CN107544677B - 利用模块化轨道和体感装置模拟运动场景的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用模块化轨道和体感装置模拟运动场景的方法和系统，该方法通过对场景画面的运动趋势的进行分析，并以场景画面的运动趋势为准来搭建运动轨道，可以使运动轨道的形状与场景画面的运动趋势吻合，再将运动轨道上的区段与虚拟场景中的画面片段进行匹配、对位并计算根据画面片段的播放速度得出体感装置在该区段的运动轨道上的运行速度，从而可以将体感装置在运动轨道上的滑动趋势与场景画面的运动趋势控制得一致、同步，保证了运动感与视野变化感的同步，并且将体感装置的动作与视觉你、目标的方位变化趋势控制的同步、协调。该方法和系统配合可以模拟出逼真、刺激的运动场景、用户体验极好。

Description

利用模块化轨道和体感装置模拟运动场景的方法和系统

技术领域

本发明涉及虚拟现实技术领域，更具体地说，它涉及一种利用轨道式运动装置和VR设备模拟运动场景的方法和系统。

背景技术

虚拟现实(Virtual Reality)或简称3D技术逐渐地应用于视频、电影、医学、拟真训练或者是游戏等领域中。通过3D影像与姿势感测器并搭配电子计算机设备可产生三度空间的虚拟现实世界。

目前，虚拟现实技术中的场景呈现一般是采用VR头盔与体感装置结合的方式。这种呈现方式由于结合了视听和体感，用户除了产生视听感受外还能感受到身体的运动，因此能更加沉浸到虚拟场景中，这一种呈现方式模拟的逼真度高且能给用户带来更丰富的体验。因此，基于VR和体感装置的运动模拟系统受到越来越多的用户的青睐。

可以预见的是，在未来将体感装置与运动轨道结合并配合VR头盔必将成为模拟运动的主流方式，通过VR头盔向用户展示虚拟运动场景中的图像和声音，再同步控制体感装置在运动轨道上的滑行和其他动作，能给用户带来更具有趣味性、更加逼真刺激的体验。为保证较好的用户体验，将运动轨道的形状变化趋势设置得与虚拟运动场景中的画面变化趋势一致，并将体感装置在运动轨道上的滑行动作控制得与虚拟运动场景中的画面变化节奏同步，这两点尤为重要，否则用户在体验时会因为视野变化与体感不协调而产生类似于晕车的不适感，甚至产生不良反应。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种利用模块化轨道和体感装置模拟运动场景的方法，利用该方法可以实现虚拟运动场景的变化与体感装置在运动轨道上的运动高度同步、协调，提升用户的使用体验。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种利用模块化轨道和体感装置模拟运动场景的方法，包括以下步骤：

S1.对虚拟运动场景画面进行分析，得出场景画面在时间戳上的运动趋势；

S2.选取适合形状的模块化轨道，根据运动趋势将各个模块化轨道拼接在一起，完成运动轨道的搭建，使运动轨道的形状变化趋势与场景画面的运动趋势一致；

S3.选取虚拟运动场景中的一段画面片段，并在运动轨道上确定该画面片段所对应的轨道区段；

S4.根据画面片段的时间长度确定体感装置在该画面片段对应的轨道区段上滑行的时间长度；

S5.根据轨道区段的长度和体感装置在该轨道区段上的滑行时间长度计算得出体感装置在该轨道区段上的滑行速度控制参数；

S6.根据得到的滑行速度控制参数控制体感装置在轨道区段上的滑行速度。

采用上述方案，通过对场景画面的运动趋势的进行分析，并以场景画面的运动趋势为准来搭建运动轨道，可以使运动轨道的形状与场景画面的运动趋势吻合，再将运动轨道上的区段与虚拟场景中的画面片段进行匹配、对位并计算根据画面片段的播放速度得出体感装置在该区段的运动轨道上的运行速度，从而可以将体感装置在运动轨道上的滑动趋势与场景画面的运动趋势控制得一致、同步，保证了运动感与视野变化感的同步，从而可以模拟出逼真、刺激的运动场景。

作为优选方案，还包括对体感装置的运动控制的步骤，该步骤包括以下几步：

（a）.在S1步骤对虚拟运动场景画面进行分析，得出场景画面中同一视觉目标在时间戳上的方位变化趋势；

（b）.以一定的时间间隔在时间戳上选取各个时间点的场景画面，获取该视觉目标在各个场景画中的方位数据；

（c）.根据该视觉目标在两相邻时间点的场景画面中的方位数据，计算得出该视觉目标在这两个相邻时间点之间的时间段中的方位数据变化量；

（d）.根据该视觉目标在该时间段中的方位数据变化量计算出体感装置在该时间段对应的动作控制参数；

（e）.根据得到的动作控制参数控制体感装置的动作。

采用上述方案，通过对虚拟运动场景的画面进行分析，并在相邻的两个画面帧中选取同一个视觉目标，根据该视觉目标在画面帧中的方位变化，计算出体感装置在这两个画面帧的间隔时间段内的动作控制参数，从而可以实现体感装置的动作与场景画面中的视觉目标的方位变化同步，从而可以模拟出更加逼真、刺激的运动场景。

作为优选方案：在S1步骤中对场景画面的分析是在三维坐标系中基于各个目标的坐标值进行的。

作为优选方案：对场景画面在时间戳上的运动趋势分析选取的参照点为图像画面的中心点。

采用上述方案，由于图像画面的中心点是人眼的视线集中点，以图像画面的中心点为参照，可以保证在虚拟运动场景中，体感装置运动的方向总是指向图像画面的中心区域的，从而使体感装置上的体验者的视线自然落在图像画面的中心区域，体验者不用刻意转动头部去注视图像画面的中心区域，给体验者带来更加自然、舒适的体验。

作为优选方案：所述视觉目标为图像画面中的任一视觉模型。

本发明的另一个目的在于提供一种利用模块化轨道和体感装置模拟运动场景的系统，利用该系统可以模拟出逼真、刺激的运动场景。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种利用模块化轨道和体感装置模拟运动场景的系统，包括：

运动轨道，其由多根模块化轨道搭建而成；

滑行装置，与运动轨道滑动连接，其配有动力机构，可自行滑动；

体感装置，与滑行装置固定，其具有多个运动维度；

控制主机，用于输出虚拟运动场景的视频信号，并对虚拟运动场景画面进行处理，分析计算出场景画面的运动趋势和场景画面中同一视觉目标的方位变化趋势，得出滑行装置的速度控制参数和体感装置的动作控制参数；

控制器，与控制主机通信连接，接收滑行装置的速度控制参数和体感装置的动作控制参数并据此控制滑行装置的滑行和体感装置的动作；

视听呈现装置，与控制主机通信连接，接收所述视频信号并还原出图像和声音。

作为优选方案：所述模块化轨道包括直线型轨道、弧线型轨道、波浪型轨道和螺旋型轨道。

作为优选方案：所述体感装置包括体感座椅和机械臂。

作为优选方案：所述视听呈现装置为VR头盔。

作为优选方案：所述控制器为PLC控制器。

与现有技术相比，本发明的优点是：该方法通过对场景画面的运动趋势的进行分析，并以场景画面的运动趋势为准来搭建运动轨道，可以使运动轨道的形状与场景画面的运动趋势吻合，再将运动轨道上的区段与虚拟场景中的画面片段进行匹配、对位并计算根据画面片段的播放速度得出体感装置在该区段的运动轨道上的运行速度，从而可以将体感装置在运动轨道上的滑动趋势与场景画面的运动趋势控制得一致、同步，保证了运动感与视野变化感的同步，并且将体感装置的动作与视觉你、目标的方位变化趋势控制的同步、协调。该方法和系统配合可以模拟出逼真、刺激的运动场景、用户体验极好。

附图说明

图1为实施例一中的方法流程图；

图2为实施例二中运动轨道、滑行装置以及体感装置的连接结构示意图；

图3为实施例二中的系统拓扑图。

附图标记说明: 1、运动轨道；2、滑行装置；3、体感装置。

具体实施方式

实施例一：

一种利用模块化轨道和体感装置模拟运动场景的方法，包括以下步骤：

S1.对虚拟运动场景画面进行分析，得出场景画面在时间戳上的运动趋势；

虚拟运动场景实际上一帧一帧的画面通过播放产生的视觉效果，对场景画面的运动趋势的分析实际上是按照画面播放的时间顺序，依次对各个画面帧的视野方位进行分析，本实施例中，画面帧是建立在三维坐标系中，其中三维坐标系的X轴和Y轴分别代表帧宽度和帧高度，而Z轴代表时间轴，这样每一个画面帧中的视觉目标在三维坐标系中就有唯一的坐标值，在播放虚拟创景画面的过程中，随着画面帧的切换，对于存在视野上、下、左、右移动的虚拟运动场景，则各个画面帧的中心点坐标必然在X轴和Y轴上的坐标值必然不同。若相邻两个画面帧的时间间隔为ts（例如虚拟运动场景的播放速度为30fps，则相邻两个画面帧的时间间隔为0.033s），对于相邻两张画面帧，前者的中心点坐标为（Xi，Yi,Zi），后者的中心点坐标为（Xj，Yj，Zj）,则这两张画面帧的中心点的坐标偏移量为（Xj-Xi,Yj-Yi,t），该坐标偏移量在X轴和Y轴上的偏移值即为在该时间t内场景画面的运动量。依此类推计算出在其他的各个时间t内侧场景画面的运动量，最后得出整个虚拟运动场景片段内的场景画面运动量，这样整个虚拟运动场景片段内的场景画面运动量实际上可以以一段具有多个转折点的折线表示出来，每个转折点即为各张画面帧的中心点坐标，相邻两转折点之间的线段的指向即为相邻两画面帧切换过程中的视线集中指向——即用户的视线集中区域。所以整个虚拟运动场景片段内的场景画面运动量又可以表示在播放整个虚拟运动场景片段的过程中，用户的视线集中区域的变化趋势——即前面所称的场景画面的运动趋势。

S2.选取适合形状的模块化轨道，根据运动趋势将各个模块化轨道拼接在一起，完成运动轨道的搭建，使运动轨道的形状变化趋势与场景画面的运动趋势一致；

该步骤是搭建运动轨道的步骤，运动轨道是由多段具有不同形状的模块化轨道拼接构成，为实现场景画面运动趋势与运动轨道形状变化的一致性，在这里选取的模块化轨道的数量与画面帧的数量是一致的，模块化轨道的两端的空间位置与虚拟场景画面中相邻两个画面帧的中心点坐标分别对应，两画面帧之间对应的模块化轨道的形状也需要与根据这两个画面帧的场景画面运动量来选择，比如对于在X轴或Y轴上的偏移值非零的画面运动量，为保证体感装置在轨道上滑行的顺滑性，则该段模块化轨道的形状就不能为直线型，其形状应该为弧线型或者至少其端部为弧线型，这样才能保障该段模块化轨道与相邻的模块化轨道衔接的自然性；而对于在X轴和Y轴上的偏移值均为零的画面运动量，则两个画面帧之间对应的模块化轨道的形状应该为直线型。按照上述原理完成画面帧之间对应的模块化轨道的形状选择，在将各个模块化轨道进行拼接、定位，保证拼接完成的运动轨道上各个模块化轨道的端点的空间位置与虚拟运动场景中的各张画面帧的中心点坐标的一一对应。这样就能保证实现场景画面运动趋势与运动轨道形状变化的一致性。

S3.选取虚拟运动场景中的一段画面片段，并在运动轨道上确定该画面片段所对应的轨道区段；

本实施例中选取相邻两张画面帧，以及选取该两张画面帧之间对应的那一根模块化轨道。

S4.根据画面片段的时间长度确定体感装置在该画面片段对应的轨道区段上滑行的时间长度；

这里的时间长度即为t。

S5.根据轨道区段的长度和体感装置在该轨道区段上的滑行时间长度计算得出体感装置在该轨道区段上的滑行速度控制参数；

利用测量工具对各根模块化轨道进行测量，得出各根模块化轨道的长度。对于某一根模块化轨道，若其长度为L，则体感装置在该模块化轨道上的滑行速度应该为L/s。同理可以计算出体感装置在其他各根模块化轨道上的滑行速度，如此可以得到体感装置在每根模块化轨道上的滑行速度值——即在每个t时间段内的滑行速度值，此即为体感装置的滑行速度控制参数。

S6.根据得到的滑行速度控制参数控制体感装置在轨道区段上的滑行速度。

将滑行速度控制参数写入带动体感装置在运动轨道上滑行的滑行装置的控制程序中，滑行装置的控制器据此对滑行装置的滑行速度进行控制。

通过对场景画面的运动趋势的进行分析，并以场景画面的运动趋势为准来搭建运动轨道，可以使运动轨道的形状与场景画面的运动趋势吻合，再将运动轨道上的区段与虚拟场景中的画面片段进行匹配、对位并计算根据画面片段的播放速度得出体感装置在该区段的运动轨道上的运行速度，从而可以将体感装置在运动轨道上的滑动趋势与场景画面的运动趋势控制得一致、同步，保证了运动感与视野变化感的同步，从而可以模拟出逼真、刺激的运动场景，避免用户产生不适感。

在上述内容的基础上，还包括对体感装置的运动控制的步骤，该步骤包括以下几步：

（a）.在S1步骤对虚拟运动场景画面进行分析，得出场景画面中同一视觉目标在时间戳上的方位变化趋势；

由于每一个画面帧中的视觉目标在三维坐标系中就有唯一的坐标值，通过获取每个画面帧中的同一视觉目标的坐标值，就能得到该视觉目标的坐标偏移量，从而得到该视觉目标在整个虚拟运动场景片段内的各个t时间段的坐标偏移量，此即为该视觉目标的方位变化趋势。

（b）.以一定的时间间隔在时间戳上选取各个时间点的场景画面，获取该视觉目标在各个场景画中的方位数据；

这里直接选取相邻的两张画面帧，获取该视觉目标在这两个画面帧中的坐标值。

（c）.根据该视觉目标在两相邻时间点的场景画面中的方位数据，计算得出该视觉目标在这两个相邻时间点之间的时间段中的方位数据变化量；

根据该视觉目标在这两个画面帧中的坐标值，计算得出该视觉目标在这两个画面帧之间的坐标偏移量。

（d）.根据该视觉目标在该时间段中的方位数据变化量计算出体感装置在该时间段对应的动作控制参数；

对该坐标偏移量——即方向向量，进行三角函数运算，得出在各个方向上的运动夹角，得出的运动夹角即为体感装置与水平面的夹角，而坐标偏移量中的X轴变化值和Y轴变化值，即为体感装置在X轴方向和Y轴方向的运动量。这样便得到了体感装置在t时间内的运动控制参数。同理可以计算出体感装置在其他各个t时间段内的运动控制参数，从而得到体感装置在整个虚拟运动场景片段中的动作控制参数。

（e）.根据得到的动作控制参数控制体感装置的动作。

将得到的运动控制参数写入体感装置的控制程序中，体感装置的控制器据此对体感装置的动作进行控制。

上述步骤通过对虚拟运动场景的画面进行分析，并在相邻的两个画面帧中选取同一个视觉目标，根据该视觉目标在画面帧中的方位变化，计算出体感装置在这两个画面帧的间隔时间段内的动作控制参数，从而可以实现体感装置的动作与场景画面中的视觉目标的方位变化同步，从而可以模拟出更加逼真、刺激的运动场景。

实施例二：

一种利用模块化轨道和体感装置模拟运动场景的系统。

参照图2，该图为运动轨道1、滑行装置2与体感装置3的连接结构示意图。运动轨道1其由多根模块化轨道搭建而成，这里的模块化轨道的形状包括直线型轨道、弧线型轨道、波浪型轨道和螺旋型轨道；滑行装置2与运动轨道1滑动连接，其配有动力机构，可自行滑动；体感装置3与滑行装置2固定，其具有多个运动维度吗，体感装置3可以使体感座椅。机械臂或其他形式的运动模拟装置。

参照图3，该系统该包括：

控制主机，用于输出虚拟运动场景的视频信号，其安装有分析软件，对虚拟运动场景画面进行处理，分析计算出场景画面的运动趋势和场景画面中同一视觉目标的方位变化趋势，得出滑行装置的速度控制参数和体感装置的动作控制参数；

控制器，其采用PLC控制器，其与控制主机通信连接，接收滑行装置的速度控制参数和体感装置的动作控制参数并据此控制滑行装置的滑行和体感装置的动作；

视听呈现装置，与控制主机通信连接，接收所述视频信号并还原出图像和声音，这里选择VR头盔。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种利用模块化轨道和体感装置模拟运动场景的方法，其特征是，包括以下步骤：

S1.对虚拟运动场景画面进行分析，得出场景画面在时间戳上的运动趋势；

S2.选取适合形状的模块化轨道，根据运动趋势将各个模块化轨道拼接在一起，完成运动轨道的搭建，使运动轨道的形状变化趋势与场景画面的运动趋势一致；

S3.选取虚拟运动场景中的一段画面片段，并在运动轨道上确定该画面片段所对应的轨道区段；

S4.根据画面片段的时间长度确定体感装置在该画面片段对应的轨道区段上滑行的时间长度；

S5.根据轨道区段的长度和体感装置在该轨道区段上的滑行时间长度计算得出体感装置在该轨道区段上的滑行速度控制参数；

S6.根据得到的滑行速度控制参数控制体感装置在轨道区段上的滑行速度；

还包括对体感装置的运动控制的步骤，该步骤包括以下几步：

（a）.在S1步骤对虚拟运动场景画面进行分析，得出场景画面中同一视觉目标在时间戳上的方位变化趋势；

（b）.以一定的时间间隔在时间戳上选取各个时间点的场景画面，获取该视觉目标在各个场景画中的方位数据；

（c）.根据该视觉目标在两相邻时间点的场景画面中的方位数据，计算得出该视觉目标在这两个相邻时间点之间的时间段中的方位数据变化量；

（d）.根据该视觉目标在该时间段中的方位数据变化量计算出体感装置在该时间段对应的动作控制参数；

（e）.根据得到的动作控制参数控制体感装置的动作；

在S1步骤中对场景画面的分析是在三维坐标系中基于各个目标的坐标值进行的；

对场景画面在时间戳上的运动趋势分析选取的参照点为图像画面的中心点。

2.根据权利要求1所述的利用模块化轨道和体感装置模拟运动场景的方法，其特征是：所述视觉目标为图像画面中的任一视觉模型。

3.一种利用模块化轨道和体感装置模拟运动场景的系统，其特征是，包括：

运动轨道，其由多根模块化轨道搭建而成；

滑行装置，与运动轨道滑动连接，其配有动力机构，可自行滑动；

体感装置，与滑行装置固定，其具有多个运动维度；

控制主机，用于输出虚拟运动场景的视频信号，并对虚拟运动场景画面进行处理，分析计算出场景画面的运动趋势和场景画面中同一视觉目标的方位变化趋势，得出滑行装置的速度控制参数和体感装置的动作控制参数；

控制器，与控制主机通信连接，接收滑行装置的速度控制参数和体感装置的动作控制参数并据此控制滑行装置的滑行和体感装置的动作；

视听呈现装置，与控制主机通信连接，接收所述视频信号并还原出图像和声音。

4.根据权利要求3所述的利用模块化轨道和体感装置模拟运动场景的系统，其特征是：所述模块化轨道包括直线型轨道、弧线型轨道、波浪型轨道和螺旋型轨道。

5.根据权利要求3所述的利用模块化轨道和体感装置模拟运动场景的系统，其特征是：所述体感装置包括体感座椅和机械臂。

6.根据权利要求3所述的利用模块化轨道和体感装置模拟运动场景的系统，其特征是：所述视听呈现装置为VR头盔。

7.根据权利要求3所述的利用模块化轨道和体感装置模拟运动场景的系统，其特征是：所述控制器为PLC控制器。

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