CN109817048A - 一种虚拟仿真环境中角色姿态与行走方向的识别系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及虚拟现实技术领域，具体涉及一种虚拟仿真环境中角色姿态与行走方向的识别系统，包括头部穿戴模块、腰部穿戴模块、脚部穿戴模块、上位机；脚部穿戴模块用于测量使用者脚部动作的数据，腰部穿戴模块用于测量使用者腰部动作的数据，头部穿戴模块用于测量使用者头部动作的数据，上位机用于对头部穿戴模块、腰部穿戴模块、脚部穿戴模块测量的数据进行处理并在虚拟空间中重构使用者的实时动作姿态，通过本发明，使用者可以通过贴近真实的动作来操控在计算机虚拟环境中的虚拟角色进行站立、下蹲、卧倒等动作，同时可以用更小的空间、成本进行虚拟仿真训练，本发明对军队、警察、消防、建筑安装管理培训、逃生培训等公共安全应急管理部门有极大的实用意义。

Description

一种虚拟仿真环境中角色姿态与行走方向的识别系统

技术领域

本发明涉及虚拟现实技术领域，具体涉及一种虚拟仿真环境中角色姿态与行走方向的识别系统。

背景技术

目前在计算机虚拟现实领域，使用者操作计算机虚拟现实环境中的虚拟角色行走的办法有三种，一种方法就是使用者在现实环境真实行走，虚拟角色同步呈现行走，该方法对现实环境的空间需求大，而且使用者通过佩戴虚拟现实眼镜，沉浸于计算机虚拟现实环境时，完全不知道现实环境中即将碰触的危险物品，容易造成伤害。第二种方法就是通过设计操作手柄，通过手柄选择计算机虚拟仿真环境的位置，实现虚拟形象的位置移动。该方法脱离真实行走体验，使计算机虚拟现实中的体验感大打折扣。第三种方法是，通过制造一种轮鞋（鞋子上有轮子）和巨型的固定身体的设备，使用者穿戴着具有数据信息获取功能的轮鞋快速奔跑，对计算机虚拟仿真环境中的角色进行奔跑操作，该方法需要通过一种设备固定住使用者的身体，使用者无法做出下蹲、卧倒等动作同时该方法需要占大量的空间，无法方便移动设备，使计算机虚拟现实中的体验感大打折扣。该方法无法应用到更专业化的计算机虚拟仿真环境的培训中。

发明内容

为了解决上述问题，针对目前国内的相关软硬件开发公司并没有相关的解决方案，本发明提供了一种虚拟仿真环境中角色姿态与行走方向的识别系统，具体技术方案如下：

一种虚拟仿真环境中角色姿态与行走方向的识别系统包括头部穿戴模块、腰部穿戴模块、脚部穿戴模块、上位机；所述脚部穿戴模块用于测量使用者脚部动作的数据，并将数据传输至头部穿戴模块，所述腰部穿戴模块用于测量使用者腰部动作的数据，并将数据传输至头部穿戴模块，所述头部穿戴模块用于测量使用者头部动作的数据，接收处理腰部穿戴模块、脚部穿戴模块的测量数据、测量到的头部动作数据，并将数据处理结果发送至上位机；所述上位机用于根据头部穿戴模块的数据处理结果在虚拟仿真环境中重构使用者的实时动作姿态；所述腰部穿戴模块、脚部穿戴模块分别与头部穿戴模块连接；所述头部穿戴模块与上位机连接。

优选地，所述头部穿戴模块包括头部姿态追踪传感器、主控制器、数据分析模块、数据传输模块、头部电源模块、头部穿戴辅件；所述头部姿态追踪传感器、主控制器、数据分析模块、数据传输模块、头部电源模块分别固定在头部穿戴辅件上；所述头部穿戴辅件固定在使用者的头部上；所述头部姿态追踪传感器用于测量头部动作的数据并将测量到的头部动作数据发送至主控制器；所述主控制器用于将接收到的头部动作数据预处理后发送至数据分析模块；所述数据分析模块用于对头部动作数据进行筛选分析，并将分析结果通过数据传输模块发送至上位机；所述头部电源模块用于提供电源；所述追踪传感器、主控制器、数据分析模块、数据传输模块依次连接；所述数据传输模块与上位机连接；所述头部电源模块分别与追踪传感器、主控制器、数据分析模块、数据传输模块连接。

优选地，所述腰部穿戴模块包括腰部姿态追踪传感器、腰部电源模块、腰部数据传输模块、腰部穿戴辅件；所述腰部姿态追踪传感器、腰部电源模块、腰部数据传输模块分别固定在腰部穿戴辅件上，所述腰部穿戴辅件固定在使用者的腰部上；所述腰部姿态追踪传感器用于测量腰部动作的数据并将测量到的腰部动作数据发送至腰部数据传输模块；所述腰部数据传输模块用于将接收到的腰部动作数据发送至头部穿戴模块；所述腰部电源模块用于提供电源；所述腰部姿态追踪传感器与腰部数据传输模块连接；所述腰部数据传输模块与头部穿戴模块连接；所述腰部电源模块分别与腰部姿态追踪传感器、腰部数据传输模块连接。

优选地，所述腰部穿戴模块与头部穿戴模块通过腰部数据传输模块连接。

优选地，所述脚部穿戴模块设置2个，分别固定在使用者的两只脚上。

优选地，所述脚部穿戴模块包括红外测距传感器、超声波测距传感器、震动传感器、脚部电源模块、脚部数据传输模块、脚部穿戴辅件；所述红外测距传感器、超声波测距传感器、震动传感器、脚部电源模块、脚部数据传输模块分别固定在脚部穿戴辅件上；所述脚部穿戴辅件固定在使用者的脚部上；所述脚部数据传输模块用于将红外测距传感器、超声波测距传感器、震动传感器测量到的数据发送至头部穿戴模块；所述脚部电源模块用于提供电源；所述红外测距传感器、超声波测距传感器、震动传感器分别与脚部数据传输模块连接；所述脚部数据传输模块与头部穿戴模块连接；所述脚部电源模块分别与红外测距传感器、超声波测距传感器、震动传感器、脚部数据传输模块连接。

优选地，所述红外测距传感器设置在使用者的脚后跟处，用于测量使用者脚后跟与地面的距离；所述超声波测距传感器设置在使用者的脚掌前部，用于测量使用者的脚掌前部距离地面的距离，所述震动传感器设置在使用者的脚背处，用于测量使用者脚部的震动数据。

优选地，所述脚部穿戴模块与头部穿戴模块通过脚部数据传输模块连接。

本发明的有益效果为：本发明提供了一种虚拟仿真环境中角色姿态与行走方向的识别系统，通过本发明，使用者在计算机仿真虚拟环境中操作虚拟角色时，仅需要在现实环境中穿戴少量设备，无需穿戴改进的鞋子，如：轮鞋，会摔倒危险、体验不佳，也无需通过固定设备限制身体站立或下蹲、卧倒，仅需要通过原地踏步的动作即可操作在计算机虚拟仿真环境中的虚拟角色，进行向各方向行走或者奔跑的位置移动，还可以通过贴近真实的动作，来操控虚拟角色进行站立、下蹲、卧倒等动作。本发明可以解决当前计算机虚拟仿真训练中使用者无法通过更贴近真实（更真实奔跑、自由的做出下蹲、卧倒、站立等动作）的方式进行虚拟仿真训练的问题，同时可以用更小的空间、更小的成本进行虚拟仿真训练，本发明对军队、警察、消防、建筑安装管理培训、逃生培训等公共安全应急管理部门有极大的实用意义。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的穿戴示意图；

图3为上位机通过腰部穿戴模块的数据解析出人体动作的示意图；

图4为上位机通过腰部穿戴模块和脚部穿戴模块的数据解析出人体动作的示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

如图1-图2所示，一种虚拟仿真环境中角色姿态与行走方向的识别系统包括头部穿戴模块、腰部穿戴模块、脚部穿戴模块、上位机；脚部穿戴模块用于测量使用者脚部动作的数据，并将数据传输至头部穿戴模块，腰部穿戴模块用于测量使用者腰部动作的数据，并将数据传输至头部穿戴模块，头部穿戴模块用于测量使用者头部动作的数据，接收处理腰部穿戴模块、脚部穿戴模块的测量数据、测量到的头部动作数据，并将数据处理结果发送至上位机；上位机用于根据头部穿戴模块的数据处理结果在虚拟仿真环境中重构使用者的实时动作姿态；腰部穿戴模块、脚部穿戴模块分别与头部穿戴模块连接；头部穿戴模块与上位机连接。

其中，头部穿戴模块包括头部姿态追踪传感器、主控制器、数据分析模块、数据传输模块、头部电源模块、头部穿戴辅件；头部姿态追踪传感器、主控制器、数据分析模块、数据传输模块、头部电源模块分别固定在头部穿戴辅件上；头部穿戴辅件固定在使用者的头部上；头部姿态追踪传感器用于测量头部动作的数据并将测量到的头部动作数据发送至主控制器；主控制器用于将接收到的头部动作数据预处理后发送至数据分析模块；数据分析模块用于对头部动作数据进行筛选分析，并将分析结果通过数据传输模块发送至上位机；头部电源模块用于提供电源；追踪传感器、主控制器、数据分析模块、数据传输模块依次连接；数据传输模块与上位机连接；头部电源模块分别与追踪传感器、主控制器、数据分析模块、数据传输模块连接。上位机接收和处理头部穿戴模块筛选分析的数据，并进行二次分析，最终根据分析结果在计算机虚拟环境中精确呈现使用者实时的头部方向、高度和角度信息，上位机识别出使用者动作，例如面部指向、低头、摇头等动作，模拟还原使用者的头部姿态。

腰部穿戴模块包括腰部姿态追踪传感器、腰部电源模块、腰部数据传输模块、腰部穿戴辅件；腰部姿态追踪传感器、腰部电源模块、腰部数据传输模块分别固定在腰部穿戴辅件上，腰部穿戴辅件固定在使用者的腰部上；腰部姿态追踪传感器用于测量腰部动作的数据并将测量到的腰部动作数据发送至腰部数据传输模块；腰部数据传输模块用于将接收到的腰部动作数据发送至头部穿戴模块的主控制器；腰部电源模块用于提供电源；腰部姿态追踪传感器与腰部数据传输模块连接；腰部数据传输模块与头部穿戴模块的主控制器连接；腰部电源模块分别与腰部姿态追踪传感器、腰部数据传输模块连接。其中，腰部穿戴模块中的腰部姿态追踪传感器可以获取到使用者身体重心的位置，运动情况和速度等数据，腰部姿态追踪传感器将测量腰部动作的数据通过腰部数据传输模块上传至主控制器进行处理，主控制器将腰部测量数据传输至数据分析模块进行筛选分析，并将分析结果通过数据传输模块上传至上位机，上位机接收和处理腰部穿戴模块的测量数据，并进行二次分析，最终根据分析结果在计算机虚拟环境中精确呈现使用者站立、下蹲、卧倒趴下的动作状态，如图3所示。

脚部穿戴模块设置2个，分别固定在使用者的两只脚上。脚部穿戴模块包括红外测距传感器、超声波测距传感器、震动传感器、脚部电源模块、脚部数据传输模块、脚部穿戴辅件；红外测距传感器、超声波测距传感器、震动传感器、脚部电源模块、脚部数据传输模块分别固定在脚部穿戴辅件上；脚部穿戴辅件固定在使用者的脚部上；红外测距传感器设置在使用者的脚后跟处，用于测量使用者脚后跟与地面的距离；超声波测距传感器设置在使用者的脚掌前部，用于测量使用者的脚掌前部距离地面的距离，震动传感器设置在使用者的脚背处，用于测量使用者脚部的震动数据。脚部数据传输模块用于将红外测距传感器、超声波测距传感器、震动传感器测量到的数据发送至头部穿戴模块；脚部电源模块用于提供电源；红外测距传感器、超声波测距传感器、震动传感器分别与脚部数据传输模块连接；脚部数据传输模块与头部穿戴模块的主控制器连接；脚部电源模块分别与红外测距传感器、超声波测距传感器、震动传感器、脚部数据传输模块连接。

红外测距传感器设置在使用者的脚后跟处，用于测量使用者脚后跟与地面的距离，可以准确的测量出10cm至80cm的距离，精度为0.5cm，超声波测距传感器设置在使用者的脚掌前部，用于测量使用者的脚掌前部距离地面的距离，可以测量出2cm至450cm的距离，精度为0.2cm，震动传感器设置在使用者的脚背处，用于测量使用者脚部的震动数据，可以测量出当前脚步的震动幅度大小，精度为0.2G。通过以上传感器的数据，可以精确的判断出使用者的步伐姿态，向前行走、向后倒退、左右侧行移动以及跳跃等步伐，通过脚部数据传输模块将数据发送至头部穿戴模块中处理，如图4所示。

脚部穿戴模块中的红外测距传感器、超声波测距传感器、震动传感器将测量脚部动作的数据通过脚部数据传输模块上传至主控制器进行处理，主控制器将脚部测量数据传输至数据分析模块进行筛选分析，并将分析结果通过数据传输模块上传至上位机，上位机接收和处理脚部穿戴模块的测量数据，并进行二次分析，最终根据分析结果在计算机虚拟环境中精确呈现使用者行走、奔跑的动作状态。

上位机通过腰部数据传输模块接收腰部穿戴模块和脚部穿戴模块发送的实时姿态数据，解析出身体的站、躺、蹲与卧的姿态以及腿部的行动指向，具体步骤如下：

1、上位机在虚拟仿真环境中生成虚拟人体模型，在相应的感应姿态位置初始化生成并标记姿态节点；

2、上位机接收到的各个姿态节点数据，通过解析和计算滤波，将处理后的数据赋予至姿态节点中；

3、身体各部分的姿态节点数据还原生成后，重构整体的身体结构，使在虚拟仿真环境中还原的人体符合生理学结构；

4、重新定位人体在现实空间与虚拟空间的偏移量，完成整体的重构姿态以及重构行动指向。

上位机对腰部穿戴模块、头部穿戴模块的数据处理步骤如下：

1、头部姿态追踪传感器、腰部姿态追踪传感器实时的计算出当前姿态节点的运动与姿态数据，包括加速度数据、角速度数据、地磁力数据，并将数据统一上传至上位机进行处理；

2、上位机接收到的姿态节点数据通过滤波消除传感器误差；

3、上位机先将加速度数据处理后可得知瞬时运动方向，可以计算分析出在空间中的移动行为；

4、上位机将角速度数据处理后可知重力方向，进而计算出姿态节点相对重力垂线的俯仰、侧倾角度；

5、上位机将地磁力数据处理后可知在地球磁场范围内的姿态节点指向；

6、上位机将姿态节点的姿态追踪数据计算后，统一处理就可以完成对相应姿态节点的准确空间行为确定。

上位机对脚部穿戴模块的数据处理步骤如下：

1、红外测距传感器、超声波测距传感器、震动传感器将测量到的数据统一上传到上位机进行处理，

2、上位机获取到脚部测量数据计算后，重新赋值给虚拟环境中的姿态节点，重构出脚部的姿态；

3、上位机还原脚步姿态后，通过对步伐的分析，配合震动传感器的震动幅度大小，计算出当前的行动指向，通过步伐的轻重来调整速度。

本发明不局限于以上所述的具体实施方式，以上所述仅为本发明的较佳实施案例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种虚拟仿真环境中角色姿态与行走方向的识别系统，其特征在于：包括头部穿戴模块、腰部穿戴模块、脚部穿戴模块、上位机；所述脚部穿戴模块用于测量使用者脚部动作的数据，并将数据传输至头部穿戴模块，所述腰部穿戴模块用于测量使用者腰部动作的数据，并将数据传输至头部穿戴模块，所述头部穿戴模块用于测量使用者头部动作的数据，接收处理腰部穿戴模块、脚部穿戴模块的测量数据、测量到的头部动作数据，并将数据处理结果发送至上位机；所述上位机用于根据头部穿戴模块的数据处理结果在虚拟仿真环境中重构使用者的实时动作姿态；所述腰部穿戴模块、脚部穿戴模块分别与头部穿戴模块连接；所述头部穿戴模块与上位机连接。

2.根据权利要求1所述的一种虚拟仿真环境中角色姿态与行走方向的识别系统，其特征在于：所述头部穿戴模块包括头部姿态追踪传感器、主控制器、数据分析模块、数据传输模块、头部电源模块、头部穿戴辅件；所述头部姿态追踪传感器、主控制器、数据分析模块、数据传输模块、头部电源模块分别固定在头部穿戴辅件上；所述头部穿戴辅件固定在使用者的头部上；所述头部姿态追踪传感器用于测量头部动作的数据并将测量到的头部动作数据发送至主控制器；所述主控制器用于将接收到的头部动作数据预处理后发送至数据分析模块；所述数据分析模块用于对头部动作数据进行筛选分析，并将分析结果通过数据传输模块发送至上位机；所述头部电源模块用于提供电源；所述追踪传感器、主控制器、数据分析模块、数据传输模块依次连接；所述数据传输模块与上位机连接；所述头部电源模块分别与追踪传感器、主控制器、数据分析模块、数据传输模块连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种虚拟仿真环境中角色姿态与行走方向的识别系统，其特征在于：所述腰部穿戴模块包括腰部姿态追踪传感器、腰部电源模块、腰部数据传输模块、腰部穿戴辅件；所述腰部姿态追踪传感器、腰部电源模块、腰部数据传输模块分别固定在腰部穿戴辅件上，所述腰部穿戴辅件固定在使用者的腰部上；所述腰部姿态追踪传感器用于测量腰部动作的数据并将测量到的腰部动作数据发送至腰部数据传输模块；所述腰部数据传输模块用于将接收到的腰部动作数据发送至头部穿戴模块；所述腰部电源模块用于提供电源；所述腰部姿态追踪传感器与腰部数据传输模块连接；所述腰部数据传输模块与头部穿戴模块连接；所述腰部电源模块分别与腰部姿态追踪传感器、腰部数据传输模块连接。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种虚拟仿真环境中角色姿态与行走方向的识别系统，其特征在于：所述腰部穿戴模块与头部穿戴模块通过腰部数据传输模块连接。

5.根据权利要求1或2所述的一种虚拟仿真环境中角色姿态与行走方向的识别系统，其特征在于：所述脚部穿戴模块设置2个，分别固定在使用者的两只脚上。

6.根据权利要求1或5所述的一种虚拟仿真环境中角色姿态与行走方向的识别系统，其特征在于：所述脚部穿戴模块包括红外测距传感器、超声波测距传感器、震动传感器、脚部电源模块、脚部数据传输模块、脚部穿戴辅件；所述红外测距传感器、超声波测距传感器、震动传感器、脚部电源模块、脚部数据传输模块分别固定在脚部穿戴辅件上；所述脚部穿戴辅件固定在使用者的脚部上；所述脚部数据传输模块用于将红外测距传感器、超声波测距传感器、震动传感器测量到的数据发送至头部穿戴模块；所述脚部电源模块用于提供电源；所述红外测距传感器、超声波测距传感器、震动传感器分别与脚部数据传输模块连接；所述脚部数据传输模块与头部穿戴模块连接；所述脚部电源模块分别与红外测距传感器、超声波测距传感器、震动传感器、脚部数据传输模块连接。

7.根据权利要求6所述的一种虚拟仿真环境中角色姿态与行走方向的识别系统，其特征在于：所述红外测距传感器设置在使用者的脚后跟处，用于测量使用者脚后跟与地面的距离；所述超声波测距传感器设置在使用者的脚掌前部，用于测量使用者的脚掌前部距离地面的距离，所述震动传感器设置在使用者的脚背处，用于测量使用者脚部的震动数据。

8.根据权利要求1、5-7任一所述的一种虚拟仿真环境中角色姿态与行走方向的识别系统，其特征在于：所述脚部穿戴模块与头部穿戴模块通过脚部数据传输模块连接。