信息指管理员用户在登入系统后进行的各种系统调试操作记录，以便检查管理员用户是否存在操作不当的问题导致机器故障。

所述平台支持层主要为系统提供了硬件、操作系统、网络环境、交互式外设等平台所必须的硬件与环境支持。其主要分为PC机、交互式硬件、操作系统和网络环境四个部分。

所述PC机表示运行该虚拟现实系统的主机，其在显卡、CPU、内存、视频接口和USB接口上都具有一定的要求，其中显卡要求NVIDIAGeForce®GTX970或AMDRadeon™R9290即以上；CPU要求Inteli5-4590或AMDFX8350即以上；内存要求8GB以上；视频接口要求HDMI1.4或DisplayPort1.2及两者的更新版；USB接口要求至少1个USB2.0接口。

所述交互式硬件为用户与攀岩机发生交互感应的硬件设备，本攀岩机虚拟现实系统应用的硬件主要为HTC Vive眼镜和Leap Motion体感控制器，其中HTC Vive眼镜为当今最新虚拟现实佩戴式设备，全设备包括一个Vive头戴式设备、三合一连接线、音频线、耳塞式耳机、面部衬垫、清洁布串流盒、电源适配器、HDMI连接线、USB数据线、固定贴片Vive、两个操控手柄、一个安装工具包（2个支架，4颗螺丝和4个锚固螺栓）、两个电源适配器、两条挂绳和两个Micro-USB数据线定位器；Leap Motion体感控制器是当今最新的虚拟现实眼镜体感控制器，其开发工具包包括Leap Motion主机和一长一短的2根USB2.0数据线，其可以实现用户现实的双手在虚拟现实场景中的定位功能，并能适用多种特殊手势，可用于不同操作手势的开发。

所述操作系统为PC机所用的操作系统，需要即兼容虚拟现实场景也能与交互式硬件具有良好的适配性，由此采用的是Windows7系统或更高版本的Windows系统。

所述网络环境为系统弱联网模式，即攀岩机只在登陆验证、下载资源和上传数据时与网络连接，而在攀岩过程不需联网，只需记录攀岩数据即可。

如图3所示，用户使用本系统的操作流程如下：在现实场景中，用户在PC机上登入本攀岩机的虚拟现实系统后，戴上配备的HTC Vive虚拟现实眼镜，进入功能管理层中，进行模式选择、山峰选择和路径选择等个性化设置。

在完成攀岩前设置后，用户的视角将移动到所选择山峰路径的起点处，此时PC机内开始加载攀岩机VR系统的场景与环境资源。随着现实中攀岩机开始传动，攀岩抓手的定位与复位工作也开始进行，此时用户在攀岩场景中即可沿加载出来的攀岩抓手进行攀岩运动。在用户沉浸在虚拟场景中进行攀岩的过程中，根据用户的攀岩速度，攀岩机的液压系统将通过调节比例调速阀流量进行整机转速改变，保持用户在攀岩上保持相对位置的稳定；根据用户的攀岩点角度预设值，变幅机构将驱动蜗轮蜗杆机构运动使整机角度倾斜，提升用户攀岩过程的沉浸感。

如图4所示，本系统的攀岩抓手虚实同步流程如下：

攀岩抓手的虚实同步根据系统场景预置的方式实现，当用户进入攀岩场景开始攀岩后，系统根据用户的个性化选择的攀岩路径，开始进行虚拟攀岩场景内的攀岩抓手的预加载。攀岩抓手通过预设场景中的排布与现实中路径变更后的排布的同步性实现虚实结合。

当用户开始攀岩时，攀岩机开始传动，此时通过攀岩机的背部路径变更机构根据用户的预设攀岩抓手路径进行路径排布，从而实现用户在预设攀岩抓手下的攀爬。此时系统根据攀岩机是否仍然在进行传动做出判断，当确定攀岩机仍然在传动时，系统将在攀岩场景中加载之前已经预设的攀岩抓手提供给用户进行下一步的攀爬；当确定攀岩机已经停止传动时，系统将停止攀岩抓手的加载，并在数秒后自动关闭虚拟现实场景。

在用户进行攀岩健身的过程中，随着用户在攀岩场景中高度的上升，系统场景内不断加载已经预设好位置的攀岩抓手。虽然在现实场景中，用户在攀岩机上攀爬时，其上方一般只有几排攀岩抓手，但在虚拟场景中用户能观察到前方的大量攀岩抓手。无论用户攀岩速度多快，由于抓手的模型已经载入在场景中，在虚拟场景中用户能一直看到上方的抓手，不会出现用户在攀岩过程中无法观察到前后方的抓手的情况。由此实现了攀岩抓手的虚实同步以及攀岩机虚拟现实系统的自动关闭控制。

本发明系统架构分为功能界面层、逻辑计算层、数据存储层和平台支持层四个层级。每个层级分为多个子模块，各个模块之间性质独立但功能关联。其中功能界面层是用户、系统和管理员之间进行信息交流互通的窗口，不同的用户可以根据自身对系统功能的需要在该层级上进行个性选择，是实现系统功能操作的应用界面层级；逻辑计算层是根据用户与平台交互过程中的操作行为，在系统的后台进行物理引擎计算、场景渲染计算和界面算法支撑等内容的功能性层级；数据存储层是攀岩机沉浸式虚拟现实系统的数据信息库，存储了虚拟攀岩系统中的所有数据信息；平台支持层主要为系统提供了硬件、操作系统、网络环境、交互式外设等平台所必须的硬件与环境支持。通过四个层级之间的协同作用关系，实现了整个虚拟现实系统的交互过程与用户攀岩过程，并由于相关优化使得平台支持层的硬件负荷得以降低，对整个系统运行的流畅性也提供了保障。

本虚拟现实系统能使用户在攀岩过程中身临其境地沉浸在虚拟环境的攀岩体验中，同时能将用户的攀岩数据统计做出身体情况报告反馈给攀岩用户，能让用户更真实地体会到攀岩的乐趣，在健身的同时更了解自己的身体状况，使攀岩健身运动更具新颖性和趣味性。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于室内攀岩机的沉浸式虚拟现实系统，其特征在于，包括：

数据存储层，用于存储三维模型数据，所述三维模型数据分为Solidworks建模数据、Unity3D引擎数据和3ds Max建模数据，通过调用三者的模型数据以建立虚拟山峰模型；其中Solidworks建模数据为攀岩工具模型数据，包括攀岩绳索和攀岩工具的模型数据；Unity3D引擎数据包括三维地形地貌数据和天空环境数据；3ds Max建模数据包括人物建模数据，其中人物建模为3ds Max中建立人物整体模型；

逻辑计算层，逻辑计算层是用户在戴上VR眼镜后，根据VR眼镜在与平台进行交互过程中的操作行为时，在系统的后台进行包括物理引擎计算、场景渲染计算和界面算法计算的功能性层级；

功能界面层，用于用户、系统和管理员之间进行信息交流互通，包括用户管理单元、攀岩模式选择单元、攀岩地图选择单元和系统设置单元；

平台支持层，用于为系统提供必要的硬件与环境支持。

2.根据权利要求1所述的用于室内攀岩机的沉浸式虚拟现实系统，其特征在于，所述逻辑计算层分为界面层控制模块、功能性控制模块和攀岩场景控制模块三个控制层级；

所述界面层控制模块，用于用户登录控制和界面音效控制；其中用户登录控制又分为用户信息控制单元和用户权限管控单元，用户信息控制单元用于读取用户输入信息并调用数据库中信息进行账号密码匹配，识别登录用户是否为系统内注册用户；用户权限管控单元用于将读取后的用户信息与权限库内信息相匹配，识别用户所属的用户等级；界面音效控制通过在Unity3D中设置相应的背景音乐，当用户进入界面层后自动开始循环播放；

功能性控制模块，用于实现场景切换、协同网络通讯和攀岩过程中的路径变更；包括场景切换单元、协同网络通讯单元和路径变更控制单元；

其中，场景切换单元包括功能界面到攀岩场景的切换和攀岩场景到功能界面的切换；

协同网络通讯单元分为资源地址配置与信息共享设置，其中资源地址配置用于配置山峰资源下载的地址；信息共享设置可以设置是否共享与共享信息的内容，给予用户自由的共享设置选择；

路径变控制单元通过算法控制推拉式电磁铁的通电时间，以及固定式吸盘电磁铁的吸附时间，从而实现攀岩机机构的路径变更；

所述攀岩场景控制模块，包括动态加载单元、可见性计算单元、实时渲染单元和虚拟山地场景资源优化单元；

可见性计算单元，包括模型遮挡可见性计算和山峰遮挡可见性计算，模型遮挡可见性和山峰遮挡可见性均通过光栅化光照来实现模型的遮挡，并减少必须由动态遮挡系统进行处理的图元数目，以节省渲染线程时间；

实时渲染单元，用于网格渲染和阴影渲染，采用在Unity3D引擎中创建一个新相机的方法进行场景录制后，以每秒100帧的形式来完成实时渲染，并根据攀岩者攀岩速度和攀岩高度等因素采用脚本控制每秒帧数，模拟攀岩用户在不同情况下身边的场景变化状况。

3.根据权利要求1所述的用于室内攀岩机的沉浸式虚拟现实系统，其特征在于，所述攀岩模式选择单元分为单人模式和竞赛模式。

4.根据权利要求1所述的用于室内攀岩机的沉浸式虚拟现实系统，其特征在于，所述攀岩地图选择单元包括山峰选择和路径选择，山峰选择即用户观察通过VR眼镜内所呈现的各个山峰的图像以及数据信息，来控制VR手套选择自己所想要攀爬的山峰；路径选择即为用户选择完毕山峰后通过阅读该山峰各条路径的数据以及推荐难度来确定适合自己的攀岩路径。

5.根据权利要求1所述的用于室内攀岩机的沉浸式虚拟现实系统，其特征在于，所述数据存储层还存储有虚拟攀岩系统中的用户信息数据和操作日志数据。

6.根据权利要求1所述的用于室内攀岩机的沉浸式虚拟现实系统，其特征在于，所述虚拟攀岩山峰建模包括3ds Max多边形建模、Unity3d的Terrain工具地形建模和Photoshop的贴图绘制，通过Terrain地形编辑器进行山峰地形的初步建模、利用笔刷等工具进行美术修改，利用多边形建模技术进行细致岩石的制作，利用Photoshop进行贴图绘制，将岩石模型与山峰地形相契合，得到最终的虚拟攀岩山峰模型。

7.根据权利要求1所述的用于室内攀岩机的沉浸式虚拟现实系统，其特征在于，路径变更控制单元通过路径变更算法完成，根据实际控制需要，需将攀岩点空间位置数据变换成攀岩机上的平面位置数据和变幅角度数据；之后沿算法流程图运作：完成坐标变换后，遍历变换后的坐标，判断所输入的值，其若为0、1、2，则左侧推拉式电磁铁将抓手推出；若为3、4，则右侧推拉式电磁铁将抓手推出；若为不合法的数据点，则返回错误；根据排布要求，第一个攀岩点的空间位置数据必须位于攀岩机攀岩平面坐标的点（0,0）位置，即初始点的输入值为，，以此作为开始标志；最后一个攀岩点的空间位置数据必须在x方向偏离第一个攀岩点，即变换的x坐标为-1，以此特殊的不合法数据点作为结束标志。