CN108535873B - 一种基于生理与情绪特征的智能vr眼镜 - Google Patents
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Abstract
一种基于生理与情绪特征的智能VR眼镜，包括有：主控制器、姿态传感器模块、无线通信模块、无线场景传输模块、液晶显示屏、光学透镜、可弯曲软管臂、瞳距调节装置、松紧绑带以及可拉伸项圈。可拉伸项圈上集成装有无线场景接收模块及供电装置；所述的主控制器将姿态测量模块采集到的奶牛头部运动信息经无线通信模块传输给交互计算机，交互计算机根据接收到的信息实时渲染出相应的虚拟场景，同时交互计算机将渲染好的虚拟场景通过无线场景传输模块发出，无线场景接收模块将接收到的场景信息通过信号线传输给高清液晶显示屏，奶牛通过光学透镜观看显示画面而产生愉悦的心情，为提高奶质奶量提供重要支撑和保障。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于生理与情绪特征的智能VR眼镜，是一种适合奶牛佩戴的新型VR眼镜，属于家畜行为研究领域。
背景技术
VR眼镜是利用仿真技术与计算机图形学人机接口技术多媒体技术传感技术网络技术等多种技术集合的产品，是借助计算机及最新传感器技术创造的一种崭新的人机交互手段。VR头显VR眼镜是一个跨时代的产品，不仅让每一个爱好者带着惊奇和欣喜去体验，更因为对它诞生与前景的未知而深深着迷。
但是当前VR眼镜面向的对象仅仅是大多是科技产品爱好者，各大数码电子企业在VR眼镜行业研究方向都是为人提供各种类型的服务和研究，并且停留在用户体验的层面上，而将VR眼镜以动物为载体的研究发明较少。
发明内容
本发明的目的是通过虚拟现实技术来调节奶牛的情绪和行为，提高奶质与奶量，针对奶牛的生理习性发明了一种适合奶牛佩戴的新型VR眼镜。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于生理与情绪特征的智能VR眼镜，其特征是，包括两个VR壳体、调节壳体、主控制器、用于采集奶牛头部运动信息的姿态传感器模块、无线通信模块、无线场景传输模块、无线场景接收模块、电源模块、液晶显示屏、两块光学透镜、交互计算机以及可拉伸项圈；所述调节壳体两端分别通过连接臂与两个VR壳体相连，所述液晶显示屏、光学透镜置于VR壳体内，两个VR壳体分别通过松紧绑带与可拉伸项圈连接；所述主控制器、姿态传感器模块和无线通信模块集成于控制主板上，该控制主板置于调节壳体内，所述无线场景接收模块、电源模块集成于可拉伸项圈上；
所述主控制器将姿态传感器模块采集到的奶牛头部运动信息经无线通信模块传输给交互计算机，交互计算机根据接收到的信息实时渲染出相应的虚拟场景，同时交互计算机将渲染好的虚拟场景通过无线场景传输模块发出，无线场景接收模块将接收到的场景信息传输给液晶显示屏，奶牛通过光学透镜观看液晶显示屏上播放的画面。
进一步地，所述调节壳体内左、右对称位置分别设有瞳距调节装置，每个瞳距调节装置包括手拧螺母、双头螺栓、螺母、滑动臂，所述调节壳体内左侧或右侧设有滑动孔、调节孔，调节孔垂直于滑动孔，并与滑动孔连通；两个滑动孔的孔端分别朝向两侧的VR壳体，滑动臂置于滑动孔内，并与连接臂相连；所述双头螺栓置于调节孔内，其一端通过螺母与滑动臂连接，另一端连接手拧螺母；所述调节孔的孔端设有限位槽，手拧螺母置于调节孔外的限位槽内，通过手拧螺母的松紧，调节滑动臂在滑动孔内的位置，实现瞳距的调节。
进一步地，所述连接臂为可弯曲软管臂，可以实现一定角度的旋转和折弯。
进一步地，所述姿态传感器模块，其内部集成了姿态解算器，配合卡尔曼滤波算法，在动态环境下实时精确解算奶牛头部运动姿态。
进一步地，所述虚拟场景依据于奶牛在进食前、静息时、发情期阶段的生理习性，建立包括以下步骤：
1)适应于奶牛生理习性的模型建立与编辑，搭建多种虚拟场景三维模型；同时适应于奶牛生理习性的模型纹理收集，编辑纹理；
2)然后进行纹理贴图，通过渲染引擎的渲染产生一系列的虚拟场景；
3)依据奶牛生理习性特点分类，导入虚拟场景中实时控制，以备交互计算机随时调用。
进一步地，所述奶牛生理习性包括：采食后的发刍，静息时表现出恐惧孤独、易受噪音打扰，机械化挤奶过程中的不适应，发情期的兴奋、眸叫、相互追逐、顶撞；针对这些生理行为习性，建立相应的不争不抢、自由采食、安静温和、一群牛犊嬉闹及公牛追逐的三维模型。
进一步地，通过视景通道控制奶牛的视觉，奶牛所看到的虚拟场景的实时渲染变化，是通过对虚拟场景中的视点定义和控制，使奶牛在观看虚拟场景时的头部运动变化与场景中的观察视点保持一致。
进一步地，所述姿态传感器模块为JY901姿态角度传感器。
进一步地，所述无线通信模块为nRF24L01无线收发模块。
进一步地，所述主控制器是基于AVR单片机的Arduino UNO R3开发板。
本发明中，主控制器同时连接无线通信模块和姿态传感器模块，将姿态测量模块采集到的奶牛头部运动信息经无线通信模块传输给交互计算机，无线场景接收模块接收无线场景传输模块的场景数据并通过HDMI信号线传输至VR眼镜显示屏；姿态传感器模块，内部集成了姿态解算器，配合卡尔曼滤波算法，在动态环境下实时精确解算奶牛头部运动姿态；卡尔曼滤波算法即在滤波时一个带回馈的估计方法，滤波器先做出相应的估计，然后再以含有噪声的量测的形式反馈。卡尔曼滤波算法分为时间更新和量测更新这两个阶段，其过程可表示为：
X(k)＝A X(k-1)+B U(k)+W(k)
Z(k)＝H X(k)+V(k)
X(k)是k时刻的系统状态，U(k)是k时刻对系统的控制量，A和B是系统参数，Z(k)是k时刻的测量值，H是测量系统的参数，W(k)和V(k)分别表示过程和测量的噪声。经卡尔曼滤波方法的的融合滤波，更易精准的输出当前奶牛头部姿态角度。
本发明中，VR壳体在与牛眼接触处设置了便于舒适贴合牛眼的柔性海绵发泡体，高清液晶显示屏和光学透镜置于VR壳体中，光学透镜实现扩大奶牛视野范围，使得经透镜形成的虚像能够覆盖牛眼的视场区域，同时保证牛眼舒适的分辨率，也能体现VR眼镜具有较强的沉浸感。可弯曲软管臂可以实现一定角度的旋转和折弯，以适应不同生长期的奶牛头部几何特征，便于瞳距的调节，实现VR眼镜和奶牛眼部的良好贴合。可拉伸项圈通过与VR眼镜上的多条松紧绑带扎绑，在适应于奶牛生理特征状况下能够令奶牛佩戴VR眼镜更加牢固，并且将无线场景接收模块和电源模块集成安装于可拉伸项圈上减轻了奶牛头部承受的重量。
虚拟场景模块依据奶牛在进食前、静息时、发情期等阶段的生理习性和心理需求，而奶牛的主要生理习性包括：采食后的发刍，静息时表现出恐惧孤独、易受噪音打扰，机械化挤奶过程中的不适应，发情期的兴奋、眸叫、相互追逐、顶撞等。针对这些生理行为习性建立相应的不争不抢、自由采食、安静温和、一群牛犊嬉闹及公牛追逐等三维模型，而后进行纹理贴图，并通过渲染引擎的渲染产生一系列的虚拟场景以备交互计算机随时调用。运用无线数据传输以及HDMI接口技术，这样不仅使得场景画面的延时降低而且令本发明的无线化水平提高从而更方便本发明的使用。
本发明的优势：
在互联网、虚拟现实技术的发展浪潮下，本发明将互联网技术、融合计算机图形图像技术、传感器技术和虚拟现实技术与现代畜牧业进行有机的结合，使奶牛可以“亲身融入”到虚拟的理想自然环境中，实现奶牛与虚拟环境的直观、自然交互，达到调节其情绪和行为、更好的体验贴近真实自然美好环境的效果，从而提高其产奶质量。
本发明把对家畜(奶牛)行为研究和虚拟现实技术结合起来，奶牛通过光学透镜观看显示画面而产生愉悦的心情，来调节奶牛的情绪和行为，为提高奶质奶量提供重要支撑和保障，未来的经济效果必定十分显著。
说明书附图
图1为本发明VR眼镜主体结构示意图；
图2为本发明VR眼镜简化图；
图3为本发明中的瞳距调节装置；
图4为本发明一个实施例系统示意图；
图5为创建虚拟场景模型的流程图；
图6为实施例系统运行图。
具体实施方式
很容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明一种基于生理与情绪特征的智能VR眼镜的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。
本发明提供了一种基于生理与情绪特征的智能VR眼镜，其结构包括有：集成于控制主板上5-3的主控制器、姿态传感器模块和无线通信模块，以及无线场景传输模块、无线场景接收模块7-1、电源模块7-2、支持HDMI信号输入输出的高清液晶显示屏1-1、光学透镜1-2、可弯曲软管臂4、瞳距调节装置3、松紧绑带2、便于舒适贴合牛眼的柔性海绵发泡体8、适应于奶牛生理特征的可拉伸项圈9。
主控制器将姿态测量模块采集到的奶牛头部运动信息经无线通信模块传输给交互计算机，交互计算机根据接收到的信息实时渲染出相应的虚拟场景，同时交互计算机将渲染好的虚拟场景通过无线场景传输模块发出，无线场景接收模块7-1将接收到的场景信息通过HDMI信号线6传输给高清液晶显示屏1-1，奶牛通过光学透镜1-2观看显示画面而产生愉悦的心情，为提高奶质奶量提供重要支撑和保障。
具体地，本实施例所用的姿态传感器模块是且不局限于JY901姿态角度传感器，其内部集成了姿态解算器，配合卡尔曼滤波算法，在动态环境下实时精确解算奶牛头部运动姿态。本实施例所用的与交互计算机通信的无线通信模块是且不局限于nRF24L01无线收发模块，接收端通过串口与交互计算机通信。本实施例所用的主控制器是且不局限于基于AVR单片机的Arduino UNO R3开发板，主控制器将姿态测量模块采集到的奶牛头部运动信息经无线通信模块传输给交互计算机。
如图5所示，虚拟场景模块的搭建依据是奶牛的生理习性，虚拟场景可由三维建模软件实现，本实施例所用的三维建模软件是且不局限于Mulitgen Creator，如对牛犊、草地、树木、太阳、云层等建模，并进行贴图渲染。于Vega Prime中进行场景视觉通道控制，配置观察者的位置。Vega Prime中导出以.cpp为后缀名的文件，生成的文件放入VisualStudio中对它进行一系列的配置，如配置编译环境等。对虚拟场景模型进行纹理收集和编辑，进行贴图处理，最终生成.flt文件。
具体地，所述虚拟场景的实时控制由Vega prime虚拟现实开发软件完成，考虑奶牛的眼睛视角和头部姿态，为奶牛设置观察点，观察到的物体都是从这个点发出的、为观察点设置目标、创建运动方式、建立云层、天气变化等。使奶牛的头部运动变化能够和虚拟场景中的视点保持一致，增强跑奶牛的沉浸感。
具体地，在Vega Prime仿真中视点是由观察者(Observer)类实现的，观察者相当于仿真中的“摄像机”，其位置与方向直接决定了在虚拟场景中看到的内容。Vega Prime中的观察者功能函数：
getTranslate(double*x,double*y,double*z)—获取观察者位置
getRotate(double*h,double*p,double*r)—获取观察者姿态
pObserver_myObserver->setTranslate(x,y,z)—设置观察者位置
pObserver_myObserver->setRotate(h,p,r)—设置观察者姿态
JY901姿态角度传感器将采集到的奶牛头部运动姿态信息递给交互计算机，交互计算机中的仿真软件Vega prime根据奶牛头部运动姿态信息对应于虚拟场景运动模型进行解算，根据解算出来的结果来控制虚拟场景的变化，以达到奶牛头部运动与视觉一致。交互计算机中的虚拟场景变化生成程序基于MFC对话框开发改造Vega prime生成的.cpp代码，主线程中加入观察者视角位置和姿态，设置的观察者位置和姿态变量与程序中设定的采集的位置、角度不断刷新新视角位置，在牛眼捕捉时间的滞留性时间一定短时可实现场景连续的变化。
具体地，设置恰当的观察点、环境变化，推送相应的场景画面。如奶牛静息时需要安静的环境，而每头牛睡眠时间不同从而可能相互打扰，针对那些休息时间比较活跃的奶牛可通过交互计算机向VR眼镜推送安静的场景画面来使其尽早进入静息状态；在奶牛挤奶时可推送使其放松的场景画面从而使挤奶工作更顺利地进行；在奶牛进食前可为其播放促进食欲的场景画面，从而使进食工作更有效率；在奶牛的交配繁殖阶段，通过用VR眼镜播放刺激性画面来催情更加具有优越性，从而有效提高奶牛受孕率，进而提高产奶量。
具体地，如图6所示，本实施例中的无线场景传输模块、无线场景接收模7-1是且不局限于WHDI无线高清视频传输器。经过交互计算机处理渲染好的虚拟场景通过HDMI信号端输出到WHDI发射器，WHDI接收器接收到WHDI发射器的数字视频信号后，将信号转回一般的HDMI信号并通过HDMI信号线传递给支持HDMI信号输入输出的高清液晶显示屏1-1。无线高清视频传输技术和HDMI接口技术的运用不仅使得场景画面的延时降低而且令本发明的无线化水平提高从而更方便本发明的使用。
具体地，本实施例中的显示屏是ISP液晶显示屏1-1，其可支持4K HDMI信号输入输出。ISP液晶显示屏1-1的尺寸为5.7英寸，分辨率为1920×1080pixels，能够满足牛眼分辨率的要求。且本实施例中的光学透镜1-2起到扩大视野范围的作用，使得经透镜形成的虚像能够覆盖牛眼的视场区域，不仅能保证牛眼舒适的分辨率，也能体现本发明的VR眼镜具有较强的沉浸感。
具体地，如图3所示，根据奶牛头部特征，本发明中增加了适合奶牛瞳距调节装置，包括有手拧螺母3-1、双头螺栓3-2、螺母3-3、滑动臂3-4、限位槽5-2，且滑动臂3-4通过螺钉5-1与可弯曲软管臂4连接，双头螺栓3-2的一端通过螺母3-3与滑动臂3-4连接，另一端穿过限位槽5-2及通过手拧螺母3-1的上紧与移动实现瞳距的调节。可弯曲软管臂4可以实现一定角度的旋转和折弯，以适应不同生长期的奶牛头部几何特征，便于瞳距的调节，实现VR眼镜和奶牛眼部的良好贴合。
具体地，如图1、2、4所示，本发明中设计的可拉伸项圈9通过与VR眼镜上的多条松紧绑带2扎绑，在适应于奶牛生理特征状况下能够令奶牛佩戴VR眼镜更加牢固，并且将无线场景接收模块7-1和电源模块7-2集成安装于可拉伸项圈上减轻了奶牛头部承受的重量。
Claims (3)
1.一种基于生理与情绪特征的智能VR眼镜，其特征是，包括两个VR壳体(1)、调节壳体(3)、主控制器、用于采集奶牛头部运动信息的姿态传感器模块、无线通信模块、无线场景传输模块、无线场景接收模块(7-1)、电源模块(7-2)、液晶显示屏(1-1)、两块光学透镜(1-2)、交互计算机以及可拉伸项圈(9)；所述调节壳体两端分别通过连接臂(4)与两个VR壳体相连，所述液晶显示屏、光学透镜置于VR壳体内，两个VR壳体分别通过松紧绑带与可拉伸项圈连接；所述主控制器、姿态传感器模块和无线通信模块集成于控制主板上(5-3)，该控制主板置于调节壳体内，所述无线场景接收模块、电源模块集成于可拉伸项圈上；
所述调节壳体内左、右对称位置分别设有瞳距调节装置，每个瞳距调节装置包括手拧螺母(3-1)、双头螺栓(3-2)、螺母(3-3)、滑动臂(3-4)，所述调节壳体内左侧或右侧设有滑动孔(3-5)、调节孔(3-6)，调节孔垂直于滑动孔，并与滑动孔连通；两个滑动孔的孔端分别朝向两侧的VR壳体，滑动臂置于滑动孔内，并与连接臂相连，所述连接臂(4)为可弯曲软管臂，可以实现一定角度的旋转和折弯；所述调节孔的孔端设有限位槽(5-2)，手拧螺母置于调节孔外的限位槽内；所述双头螺栓置于调节孔内，其一端通过螺母(3-3)与滑动臂(3-4)连接，另一端连接手拧螺母；通过手拧螺母的松紧，调节滑动臂在滑动孔内的位置，实现瞳距的调节；
所述主控制器将姿态传感器模块采集到的奶牛头部运动信息经无线通信模块传输给交互计算机，交互计算机根据接收到的信息实时渲染出相应的虚拟场景，同时交互计算机将渲染好的虚拟场景通过无线场景传输模块发出，无线场景接收模块将接收到的场景信息传输给液晶显示屏，奶牛通过光学透镜观看液晶显示屏上播放的画面，通过设置恰当的观察点、环境变化，推送相应的场景画面；
所述姿态传感器模块采用JY901姿态角度传感器，其内部集成了姿态解算器，配合卡尔曼滤波算法，在动态环境下实时精确解算奶牛头部运动姿态；卡尔曼滤波算法分为时间更新和量测更新这两个阶段，其过程可表示为：
X(k)＝A X(k-1)+B U(k)+W(k)
Z(k)＝H X(k)+V(k)
X(k)是k时刻的系统状态，U(k)是k时刻对系统的控制量，A和B是系统参数，Z(k)是k时刻的测量值，H是测量系统的参数，W(k)和V(k)分别表示过程和测量的噪声，经卡尔曼滤波方法的的融合滤波，更易精准的输出当前奶牛头部姿态角度；
所述虚拟场景依据于奶牛在进食前、静息时、发情期阶段的生理习性，建立包括以下步骤：
1)适应于奶牛生理习性的模型建立与编辑，搭建多种虚拟场景三维模型；同时适应于奶牛生理习性的模型纹理收集，编辑纹理；
2)然后进行纹理贴图，通过渲染引擎的渲染产生一系列的虚拟场景；
3)依据奶牛生理习性特点分类，导入虚拟场景中实时控制，以备交互计算机随时调用；
虚拟场景模块的搭建依据是奶牛的生理习性，于Vega Prime中进行场景视觉通道控制，配置观察者的位置；Vega Prime中导出以.cpp为后缀名的文件，生成的文件放入VisualStudio中对它进行一系列的配置，对虚拟场景模型进行纹理收集和编辑，进行贴图处理，最终生成.flt文件；
所述虚拟场景的实时控制由Vega prime虚拟现实开发软件完成，考虑奶牛的眼睛视角和头部姿态，为奶牛设置观察点，观察到的物体都是从这个点发出的、为观察点设置目标、创建运动方式、建立云层、天气变化，使奶牛的头部运动变化能够和虚拟场景中的视点保持一致，增强奶牛的沉浸感；
在Vega Prime仿真中视点是由观察者类实现的，观察者相当于仿真中的“摄像机”，其位置与方向直接决定了在虚拟场景中看到的内容；Vega Prime中的观察者功能函数：
getTranslate(double*x,double*y,double*z)—获取观察者位置
getRotate(double*h,double*p,double*r)—获取观察者姿态
pObserver_myObserver->setTranslate(x,y,z)—设置观察者位置
pObserver_myObserver->setRotate(h,p,r)—设置观察者姿态
JY901姿态角度传感器将采集到的奶牛头部运动姿态信息递给交互计算机，交互计算机中的仿真软件Vega prime根据奶牛头部运动姿态信息对应于虚拟场景运动模型进行解算，根据解算出来的结果来控制虚拟场景的变化，以达到奶牛头部运动与视觉一致；交互计算机中的虚拟场景变化生成程序基于MFC对话框开发改造Vega prime生成的.cpp代码，主线程中加入观察者视角位置和姿态，设置的观察者位置和姿态变量与程序中设定的采集的位置、角度不断刷新新视角位置，在牛眼捕捉时间的滞留性时间一定短时可实现场景连续的变化；
设置恰当的观察点、环境变化，推送相应的场景画面：奶牛静息时需要安静的环境，而每头牛睡眠时间不同从而可能相互打扰，针对那些休息时间比较活跃的奶牛可通过交互计算机向VR眼镜推送安静的场景画面来使其尽早进入静息状态；在奶牛挤奶时可推送使其放松的场景画面从而使挤奶工作更顺利地进行；在奶牛进食前可为其播放促进食欲的场景画面，从而使进食工作更有效率；在奶牛的交配繁殖阶段，通过用VR眼镜播放刺激性画面来催情更加具有优越性，从而有效提高奶牛受孕率，进而提高产奶量。
2.根据权利要求1所述的一种基于生理与情绪特征的智能VR眼镜，其特征是，所述奶牛生理习性包括：采食后的发刍，静息时表现出恐惧孤独、易受噪音打扰，机械化挤奶过程中的不适应，发情期的兴奋、眸叫、相互追逐、顶撞；针对这些生理行为习性，建立相应的不争不抢、自由采食、安静温和、一群牛犊嬉闹及公牛追逐的三维模型。
3.根据权利要求1所述的一种基于生理与情绪特征的智能VR眼镜，其特征是，通过视景通道控制奶牛的视觉，奶牛所看到的虚拟场景的实时渲染变化，是通过对虚拟场景中的视点定义和控制，使奶牛在观看虚拟场景时的头部运动变化与场景中的观察视点保持一致。
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