CN106339095B - 一种基于数字地球的登山健身装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字地球的登山健身装置，涉及健身器械技术领域。由用户选定山地区域，山地区域的三维地形由高程地图表达，由于用户视角固定在水平面上，所以视角旋转变换、梯形视域裁剪和二维投影变换均在二维的高程地图上进行，相对于三角网格等其他三维地形表达方式，计算量大幅降低；显示窗口绘制采用自底向上计算绘制高程方法，实现了近遮远的透视效果，相比网格模型的消隐处理，避免了复杂的法向量计算等处理过程，做到了快速绘制；阻力换挡器通过高程地图中的高程梯度数据控制机械主轮的阻力，用户视觉接近真实地理环境、坡度体感清晰且真实、健身过程具有山地路径的探索性。

Description

一种基于数字地球的登山健身装置

技术领域

本发明涉及健身器械技术领域，特别涉及一种基于数字地球的登山健身装置。

背景技术

登山健身器械通常指椭圆机和登山机等将人体脚部的椭圆形运动以及手部的拉动转换成机械惯性轮转动的健身器械。登山健身器械以椭圆轨迹模拟登山运动中肢体的动作，并用阻力装置实现坡度的模拟，健身效果较跑步机等有独到之处。但是，这种器械存在两个主要问题，一是缺乏登山过程的视觉环境，二是没有自动的坡度控制机制，需要用户手动调整坡度控制级别。

将虚拟现实技术与健身器械结合实现具有生动视觉体验的健身器械运动，是目前健身器械发展的重要方向。浙江大学CAD&CG国家重点实验室实现了虚拟网络马拉松健身游戏，利用椭圆机作为健身器械，用三维景物模型绘制实现虚拟跑步场景，具有较强实用性和趣味性。芬兰国家技术研究中心开发了一个基于计算机和大屏幕投影仪的虚拟环境自行车骑行漫游系统，三维场景绘制使自行车骑行过程变得有趣。北京航空航天大学基于虚拟现实技术设计了一个自行车仿真器VR-BWS，以健身自行车作为人机交互工具，运用传感器技术和三维建模与绘制技术，实现了人在虚拟道路环境中的骑车漫游。杭州映墨科技有限公司提出了一种虚拟骑行健身单车的骑行数据处理方法，实现了力反馈单车和虚拟骑行场景之间速度信息、方向信息和阻力信息的传递和处理，解决了现有健身单车与虚拟骑行场景各自独立工作缺乏反馈互动的问题，从而带给骑行健身者在任意虚拟骑行场景下真实的骑行健身体验。

上述结合虚拟现实技术的健身装置，其健身运动场景都是由若干特定的三维模型构成虚拟漫游场景，虽然满足了健身过程中用户对视觉的基本需求，但缺乏真实场景的体验，尤其是越野、登山类运动对真实地理环境的体验。研发一种基于数字地球技术的，可以让登山健身用户自己选择山地区域、感受真实地理场景、探索未知穿越路径的装置是十分必要的。

发明内容

本发明实施例提供了一种基于基于数字地球的登山健身装置，用以解决现有技术中存在的问题。

一种基于数字地球的登山健身装置，包括计算机、显示屏、接口电路、转向器和健身器，所述计算机具有数字地球数据预处理模块和三维地貌绘制模块，所述数字地球数据预处理模块将用户在运动开始前在互联网提供的数字地球系统上选定的山地区域的相关高程数据和遥感地貌数据转换为登山健身过程中的三维地貌绘制格式，分别形成高程地图和地貌图像两个临时内存文件；所述接口电路包含USB接口电路、模/数转换电路和阻力控制电路；所述转向器安装在所述健身器上方，包括转向操作手柄以及转向检测电路，所述转向检测电路通过光电转换电路获取所述转向操作手柄的转向模拟信号并发送给所述模/数转换电路，所述模/数转换电路将所述转向模拟信号转换为相应的数字信号并通过所述USB接口电路将转换得到的数字信号发送至所述三维地貌绘制模块；所述三维地貌绘制模块接收所述USB接口电路发送的数字信号，根据所述地貌图像绘制用户当前方向上的三维地貌并在所述显示屏上显示，同时从所述高程地图中提取用户当前方向上下一步的高程梯度数据，通过所述USB接口电路将所述高程梯度数据发送至所述阻力控制电路，所述阻力控制电路产生与所述高程梯度数据对应的阻力信号；所述健身器包括机械主轮以及安装在所述机械主轮上的阻力换挡器，用户手部和脚部的运动驱动所述机械主轮转动，所述阻力换挡器根据所述阻力信号产生相应的阻力，控制所述机械主轮的转动。

优选地，所述数字地球数据预处理模块将所述山地区域的相关高程数据和遥感地貌彩色图像数据读出，对分辨率较低的高程数据进行插值处理，形成统一分辨率的满足快速绘制登山健身过程三维地貌所需的格式化数据，即具有相同尺寸的所述高程地图和地貌图像。

优选地，所述三维地貌绘制模块根据用户的当前方向对所述高程地图和地貌图像进行同步的视角变换和投影变换，以当前方向为纵深方向，同步旋转所述高程地图和地貌图像，以用户的当前位置和视角的水平张角从所述高程地图和地貌图像中同步裁剪出各自对应的梯形视域；

设所述显示屏的显示窗口f_w(x,y)的宽度和高度分别为W和H，将两个梯形视域按透视关系同步变换为与所述显示窗口同宽度的高程矩形区域h(x,z)和地貌矩形区域f(x,z)，两个矩形区域的高度均为4×H，当所述梯形视域纵深不足时，矩形区域相应数据填充零值，所述显示窗口f_w(x,y)预先以天空背景图像填充；以当前用户双目高程位置设定显示窗口的视平线，该视平线位于所述显示窗口的中间，以透视因子计算所述高程矩形区域各点在所述显示窗口中的绘制高程h_w(x,z)：

式中，是透视变换因子，h_p是当前用户所在位置的高程，对所述高程矩形区域从左至右的每一列，自底向上计算每个高程的显示窗口纵向绘制位置y(x,z)：

式中，是所述视平线以下的基础高程，取(x,z)位置对应的地貌矩形区域像素绘制到所述显示窗口(x,y(x,z))位置。

优选地，所述阻力换挡器上安装有电磁铁和闭合线圈，所述电磁铁固定不动，所述闭合线圈随所述机械主轮转动，所述电磁铁根据所述阻力控制电路产生的阻力信号产生相应的磁场强度，所述闭合线圈随所述机械主轮转动时切割所述电磁铁之间的磁感线并产生相应的感应电流，产生阻碍所述机械主轮转动的阻力。

优选地，所述机械主轮上安装有速度检测电路LED灯，所述速度检测电路固定不动，所述LED灯随所述机械主轮转动，所述速度检测电路检测所述LED灯的光信号，确定所述机械主轮的转动速度，并将所述机械主轮的转动速度信号通过所述模/数转换电路转换为数字信号后，通过所述USB接口电路发送至所述计算机。

优选地，所述转向操作手柄上设置有自复位单轴弹簧。

本发明实施例中一种基于数字地球的登山健身装置，由用户选定山地区域，山地区域的三维地形由高程地图表达，由于用户视角固定在水平面上，所以视角旋转变换、梯形视域裁剪和二维投影变换均在二维的高程地图上进行，相对于三角网格等其他三维地形表达方式，计算量大幅降低；显示窗口绘制采用自底向上计算绘制高程方法，实现了近遮远的透视效果，相比网格模型的消隐处理，避免了复杂的法向量计算等处理过程，做到了快速绘制；阻力换挡器通过高程地图中的高程梯度数据控制机械主轮的阻力，用户视觉接近真实地理环境、坡度体感清晰且真实、健身过程具有山地路径的探索性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于数字地球的登山健身装置的结构示意图；

图2为图1中椭圆机类健身机械中机械主轮的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，本发明实施例提供了一种基于数字地球的登山健身装置，包括计算机100、显示屏200、转向器400和健身器500，所述转向器400和健身器500均通过接口电路300与所述计算机100连接。

所述计算机100包括数字地球数据预处理模块110和三维地貌绘制模块120。在运动开始之前用户在互联网提供的数字地球系统上选定山地区域，所述数字地球数据预处理模块110将所述山地区域的相关高程数据和遥感地貌数据转换为登山健身过程中的三维地貌绘制格式，分别形成高程地图和地貌图像两个临时内存文件。

具体地，用户在健身开始之前从互联网提供的数字地球系统上选定一块面积约100平方公里的正方形山地区域并确定运动的开始和结束位置，所述数字地球数据预处理模块110将该山地区域的相关高程数据和遥感地貌彩色图像数据读出，对分辨率较低的高程数据进行插值处理，形成统一分辨率的满足快速绘制登山健身过程三维地貌所需的格式化数据，即尺寸相同的高程地图和地貌图像。

所述接口电路300包含USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)接口电路310、模/数转换电路320和阻力控制电路330，所述USB接口电路310由单片机和USB通信电路构成。

所述转向器400安装在所述健身器500上方，包括设置有自复位单轴弹簧的转向操作手柄410以及转向检测电路420。所述转向操作手柄410可左右扳动，所述转向检测电路420通过光电转换电路获取所述转向操作手柄410的转向模拟信号并发送给所述接口电路300。所述模/数转换电路320接收所述转向模拟信号，转换为相应的数字信号并通过所述USB接口电路310将转换得到的数字信号发送至所述计算机100。

所述三维地貌绘制模块120接收所述USB接口电路310发送的数字信号，根据所述地貌图像绘制用户当前方向上的三维地貌并在所述显示屏200上显示，同时从所述高程地图中提取用户当前方向上下一步的高程梯度数据，通过所述USB接口电路310发送至所述阻力控制电路330，所述阻力控制电路330产生与所述高程梯度数据对应的阻力信号。

具体地，所述三维地貌绘制模块120根据用户的当前方向对所述高程地图和地貌图像进行同步的视角变换和投影变换，以当前方向为纵深方向，同步旋转所述高程地图和地貌图像，以用户的当前位置和视角的水平张角从所述高程地图和地貌图像中同步裁剪出各自对应的梯形视域。

设所述显示屏200的显示窗口f_w(x,y)的宽度和高度分别为W和H，将两个梯形视域按透视关系同步变换为与所述显示窗口同宽度的高程矩形区域h(x,z)和地貌矩形区域f(x,z)，两个矩形区域的高度均为4×H，当所述梯形视域纵深不足时，矩形区域相应数据填充零值，所述显示窗口f_w(x,y)预先以天空背景图像填充。上述x的范围为1,2,...,W，z的范围为1,2,...,4×H，y的范围为1,2,...,H。以当前用户双目高程位置设定显示窗口的视平线，该视平线位于所述显示窗口的中间。以透视因子计算所述高程矩形区域各点在所述显示窗口中的绘制高程h_w(x,z)：

式中，是透视变换因子，h_p是当前用户所在位置的高程。对所述高程矩形区域从左至右的每一列，自底向上计算每个高程的显示窗口纵向绘制位置y(x,z)：

式中，是所述视平线以下的基础高程。取(x,z)位置对应的地貌矩形区域像素绘制到所述显示窗口(x,y(x,z))位置，绘制前提是如果该位置及以上位置没有被绘制，以此满足遮挡关系。

所述健身器500包括速度检测电路510、阻力换挡器520、机械主轮530和椭圆类健身器械540。所述椭圆类健身器械540可以为椭圆机等器械，将用户手部和脚部的运动驱动所述机械主轮530转动，所述阻力换挡器520根据所述阻力控制电路330产生的阻力信号控制所述机械主轮530的机械运动阻力。

参照图2，所述机械主轮530上安装有所述速度检测电路510、阻力换挡器520、封闭线圈531和LED灯532，所述速度检测电路510和阻力换挡器520均固定不动，所述封闭线圈531和LED灯532可随所述机械主轮530转动。所述速度检测电路510检测所述LED灯532的光信号，确定所述机械主轮530的转动速度，并将所述机械主轮530的转动速度信号通过所述模/数转换电路320转换为数字信号后，在通过所述USB接口电路310发送至所述计算机100。

所述阻力换挡器520上安装有电磁铁，所述电磁铁根据所述阻力控制电路330产生的阻力信号产生相应的磁场强度，所述闭合线圈531随所述机械主轮530转动时切割所述阻力换挡器520上安装的电磁铁之间的磁感线并产生相应的感应电流，因此产生阻碍所述机械主轮530转动的阻力。

可以理解的是，所述计算机100还能够实现以下功能：登记用户个人信息，记录上次运动的区域位置和已完成路线以方便用户接续运动，显示帮助信息，显示当前已完成运动路径，显示用户的能量消耗数据，显示运动计时等。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种基于数字地球的登山健身装置，其特征在于，包括计算机、显示屏、接口电路、转向器和健身器，所述计算机具有数字地球数据预处理模块和三维地貌绘制模块，所述数字地球数据预处理模块将用户在运动开始前在互联网提供的数字地球系统上选定的山地区域的相关高程数据和遥感地貌数据转换为登山健身过程中的三维地貌绘制格式，分别形成高程地图和地貌图像两个临时内存文件；所述接口电路包含USB接口电路、模/数转换电路和阻力控制电路；所述转向器安装在所述健身器上方，包括转向操作手柄以及转向检测电路，所述转向检测电路通过光电转换电路获取所述转向操作手柄的转向模拟信号并发送给所述模/数转换电路，所述模/数转换电路将所述转向模拟信号转换为相应的数字信号并通过所述USB接口电路将转换得到的数字信号发送至所述三维地貌绘制模块；所述三维地貌绘制模块接收所述USB接口电路发送的数字信号，根据所述地貌图像绘制用户当前方向上的三维地貌并在所述显示屏上显示，同时从所述高程地图中提取用户当前方向上下一步的高程梯度数据，通过所述USB接口电路将所述高程梯度数据发送至所述阻力控制电路，所述阻力控制电路产生与所述高程梯度数据对应的阻力信号；所述健身器包括机械主轮以及安装在所述机械主轮上的阻力换挡器，用户手部和脚部的运动驱动所述机械主轮转动，所述阻力换挡器根据所述阻力信号产生相应的阻力，控制所述机械主轮的转动；

所述三维地貌绘制模块根据用户的当前方向对所述高程地图和地貌图像进行同步的视角变换和投影变换，以当前方向为纵深方向，同步旋转所述高程地图和地貌图像，以用户的当前位置和视角的水平张角从所述高程地图和地貌图像中同步裁剪出各自对应的梯形视域；

设所述显示屏的显示窗口f_w(x,y)的宽度和高度分别为W和H，将两个梯形视域按透视关系同步变换为与所述显示窗口同宽度的高程矩形区域h(x,z)和地貌矩形区域f(x,z)，两个矩形区域的高度均为4×H，当所述梯形视域纵深不足时，矩形区域相应数据填充零值，所述显示窗口f_w(x,y)预先以天空背景图像填充；以当前用户双目高程位置设定显示窗口的视平线，该视平线位于所述显示窗口的中间，以透视因子计算所述高程矩形区域各点在所述显示窗口中的绘制高程h_w(x,z)：

式中，是透视变换因子，h_p是当前用户所在位置的高程，对所述高程矩形区域从左至右的每一列，自底向上计算每个高程的显示窗口纵向绘制位置y(x,z)：

式中，是所述视平线以下的基础高程，取(x,z)位置对应的地貌矩形区域像素绘制到所述显示窗口(x,y(x,z))位置。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数字地球数据预处理模块将所述山地区域的相关高程数据和遥感地貌彩色图像数据读出，对分辨率较低的高程数据进行插值处理，形成统一分辨率的满足快速绘制登山健身过程三维地貌所需的格式化数据，即具有相同尺寸的所述高程地图和地貌图像。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阻力换挡器上安装有电磁铁和闭合线圈，所述电磁铁固定不动，所述闭合线圈随所述机械主轮转动，所述电磁铁根据所述阻力控制电路产生的阻力信号产生相应的磁场强度，所述闭合线圈随所述机械主轮转动时切割所述电磁铁之间的磁感线并产生相应的感应电流，产生阻碍所述机械主轮转动的阻力。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述机械主轮上安装有速度检测电路LED灯，所述速度检测电路固定不动，所述LED灯随所述机械主轮转动，所述速度检测电路检测所述LED灯的光信号，确定所述机械主轮的转动速度，并将所述机械主轮的转动速度信号通过所述模/数转换电路转换为数字信号后，通过所述USB接口电路发送至所述计算机。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转向操作手柄上设置有自复位单轴弹簧。