CN112933551A - 一种虚拟现实跑步机的地形匹配控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种虚拟现实跑步机的地形匹配控制方法和装置，解决现有跑步机在虚拟现实场景中对运动地形模拟缺少有效地形匹配手段的技术问题。方法包括通过地形数据量化形成虚拟场景中地面对象的高度数据；通过虚拟场景中的速度变化确定当前地面对象，根据当前地面对象的高度数据调节跑步机的相对坡度。利用地面对象的真实高度特征作为反馈，避免了实体跑步机运行时需要频繁使用人机交互手段修正支撑驱动电机的高度输出以表达高度特征。同时，使得对步带坡度的控制过程形成自动反馈，基于自动反馈使优化人机交互过程、简化传感器设置成为可能。进一步，利用自动反馈过程可以针对运动者的生理特征主动进行运动量的调整，实现科学运动健身。

Description

一种虚拟现实跑步机的地形匹配控制方法和装置

技术领域

本发明涉及虚拟现实技术领域，具体涉及一种虚拟现实跑步机的地形匹配控制方法和装置。

背景技术

现有技术中，虚拟现实跑步机将虚拟现实、网络传输、动作捕捉、多媒体等计算机技术引入传统跑步机，通过漫游虚拟场景和网络交流来克服跑步运动过程中的单调乏味体验。目前，跑步者在虚拟场景中漫游时的地形起伏控制是通过控制传统跑步机调节跑步机平台坡度的升降电机，升降电机调节一般采用手动控制及按时间程序控制这两种方式，存在以下问题：1)控制不灵活。无法在跑步过程中在不干扰运动状态下选取适合的交互控制途径平稳地控制跑步机平台坡度；2)体验不好。控制程序调节平台坡度这一过程未实现与跑步过程中的虚拟场景中地形特征变换同步，对运动者来说无法预知，调节具有一定的突然性和强迫性；3)控制方式固化。出厂后平台坡度控制程序与虚拟现实跑步线路已经固化，很难修改，无法为使用者量身定制适合锻炼目标的虚拟跑步健身方案。

发明内容

鉴于上述问题，本发明实施例提供一种虚拟现实跑步机的地形匹配控制方法和装置，解决现有跑步机在虚拟现实场景中对运动地形模拟缺少有效地形匹配手段的技术问题。

本发明实施例的虚拟现实跑步机的地形匹配控制方法，包括：

通过地形数据量化形成虚拟场景中地面对象的高度数据；

通过所述虚拟场景中的速度变化确定当前地面对象，根据所述当前地面对象的所述高度数据调节跑步机的相对坡度。

本发明实施例的虚拟现实跑步机的地形匹配控制装置，包括：

存储器，用于存储上述的虚拟现实跑步机的地形匹配控制方法处理过程对应的程序代码；

处理器，用于执行所述程序代码。

本发明实施例的虚拟现实跑步机的地形匹配控制装置，包括：

赋值模块，用于通过地形量化数据形成地面对象的高度数据；

驱动模块，用于通过虚拟场景中的速度变化确定当前地面对象，根据所述当前地面对象的所述高度数据调节跑步机的相对坡度。

本发明实施例的虚拟现实跑步机的地形匹配控制方法和装置在实体跑步机采用工况信号控制虚拟场景合成过程的同时，利用地面对象的真实高度特征作为反馈，主动影响实体跑步机运行时的部分工况。避免了实体跑步机运行时需要频繁使用人机交互手段修正支撑驱动电机的高度输出以表达高度特征。同时，使得对步带坡度的控制过程形成自动反馈，基于自动反馈使优化人机交互过程、简化传感器设置成为可能，可以实现虚拟现实跑步机运动方案与虚拟场景间更复杂多变的融合效果。进一步，利用自动反馈过程可以针对运动者的生理特征主动进行运动量的调整，实现科学运动健身。

附图说明

图1所示为本发明一实施例虚拟现实跑步机的地形匹配控制方法的流程示意图。

图2所示为本发明一实施例虚拟现实跑步机的地形匹配控制装置的架构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅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。

本发明一实施例虚拟现实跑步机的地形匹配控制方法如图1所示。在图1中，本实施例包括：

步骤100：通过地形数据量化形成虚拟场景中地面对象的高度数据。

本领域技术人员可以理解，虚拟场景中的虚拟对象可以受控在视场中生成、消失和移动，进而在虚拟场景中根据受控状态形成主观视角和客观视角的运动状态表达。针对现实跑步机的虚拟场景，实体跑步机运行时步带驱动电机、支撑驱动电机和运动方向传感器等的工况信号可以形成虚拟场景合成时的控制过程。

利用客观空间对应地形的高度信息为虚拟场景中虚拟地形的地面对象建立高度特征，形成地面对象的量化高度，使得虚拟地形任意局部地面的高度状态实现独立特征表达。

地形数据量化保证了虚拟地形的客观真实性，使得虚拟场景的坐标空间可以利用真实地形数据快速形成真实地形的仿真效果，保证视觉感受。高度数据可以是真实地形的标称数据，也可以是真实地形标称值间的增量数据，也可以是真实地形标称值间的变化率数据。

步骤200：通过虚拟场景中的速度变化确定当前地面对象，根据当前地面对象的高度数据调节跑步机的相对坡度。

本领域技术人员可以理解，受实体跑步机工况信号控制处于受控状态的虚拟场景存在反映步带转动速率和反映传感器方向的状态参数。通过状态参数的转换可以确定虚拟场景中视场起点的二维空间坐标，进而获得对应的当前地面对象，可以理解为支撑重心足迹的地面对象。通过将当前地面对象的高度数据即时反馈实体跑步机改变支撑驱动电机的当前支撑高度可以适时调整步带的坡度，形成运行过程中步带与虚拟场景地形相匹配的坡度体现。

本发明实施例的虚拟现实跑步机的地形匹配控制方法在实体跑步机采用工况信号控制虚拟场景合成过程的同时，利用地面对象的真实高度特征作为反馈，主动影响实体跑步机运行时的部分工况。避免了实体跑步机运行时需要频繁使用人机交互手段修正支撑驱动电机的高度输出以表达高度特征。同时，使得对步带坡度的控制过程形成自动反馈，基于自动反馈使优化人机交互过程、简化传感器设置成为可能，可以实现虚拟现实跑步机运动方案与虚拟场景间更复杂多变的融合效果。进一步，利用自动反馈过程可以针对运动者的生理特征主动进行运动量的调整，实现科学运动健身。

如图1所示，在本发明一实施例中，步骤100中，地形数据量化的过程包括：

步骤110：形成地形量化数据结构。

地形数据是一系列数据集合，原始地形数据可以是地理信息系统中的高程图层或与高程涂层相关的专业图层。需要形成专用的地形量化数据结构过滤现有原始地形数据获得必要的类型数据，并将类型数据结构化。

步骤120：在地面对象的对象数据结构中映射地形量化数据结构。

本领域技术人员可以理解，虚拟场景存在对象集合索引和对象实例的属性数据结构，每个地面对象具有与对象索引关联的属性数据结构。利用地形量化数据结构扩展地面对象的属性数据结构可以形成地面对象新的描述维度。

步骤130：通过地形量化数据结构将高度数据与地面对象匹配。

数据结构的连接使得高度数据可以作为对象属性存储，与对象匹配，可以利用属性的读写工具批量完成和更新。

本发明实施例的虚拟现实跑步机的地形匹配控制方法通过数据结构连接形成高度数据的对象植入，在离散的地面对象间形成了高度量化参数，有利于协调对象相互关联性的批量调整和获取。

如图1所示，在本发明一实施例中，步骤110中，形成地形量化数据结构的过程包括：

步骤140：形成对象标识存储器，存储地面对象的系统标识。

对象标识存储器作为对特定地面对象进行识别的系统标识进行存储，通过虚拟场景分配的对象系统标识形成数据结构间的匹配连接。

步骤150：形成高度定义存储器，存储地面对象的预设高度数据。

高度定义存储器对预设高度数据进行存储，预设高度数据可以是根据实际地形信息或根据规划地形信息形成。预设高度数据至少包括绝对高度、相对高度和高度变化率中的一种。

本发明实施例的虚拟现实跑步机的地形匹配控制方法通过建立对象标识存储和高度定义存储，将关于高度特征的多样性表达数据进行统一存储，使得通过高度特征可以获得地形的额外维度描述。

如图1所示，在本发明一实施例中，步骤110中，形成地形量化数据结构的过程还包括：

步骤160：形成对象类型存储器，存储地面对象的类型化的物理质地属性。

本领域技术人员可以理解，现实中地形的地质特点存在差异，通过将地质差异量化可以形成地质特点的多维度描述。例如可以采用一维数组形成以下存储器结构：

{地质类型，亚类型系数，硬度系数，弹性系数，组成颗粒密集度系数}

通过一维数组定义每个地面对象的物理质地属性，反映真实或期望的地形地质。

步骤170：形成变化阈值存储器，存储预设高度变化的容忍阈值。

容忍阈值可以是范围端值、离散值集合或变化比率等。

本发明实施例的虚拟现实跑步机的地形匹配控制方法通过对象类型和容忍阈值的定义数据赋予地面对象和高度数据更丰富的单一特征描述维度，使得隐含于现实环境中的真实特征可以有效量化和匹配在虚拟场景中，提高仿真真实性。

如图1所示，在本发明一实施例中，步骤200中，根据当前地面对象的高度数据调节跑步机的相对坡度的过程包括：

步骤210：确定抵达当前地面对象前在临近地面对象时的临近速率。

本领域技术人员可以理解，临近速率通常是在到达当前地面对象前的离开临近地面对象时的即时速度的速率部分。通常是足迹离开临近地面对象时的速率。

步骤220：确定抵达当前地面对象时的当前速率。

本领域技术人员可以理解，当前速率是通常是在到达当前地面对象时的的即时速度的速率部分。通常是足迹接触当前地面对象时的速率。

步骤230：根据当前地面对象与临近地面对象的高度数据形成当前相对坡度。

当前相对坡度是即时值，可以是作为一个常数，也可以是循环计算过程中根据确定条件形成的一次即时值。

步骤240：根据当前速率和临近速率的量化差值建立跑步机形成当前相对坡度的调节数据。

本领域技术人员可以理解，速率差值可以定量分析速率变化。根据量化差值设置形成调节数据使支撑驱动电机执行到位的设定时长，满足支撑驱动电机工况尽量平顺变化的同时保证适应速率变化的坡度响应。

本发明实施例的虚拟现实跑步机的地形匹配控制方法利用速率差异形成机电控制指令达到当前相对坡度目标，即可以实现控制目的又可以保证实体设备的可用性，有效降低维护成本的同时改进响应效果。

如图1所示，在本发明一实施例中，步骤200中，调节跑步机的相对坡度的过程还包括：

步骤250：确定临近地面对象的类型。

步骤260：确定当前地面对象的类型。

步骤270：根据临近地面对象和当前地面对象的类型差异形成质地变化率。

类型差异可以通过地质特点的多维度描述比较形成。利用预置的PID(比例、积分和微分)算法处理类型差异可以形成与支撑驱动电机调节数据相关的质地变化率。质地变化率反映了现实环境中不同地址类型对膝关节的冲击影响。

步骤280：根据质地变化率在质地初始接触时长内对当前相对坡度进行坡度修正。

质地初始接触时长是足迹接触当前地面对象的起始时长。在质地初始接触时长内利用质地变化率成比例修正计算出的当前相对坡度，可以有效模拟不同类型地质间变化的体感感受。

本发明实施例的虚拟现实跑步机的地形匹配控制方法通过引入质地变化率实现对现实环境下软硬度差异的准确仿真，满足了运动者的主观感受，有利于提升虚拟运动品质。

如图1所示，在本发明一实施例中，步骤200中，调节跑步机的相对坡度的过程还包括：

步骤290：根据心肺数据形成权重数据，在运动过程中通过权重数据比例调节当前相对坡度。

本发明实施例的虚拟现实跑步机的地形匹配控制方法根据审理数据比例调节当前相对坡度可以控制膝关节受力大小及运动者心率范围，为科学跑步健身提供重要手段。

如图1所示，在本发明一实施例中，步骤200中，调节跑步机的相对坡度的过程还包括：

步骤300：根据当前地面对象周围区域内地面对象的一致性，设置周围区域内地面对象的高度数据的随机变化幅值。

随机变化幅值处于容忍阈值范围内。

本发明实施例的虚拟现实跑步机的地形匹配控制方法利用随机变化幅值仿真现实环境下平坦路面的非显著起伏，避免运动者由于生理感受器惰性丢失沉浸式体感感受。满足了运动者的主观感受，有利于提升虚拟运动品质。

本发明一实施例虚拟现实跑步机的地形匹配控制装置，包括：

存储器，用于存储上述实施例虚拟现实跑步机的地形匹配控制方法处理过程对应的程序代码；

处理器，用于执行上述实施例虚拟现实跑步机的地形匹配控制方法处理过程对应的程序代码。

理器可以采用DSP(Digital Signal Processor)数字信号处理器、FPGA(Field-Programmable Gate Array)现场可编程门阵列、MCU(Microcontroller Unit)系统板、SoC(system on a chip)系统板或包括I/O的PLC(Programmable Logic Controller)最小系统。

本发明一实施例虚拟现实跑步机的地形匹配控制装置如图2所示。在图2中，本实施例包括：

赋值模块10，用于通过地形数据量化形成虚拟场景中地面对象的高度数据；

驱动模块20，用于通过虚拟场景中的速度变化确定当前地面对象，根据当前地面对象的高度数据调节跑步机的相对坡度。

如图2所示，在本发明一实施例中，赋值模块10包括：

数据结构化模块11，用于形成地形量化数据结构；

结构映射模块12，用于在地面对象的对象数据结构中映射地形量化数据结构；

数据匹配模块13，用于通过地形量化数据结构将高度数据与地面对象匹配。

如图2所示，在本发明一实施例中，数据结构化模块11包括：

标识形成单元14，用于形成对象标识存储器，存储地面对象的系统标识；

高度形成单元15，用于形成高度定义存储器，存储地面对象的预设高度数据。

如图2所示，在本发明一实施例中，数据结构化模块11还包括：

类型形成单元16，用于形成对象类型存储器，存储地面对象的类型化的物理质地属性；

阈值形成单元17，用于形成变化阈值存储器，存储预设高度变化的容忍阈值。

如图2所示，在本发明一实施例中，驱动模块20包括：

临近速率标定单元21，用于确定抵达当前地面对象前在临近地面对象时的临近速率；

当前速率标定单元22，用于确定抵达当前地面对象时的当前速率；

坡度标定单元23，用于根据当前地面对象与临近地面对象的高度数据形成当前相对坡度；

指令设置单元24，用于根据当前速率和临近速率的量化差值建立跑步机形成当前相对坡度的调节数据。

如图2所示，在本发明一实施例中，驱动模块20还包括：

第一识别单元25，用于确定临近地面对象的类型；

第二识别单元26，用于确定当前地面对象的类型；

差异量化单元27，用于根据临近地面对象和当前地面对象的类型差异形成质地变化率；

地质仿真单元28，用于根据质地变化率在质地初始接触时长内对当前相对坡度进行坡度修正。

如图2所示，在本发明一实施例中，驱动模块20还包括：

体质仿真单元29，用于根据心肺数据形成权重数据，在运动过程中通过权重数据比例调节当前相对坡度。

如图2所示，在本发明一实施例中，驱动模块20还包括：

地表仿真单元30，用于根据当前地面对象周围区域内地面对象的一致性，设置周围区域内地面对象的高度数据的随机变化幅值。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种虚拟现实跑步机的地形匹配控制方法，其特征在于，包括：

通过地形数据量化形成虚拟场景中地面对象的高度数据；

通过所述虚拟场景中的速度变化确定当前地面对象，根据所述当前地面对象的所述高度数据调节跑步机的相对坡度。

2.如权利要求1所述的虚拟现实跑步机的地形匹配控制方法，其特征在于，所述地形数据量化包括：

形成地形量化数据结构；

在所述地面对象的对象数据结构中映射所述地形量化数据结构；

通过所述地形量化数据结构将高度数据与所述地面对象匹配。

3.如权利要求2所述的虚拟现实跑步机的地形匹配控制方法，其特征在于，所述形成地形量化数据结构包括：

形成对象标识存储器，存储所述地面对象的系统标识；

形成高度定义存储器，存储所述地面对象的预设高度数据。

4.如权利要求3所述的虚拟现实跑步机的地形匹配控制方法，其特征在于，+还包括：

形成对象类型存储器，存储所述地面对象的类型化的物理质地属性；

形成变化阈值存储器，存储所述预设高度的变化容忍阈值。

5.如权利要求1所述的虚拟现实跑步机的地形匹配控制方法，其特征在于，所述根据所述当前地面对象的所述高度数据调节跑步机的相对坡度包括：

确定抵达所述当前地面对象前在临近地面对象时的临近速率；

确定抵达所述当前地面对象时的当前速率；

根据所述当前地面对象与所述临近地面对象的高度数据形成当前相对坡度；

根据当前速率和临近速率的量化差值建立跑步机形成当前相对坡度的调节数据。

6.如权利要求5所述的虚拟现实跑步机的地形匹配控制方法，其特征在于，还包括：

确定所述临近地面对象的类型；

确定所述当前地面对象的类型；

根据所述临近地面对象和所述当前地面对象的类型差异形成质地变化率；

根据质地变化率在质地初始接触时长内对所述当前相对坡度进行坡度修正。

7.如权利要求5所述的虚拟现实跑步机的地形匹配控制方法，其特征在于，还包括：

根据心肺数据形成权重数据，通过权重数据比例调节所述当前相对坡度。

8.如权利要求5所述的虚拟现实跑步机的地形匹配控制方法，其特征在于，所述根据所述当前地面对象的所述高度数据调节跑步机的相对坡度包括：

根据所述当前地面对象周围区域内所述地面对象的一致性，设置周围区域内所述地面对象的所述高度数据的随机变化幅值。

9.一种虚拟现实跑步机的地形匹配控制装置，其特征在于，包括：

存储器，用于存储如权利要求1至8任一所述的虚拟现实跑步机的地形匹配控制方法处理过程对应的程序代码；

处理器，用于执行所述程序代码。

10.一种虚拟现实跑步机的地形匹配控制装置，其特征在于，包括：

赋值模块，用于通过地形量化数据形成地面对象的高度数据；

驱动模块，用于通过虚拟场景中的速度变化确定当前地面对象，根据所述当前地面对象的所述高度数据调节跑步机的相对坡度。

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