CN107390866A - 基于足底压力的多人虚拟场景漫游控制方法及其控制装置 - Google Patents
基于足底压力的多人虚拟场景漫游控制方法及其控制装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于足底压力的多人虚拟场景漫游控制方法及其控制装置，上位机终端将人体足部姿态分为若干种，每种足部姿态对应一个动作信号，通过安装在用户足底的压力信号采集装置采集多个样本数据，训练得到支持向量机分类器；通过压力信号采集装置采集足底压力，将足底压力信号通过通信模块传输至上位机终端，上位机终端根据足底压力信号用支持向量机分类器识别出足部姿态；上位机终端将足部姿态对应的动作信号传输至图像处理模块，图像处理模块进行图像处理后将处理后的动作图像显示在显示设备上。本发明的装置可穿戴，便于携带且占用空间小；用户穿戴足底压力采集设备，可以在坐姿下，无需双手进行虚拟场景浏览；用户体验更为真实、沉浸。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于足底压力感知的可穿戴人机交互技术，属于电子信息、自动化与计算机技术领域，具体地说是一种主要用于虚拟场景漫游中的部分人机交互控制方法。
背景技术
随着地图数据采集、网络通信及虚拟现实技术的发展，近几年来虚拟场景漫游、虚拟地图浏览得到了更多的关注，也为交通出行、城市设计、娱乐提供了更加真实地体验。已公开的专利号为CN101055494B的名为“基于空间索引立方体全景视频的虚拟场景漫游方法及其系统”中，虚拟场景的切换控制大多是依靠鼠标键盘或者游戏手柄来实现。此类传统交互手段与人们传统的行走体验不符，需要进行一定的学习适应。另一方面，随着不同交互任务多样性和复杂性的上升，双手常被用于更复杂更重要的交互任务，而不便于进行漫游操作。在双手繁忙时或者对于不便或不能使用双手的残疾人而言，增加交互通道可以有效提高场景漫游的效率和便捷性。
文献[Emilie Guy et al,LazyNav:3D Ground Navigation with Non-CriticalBody Parts,IEEE 3DUI 2015]中发明了一中使用深度相机的全身体感交互式虚拟场景浏览技术，尽管浏览过程中用户无需使用双手进行鼠标键盘或手柄操作，使用此技术仍需要用户站立以调整全身姿态进行，且进行多人漫游时体感姿态识别率会受遮挡影响而降低。另一种解决方案是使用类似跳舞毯的装置，然而这种装置不易携带，且动作幅度较大控制效果不理想。本发明在此背景下，提出了一种通过调整足底姿态来进行虚拟场景漫游的控制方法，支持坐姿下的场景浏览及多人场景浏览。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术存在的问题，更加真实的模拟虚拟场景漫游，本发明提供一种基于足底压力的多人虚拟场景漫游控制方法。
本发明的另一目的是提供一种基于足底压力的多人虚拟场景漫游控制装置。
技术方案：一种基于足底压力的多人虚拟场景漫游控制方法，包括以下步骤：
(1)在系统预设阶段，上位机终端将人体足部姿态分为若干种，每种足部姿态对应一个动作信号，通过安装在用户足底的压力信号采集装置采集多个样本数据，训练得到支持向量机分类器；所述压力信号采集装置包括多个压力传感器，多个压力传感器位于足底不同位置；
(2)在用户正常使用阶段，通过压力信号采集装置采集足底压力，并将采集到的足底压力信号通过通信模块传输至上位机终端，上位机终端根据接收到的足底压力信号用所述支持向量机分类器识别出足部姿态；
(3)上位机终端将足部姿态对应的动作信号传输至图像处理模块，图像处理模块进行图像处理后将处理后的动作图像显示在显示设备上。
进一步的，步骤(1)中人体足部姿态分为：正常状态、前脚掌用力、后脚跟用力、左侧脚掌用力、右侧脚掌用力。
进一步的，步骤(2)中两个足底同时采集，当两个足底识别出来的足部姿态为同一种姿态时，对应一种动作信号；若两个足底识别出两种不同足部姿态，对应特殊控制信号，所述特殊控制信号包括结束漫游、调节行走速度，左脚左侧脚掌用力，同时右脚右侧脚掌用力时为结束虚拟漫游；左脚右侧脚掌用力，同时右脚前脚掌用力为加快移动速度；左脚右侧脚掌用力，同时右脚后脚跟用力为减慢移动速度。
进一步的，所述步骤(1)中对样本数据进行归一化，定义特征向量v，所述v用于归一化不同体重的用户，v＝[p1,p2,…,p8]/w，其中p1至p8为足底第i个压力传感器所测得的压力，w为用户的体重。
进一步的，上位机终端用所述支持向量机分类器识别出足部姿态的同时，计算支持向量机的决策值以获得所述足底姿态的置信分数，具体方法包括：
(21)令置信分数为x，设分类问题共有n类，其中第k类问题的置信分数定义为xk；
(22)利用所述特征向量v计算决策值Sij：
Sij＝<wij,v>+bij
其中wij、bij为步骤(1)训练得到的支持向量机分类器中的超平面参数，<wij,v>为wij和v的内积运算；
(23)使用支持向量机对第i类和第j类进行分类，其中i<j，共进行n(n-1)/2次二元分类；根据决策值Sij判断特征向量v属于第i类还是第j类，设定临界值d，若Sij>d则v属于第i类，若Sij<-d则v属于第j类；
(24)利用Sij求解二次规划问题：
计算得到对应特征向量v的分类k＝argmaxi＝1,2,…,n{xi}及其置信分数xk。
进一步的，还包括多人漫游模式，所述多人漫游模式为一个上位机终端同时接受多个通信模块传输的足底压力信号的模式。
进一步的，多人漫游模式下，若不同用户的足底姿态不同，则通过比较不同用户足底姿态的置信分数，选择执行置信分数较大的足底姿态所对应的动作信号或同一足底姿态的置信分数累计最大的足底姿态所对应的动作信号。
进一步的，多人模式下，支持一个上位机终端同时接受多个通信模块传输的多个足底压力信号后，将不同的图像传输至不同的显示装置；或者多个上位机终端处于同一局域网络中，以一个上位机终端为主上位机，其他上位机终端将各自识别出的足底姿态对应的动作信号传输至所述主上位机，主上位机同步多用户视点信息后发送至其他各上位机，并在其他各上位机连接的显示装置上显示；或者多个上位机终端接入互联网，在互联网中设置一台主服务器，主服务器接收各上位机终端传输来的动作信号并显示图像。
一种基于足底压力的多人虚拟场景漫游控制装置，包括足底压力信号采集装置、上位机终端、显示设备以及足底压力信号采集装置与上位机终端之间的通信模块，所述足底压力信号采集装置包括多个压力传感器，所述足底压力信号采集装置可穿戴在足底，多个压力传感器位于足底不同位置；所述上位机终端用于识别足底姿态；所述显示设备用于根据上位机终端识别出的足底姿态将对应的动作信号传输至图像处理模块，动作信号通过图像处理模块处理后在显示设备上显示。
进一步的，所述压力传感器有八个；所述通信模块为无线、蓝牙、GSM模块中的一种或几种；还包括电池模块，所述电池模块用于为所述足底压力信号采集装置和通信模块供电。
有益效果：本发明提供的基于足底压力的多人虚拟场景漫游控制装置，其优点在于设备可穿戴，便于携带且占用空间小；用户穿戴足底压力采集设备，可以在坐姿下，无需使用站立姿势，无需双手进行虚拟场景浏览。
本发明提供的基于足底压力的多人虚拟场景漫游控制方法，通过将足底压力映射为动作信号来控制漫游，与行走方式相似，使用户体验更为真实，同时无需预设场地进行真实行走。另一方面，本发明支持多人同时虚拟漫游，当多个用户的漫游指令冲突时，通过比较置信分数的大小决定输出的足底姿态；根据需要在一个显示装置上显示不同用户的足底姿态对应的动作图像，或者在各自用户的显示装置上显示其足底姿态对应的动作图像，满足不同用户的需求；多人漫游模式下会在虚拟场景中显示用户在上位机中预先设置好的个人形象，使用户体验更为真实、沉浸。
附图说明
图1是压力信号采集装置压力采集点图；
图2是实施例1的系统框图；
图3是实施例2的系统框图；
图4是实施例3的系统框图；
图5是基于足底压力的多人虚拟场景漫游控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
如图2所示，基于足底压力的多人虚拟场景漫游控制装置包括足底压力信号采集装置、上位机终端、虚拟现实(VR)显示设备、电池模块以及足底压力信号采集装置与上位机终端之间的通信模块，所述足底压力信号采集装置包括八个压力传感器1，所述足底压力信号采集装置可穿戴在足底，八个压力传感器位于足底不同位置，如图1所示，前脚掌、左侧脚掌、右侧脚掌、后脚跟均各装有两个压力传感器，用于检测脚的哪个位置用力；所述上位机终端中安装有虚拟场景漫游软件，用于接收压力信号并识别足底姿态判断对应动作信号或者控制信号，通过图像处理模块处理生成图像后将图像传输至VR显示设备。电池模块用于为压力信号采集装置与通信模块供电。
上位机终端根据压力信号将人体足部姿态识别为五种状态：①正常状态②前脚掌用力③后脚跟用力④左侧脚掌用力⑤右侧脚掌用力。
在本实施例中，足部姿态与动作信号对应关系设置为：两脚同时前脚掌用力为向前移动；同时后脚跟用力为后退；同时左侧脚掌用力为向左转身；同时右侧脚掌用力为向右转身。控制信号与足部姿态对应关系为：左脚左侧脚掌用力，同时右脚右侧脚掌用力时为结束虚拟漫游；左脚右侧脚掌用力，同时右脚前脚掌用力为加快移动速度；左脚右侧脚掌用力，同时右脚后脚跟用力为减慢移动速度。
如图5所示，基于足底压力的多人虚拟场景漫游控制方法包括以下步骤：
(1)在系统预设阶段，上位机终端将人体足部姿态分为若干种(本实施例中分为五种)，每种足部姿态对应一个动作信号，通过安装在用户足底的压力信号采集装置采集多个样本数据，训练得到支持向量机分类器；所述压力信号采集装置包括多个压力传感器(本实施例中有八个压力传感器)，多个压力传感器位于足底不同位置；通过采集的足底压力信号及其对应的足部姿态作为训练数据，定义特征向量v，所述v用于归一化不同体重的用户，v＝[p1,p2,…,p8]/w，其中p1至p8为足底第i个压力传感器所测得的压力，w为用户的体重。通过归一化不同体重，可以使其适用于各种体重的用户，避免因体重过重或过轻带来误差。
(2)在用户正常使用阶段，通过压力信号采集装置采集足底压力，并将采集到的足底压力信号归一化后算出当前特征向量v，通过通信模块传输至上位机终端，上位机终端根据接收到的足底压力信号用所述支持向量机分类器识别出足部姿态并计算相应置信分数，具体方法包括：
(21)令置信分数为x，设分类问题共有n类，其中第k类问题的置信分数定义为xk；
(22)利用所述特征向量v计算决策值Sij：
Sij＝<wij,v>+bij (1)
其中wij、bij为步骤(1)训练得到的支持向量机分类器中的超平面参数，<wij,v>为wij和v的内积运算；
(23)使用支持向量机对第i类和第j类进行分类，其中i<j，共进行n(n-1)/2次二元分类；根据决策值Sij判断特征向量v属于第i类还是第j类，设定临界值d，若Sij>d则v属于第i类，若Sij<-d则v属于第j类；
(24)利用Sij求解二次规划问题：
计算得到对应特征向量v的分类k＝argmaxi＝1,2,…,n{xi}及其置信分数xk。
为方便计算，实施例中可令x1＝0，消元后求解无约束二次优化问题：
获得其极值(0,x2’,x3’,…,xn’)，计算Δ＝min{0,x2’,x3’,…,xn’}，再更新(x1,x2,x2,…,xn)＝(0,x2’,x3’,…,xn’)-(Δ,Δ,Δ,…Δ)。
(3)上位机终端将足部姿态对应的动作信号传输至图像处理模块，图像处理模块进行图像处理后将处理后的动作图像显示在显示设备上。
在本实施例中，一个上位机终端可同时接收多个通信模块传输的压力信号，并根据用户不同传输不同图像至虚拟现实显示设备，每位用户可在虚拟场景中看到其他用户预设的个人虚拟形象。
实施例2：
如图3所示，实施例2与实施例1的不同点在于，每个上位机终端仅接收一个通信模块传输的压力信息，多个上位机处于同一局域网中，以一个上位机终端为主上位机，其他上位机终端将各自识别出的足底姿态对应的动作信号传输至所述主上位机，均在与主上位机连接的显示装置上显示。除此之外，其他部分与实施例1相同。
实施例3：
如图4所示，实施例3与实施例1的不同点在于，每个上位机终端均接入互联网，在网络中存在一台主服务器，主服务器处理各个上位机传输来的动作信号与控制信号，实现多人虚拟场景漫游。除此之外，其他部分与实施例1相同。
实施例4：
实施例4与实施例1的不同点在于，一个上位机终端对应多个通信模块，多个显示设备显示相同的图像。当多人漫游模式下多个用户的控制命令不冲突的情形下，按照正在执行控制的用户的指令进行虚拟漫游，当指令发生冲突时，即多个用户的足底姿态不同，通过比较不同人的姿态类别的置信分数，可以决定漫游时的下一步动作，选择执行置信分数最大的姿态所对应指令。例如，A的足底姿态为“前脚掌用力”，同时B又做出了“后脚跟用力”的姿态，C用户做出了“左侧脚掌用力”的姿态，而A用户的姿态的置信分数为95，B用户的姿态置信分数为70，C用户的姿态置信分数为82，此时系统会选择执行置信分数比较大的用户的指令，即执行A的“前脚掌用力”相对应的指令。除此之外，其他部分与实施例1相同。
实施例5：
实施例5与实施例4的不同点在于，多人漫游模式下指令发生冲突时，通过统计冲突指令的置信分数总和以确定漫游时的下一步动作，选择执行置信分数总和最大的姿态所对应指令。例如，A的足底姿态为“前脚掌用力”，同时B又做出了“后脚跟用力”的姿态，C用户做出了“前脚掌用力”的姿态，而A用户的姿态的置信分数为58，B用户的姿态置信分数为95，C用户的姿态置信分数为67，此时系统选择执行“前脚掌用力”对应的指令，因为同一足底姿态的用户A及C的姿态置信分数求和后大于B用户的姿态置信分数。除此之外，其他部分与实施例4相同。
Claims (10)
1.一种基于足底压力的多人虚拟场景漫游控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在系统预设阶段，上位机终端将人体足部姿态分为若干种，每种足部姿态对应一个动作信号，通过安装在用户足底的压力信号采集装置采集多个样本数据，训练得到支持向量机分类器；所述压力信号采集装置包括多个压力传感器，多个压力传感器位于足底不同位置；
(2)在用户正常使用阶段，通过压力信号采集装置采集足底压力，并将采集到的足底压力信号通过通信模块传输至上位机终端，上位机终端根据接收到的足底压力信号用所述支持向量机分类器识别出足部姿态；
(3)上位机终端将足部姿态对应的动作信号传输至图像处理模块，图像处理模块进行图像处理后将处理后的动作图像显示在显示设备上。
2.根据权利要求1所述的基于足底压力的多人虚拟场景漫游控制方法，其特征在于，步骤(1)中人体足部姿态分为：正常状态、前脚掌用力、后脚跟用力、左侧脚掌用力、右侧脚掌用力。
3.根据权利要求2所述的基于足底压力的多人虚拟场景漫游控制方法，其特征在于，步骤(2)中两个足底同时采集，当两个足底识别出来的足部姿态为同一种姿态时，对应一种动作信号；若两个足底识别出两种不同足部姿态，对应特殊控制信号，所述特殊控制信号包括结束漫游、调节行走速度，左脚左侧脚掌用力，同时右脚右侧脚掌用力时为结束虚拟漫游；左脚右侧脚掌用力，同时右脚前脚掌用力为加快移动速度；左脚右侧脚掌用力，同时右脚后脚跟用力为减慢移动速度。
4.根据权利要求1或2所述的基于足底压力的多人虚拟场景漫游控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中对样本数据进行归一化，定义特征向量v，所述v用于归一化不同体重的用户，v＝[p1,p2,…,p8]/w，其中p1至p8为足底第i个压力传感器所测得的压力，w为用户的体重。
5.根据权利要求4所述的基于足底压力的多人虚拟场景漫游控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中，上位机终端用所述支持向量机分类器识别出足部姿态的同时，计算支持向量机的决策值以获得所述足底姿态的置信分数，具体方法包括：
(21)令置信分数为x，设分类问题共有n类，其中第k类问题的置信分数定义为xk；
(22)利用所述特征向量v计算决策值Sij：
Sij＝<wij,v>+bij
其中wij、bij为步骤(1)训练得到的支持向量机分类器中的超平面参数，<wij,v>为wij和v的内积运算；
(23)使用支持向量机对第i类和第j类进行分类，其中i<j，共进行n(n-1)/2次二元分类；根据决策值Sij判断特征向量v属于第i类还是第j类，设定临界值d，若Sij>d则v属于第i类，若Sij<-d则v属于第j类；
(24)利用Sij求解二次规划问题：
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计算得到对应特征向量v的分类k＝argmaxi＝1,2,…,n{xi}及其置信分数xk。
6.根据权利要求4所述的基于足底压力的多人虚拟场景漫游控制方法，其特征在于，还包括多人漫游模式，所述多人漫游模式为一个上位机终端同时接受多个通信模块传输的足底压力信号的模式。
7.根据权利要求6所述的基于足底压力的多人虚拟场景漫游控制方法，其特征在于，多人漫游模式下，若不同用户的足底姿态不同，则通过比较不同用户足底姿态的置信分数，选择执行置信分数较大的足底姿态所对应的动作信号或同一足底姿态的置信分数累计最大的足底姿态所对应的动作信号。
8.根据权利要求6所述的基于足底压力的多人虚拟场景漫游控制方法，其特征在于，多人模式下，一个上位机终端同时接受多个通信模块传输的多个足底压力信号后，将不同的图像按照每个用户预设的人物虚拟形象在显示装置上显示，用户可以在自己的显示装置上看到其他用户的图像；或者多个上位机终端处于同一局域网络中，以一个上位机终端为主上位机，其他上位机终端将各自识别出的足底姿态对应的动作信号传输至所述主上位机，主上位机同步多用户视点信息后发送至其他各上位机，并在其他各上位机连接的显示装置上显示；或者多个上位机终端接入互联网，在互联网中设置一台主服务器，主服务器接收各上位机终端传输来的动作信号并显示图像。
9.一种基于足底压力的多人虚拟场景漫游控制装置，其特征在于，包括足底压力信号采集装置、上位机终端、显示设备以及足底压力信号采集装置与上位机终端之间的通信模块，所述足底压力信号采集装置包括多个压力传感器，所述足底压力信号采集装置可穿戴在足底，多个压力传感器位于足底不同位置；所述上位机终端用于识别足底姿态；所述显示设备用于根据上位机终端识别出的足底姿态将对应的动作信号传输至图像处理模块，动作信号通过图像处理模块处理后在显示设备上显示。
10.根据权利要求9所述的基于足底压力的多人虚拟场景漫游控制装置，其特征在于，所述压力传感器有八个；所述通信模块为无线、蓝牙、GSM模块中的一种或几种；还包括电池模块，所述电池模块用于为所述足底压力信号采集装置和通信模块供电。
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