CN112957726B - 一种虚拟运动场景的交互控制方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种虚拟运动场景的交互控制方法和装置，解决在虚拟现实跑步机的场景漫游中缺少运动方向的合理控制手段的技术问题。方法包括：通过胸部姿态变化获取转向意图；持续量化所述转向意图形成转向数据；场景摄像机根据所述转向数据同步视角方向。利用捕捉胸部姿态获得特定运动姿态的变化量测量基准。胸骨姿态的变化具有变化位置和变化偏移量的范围相对较窄的特征优势，有利于通过非接触传感器在确定范围内精确捕捉，充分消除了附加传感器对运动者运动状态造成的干扰和变形，使得运动者更容易沉浸在虚拟场景画面中，提高主观感受。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟现实技术领域，具体涉及一种虚拟运动场景的交互控制方法和装置。
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，虚拟现实跑步机多采用以下方式控制虚拟场景漫游：1)沿固定程序播放。目前传统跑步机为了增加娱乐性，设计了三维动画场景，但由于缺乏交互控制手段，只能根据跑步速度、距离及时间顺序播放，不能实现漫游，交互性较差；2)遥控器控制。早期虚拟现实跑步机设计了遥控器，让运动者在跑步过程中握在手中，边跑边操作，以实现跑步机的速度及虚拟场景的漫游控制。这种方式限制了手的姿势，破坏了跑步者的整体平衡性，造成了运动过程中的不适感，长时间使用会增加误操作的概率；3)依靠捆绑传感器控制。目前一些全方向虚拟现实跑步机采用人体上肢捆绑传感器的方式获取场景漫游交互信息，这种方式限制了跑步者运动自由，偏重游戏娱乐，无法满足跑步机用于身体锻炼这一核心功能需求。
发明内容
鉴于上述问题，本发明实施例提供一种虚拟运动场景的交互控制方法和装置，解决在虚拟现实跑步机的场景漫游中缺少运动方向的合理控制手段的技术问题。
本发明实施例的虚拟运动场景的交互控制方法，包括：
通过胸部姿态变化获取转向意图；
持续量化所述转向意图形成转向数据；
场景摄像机根据所述转向数据同步视角方向。
本发明实施例的虚拟运动场景的交互控制装置，包括：
存储器，用于存储上述的虚拟运动场景的交互控制方法处理过程对应的程序代码；
处理器，用于执行上述的虚拟运动场景的交互控制方法处理过程对应的程序代码。
本发明实施例的虚拟运动场景的交互控制装置，包括：
姿态采集模块，用于通过胸部姿态变化获取转向意图；
数据转换模块，用于持续量化所述转向意图形成转向数据；
数据执行模块，用于场景摄像机根据所述转向数据同步视角方向。
本发明实施例的本发明实施例的虚拟运动场景的交互控制方法和装置利用捕捉胸部姿态获得特定运动姿态的变化量测量基准。胸骨姿态的变化具有变化位置和变化偏移量的范围相对较窄的特征优势，有利于通过非接触传感器在确定范围内精确捕捉，充分消除了附加传感器对运动者运动状态造成的干扰和变形，使得运动者更容易沉浸在虚拟场景画面中，提高主观感受。进一步，还可以在虚拟场景画面中以第三人称视角体现运动者运动状态，使运动者以三维动画人物形象自由漫游于虚拟场景，基于网络与其他运动者进行语言和动作交流，使其更加容易利用虚拟场景沉浸感来克服跑步机锻炼过程中枯燥乏味的感受。
附图说明
图1所示为本发明一实施例虚拟运动场景的交互控制方法的流程图。
图2所示为本发明一实施例虚拟运动场景的交互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运动场景的交互控制方法如图1所示。在图1中，本实施例包括：
步骤100：通过胸部姿态变化获取转向意图。
本技术方案根据生理学基础，结合多类型采集信号的运动仿真过程，创造性确定人体运动扭转动作中与步伐驱动转向动作最匹配的骨骼位置是胸骨。用作姿态捕捉的胸部是指的胸廓中与肋软骨相连接的胸骨部分，胸骨包括通过软骨相结合的胸骨柄、胸骨体和剑突。胸部姿态可以通过三维坐标空间中的姿态表征，通过动作捕捉确定胸骨位置，利用胸骨姿态确定胸部姿态。转向意图是胸骨姿态发生瞬间变化时的基本判断。通过捕捉胸骨姿态的改变形成步伐驱动的转向动作的转向意图。
步骤200：持续量化转向意图形成转向数据。
通过对胸骨姿态的持续性捕捉可以建立时序性的瞬间转向意图和对应的胸骨姿态数据，通过对胸骨姿态数据中角度信息的进一步处理可以形成具体量化的步伐驱动的转向动作的转向数据。
步骤300：场景摄像机根据转向数据同步视角方向。
场景摄像机形成场景画面的主要控制参数包括机位、视角方向和视角角度。转向数据主要包括水平面内的转动角度数据。根据虚拟场景与实体跑步机的机电控制逻辑，不排除反映地形起伏状态下的俯仰转动角度数据。根据转动角度数据实时调节场景摄像机的控制参数形成与实体跑步机上运动者姿态适应的场景画面变化。
本发明实施例的虚拟运动场景的交互控制方法利用捕捉胸骨姿态获得特定运动姿态的变化量测量基准。胸骨姿态的变化具有变化位置和变化偏移量的范围相对较窄的特征优势，有利于通过非接触传感器在确定范围内精确捕捉，充分消除了附加传感器对运动者运动状态造成的干扰和变形，使得运动者更容易沉浸在虚拟场景画面中，提高主观感受。进一步，还可以在虚拟场景画面中以第三人称视角体现运动者运动状态，使运动者以三维动画人物形象自由漫游于虚拟场景，基于网络与其他运动者进行语言和动作交流，使其更加容易利用虚拟场景沉浸感来克服跑步机锻炼过程中枯燥乏味的感受。
如图1所示，在本发明一实施例中，步骤100包括：
步骤110：通过非接触传感器获取运动者的基本参照点。
非接触传感器包括但不限于红外传感器、超声波传感器和射频传感器等，可以优选具有AI光学影像处理机制、TOF机制或点云机制的Kinect体感设备或光学处理性能的移动终端。基本参照点由预置算法根据传感器采集信号进行判断确定。基本参照点包括各活动关节，通过预置算法可以确定活动关节的基准点和活动关节的移动范围。例如，以肩关节作为基准参照点。
步骤120：根据基本参照点形成胸部关节。
本技术方案创造性发明胸骨可以作为胸廓的定位基准，例如根据胸廓投影和肩关节的对称位置，通过肩关节连线确定人体中线中胸骨的基准点，进而确定遮蔽或非遮蔽的胸骨确定空间坐标范围。利用胸骨确定空间坐标范围和确定空间坐标范围内的传感器信号特征图谱形成本技术方案中定义的胸部特征。胸骨根据生理构成特征具有确定长度和可标识的立体轮廓，可以利用胸骨区域特征进一步划分胸部关节结构特征，增强胸部姿态的特征维度。
步骤130：对胸部关节进行动作捕捉判断转向意图。
可以通过顶部的柄位置、底部的剑突位置和体长三个特征形成胸部关节的姿态描述数据。在本发明一实施例中，将时间片段两端的姿态描述数据通过仿射变换矩阵处理可以量化形变差异，将时间片段两端的姿态描述数据通过偏移矩阵处理可以量化形变差异胸骨基点的偏移矢量，将时间片段两端的姿态描述数据通过空间姿态转换矩阵可以量化姿态差异。通过变形差异和偏移矢量形成位置姿态差异的补偿，可以获得胸骨表征的胸部姿态的瞬时转向意图的姿态矩阵。
本发明实施例的虚拟运动场景的交互控制方法以创造性的生理特征表征为基础，根据确定关节间的限定属性确定胸骨位置、形状和姿态。并通过对胸骨的姿态描述数据进行空间运算获得转向意图的姿态矩阵，获得胸部姿态变化的基本数据分析信息。
如图1所示，在本发明一实施例中，步骤200包括：
步骤210：对转向意图的姿态矩阵进行转向方向的矢量分解，获得水平面内的瞬时水平转向矢量。
转向意图的姿态矩阵表征的是三维空间内的一个复合矢量，需要针对Z轴进行分解形成水平转向矢量。
步骤220：对转向意图的姿态矩阵进行转向方向的矢量分解，获得竖直面内的瞬时俯仰转向矢量。
转向意图的姿态矩阵表征的是三维空间内的一个复合矢量，需要针对X轴进行分解形成俯仰转向矢量。
步骤230：对单位时长内的瞬时水平转向矢量进行积累后进行坐标系变换形成水平转向数据。
单位时长内瞬时水平转向矢量的积累需要进行平滑处理。可以采用对瞬时水平转向矢量的高维分量进行滤波，形成矢量变化角度较缓和的连续矢量，经坐标系(例如向极坐标系)变换后形成单位时长内水平转向角度数据。
步骤240：对对应单位时长内的瞬时俯仰转向矢量进行积累形成俯仰转向数据。
单位时长内瞬时水平转向矢量的积累需要进行平滑处理。可以采用对瞬时水平转向矢量的高维分量进行滤波，形成矢量变化角度较缓和的连续矢量，经坐标系(例如向极坐标系)变换后形成单位时长内俯仰转向角度数据。
本发明实施例的虚拟运动场景的交互控制方法利用姿态矩阵进行矢量分解和矢量积累形成至少一个方向的转动数据，保证了在运动者运动误差感知范围内形成的实时转动数据。
如图1所示，在本发明一实施例中，步骤300包括：
步骤310：对应转向数据的单位时长，利用转向数据同步调整场景摄像机的水平视角方向。
步骤320：对应转向数据的单位时长，利用转向数据同步调整场景摄像机的俯仰视角方向。
在本发明一实施例中，单位时长为200毫秒至350毫秒，非接触传感器信号采集形成基本参照点以用于后续数据处理形成转向意图的时间间隔为30毫秒至100毫秒。
本发明实施例的虚拟运动场景的交互控制方法在单位时长内相应运动者转动动作，实时调整视角方向，形成运动者动作-判断转向-控制场景视角-反馈运动着的闭环人机交互控制过程，可以实现交互响应效率100％，交互响应实时性99％。
本发明一实施例虚拟运动场景的交互控制装置，包括：
存储器，用于存储上述实施例的虚拟运动场景的交互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的虚拟运动场景的交互控制方法处理过程对应的程序代码。
处理器可以采用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运动场景的交互控制装置如图2所示。在图2中，本实施例包括：
姿态采集模块10，用于通过胸部姿态变化获取转向意图；
数据转换模块20，用于持续量化转向意图形成转向数据；
数据执行模块30，用于场景摄像机根据转向数据同步视角方向。
如图2所示，在本发明一实施例中，姿态采集模块10包括：
参照形成单元11，用于通过非接触传感器获取运动者的基本参照点；
胸部形成单元12，用于根据基本参照点形成胸部关节；
意图形成单元13，用于对胸部关节进行动作捕捉判断转向意图。
如图2所示，在本发明一实施例中，数据转换模块20包括：
水平矢量分解单元21，用于对转向意图的姿态矩阵进行转向方向的矢量分解，获得水平面内的瞬时水平转向矢量；
俯仰矢量形成单元22，用于对转向意图的姿态矩阵进行转向方向的矢量分解，获得竖直面内的瞬时俯仰转向矢量；
水平转向形成单元23，用于对单位时长内的瞬时水平转向矢量进行积累后进行坐标系变换形成水平转向数据；
俯仰转向形成单元24，用于对对应单位时长内的瞬时俯仰转向矢量进行积累形成俯仰转向数据。
如图2所示，在本发明一实施例中，数据执行模块30包括：
水平方向驱动单元31，用于对应转向数据的单位时长，利用转向数据同步调整场景摄像机的水平视角方向；
俯仰方向驱动单元32，用于对应转向数据的单位时长，利用转向数据同步调整场景摄像机的俯仰视角方向。
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 (7)
1.一种虚拟运动场景的交互控制方法，其特征在于，包括：
通过胸部姿态变化获取转向意图；
持续量化所述转向意图形成转向数据；
场景摄像机根据所述转向数据同步视角方向；
所述通过胸部姿态变化获取转向意图包括：
通过非接触传感器获取运动者的基本参照点；
根据所述基本参照点形成胸部关节；
对所述胸部关节进行动作捕捉判断转向意图；
所述持续量化所述转向意图形成转向数据包括：
对所述转向意图的姿态矩阵进行转向方向的矢量分解，获得水平面内的瞬时水平转向矢量；
对单位时长内的所述瞬时水平转向矢量进行积累后进行坐标系变换形成水平转向数据；
对所述转向意图的姿态矩阵进行转向方向的矢量分解，获得竖直面内的瞬时俯仰转向矢量；
对对应单位时长内的所述瞬时俯仰转向矢量进行积累形成俯仰转向数据。
2.如权利要求1所述的虚拟运动场景的交互控制方法，其特征在于，所述场景摄像机根据所述转向数据同步视角方向包括：
对应所述转向数据的单位时长，利用所述转向数据同步调整所述场景摄像机的水平视角方向，和/或俯仰视角方向。
3.如权利要求1所述的虚拟运动场景的交互控制方法，其特征在于，所述转向意图的时间间隔为30毫秒至100毫秒。
4.如权利要求1所述的虚拟运动场景的交互控制方法，其特征在于，所述胸部姿态通过胸骨姿态形成。
5.如权利要求1所述的虚拟运动场景的交互控制方法，其特征在于，所述胸部姿态的信号采集采用非接触传感器。
6.一种虚拟运动场景的交互控制装置，其特征在于，包括：
存储器，用于存储如权利要求1至5任一所述的虚拟运动场景的交互控制方法处理过程对应的程序代码；
处理器，用于执行如权利要求1至5任一所述的虚拟运动场景的交互控制方法处理过程对应的程序代码。
7.一种虚拟运动场景的交互控制装置，其特征在于，包括：
姿态采集模块，用于通过胸部姿态变化获取转向意图；
数据转换模块，用于持续量化所述转向意图形成转向数据；
数据执行模块，用于场景摄像机根据所述转向数据同步视角方向；
所述姿态采集模块包括：
参照形成单元，用于通过非接触传感器获取运动者的基本参照点；
胸部形成单元，用于根据所述基本参照点形成胸部关节；
意图形成单元，用于对所述胸部关节进行动作捕捉判断转向意图；
所述数据转换模块包括：
水平矢量分解单元，用于对所述转向意图的姿态矩阵进行转向方向的矢量分解，获得水平面内的瞬时水平转向矢量；
俯仰矢量形成单元，用于对单位时长内的所述瞬时水平转向矢量进行积累后进行坐标系变换形成水平转向数据；
水平转向形成单元，用于对所述转向意图的姿态矩阵进行转向方向的矢量分解，获得竖直面内的瞬时俯仰转向矢量；
俯仰转向形成单元，用于对对应单位时长内的所述瞬时俯仰转向矢量进行积累形成俯仰转向数据。
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