CN109568884A - 虚拟骑行系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种虚拟骑行系统，包括：可拆卸地设置在支座上的自行车，所述自行车的脚蹬和车把可活动；速度检测装置，包括设置在脚蹬上的速度检测标识以及水平设置所述脚蹬一侧的第一摄像装置，所述第一摄像装置用于拍摄所述速度检测标识；方向检测装置，包括设置在车把和前轮上的方向检测标识以及竖向设置在所述车把上方的第二摄像装置，所述第二摄像装置用于拍摄所述方向检测标识；骑行数据获取装置，与所述第一摄像装置和第二摄像装置的输出端连接，用于根据拍摄的方向检测标识和速度检测标识获取骑行数据。本发明实施例具有简便灵活、造价低、适用性强的特点。

Description

虚拟骑行系统
技术领域
本发明实施例涉及虚拟现实技术领域，更具体地，涉及虚拟骑行系统。
背景技术
虚拟现实技术作为一门新兴的、处于研究前沿的人机交互技术,集合了多媒体、计算机图形、网络等学科,目前正在以前所未有的速度被广泛的运用到人类生活中的各个领域。虚拟骑行技术在虚拟现实技术的基础上是利用传感器、场景绘制等技术,构建一种能让用户通过虚拟骑行设备(带有传感器的自行车)和虚拟场景进行交互的技术。随着科技日新月异,人们的生活方式变得更加便捷,生活中绝大多数事情都是在室内完成,这种生活方式的弊端是缺乏体育运动。虚拟骑行技术的出现为人们在运动健身、虚拟旅游、娱乐竞技方面等提供了一种很好的解决方案。
目前绝大多数的虚拟骑行自行车设备都是用传感器设备来检测虚拟骑行自行车的速度和转向。这种方式的主要实现方案为：一个或多个传感器绑定一套虚拟骑行自行车设备，传感器不能脱离虚拟骑行自行车单独运作。虚拟骑行自行车也不能脱离开传感器单独运行，两者互相绑定，不能分离开单独运行。由此可见，虚拟骑行自行车多为整套定制，存在不可按用户需要自行更换虚拟骑行自行车设备的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的虚拟骑行系统。
第一个方面，本发明实施例提供一种虚拟骑行系统，包括：
可拆卸地设置在支座上的自行车，所述自行车的脚蹬和车把可活动；
速度检测装置，包括设置在脚蹬上的速度检测标识以及水平设置所述脚蹬一侧的第一摄像装置，所述第一摄像装置用于拍摄所述速度检测标识；
方向检测装置，包括设置在车把和前轮上的方向检测标识以及竖向设置在所述车把上方的第二摄像装置，所述第二摄像装置用于拍摄所述方向检测标识；
骑行数据获取装置，与所述第一摄像装置和第二摄像装置的输出端连接，用于根据拍摄的方向检测标识和速度检测标识获取骑行数据。
本发明实施例提供的虚拟骑行系统，在普通自行车的关键位置设置标识，通过摄像机拍摄标识的位置，通过机器视觉技术实现虚拟骑行，具有简便灵活、造价低、适用性强的特点。通过一套通用设虚拟骑行设备可基本满足健身馆、虚拟现实体验馆、各类休闲娱乐场馆对虚拟骑行应用的需求，具有很强的实用性。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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虚拟骑行系统的功能框图；
图2为本发明实施例的虚拟骑行系统的结构示意图；
图3为本发明实施例计算第二标识的移动轨迹的弧长的示意图；
图4为本发明实施例计算第三标识的转动角度的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。
为了克服现有技术的上述问题，本发明实施例提供了一种虚拟骑行系统，其发明构思为：在普通自行车的关键位置设置标识，通过摄像机拍摄标识的位置，通过机器视觉技术实现虚拟骑行，具有简便灵活、造价低、适用性强的特点。通过一套通用设虚拟骑行设备可基本满足健身馆、虚拟现实体验馆、各类休闲娱乐场馆对虚拟骑行应用的需求，具有很强的实用性。
图1为本发明实施例提供的虚拟骑行系统的功能框图，如图所示，包括：
可拆卸地设置在支座上的自行车101，所述自行车的脚蹬和车把可活动。
需要说明的是，本发明实施例对自行车的品牌、型号、高度、大小等不作具体的限制，该自行车需包含前轮、后轮、可转动的脚踏板以及车把等基本自行车组成部件。应理解的是，由于自行车是设置在支座上的，且自行车的前轮属于从动轮，因此即使用户蹬脚踏时，前轮也不会转动。
速度检测装置102，包括设置在脚蹬上的速度检测标识以及水平设置所述脚蹬一侧的第一摄像装置，所述第一摄像装置用于拍摄所述速度检测标识。
具体地，速度检测标识粘贴或绑定在自行车脚蹬的横向位置处，第一摄像装置的摄像头与脚踏的轮轴中心高度一致，以能够清晰拍摄到速度检测标识的影响为判断依据，速度检测标识为清晰可识别的图形、文字或图案。第一摄像装置拍摄的图像称之为第一图像。
方向检测装置103，包括设置在车把和前轮上的方向检测标识以及竖向设置在所述车把上方的第二摄像装置，所述第二摄像装置用于拍摄所述方向检测标识。
具体地，方向检测标识设置在车把和前轮上，第二摄像装置垂直悬挂在自行车前轮轴心位置的上方，第二摄像装置竖直向下拍摄，悬挂的高度以摄像头能够清晰拍摄到方向检测标识为判断依据，方向检测标识同样为清晰可识别的图形、文字或图案。第二摄像装置拍摄的图像称之为第二图像。
骑行数据获取装置104，与所述第一摄像装置和第二摄像装置的输出端连接，用于根据拍摄的方向检测标识和速度检测标识获取骑行数据。
骑行数据获取装置通过接收第一摄像装置和第二摄像装置采集的图像，通过识别图像中的方向检测标识和速度检测标识，通过计算方向检测标识和速度检测标识在连续的多幅图像上的位置变化，即可获得自行车的速度和转向姿态。
需要说明的是，本发明实施例的虚拟骑行系统在普通自行车的关键位置设置标识，通过摄像机拍摄标识的位置，通过机器视觉技术实现虚拟骑行，具有简便灵活、造价低、适用性强的特点。通过一套通用设虚拟骑行设备可基本满足健身馆、虚拟现实体验馆、各类休闲娱乐场馆对虚拟骑行应用的需求，具有很强的实用性。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选实施例，速度检测标识包括：设置在脚蹬的曲柄中心的第一标识以及设置在脚踏上的第二标识。方向检测表示包括设置在前轮上的第三标识以及设置在前叉合件与车把相交处的第四标识。
虚拟骑行系统中的自行车在运行时，由于是在固定机位采集的第一图像，曲柄中心在图像中是不会发生位移的，而脚踏处的第二标识则会随着脚踏进行圆周运动；同理，在第二图像中前叉合件与车把相交处的第四标识也是不会发生位移的，而前轮处的第三标识则会随着车把的转动而转动。由于第二摄像装置是以俯视角度拍摄方向检测标识，因此，第三标识应当在前轮中位于前轮轴心高度以上的部分，并且不能被自行车的其他必要部件所遮挡。
在上述各实施例的基础上，当骑行数据获取装置获取骑行数据后，还用于根据计算出的骑行数据导入至预设的虚拟骑行环境中，将虚拟骑行环境中的虚拟自行车的骑行数据更新为计算出的骑行数据，并通过显示装置进行显示。
在上述各实施例的基础上，本发明实施例的支座包括用于固定车架的第一支座以及用于支撑后轮支架的第二支座，这样对自行车的前后轮都进行固定，可以保证自行车的稳固。
图2为本发明实施例的虚拟骑行系统的结构示意图，如图所示，自行车4包括前轮10和后轮9，自行车4分别由固定在车架下方的第一支座以及应用支撑后轮支架的第二支座进行支撑，保证自行车的稳定，前轮10上设置第三标识，脚踏上设置有第二标识，第一标识和第四标识未示出，前轮10的上方设置第二摄像装置5，第一摄像装置6设置在于脚踏13平行的位置，以水平方向拍摄第二标识，骑行数据获取模块1与第一摄像装置6和第二摄像装置5的输出端连接，根据拍摄的方向检测标识和速度检测标识计算骑行数据，之后根据计算出的骑行数据导入至预设的虚拟骑行环境中，将虚拟骑行环境中的虚拟自行车的骑行数据更新为计算出的骑行数据，由投影设备2投射到投影幕布3进行显示。
骑行数据获取装置包括：速度获取模块，用于根据连续的至少两幅第一图像中第二标识的位置变化情况获取自行车的速度。
具体地，速度获取模块用于在所述第一图像中，以第一标识作为坐标原点建立第二二维坐标系，确定连续两幅第一图像中第二标识的坐标，根据所述连续两幅第一图像中第二标识的坐标计算第二标识移动轨迹的弧长，根据所述弧长以及获取所述第一图像的时间间隔，确定所述自行车的速度大小。
在第一图像中将水平线作为第一二维坐标系的x轴，x轴的正方向与后轮指向前轮的方向一致，将垂直于x轴的直线作为y轴，y轴的正方向指向第一图像上方。也就是说，本发明实施例从脚踏的侧面，以水平角度采集第一图像。以自行车的前进方向作为x轴正方向，以竖直向上的方向作为y轴正方向。
图3为本发明实施例计算第二标识的移动轨迹的弧长的示意图，如图3所示，X2和Y2分别表示第二二维坐标系的x轴和y轴，摄像头获取第一图像的单位时间间隔为t秒({t|0＜t＜1})取t1状态时速度标记所处的点为C点，C点像素坐标记为C(x3,y3)。t2秒后方向标记所处点为D点，D点像素坐标记为D(x4,y4)，原点O2的像素坐标为(0,0)，t3秒后方向标记所处点为E点，E点像素坐标记为E(x5,y5)，计算从t1到t3时间内速度标记移动轨迹CE的弧长
根据弧长与连续获取三幅第一图像的时长的商即可确定自行车的速度的大小。
自行车踏板的蹬踏方向决定了自行车是否能够获取一个有效的前向运动力。顺时针的蹬踏才能给自行车提供一个有效的作用力，驱使自行车向前运动，而逆时针的蹬踏不能给自行车提供一个有效的作用力。当踏板的蹬踏方向为0时，表示自行车当前时段内未发生有效位移，所受作用力可以忽略不计。因此只有自行车踏板的运动方向为顺时针时才为有效运动，此时计算得到的自行车运行速度v才是有效的。计算连接第一标记点和第二标记点的向量与连接第二标记点和第三标记点的向量的叉积，若叉积小于0，则确定所述速度大小为有效速度。
以图3所示实施例为例，为向量，为向量的叉积，其值小于0时，v为有效速度，否则为无效速度。骑行速度方向及有效性判断的计算公式如下：
转向姿态获取模块，用于根据连续两幅第二图像中第三标识的位置变化情况获取自行车的转向姿态。
具体地，在所述第二图像中，以第四标识作为坐标原点建立第一二维坐标系，确定连续两幅第二图像中第三标识的坐标，根据所述连续两幅第一图像中第三标识的坐标计算第三标识绕所述第四标识转动的角度，作为虚拟自行车转动的角度大小。
在第二图像中以经过前轮轴心和后轮轴心的直线作为第一二维坐标系的x轴，x轴的正方向与后轮指向前轮的方向一致，将垂直于x轴的直线作为y轴，x轴逆时针旋转90°所指方向为y轴正方向。也就是说，本发明实施例从自行车的顶部，以俯视角度采集第二图像，根据自行车直行情况下，后轮和前轮的连线作为x轴，以骑车人视线方向为正方向，以骑车人左手方向作为y轴正方向。
图4为本发明实施例计算第三标识的转动角度的示意图，如图4所示，X1和Y1分别表示第一二维坐标系的x轴和y轴，A点为连续两幅第二图像中前一图像的第三标识所在像素点，其坐标表示为(x1,y1)，B点为连续两幅第二图像中后一图像的第三标识所在像素点，其坐标标识为(x2,y2)，原点O1为第四标识所在的像素点，通过A,B,O1的像素坐标，可计算出线段AB的长度d，以及A01和B01的长度r，可得到单位时间间隔t秒内前轮转动的角度a1，计算公式为：
在获知转动角度的大小后，还需要进一步获知自行车转动的方向，在上述各实施例的基础上，作为一种可选实施例，根据第三标识在连续两幅第二图像中的后一幅图像的y轴坐标确定自行车转动的方向，根据自行车转动的角度大小和方向获得自行车的转向姿态。
具体地，角a1在t时刻的转动方向由B点在y轴坐标的正负值来判断即可，y2的值小于0时表示t时刻前轮处于右转状态，y2的值等于0时表示t时刻前轮处于直行状态，y2的值大于0时表示t时刻前轮处于左转状态：
自行车的转向姿态即自行车转动的角度大小以及方向的并集，例如转动的角度为30°，转动的方向为左转，则自行车的转向姿态为左转30°。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种虚拟骑行系统，其特征在于，包括：
可拆卸地设置在支座上的自行车，所述自行车的脚蹬和车把可活动；
速度检测装置，包括设置在脚蹬上的速度检测标识以及水平设置所述脚蹬一侧的第一摄像装置，所述第一摄像装置用于拍摄所述速度检测标识；
方向检测装置，包括设置在车把和前轮上的方向检测标识以及竖向设置在所述车把上方的第二摄像装置，所述第二摄像装置用于拍摄所述方向检测标识；
骑行数据获取装置，与所述第一摄像装置和第二摄像装置的输出端连接，用于根据拍摄的方向检测标识和速度检测标识获取骑行数据。
2.根据权利要求1所述的虚拟骑行系统，其特征在于，所述速度检测标识包括：设置在脚蹬的曲柄中心的第一标识以及设置在脚踏上的第二标识。
3.根据权利要求1所述的虚拟骑行系统，其特征在于，所述方向检测表示包括设置在前轮上的第三标识以及设置在前叉合件与车把相交处的第四标识。
4.根据权利要求1所述的虚拟骑行系统，其特征在于，所述支座包括：用于固定车架的第一支座以及用于支撑后轮支架的第二支座。
5.根据权利要求2所述的虚拟骑行系统，其特征在于，所述骑行数据获取装置包括：速度获取模块，用于根据连续的至少两幅第一图像中第二标识的位置变化情况获取自行车的速度。
6.根据权利要求3所述的虚拟骑行系统，其特征在于，所述骑行数据获取装置包括：转向姿态获取模块，用于根据连续两幅第二图像中第三标识的位置变化情况获取自行车的转向姿态。
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