CN106345035A - 一种基于虚拟现实的睡眠系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于虚拟现实的睡眠系统，包括用于输出沉浸式的VR视频内容的VR视频输出模块，用于输出与VR模块中视频内容相对应的音频内容的音频输出模块，用于储存VR视频内容和音频内容的储存模块，以及主控模块，其用于控制从储存模块中调用所需的VR视频内容和音频内容，分别通过VR视频输出模块和音频输出模块输出相应的VR视频内容和音频内容。本发明利用虚拟现实技术设计了专门的睡眠系统实现助眠及催眠功能，具有充分的沉浸感；不同的虚拟场景满足不同使用者的需求，更易引导使用者进入睡眠状态；虚拟人物更加真实，并结合催眠师的专业引导，有益使用者科学的排除心理障碍，提高睡眠质量。

Description

一种基于虚拟现实的睡眠系统

技术领域

本发明涉及一种人体睡眠系统，尤其涉及一种基于虚拟现实的睡眠系统。

背景技术

随着科技日新月异的进步，现今人们对于生活质量的要求也逐渐提高，而也由于生活愈趋忙碌而使得压力变大，且经常在睡前使用计算机、手机或平板电脑等电子装置，导致睡眠质量普遍不佳而经常有失眠的状况。其中，由于人类睡眠时间约占去一生中1/3或1/4的时间，长时间失眠会影响精神与健康，并会造成慢性病缠身的状况。因此，近年来人们健康意识逐渐抬头，因而开始注重自身的健康管理，并采用可以放松情绪或舒缓压力的方法，而可在睡前达到放松并顺利入睡。

随着现今失眠的人越来越多，人们开始使用一些辅助的措施使自己进入梦乡。目前，助眠的方式一般分为两种，一种为通过药物进行助眠，另一种则是通过物理的方式辅助人们入眠。在通过物理手段进行助眠的方式中，包括视觉辅助或听觉辅助，这两类分别借助了一些视频设备和音频设备来实现。人们常常还是倾向于利用音乐对自己进行助眠。在专利申请号为20110400349.0，专利名称为助眠枕头的中国专利中公开了一种枕体的顶面中心设有音箱，枕体的一侧设有开关和usb接口，所述开关能够调节音箱的音量大小，所述枕体还包括可插入导线连接电源的接口或可接入MP3等播放设备的接口的一种助眠枕头。但在实际使用中，该设备并不能很好的引导使用者进入舒适的睡眠状态。其原因跟其他视频或音频的睡眠装置大致相同，无法给使用者带来良好的沉浸感，即充分引导使用者进入与外界隔绝的舒适的睡眠环境。

因此，本发明引入了虚拟现实技术。虚拟现实(Virtual Reality，简称VR；又译作虚拟实境、灵境、幻真)是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，它利用计算机技术生成一个逼真的、具有视、听、触等多种感知的虚拟环境，用户通过使用各种交互设备，同虚拟环境中的实体相互作用，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真和信息交流，是一种先进的数字化人机接口技术。

虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三度空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。VR是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的3D世界影像传回产生临场感。该技术集成了计算机图形(CG)技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。

概括地说，虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。

为了克服上述问题，本发明开发了一套基于虚拟现实技术的睡眠系统，从而更好的引导使用者或失眠使用者进入良好的睡眠状态。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供了一种基于虚拟现实的睡眠系统，包括VR视频输出模块，用于输出沉浸式的VR视频内容，音频输出模块，用于输出与VR模块中视频内容相对应的音频内容，储存模块，用于储存VR视频内容和音频内容，主控模块，用于控制从储存模块中调用所需的VR视频内容和音频内容，分别通过VR视频输出模块和音频输出模块输出相应的VR视频内容和音频内容；

该睡眠系统包括虚拟场景助眠系统和虚拟人物助眠系统，所述虚拟场景助眠系统中输出的VR视频内容包括自然场景、人文场景和视觉影像，其中对应输出的音频内容包括自然声音、音乐和催眠师语音，所述虚拟人物助眠系统中输出的VR视频内容为虚拟人物的视频影像，其中对应输出的音频内容是与该虚拟人物相匹配的音频内容。

进一步的，所述自然场景包括海洋、山谷、森林、海市蜃楼、隧道和星空，所述人文场景包括城市街道、公路、建筑物内部环境和公共活动场所，所述自然声音包括海浪声、虫鸣、鸟叫和风声，所述音乐包括普通音乐和脑电波模拟音乐。

进一步的，所述普通音乐为流行音乐、古典音乐的片段或完整音乐，所述脑电波模拟音乐为α波音乐、β波音乐θ波音乐或δ波音乐。

进一步的，所述视觉影像为电脑合成的催眠影像。

进一步的，所述虚拟人物为真人实景录制或电脑合成，虚拟人物的类型包括亲友和催眠师，其中对应亲友所输出的音频内容是由亲友讲述的故事内容，对应催眠师所输出的音频内容为催眠师语音。

进一步的，所述催眠师语音是催眠师为引导被催眠者进入催眠状态所说的专业引导词句。

进一步的，还包括用于收集该系统使用者人体信息的人体信息收集模块，所述人体信息包括脑电波、心率、呼吸频率或肌电；该模块收集到的人体信息反馈到主控模块中，主控模块根据人体信息的变化来调用储存模块中不同的VR视频内容和音频内容进行输出。

进一步的，所述虚拟场景助眠系统根据不同的睡眠阶段输出不同的VR视频内容和音频内容，所述睡眠阶段包括清醒阶段、浅睡阶段和深睡阶段，各睡眠阶段由主控模块通过人体信息收集模块所收集的人体信息进行判定。

进一步的，还包括用于配合催眠师语音的感官效果输出模块，所述感官效果输出模块包括震动装置、加热装置、发光装置和气体释放装置。

进一步的，所述VR视频输出模块中包括VR眼镜和显示器。

一种基于虚拟现实的睡眠系统的实现方法，包括下列步骤：

步骤1，通过三维建模技术、图像拼接技术或者全景摄像技术制作VR视频内容，并录入相应的音频内容，将VR视频内容、音频内容及预设人体信息比对参数储存在储存模块中，该预设人体信息比对参数包括三种不同区间数值，以对应三种不同睡眠阶段，分别是清醒阶段、浅睡阶段和深睡阶段，根据不同的睡眠阶段在储存模块中对应储存不同类型的VR视频内容和音频内容；

步骤2，根据使用者的选择播放对应的VR视频内容及音频内容，同时人体信息收集模块开始收集使用者的人体信息；

步骤3，主控模块通过人体信息收集模块所收集的人体信息与预设人体信息比对参数进行比对后，来判定使用者的睡眠状态所对应的睡眠阶段；

步骤4，主控模块根据不同睡眠阶段调用储存模块中该睡眠阶段中所对应的VR视频内容和音频内容通过VR视频输出模块和音频输出模块进行输出。

进一步的，所述步骤1中，按照现实生活中真实的景物进行三维建模，对物体表面进行表面纹理的映射以体现物体表面的材质感，对物体进行材质的明暗效果处理以加强虚拟物体模型的立体感。

本发明利用虚拟现实技术设计了专门的睡眠系统实现助眠及催眠功能，相较于传统的助眠设备或系统更加真实，更容易排除现实环境干扰，具有充分的沉浸感；不同的虚拟场景满足不同使用者的需求，更易引导使用者进入睡眠状态；虚拟人物更加真实，并结合催眠师的专业引导，有益使用者科学的排除心理障碍，提高睡眠质量。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1是本发明的系统结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1，是本发明所提供的一种基于虚拟现实的睡眠系统，包括用于输出沉浸式的VR视频内容的VR视频输出模块，用于输出与VR模块中视频内容相对应的音频内容的音频输出模块，用于储存VR视频内容和音频内容的储存模块，以及主控模块，其用于控制从储存模块中调用所需的VR视频内容和音频内容，分别通过VR视频输出模块和音频输出模块输出相应的VR视频内容和音频内容。该睡眠系统包括虚拟场景助眠系统和虚拟人物助眠系统，虚拟场景助眠系统中输出的VR视频内容包括自然场景、人文场景和视觉影像，其中对应输出的音频内容包括自然声音、音乐和催眠师语音。催眠师语音是催眠师为引导被催眠者进入催眠状态所说的专业引导词句。虚拟人物助眠系统中输出的VR视频内容为虚拟人物的视频影像，其中对应输出的音频内容是与该虚拟人物相匹配的音频内容。自然场景包括海洋、山谷、森林、海市蜃楼、隧道和星空，人文场景包括城市街道、公路、建筑物内部环境和公共活动场所，自然声音包括海浪声、虫鸣、鸟叫和风声，音乐包括普通音乐和脑电波模拟音乐。普通音乐为流行音乐、古典音乐的片段或完整音乐，脑电波模拟音乐为α波音乐、β波音乐θ波音乐或δ波音乐。视觉影像为电脑合成的催眠影像，可以是规律或不规律的变换的几何图形，可以是具有梦幻效果的虚拟空间场景。虚拟人物为真人实景录制或电脑合成，虚拟人物的类型包括亲友和催眠师，其中对应亲友所输出的音频内容是由亲友讲述的故事内容，对应催眠师所输出的音频内容为催眠师语音。

优选的，本系统还设有用于收集该系统使用者人体信息的人体信息收集模块，人体信息包括脑电波、心率、呼吸频率或肌电，可以利用脑电波检测仪、心率检测仪、呼吸检测仪、肌电检测仪进行检测。本系统中的VR视频输出模块中采用VR眼镜及显示器，可将脑电波检测仪中的传感器设置在VR眼镜上，具体的可以是在眼镜贴合人体的部位，也可以是眼镜绑带上。该模块收集到的人体信息反馈到主控模块中，优选采用无线通信的方式与主控模块进行信号传输。主控模块根据人体信息的变化来调用储存模块中不同的VR视频内容和音频内容进行输出。虚拟场景助眠系统根据不同的睡眠阶段输出不同的VR视频内容和音频内容，睡眠阶段包括清醒阶段、浅睡阶段和深睡阶段，各睡眠阶段由主控模块通过人体信息收集模块所收集的人体信息进行判定。

优选的，本系统还设有用于配合催眠师语音的感官效果输出模块，感官效果输出模块包括震动装置、加热装置、发光装置和气体释放装置，这些装置根据催眠师的指令进行工作，所谓的指令指的是催眠师语音所播放的相应专业引导词句，如震动装置可以是震动手柄、按摩椅，并根据催眠师的指令进行不同强度或类型进行震动，发光装置可以是室内灯具，气体释放装置可以是电子熏香，释放出不同香气。这些装置以及优选采用无线通信的方式与主控模块进行信号传输，可以在这些装置及主控模块对应的设置。

本系统结构分为视觉、触觉、听觉三个部分，系统的整体结构设计如图1所示。视觉部分利用全景摄像头录制后进行图像处理，该图像处理部分包括第一处理单元和第二处理单元，所述第一处理单元包括图像采集、二值化处理及数学形态学处理这三个模块，第二处理单元包括图像合成和中值滤波；图像经处理后传输到控制台的显示器及VR眼镜(虚拟现实眼镜)。触觉部分由消息响应模块收集催眠师语音作为操作指令，进而通过无线发送设备发送到感官效果输出模块上对应的无线接收设备中，从而使其中的震动装置的震动电机工作(亦或其他装置进行工作)。听觉部分的声音来源为麦克风进行录制或是直接载入未处理过的原始音频，均通过声音处理模块进行处理后输出到音频输出设备上(耳机或音箱)。消息响应模块亦同第一处理单元及声音处理模块进行信号传输，从而实现利用催眠师语音对输出的VR视频内容及音频内容进行控制。

本睡眠系统的具体实现方法，包括下列步骤：

步骤1，通过三维建模技术、图像拼接技术或者全景摄像技术制作VR视频内容，并录入相应的音频内容，将VR视频内容、音频内容及预设人体信息比对参数储存在储存模块中，该预设人体信息比对参数是脑电波信息、心率信息、呼吸信息和肌电信息，均包括三种不同区间数值，以对应三种不同睡眠阶段，分别是清醒阶段、浅睡阶段和深睡阶段。根据不同的睡眠阶段在储存模块中对应储存不同类型的VR视频内容和音频内容，其中三维建模技术是按照现实生活中真实的景物进行三维建模，对物体表面进行表面纹理的映射以体现物体表面的材质感，对物体进行材质的明暗效果处理以加强虚拟物体模型的立体感，从而让使用者获得身临其境的漫游体验。

本系统中的虚拟漫游场景利用建筑群场景实现人和自然景观的完美结合，如建筑设计、超市、图书馆、企业、学校、花草树木等，针对建筑设计、城市规划、布局和编程，设计出三维立体城市主干道场景，让人们真正感受到虚拟三维场景所蕴含的的无限魅力。

若涉及城市主干道场景利用VRML语言进行设计、编码、和调试，采用现代开发软件极端编程的思想和绝对编程、自动检测、简单设计及先测试后开发的开发理念，结合结构化、模块化的设计思想，是开发设计过程层次清晰、结构合理。公路场景的建立是城市主干道的核心环节，使用者在室内体验，通过本发明把接近真实的公路场景展现在使用者眼前，会极大的促进使用者的积极性，其主要包括两部分：1、公路的贴图、纹理映射、汽车动画的构建，2、借助Inline节点、Anchor锚节点将其载入主干道场景中去。

使用者进入本系统主选择页面，也就是使用者的登陆界面，也是使用者进行操作时不同场景的选择页面，进行不同场景之间的切换，另外一部分的场景建立，本系统采用了三维立方体全景技术，利用立体空间前后左右上下的所有图像，构成一幅三维全景图像，生成全景图像一般通过图像拼接和全景照相机，具体构建方法如下：

(1)三维立方体全景技术拼接算法实现过程：

a、根据已经拼接好的立方体表面上的图像确定搜索范围，该范围由拍摄时的三个参数表示，其中照相机的旋转角α、俯角β、和图像本身的旋转角θ，确定搜索步长。

b、在待拼接图像的重叠范围内，确定矩形线段和顶点坐标(x、y)，间隔为d，没列线段的像素是n，计算特征模板templet[2n]。

c、对于确定的α、β、θ，根据映射公式计算模板中4条线段映射到立方体上的位置，计算image[i]值，根据公式计算出A值。

d、如果B>A，令B＝A，记录这是α、β、θ。把A值最小对应的α、β、θ为最佳匹配，最后根据α、β、θ的值吧要拼接的图像映射到立方体表面。

(2)立方体全景消除接缝技术如果把两个图简单的叠加起来，拼接成的图像会使图像模糊，具有清晰的图像边界，拼接痕迹明显，因此，需要采取措施消除接缝，本系统采用阈值结合图像过渡的平滑处理方法消除接缝。

a、先取出图像中某个像素点p，计算出p点距离图像边缘的最近距离a。

b、如果a>c(c为常数)，则p的颜色值取代图像1上相同位置q上的颜色值。

c、如果a<c(c为常数)，且p点与q点颜色差值大于b(b为常数)，则p点的颜色值取代图像2上q点的颜色值。

d、如果a<c(c为常数)，且p点与q点颜色差值小于b(b为常数)，则按下面的公式计算作为q点的颜色值

e、重复2～5的计算过程，直到图像1中所有像素点都计算出来。其中c取15～20，b取80～120，颜色值采用RGB标准，三色取值范围0～255。

(3)虚拟场景动画的设计与导入

本系统利用VRML语言中各个基本节点、群节点以及场景效果节点、动态感知节点、平面检测节点、位置插补器节点、时间传感器节点、等进行三维立体造型和场景设计，在场景中添加动画效果，可以使用户亲身感受虚拟现实技术的魅力，在场景中直接感受与虚拟造型、景物的动态交互作用，从而产生智能感知的效果。

视觉部分以摄像头为输入设备，通过USB传输采集的图像到图像处理单元。处理单元将人体从实际场景中提取后置入虚拟环境视频中，并将背景环境、人物和前景动画进行实时合成。处理后由虚拟现实眼镜输出到体验者的视野中。触觉部分以催眠师的指令为输入，通过程序消息管理，将得到的响应消息，发送给串口通讯设备，通过无线传输抵达作为触觉效果器的感知器件，使体验者能感受引导信号。听觉部分以麦克风为输入设备，实时传输催眠师的指引。此外，还有配合虚拟场景的立体音乐，由消息管理器进行控制输出。

其中，图像处理过程按流水线结构分布在两个处理单元中，按先后分别承担图像采集处理和图像处理输出任务，两单元处理过程同时进行。对于一幅n×n大小的图像，流水线结构能使图像处理的时间复杂度由n²降为n。实际上，两个处理单元中前者完成图像采集和特征提取，后者完成与虚拟影像的合成和显示处理工作。

步骤2，根据使用者的选择播放对应的VR视频内容及音频内容，同时人体信息收集模块开始收集使用者的人体信息。

步骤3，主控模块通过人体信息收集模块所收集的人体信息与预设人体信息比对参数进行比对后，来判定使用者的睡眠状态所对应的睡眠阶段。

步骤4，主控模块根据不同睡眠阶段调用储存模块中该睡眠阶段中所对应的VR视频内容和音频内容通过VR视频输出模块和音频输出模块进行输出。

综上所述，本发明利用虚拟现实技术设计了专门的睡眠系统实现助眠及催眠功能，相较于传统的助眠设备或系统更加真实，更容易排除现实环境干扰，具有充分的沉浸感；不同的虚拟场景满足不同使用者的需求，更易引导使用者进入睡眠状态；虚拟人物更加真实，并结合催眠师的专业引导，有益使用者科学的排除心理障碍，提高睡眠质量。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于虚拟现实的睡眠系统，其特征在于，包括:

VR视频输出模块，用于输出沉浸式的VR视频内容，

音频输出模块，用于输出与VR模块中视频内容相对应的音频内容，

储存模块，用于储存VR视频内容和音频内容，

主控模块，用于控制从储存模块中调用所需的VR视频内容和音频内容，分别通过VR视频输出模块和音频输出模块输出相应的VR视频内容和音频内容；

该睡眠系统包括虚拟场景助眠系统和虚拟人物助眠系统，

所述虚拟场景助眠系统中输出的VR视频内容包括自然场景、人文场景和视觉影像，其中对应输出的音频内容包括自然声音、音乐和催眠师语音，

所述虚拟人物助眠系统中输出的VR视频内容为虚拟人物的视频影像，其中对应输出的音频内容是与该虚拟人物相匹配的音频内容。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的睡眠系统，其特征在于，所述自然场景包括海洋、山谷、森林、海市蜃楼、隧道和星空，所述人文场景包括城市街道、公路、建筑物内部环境和公共活动场所，所述自然声音包括海浪声、虫鸣、鸟叫和风声，所述音乐包括普通音乐和脑波模拟音乐。

3.根据权利要求2所述的基于虚拟现实的睡眠系统，其特征在于，所述普通音乐为流行音乐、古典音乐的片段或完整音乐，所述脑波模拟音乐为α波音乐、β波音乐θ波音乐或δ波音乐。

4.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的睡眠系统，其特征在于，所述视觉影像为电脑合成的催眠影像。

5.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的睡眠系统，其特征在于，所述虚拟人物为真人实景录制或电脑合成，虚拟人物的类型包括亲友和催眠师，其中对应亲友所输出的音频内容是由亲友讲述的故事内容，对应催眠师所输出的音频内容为催眠师语音。

6.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的睡眠系统，其特征在于，所述催眠师语音是催眠师为引导被催眠者进入催眠状态所说的专业引导词句。

7.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的睡眠系统，其特征在于，还包括用于收集该系统使用者生理信息的生理信息收集模块，所述生理信息包括脑波、心率、呼吸频率或肌电；该模块收集到的生理信息反馈到主控模块中，主控模块根据生理信息的变化来调用储存模块中不同的VR视频内容和音频内容进行输出。

8.根据权利要求7所述的基于虚拟现实的睡眠系统，其特征在于，所述虚拟场景助眠系统根据不同的睡眠阶段输出不同的VR视频内容和音频内容，所述睡眠阶段包括清醒阶段、浅睡阶段和深睡阶段，各睡眠阶段由主控模块通过生理信息收集模块所收集的生理信息进行判定。

9.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的睡眠系统，其特征在于，还包括用于配合催眠师语音的感官效果输出模块，所述感官效果输出模块包括震动装置、加热装置、发光装置和气体释放装置。

10.根据权利要求7所述的基于虚拟现实的睡眠系统的实现方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤1，通过三维建模技术、图像拼接技术或者全景摄像技术制作VR视频内容，并录入相应的音频内容，将VR视频内容、音频内容及预设生理信息比对参数储存在储存模块中，该预设生理信息比对参数包括三种不同区间数值，以对应三种不同睡眠阶段，分别是清醒阶段、浅睡阶段和深睡阶段，根据不同的睡眠阶段在储存模块中对应储存不同类型的VR视频内容和音频内容；

步骤2，根据使用者的选择播放对应的VR视频内容及音频内容，同时生理信息收集模块开始收集使用者的生理信息；

步骤3，主控模块通过生理信息收集模块所收集的生理信息与预设生理信息比对参数进行比对后，来判定使用者的睡眠状态所对应的睡眠阶段；

步骤4，主控模块根据不同睡眠阶段调用储存模块中该睡眠阶段中所对应的VR视频内容和音频内容通过VR视频输出模块和音频输出模块进行输出。