CN106237588B - 基于二次曲面投影技术的多功能健身系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于二次曲面投影技术的多功能健身系统，利用二次曲面幕投影平台的沉浸感及二次曲面幕自身构成的相对封闭的内部空间，结合健身器材和控制技术，构建出多功能健身系统，该多功能健身系统包括硬件子系统和软件子系统；硬件子系统为投影分系统、健身分系统、外围功能分系统；软件子系统为音视提高健身乐趣。频源文件、投影画面处理、远程通信、综合控制四个软件功能单元。因此，健身者在运动过程中可足不出户地在模拟的画面前与投影内容互动进行健身活动。另外可选择气象条件，由外围功能分系统来对应环境的改变。利用二次曲面投影方式所特有的强烈沉浸感特征，使健身者产生身临其境的感觉。

Description

基于二次曲面投影技术的多功能健身系统

技术领域

本发明涉及一种投影健身系统，特别涉及了一种基于二次曲面投影技术的多功能健身系统。

背景技术

现代高强度的生活和工作压力使人们的健康指数不断下降，而人们生活水平在不断提高的同时，对生活品质和健康状态也有了越来越高的追求，健身运动随之兴起。但伴随着我国工业化程度的提高，随之而来的高耗能，高污染，雾霾天数所占比例竟达到50％以上，这样的户外环境下，健身运动反而会对人体造成伤害，如此恶劣的空气质量使我们想在清新舒适的户外环境下健身的愿望在很长一段时间内会是一种奢望。越来越多的人退而选择室内健身方式，但室内健身枯燥无味，身体得到锻炼，心情却没有愉悦，健身者达不到理想的健身效果。

目前，市面上出现一些室内虚拟场景旅游系统，如专利申请号01141309.3中描述的一种可用于虚拟旅游的系统和方法，它由运动平台、计算机组成，计算机安装有可用于虚拟旅游的程序，虚拟旅游过程中计算机显示的可以为实景拍摄的图像画面。研究显示，只有人眼视角超过90°时，才会有较明显的沉浸感，普通显示屏幕无法实现这种沉浸效果，对健身者而言，只是在健身的同时看看屏幕内容，没有身临其境的感受。另外一种方式是佩戴特殊的头盔式或眼镜式显示器，这种方式的弊端是，头盔或眼镜显示器有一定的重量，对人的头部产生束缚，人体跑跳等运动时，显示器会受重力影响下坠，体验感很差，难以满足多数健身者的要求。

发明内容

鉴于上述现有健身产品的技术现状，本发明提供了一种基于二次曲面投影技术的多功能健身系统，该健身系统可模拟室外场景，使室内健身和虚拟室外环境结合，利用二次曲面幕投影显示方式所具有的强烈沉浸感特征，使健身者产生身临其境、置身自然的感受，提高健身运动的乐趣，健身者在健身的同时，还可以实时观察自己的健康状态信息，获得在线的健康指导。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于二次曲面投影技术的多功能健身系统，使用二次曲面投影幕投影平台的沉浸感及二次曲面投影幕自身构成的相对封闭的内部空间，结合健身器材和控制技术，构建出多功能健身系统，该多功能健身系统包括硬件子系统和软件子系统；其中：

硬件子系统：包括投影分系统、健身分系统和外围功能分系统三个分系统；所述投影分系统，用于在二次曲面投影幕上产生影像，并传送出相应音频，服务于健身者的视觉和听觉；所述健身分系统，满足人体的运动健身需要；所述外围功能分系统，用以完善系统的辅助功能；所述三个分系统经电缆或线路连接，通过软件子系统的软件功能单元建立信号反馈与控制，构成联系与协调，实现整体功能；

软件子系统：包括音视频源文件、投影画面处理、远程通信、综合控制四个软件功能单元；所述四个软件功能单元通过计算机语言指令互为联系，音视频源文件软件功能单元为投影分系统提供音视频源文件，视频源文件经投影机和镜头在幕上生成主题影像光学信号，音频源文件经音响设备转换成声音信号；投影画面处理软件功能单元对视频文件进行管理和控制，使二次曲面投影幕上影像符合人眼观看要求；远程通信软件功能单元通过远程网络访问与连接实现运动状态远程监护和远程医疗指导功能，并支持健身者之间的远程交流互动；综合控制软件功能单元完成整个系统的功能协调、过程控制，确保整个系统功能的实现和平稳运行。

本发明中，所涉及的投影分系统，包括基座，二次曲面投影幕，鱼眼投影镜头，投影机，音响设备和计算机主机；其中的二次曲面投影幕具有框架龙骨，整个幕通过框架龙骨固定于一个基座之上，除去二次曲面投影幕之外，其它具有的设备、器件、装置，均布置于二次曲面投影幕的框架龙骨上，或处于二次曲面投影幕与基座所围成的空间内，音响设备可置于基座内部并在其周围开设透声孔，健身者健身时处于二次曲面投影幕与基座所围成的空间内。所述二次曲面投影幕的面形用方程：

F(x，y，z)＝a₁₁x²+a₂₂y²+a₃₃z²+a₁₂xy+a₂₃yz+a₁₃xz+a₁x+a₂y+a₃2＝0来描述，根据系数的不同，定义为多种面形形式，具体为球面幕，或柱面幕，或椭球面幕，或椭圆柱面幕，或抛物柱面幕，或双曲柱面投影幕，所述二次曲面投影幕内部空间垂直高度至少1.8米，水平宽度至少1.6米，二次曲面投影幕所使用的基础材料包括工程塑料、玻璃、玻璃钢和金属材质中的一种或几种，其内侧喷涂光学漫反射特性介质涂层或膜层，以控制合理的光学增益，涂层的漫反射亮度系数控制在0.2～1.0，二次曲面幕上面开有结构孔槽，便于健身者的进出，利于框架龙骨的安装，并利于二次曲面投影幕在基座上的安装；所述二次曲面投影幕上的画面由两个投影机的画面拼接而成；

本发明中，投影分系统中所指的投影机为常见的各种技术类型的小型标准数字投影机，投影机其光输出不低于3000流明，采用双机位方案，两投影机分别处于健身者肩部两侧对称位置，或处于健身者头上两侧对称位置，或均处于二次曲面投影幕对称中心点附近；采用双机位方案能够降低对投影机性能的要求，双机位安装位置遵从以下四原则：a.健身者身体不能阻挡投影光路；b.投影机所投射光束能覆盖二次曲面投影幕总面积的50％～90％，且该总面积不包含幕上的结构孔槽面积；c.在最大化投影机光输出利用率的前提下，保障幕上各区域的影像画面有足够的光亮度和光亮度的一致性；d.保障幕上各区域影像画面完整且有足够的清晰度，两个投影机在幕上分别投射出的画面互有重叠，并通过画面的边缘融合技术实现幕上影像效果的整体性和一致性；

本发明中，投影分系统中所涉及的鱼眼投影镜头，为非标准化关键部件，需要进行针对性设计，该鱼眼投影镜头遵从非相似成像原理，非相似成像原理中含有畸变；该畸变的规律和二次曲面投影幕的方程、投影机相对投影幕的位置关系、影像画面在投影幕上所覆盖的面积、健身者相对投影幕所处的位置存在关联性，鱼眼投影镜头的其他性能要求应满足所使用的数字投影机的光学、机械匹配要求；在双机位的投影方案中，鱼眼投影镜头全视场像高应略小于或等于投影机芯片的长边长。

本发明中，投影分系统中所涉及的其他硬件设施，均可采用标准化产品，安装位置，以不阻挡投影机投射光束、不阻挡健身者观影和不阻碍健身动作为原则。

本发明中，健身分系统由N自由度运动平台单元和控制单元；所述N自由度运动平台单元根据功能的不同，为骑行模拟平台、跑步模拟平台或划船模拟平台，计算机主机通过控制单元对N自由度运动平台单元进行控制。

所述控制单元，包括控制器模块、传感器模块和控制面板；控制器模块输入端与计算机主机连接，输出端接N自由度运动平台单元的输入端，传感器模块接收N自由度运动平台单元提供的信号，并将信号发送到控制器模块，所述控制面板与投影分系统、健身分系统、外围功能分系统通过软件子系统电性连接，健身者通过操作控制面板完成对整个系统的控制，包括将内部信息或接收到的外部信息通过投影分系统投射出去的控制，也包括对系统输出的音频内容和″人机交互″内容的控制，以实现最佳视听效果与外围功能，其控制方式包括有线控制和无线控制，所述控制面板与计算机主机有线连接或无线通信连接。

所述传感器模块，包括位置传感器、角度传感器、速度传感器、体征参数传感器的其中一种或几种组合；所述控制器模块的输入端与计算机主机连接对N自由度运动平台单元进行控制；所述传感器模块接收N自由度运动平台单元提供的信号，并将信号发送到控制器，控制器模块根据接收到的信号，发出调节指令给N自由度运动平台单元改变运行参数，从而实现闭环控制，同时将处理信息传送给计算机主机。

本发明中，所述的控制面板的控制功能还可通过控制手柄方式实现。

本发明中，所述健身分系统可自动控制健身者的最佳有氧健身运动量，并可随机自动调整机械运动部分的阻尼负荷，从而使室内健身运动户外化，并可用于运动员模拟仿真训练使用。

本发明中，所述外围功能分系统，包括环境模拟模块，路由器，发电模块，互动模块；环境模拟模块用于模拟运动环境，包括模拟自然现象和气味，自然现象包括风、霜、雨、雪、光照，使人体的感官得到逼真感受；路由器将健身信息分享至外网，与朋友或家人互动，或将健康数据传至医疗保健医师，得到实时的健康指导方案；发电模块由小型发电机和储能设备构成，该模块将健身运动产生的动能转化为电能并存储至储能设备，或作为环境模拟装置的辅助电源使用；互动模块实现健身者、投影内容、运动平台之间的互动，健身者或预设程序对运动平台、投影内容发出指令，平台和投影内容做出相应变化，同时环境模拟模块根据投影内容模拟自然现象和气味。

本发明的软件子系统中，音视频源文件功能单元中的视频源文件可以由电脑制作完成，或者经实地场景拍摄获得，无论哪种获得方式获得的视频源文件，需对视频源文件进行预置变形处理，把正常的原始矩形图像的像素排列方式按特定畸变规律进行二维坐标转换，使二次曲面投影幕上能显示符合人眼观看习惯的图像，所输入的视频文件原始图像像素坐标系为直角坐标系，其中横轴为x轴，纵轴为y轴，直角坐标系上某个点的坐标为(x，y)，转换后的坐标系为极坐标系ρ(半径坐标)和θ(极角)，ρ坐标表示与极点的距离，θ坐标表示按逆时针方向坐标距离0°极轴的角度，极轴就是在平面直角坐标系中的×轴正方向，片源的制作应考虑鱼眼投影镜头畸变所带来的影响，θ不同的点所对应的畸变因子τ_θ也不尽相同，两个坐标系之间的关系应为：ρ＝x²+y²，x≠0，x＝τ_θρcosθ，y＝τ_θρsinθ；而音视频源文件功能单元中的音频源文件为与视频展示情节相关的音乐、自然界声音等音频信息；

本发明的软件子系统中，投影画面处理软件功能单元，功能是对视频源文件的图像像素进行处理，处理针对两个通道视频源文件，包括两个通道幕上画面融合边界的确认与两个通道幕上画面的锐度、色度、对比度的调整，如果前期视频源文件制作过程中未经过预置形变处理，则在该软件功能单元内实现视频源文件像素的坐标变换；

本发明的软件子系统中，远程通信软件功能单元用来实现健身者与外界的信息交互，具体可以包括，与家人、朋友之间的视频，语音通信、获得专业运动及医护人员的健康指导、远程控制其它联网设备等。

本发明的软件子系统中，综合控制软件功能单元，主要功能是协调和控制整个系统的运行，全面实现投影分系统、健身分系统和外围功能分系统的功能，保障整个系统有效运行，具体包括：控制投影主题内容或场景变化、控制健身分系统的运动过程和状态、控制外围功能分系统的外围功能的实现及状态。

所有软件子系统涉及到的文件及软件，均集中安装于计算机主机硬盘内，而所有操作指令输入经由控制面板上呈现出的综合控制主程序操作界面完成，该控制面板安装在健身分系统中，处于健身者的面前；健身者输入的主要指令选项，包括，投影内容或运动背景选择、运动量设置和限定、运动强度设置，各种生理指标浏览，运动数据及生理指标存储及共享选择、是否远程网络指导获取等。

本发明所具有的有益效果是利用二次曲面投影幕投影方式所特有的强烈沉浸感特征与虚拟现实技术相结合，让健身者产生身临其境的感觉，提高了健身乐趣，同时健身者还可以实时观察身体各项生理特征、指标数值、运动状态，也可以随时将生理特征数据提供给医务人员，获得健康指导，环境模拟功能使人体的感官得到逼真感受。

附图说明

图1是本发明系统的功能及控制流程图；

图2是本发明具有模拟骑行功能的健身系统参考示意图；

图3是本发明的模拟跑步健身系统参考示意图；

图4是本发明的模拟划船器健身系统参考示意图。

具体实施方式

下面将结合附图实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明系统的功能及控制流程图。一种基于二次曲面投影技术的多功能健身系统10000，包括硬件子系统11000和软件子系统12000。本实施例所述的硬件子系统11000，包括投影分系统11100、健身分系统11200和外围功能分系统11300；所述投影分系统11100，由基座11110、鱼眼投影镜头11120、二次曲面投影幕11130、音响设备11140、投影机11150和计算机主机11160组成，其中所述二次曲面投影幕11130位于投影机11150前方，所述鱼眼投影镜头11120与投影机11150机械连接，所述计算机主机11160与投影机11150、音响设备11140电性连接；本实施例中的健身分系统11200，由控制单元11210和N自由度运动平台单元11220组成，所述的控制单元11210，包括控制面板11211、控制器模块11212和传感器模块11213，所述传感器模块11213，由位置传感器11213-1、角度传感器11213-2、速度传感器11213-3、体征参数传感器11213-4的其中一种或几种组成；本实施例中的外围功能分系统11300，由环境模拟模块11310、路由器11320、发电模块11330和互动模块11340组成；所述硬件子系统11000的三个分系统经电缆或线路连接，通过软件子系统12000的软件功能单元建立信号反馈与控制，达成联系与协调，实现整体功能。本实施例中的软件子系统12000，由音视频源文件软件功能单元12100、投影画面处理软件功能单元12200、远程通信软件功能单元12300和综合控制软件功能单元12400组成，这四个软件功能单元通过计算机语言指令互为联系，音视频源文件功能单元12100为投影分系统11100提供音视频源文件，视频源文件经投影机11150和鱼眼投影镜头11120在二次曲面投影幕11130上生成主题影像光学信号，音频源文件经音响设备11140转换成声音信号；投影画面处理软件功能单元12200对视频文件进行管理和控制，使二次曲面投影幕11130上影像符合人眼观看要求；远程通信软件功能单元12300通过远程网络访问与连接实现运动状态远程监护和远程医疗指导功能，也可以支持健身者之间的远程交流互动；综合控制软件功能单元12400完成整个系统的功能协调、过程控制，确保整个系统功能的实现和平稳运行。

本实施例中，所述投影分系统11100，主要用来在二次曲面投影幕11130上产生影像，并传送出相应音频，服务于健身者的视觉和听觉。

本实施例中，所述的二次曲面投影幕11130，具有框架龙骨，整个二次曲面投影幕通过框架龙骨固定于基座11110之上，除去二次曲面幕之外，所涉及到的其它设备、器件、装置，均布置于二次曲面幕11130的框架龙骨上，或处于二次曲面投影幕11130与基座11110所围成的空间内，音响设备11140可置于基座11110内部并在其周围开设透声孔，健身者健身时处于二次曲面投影幕11130与基座1110所围成的空间内。所述的二次曲面投影幕11130可用方程F(x，y，z)＝a₁₁x²+a₂₂y²+a₃₃z²+a₁₂xy+a₂₃yz+a₁₃xz+a₁x+a₂y+a₃z＝0来来描述，根据系数的不同，可以定义多种曲面形式，具体地，可以是椭球面幕11131、双曲柱面幕11132、抛物面幕11133，以及球幕11134，所述二次曲面投影幕11130内部空间垂直高度至少1.8米，水平宽度至少1.6米，根据投影方式不同，所使用的基材可以是工程塑料、玻璃、玻璃钢或金属材质，其内侧喷涂光学漫反射特性介质涂层或膜层，以控制合理的光学增益，涂层的漫反射亮度系数应控制在0.2～1.0，幕面根据需要开结构孔槽，以便利于加框架龙骨、利于在基座11110上的固定安装、便于健身者的进出；所述二次曲面投影幕11130上的画面由两台投影机投影画面拼接而成。

本实施例中，投影分系统11100中，所涉及的投影机11150为常见的各种技术类型的小型标准数字投影机，其光输出不低于3000流明，采用双机位方案，两投影机分别处于健身者肩部两侧对称位置，或处于健身者头上两侧对称位置，或均处于二次曲面投影幕11130对称中心点附近；采用双机位方案能够降低对投影机11150性能的要求，双机位安装位置遵从以下四原则：a.健身者身体不能阻挡投影光路；b.投影机11150所投射光束能覆盖二次曲面投影幕11130总面积的50％～90％，且该总面积不包含幕上的结构孔槽面积；c.在最大化投影机11150光输出利用率的前提下，保障二次曲面投影幕11130上各区域的影像画面有足够的光亮度和光亮度的一致性；d.保障幕上各区域影像画面完整且有足够的清晰度，双机位方案投影时需要进行画面融合处理。

本实施例中，投影分系统11100中，所涉及的鱼眼投影镜头11120，为非标准化关键部件，需要进行针对性设计，鱼眼投影镜头11120遵从非相似成像原理，非相似成像原理中含有畸变，畸变规律和二次曲面幕11130的方程、投影机11150相对二次曲面投影幕11130的位置关系、影像画面在二次曲面投影幕11130上所覆盖的面积、健身者相对二次曲面投影幕11130所处的位置等因素有关，鱼眼投影镜头11120的其他性能要求应满足所使用的投影机11150的光学、机械匹配要求；在双机位的投影方案中，鱼眼投影镜头11120全视场像高应略小于或等于投影机11150芯片的长边长。

本实施例中，投影分系统11100中，所涉及的其他硬件设施，均可采用标准化产品，安装位置，以不阻挡投影机11150投射光束、不阻挡健身者观影和不阻碍健身动作为原则。

本实施例中，所述的N自由度运动平台单元根11220据功能的不同，可以是骑行模拟平台11221、跑步模拟平台11222、划船模拟平台11223，计算机主机11160通过控制单元11210对N自由度运动平台单元11220进行控制。

本实施例中，所述的控制器模块11212输入端与计算机主机11160连接，输出端接N自由度运动平台单元11220的输入端，传感器模块11213接收N自由度运动平台单元11220提供的信号，并将信号发送到控制器模块11212，所述控制面板11211与投影分系统11100、健身分系统11200、外围功能分系统11300通过软件子系统12000电性连接，健身者通过操作控制面板11211完成对整个系统的控制，能将内部信息或接收到的外部信息通过投影分系统11100投射出去，而且还可以控制系统输出的音频内容，也可根据具体需要控制″人机交互″内容，以实现最佳视听效果与诸多特定功能，其控制方式包括有线控制和无线控制，所述控制面板11211与计算机主机11160有线连接或无线通信连接。

本实施例中，所述控制器模块11212的输入端与计算机主机11160连接对N自由度运动平台单元11220进行控制；所述传感器模块11213接收N自由度运动平台单元11220提供的信号，并将信号发送到控制器模块11212，控制器模块11212根据接收到的信号，发出调节指令给N自由度运动平台单元11220改变运行参数，从而实现闭环控制，同时将处理信息传送给计算机主机11160。

本实施例中，所述的控制面板11211的控制功能还可通过控制手柄方式实现。

本实施例中，健身分系统11200实现自动控制健身者的最佳有氧健身运动量，并可实现随机自动调整机械运动部分的阻尼负荷，从而使室内健身运动户外化，并能用于运动员模拟仿真训练使用。

本实施例中，所述的环境模拟模块11310可以模拟某些自然现象，如，风、霜、雨、雪、日照、气味等，使人体的感官得到逼真感受；所述路由器11320可以将健身信息分享至外网，与朋友或家人互动，或将健康数据传至医疗保健医师，得到实时的健康指导方案；所述发电模块11330由小型发电机(图中未标出)和储能设备11331构成，可以将健身运动产生的动能转化为电能并存储至储能设备11331，或作为环境模拟装置的辅助电源使用，达到节能环保的效果；所述互动模块11340实现健身者，投影内容，运动平台之间的互动，健身者或预设程序对运动平台、投影内容发出指令，平台和投影内容做出相应变化，同时环境模拟模块11310根据投影内容模拟自然天气现象。

本实施例中，所述的音视频源文件功能单元12100中的视频源文件可以由电脑制作完成，也可以是实地场景拍摄，并经过预置变形处理，即，把正常的原始矩形图像的像素排列方式按特定畸变规律进行二维坐标转换，使二次曲面投影幕11130上能显示符合人眼观看习惯的图像，如所输入的视频文件原始图像像素坐标系为直角坐标系，其中横轴为x轴，纵轴为y轴，直角坐标系上某个点的坐标为(x，y)，转换后的坐标系为极坐标系ρ(半径坐标)和θ(极角)，ρ坐标表示与极点的距离，θ坐标表示按逆时针方向坐标距离0°极轴的角度，极轴就是在平面直角坐标系中的×轴正方向，片源的制作应考虑鱼眼投影镜头11120畸变所带来的影响，θ不同的点所对应的畸变因子τ_θ也不尽相同，两个坐标系之间的关系应为：ρ＝x²+y²，x≠0，x＝τ_θρcosθ，y＝τ_θρsinθ；而音视频源文件功能单元12100中的音频源文件为与视频展示情节相关的音乐、自然界声音等音频信息。

本实施例中，所述的投影画面处理软件功能单元12200是对视频源文件的图像像素进行处理，处理针对两个通道视频源文件，包括两个通道幕上画面融合边界的确认与两个通道幕上画面的锐度、色度、对比度的调整，如果前期视频源文件制作过程中未经过预置形变处理，也可在该软件功能单元内实现视频源文件像素的坐标变换。

本实施例中，所述的远程通信软件功能单元12300用来实现健身者与外界的信息交互，具体可以包括，与家人、朋友之间的视频，语音通信、获得专业运动及医护人员的健康指导、远程控制其它联网设备等。

本实施例中，所述的综合控制软件功能单元12400是协调和控制整个系统的运行，全面实现投影分系统11100、健身分系统11200和外围功能分系统11300的功能，保障整个系统有效运行，具体包括：控制投影主题内容或场景变化、控制健身分系统11200的运动过程和状态、控制外围功能分系统11300的诸多功能的实现及状态。

本实施例中，所述软件子系统12000涉及到的所有文件及软件，均集中安装于计算机主机11160硬盘内，而所有操作指令输入经由控制面板11211上呈现出的综合控制主程序操作界面完成，该控制面板11211安装在健身分系统11200中，处于健身者的面前；健身者输入的主要指令选项，包括，投影内容或运动背景选择、运动量设置和限定、运动强度设置，各种生理指标浏览，运动数据及生理指标存储及共享选择、是否远程网络指导获取等。

图2为本发明的一个模拟骑行健身系统的结构参考示意图，包括投影分系统和健身分系统。投影分系统包括用于投影显示的半球面投影幕A1，投影机A2，鱼眼投影镜头A3，计算机主机A4，音响设备A5，网络设备A6，基座A7。计算机主机A4通过视频电缆与投影机A2电性连接，投影机A2(在该例中，是数字视频投影机)与鱼眼投影镜头A3机械连接，计算机主机A4的视频输出端口通过电缆连接到投影机A2，投影机A2将来自计算机主机A4的视频信号作为输入，并且将视频信号显示到半球面投影幕A1上，计算机主机A4将声音信号通过电缆传输给音响设备A5。健身分系统包括运动平台单元B1和控制单元B2。在没有控制单元B2的情况下，半球面投影幕A1、投影机A2、鱼眼投影镜头A3、主机A4，以及运动平台单元B1也可以构成简易的健身系统。

虽然这个特定的实施例使用了投影机A2和球面投影幕A1组合的投影显示方式，但是其它的实施例为了满足不同的应用，可以使用其它的显示方式，包括二次曲面LED显示屏，二次曲面LCD显示屏及其它二次曲面显示设备。此外，虽然这个实施例使用了球形的投影幕，但是其它的实施例能够使用不同形状和尺寸的显示面，例如包括类球形显示幕，环形显示幕及任意特殊形状的二次曲面投影幕型。

图3和图4分别给出了跑步投影健身系统和模拟划船器健身系统。它是基于图2的基础上，即考虑到满足不同人群的健身需求，可以对健身分系统11200中的N自由度运动平台单元11220做了相应的变化。

本发明的基于二次曲面投影技术的多功能健身系统，该健身系统可模拟室外场景，使室内健身和虚拟室外环境结合，利用二次曲面投影显示方式所具有的强烈沉浸感特征，使健身者产生身临其境、置身自然的感受，提高健身运动的乐趣，健身者在健身的同时，还可以实时观察自己的健康状态信息，获得在线的健康指导。

在本发明中，如果对健身分系统11200进行技术改动，增加人体肢体动作识别装置，可以制作成为模拟球类运动的健身系统，该类系统类似一种游戏装置。如：乒乓球运动，网球运动，高尔夫球运动等。模拟球类健身分系统时，增加动作识别装置，计算机主机播放球类运动模拟画面，健身者对画面中球的运动进行动作反应，动作识别装置通过对动作参数进行反馈，传递给控制单元，控制单元再将信息传递到计算机主机，控制球体运动轨迹。

Claims (7)

1.一种基于二次曲面投影技术的多功能健身系统，利用二次曲面幕投影平台的沉浸感及二次曲面幕自身构成的相对封闭的内部空间，结合健身器材和控制技术，构建出多功能健身系统，该多功能健身系统包括硬件子系统和软件子系统；其中：

硬件子系统：包括投影分系统、健身分系统和外围功能分系统三个分系统；所述投影分系统，用于在二次曲面投影幕上产生影像，并传送出相应音频，服务于健身者的视觉和听觉；所述健身分系统，满足人体的运动健身需要；所述外围功能分系统，用以完善系统的辅助功能；所述三个分系统经电缆或线路连接，通过软件子系统的软件功能单元建立信号反馈与控制，构成联系与协调，实现整体功能；

软件子系统：包括音视频源文件、投影画面处理、远程通信、综合控制等四个软件功能单元；四个软件功能单元通过计算机语言指令互为联系，音视频源文件软件功能单元为投影分系统提供音视频源文件，视频源文件经投影机和镜头在幕上生成主题影像光学信号，音频源文件经音响设备转换成声音信号；投影画面处理软件功能单元对视频源文件进行管理和控制，使二次曲面投影幕上影像符合人眼观看要求；远程通信软件功能单元通过远程网络访问与连接实现运动状态远程监护和远程医疗指导功能，并支持健身者之间的远程交流互动；综合控制软件功能单元完成整个系统的功能协调、过程控制；其特征在于，

投影分系统，包括基座，二次曲面投影幕，鱼眼投影镜头，投影机，音响设备和计算机主机；其中的二次曲面投影幕具有框架龙骨，整个二次曲面投影幕通过框架龙骨固定于一个基座之上，除去二次曲面投影幕之外，其它配套的设备、器件、装置，均布置于二次曲面投影幕的框架龙骨上，或处于二次曲面投影幕与基座所围成的空间内，音响设备置于基座内部并在其周围开设透声孔，健身者健身时处于二次曲面投影幕与基座所围成的空间内；

所述二次曲面投影幕的面形用方程：

F(x，y，z)＝a₁₁x²+a₂₂y²+a₃₃z²+a₁₂xy+a₂₃yz+a₁₃xz+a₁x+a₂y+a₃z＝0来描述，根据系数的不同，定义为多种面形形式，具体为球面幕，或柱面幕，或椭球面幕，或椭圆柱面幕，或抛物柱面幕，或双曲柱面幕，所述二次曲面投影幕内部空间垂直高度至少1.8米，水平宽度至少1.6米，二次曲面投影幕所使用的基础材料包括工程塑料、玻璃、玻璃钢和金属材质中的一种或几种，其内侧喷涂光学漫反射特性介质涂层或膜层，以控制合理的光学增益，涂层的漫反射亮度系数控制在0.2～1.0，幕上面开有结构孔槽，便于健身者的进出，利于框架龙骨的安装，并利于幕在基座上的安装；所述投影幕上的画面由两个投影机的画面拼接而成；

投影分系统中所述的投影机为各种技术类型的小型标准数字投影机，投影机其光输出不低于3000流明，采用双机位，两投影机分别处于健身者肩部两侧对称位置，或处于健身者头上两侧对称位置，或均处于二次曲面投影幕对称中心点附近；采用双机位能够降低对投影机性能的要求，双机位安装位置遵从以下四原则：a.健身者身体不能阻挡投影光路；b.投影机所投射光束能覆盖二次曲面投影幕总面积的50％～90％，且该总面积不包含幕上的结构孔槽面积；c.在最大化投影机光输出利用率的前提下，保障幕上各区域的影像画面有足够的光亮度和光亮度的一致性；d.保障幕上各区域影像画面完整且有足够的清晰度，两个投影机在幕上分别投射出的画面互有重叠，并通过画面的边缘融合技术实现幕上影像效果的整体性和一致性；

投影分系统中所述的鱼眼投影镜头，为非标准化关键部件，该鱼眼投影镜头遵从非相似成像原理，非相似成像原理中包含有畸变；该畸变的规律和二次曲面投影幕的方程、投影机相对投影幕的位置关系、影像画面在投影幕上所覆盖的面积、健身者相对投影幕所处的位置存在关联性，鱼眼投影镜头的性能满足所使用的数字投影机的光学、机械匹配要求；在双机位的投影中，鱼眼投影镜头全视场像高应略小于或等于投影机芯片的长边长。

2.根据权利要求1所述的基于二次曲面投影技术的多功能健身系统，其特征在于，健身分系统包括N自由度运动平台单元和控制单元；所述N自由度运动平台单元根据功能的不同，为骑行模拟平台、跑步模拟平台或划船模拟平台，计算机主机通过控制单元对N自由度运动平台单元进行控制；

其中控制单元，由控制器模块、传感器模块和控制面板；控制器模块输入端与计算机主机连接，输出端接N自由度运动平台单元的输入端，传感器模块接收N自由度运动平台单元提供的信号，并将信号发送到控制器模块，所述控制面板与投影分系统、健身分系统、外围功能分系统通过软件子系统电性连接，健身者通过操作控制面板完成对整个系统的控制，包括将内部信息或接收到的外部信息通过投影分系统投射出去的控制，也包括对系统输出的音频内容和″人机交互″内容的控制，以实现最佳视听效果与外围功能，其控制方式包括有线控制和无线控制，所述控制面板与计算机主机有线连接或无线通信连接；

所述传感器模块，由位置传感器、角度传感器、速度传感器、体征参数传感器的其中一种或几种组合；所述控制器模块的输入端与计算机主机连接对N自由度运动平台单元进行控制；所述传感器模块接收N自由度运动平台单元提供的信号，并将信号发送到控制器，控制器模块根据接收到的信号，发出调节指令给N自由度运动平台单元改变运行参数，从而实现闭环控制，同时将处理信息传送给计算机主机。

3.根据权利要求2所述的基于二次曲面投影技术的多功能健身系统，其特征是，所述的控制面板的控制功能还可通过控制手柄方式实现。

4.如权利要求1所述的基于二次曲面投影技术的多功能健身系统，其特征在于，外围功能分系统，包括环境模拟模块、路由器、发电模块、互动模块；环境模拟模块用于模拟运动环境，包括模拟自然现象和气味，自然现象包括风、霜、雨、雪、光照，使人体的感官得到逼真感受；路由器将健身信息分享至外网，与朋友或家人互动，或将健康数据传至医疗保健医师，得到实时的健康指导方案；发电模块由小型发电机和储能设备构成，该模块将健身运动产生的动能转化为电能并存储至储能设备，或作为环境模拟装置的辅助电源使用；互动模块实现健身者、投影内容、运动平台之间的互动，健身者或预设程序对运动平台、投影内容发出指令，平台和投影内容做出相应变化，同时环境模拟模块根据投影内容模拟自然现象和气味。

5.如权利要求1所述的基于二次曲面投影技术的多功能健身系统，其特征在于，软件子系统中音视频源文件功能单元中的视频源文件由电脑制作获得，或者经实地场景拍摄获得，无论哪种获得方式获得的视频源文件，需对视频源文件进行预置变形处理，把正常的原始矩形图像的像素排列方式按特定畸变规律进行二维坐标转换，使二次曲面投影幕上能显示符合人眼观看习惯的图像，如所输入的视频文件原始图像像素坐标系为直角坐标系，其中横轴为x轴，纵轴为y轴，直角坐标系上某个点的坐标为(x，y)，转换后的坐标系为极坐标系ρ(半径坐标)和θ(极角)，ρ坐标表示与极点的距离，θ坐标表示按逆时针方向坐标距离0°极轴的角度，极轴就是在平面直角坐标系中的×轴正方向，视频源文件的制作需要考虑鱼眼投影镜头畸变所带来的影响，θ不同的点所对应的畸变因子τ_θ也不相同，两个坐标系之间的关系应为：ρ＝x²+y²，x≠0，x＝τ_θρcosθ，y＝τ_θρsinθ；而音视频源文件功能单元中的音频源文件为与视频展示情节相关的音乐、自然界声音等音频信息；

软件子系统中，投影画面处理软件功能单元，功能是对视频源文件的图像像素进行处理，处理针对两个通道视频源文件，包括两个通道幕上画面融合边界的确认与两个通道幕上画面的锐度、色度、对比度的调整，若前期视频源文件制作过程中未经过预置形变处理，则在该软件功能单元内实现视频源文件像素的坐标变换；

软件子系统中，远程通信软件功能单元用于健身者与外界的信息交互，包括与家人、朋友之间的视频，语音通信、获得专业运动及医护人员的健康指导、远程控制其它联网设备；

软件子系统中，综合控制软件功能单元，用于协调和控制整个系统的运行，实现投影分系统、健身分系统和外围功能分系统的功能，具体包括：控制投影主题内容或场景变化、控制健身分系统的运动过程和状态、控制外围功能分系统的外围功能的实现及状态。

6.如权利要求1所述的基于二次曲面投影技术的多功能健身系统，其特征在于，所有软件子系统中的文件及软件，安装于计算机主机硬盘内，操作指令输入经由控制面板上呈现出的综合控制主程序操作界面完成，该控制面板安装在健身分系统中，处于健身者的面前；健身者输入的指令选项，包括，投影内容或运动背景选择、运动量设置和限定、运动强度、各种生理指标浏览、运动数据及生理指标存储及共享选择、是否远程网络指导获取。

7.如权利要求1所述的基于二次曲面投影技术的多功能健身系统，其特征在于，所述健身分系统可实现自动控制健身者的最佳有氧健身运动强度；实现自动调整机械运动部分的阻尼负荷，从而使室内健身运动户外化，也可用于运动员训练的仿真模拟运动使用。