CN111803913A - 一种基于虚拟现实的冰壶运动体验与训练***及其装置 - Google Patents

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CN111803913A CN202010545293.7A CN202010545293A CN111803913A CN 111803913 A CN111803913 A CN 111803913A CN 202010545293 A CN202010545293 A CN 202010545293A CN 111803913 A CN111803913 A CN 111803913A
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Abstract

本申请公开了一种基于虚拟现实的冰壶运动体验与训练***及其装置，***包括光学***、光学接收器、冰壶计算***、场景***和虚拟现实模块，本方案采用虚拟现实技术在视觉与听觉上实现标准冰壶场地的体验，采用陆地冰壶道具在触觉上实现真实冰壶比赛的体验，并且采用光学动作捕捉***实现实时的运动数据采集与分析，用于参与者技能的实时评价与虚实联动。该***通过有机融合虚拟现实技术、陆地冰壶道具以及光学动作捕捉技术，实现了一种兼顾成本与体验的，面向初中级人群的智能沉浸仿真冰壶体验与训练***；本技术方案极大的降低了冰壶场地要求，因为不需要全长赛道，其物理赛道比陆地冰壶占地面积更小，对场地要求更低。

Description

一种基于虚拟现实的冰壶运动体验与训练***及其装置
技术领域
本申请涉及虚拟现实中的数据采集应用技术领域，具体而言，涉及一种基于虚拟现实的冰壶运动体验与训练***及其装置。
背景技术
冰壶运动被称为“冰上围棋”，其对场地以及用具的要求高，而场地建设和维护成本高，用具昂贵。因此，如何降低冰壶运动参与的场地要求以及师资要求，为初中级体验者参与冰壶运动提供智能服务支撑，最终打造冰壶运动趣味性、沉浸式体验与训练场景，兼顾成本与体验，让群众能参与、爱参与，最终提升人民群众冰雪运动的参与度是一个需要解决的问题。
中国冰壶协会推出的基于仿真冰板的陆地冰壶运动虽然部分解决了场地要求高的问题，但一方面与标准冰壶体验在场地大小、冰壶真实轨迹上还有较大差距，另一方面，缺乏相关的智能服务支撑，需要教练员的实时参与，对教练员的要求高，同时无法提供量化评价与反馈，因此不适合针对群众的冰壶运动普及、推广与商业化。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种基于虚拟现实的冰壶运动体验与训练***及其装置，以解决目前的问题。
为了实现上述目的，本申请提供了如下技术：
本发明第一方面在于提供一种基于虚拟现实的冰壶运动体验与训练***，包括：
虚拟现实模块：用以为参与者提供基于真冰的国际赛事标准冰壶场馆的场景，接管参与者的视觉和听觉，同时实时跟踪参与者在三维空间的实时位置，形成位置、时间的序列数据；序列数据被计算形成运动信息后同步到虚拟现实中，用于驱动虚拟现实中对应的虚拟形象，实现虚实对应；
光学***：用以捕捉参与者所需的肢体以及球体的运动实时数据，其上设有带有编号的光源点，光源点发出红外光而发送所述的运动实时数据；
光学接收器：用以捕获并接收所述光学***发出的红外光，实时跟踪其在三维空间的实时位置，形成位置、时间的序列数据，根据红外光运动实时数据而形成基于时间序列的光学***的空间数据集；该空间数据集被计算形成运动信息后同步到虚拟现实中，用于数据记录以及驱动虚拟现实中的冰壶球，实现虚实对应；
冰壶计算***：将光学接收器收集到的序列数据基于真实物理规则进行仿真运算与分析，形成的人体以及冰壶的速度、轨迹和旋转运动数据，并传递给场景***，用于驱动虚拟场景，或者根据当前的冰壶任务情景，形成对参与者完成情况的量化的实时分数与评价；
场景***：用以根据来自冰壶计算***的运动数据，实时为参与者生成第一人称的视觉和听觉的虚拟任务场景，并通过虚拟现实头显传递给参与者；参与者完成任务后，场景***结合任务要求，根据运动数据对参与者完成情况进行量化评价；
光学***通过光信号连接光学接收器，光学接收器电性连接冰壶计算***，冰壶计算***电性连接场景***，场景***电性连虚拟现实模块。
进一步地，在场景***中：
场景***实时为参与者生成第一人称的视觉和听觉的虚拟任务场景，并通过虚拟现实头显传递给参与者；当有多名参与者时，场景***也负责多名参与者之间的信息同步。
进一步地，还包括：
POE通信器：用以接收并传输光学接收器的空间数据集到冰壶计算***，并将冰壶计算***的运动数据传输到场景***。
进一步地，POE通信器包括电性连接的POE网线和POE交换机，POE 网线电性连接光学接收器，POE交换机电性连接冰壶计算***和场景***。
本发明提出的基于虚拟现实的冰壶运动体验与训练***采用虚拟现实技术在视觉与听觉上实现基于真冰的标准冰壶场地的体验，采用陆地冰壶道具在触觉上实现真实冰壶比赛的体验，并且采用光学动作捕捉***实现实时的运动数据采集与分析，用于参与者技能的实时评价与虚实联动。该***通过有机融合虚拟现实技术、陆地冰壶道具以及光学动作捕捉技术，实现了一种兼顾成本与体验的，面向初中级人群的智能沉浸仿真冰壶体验与训练***。
本发明第二方面在于提供一种基于虚拟现实的冰壶运动体验与训练装置，包括冰壶运动体验与训练体系，冰壶运动体验与训练体系用以安装上述所述的基于虚拟现实的冰壶运动体验与训练***。
进一步地，冰壶运动体验与训练体系包括冰壶球、可穿戴设备、搭建衍架和赛道，赛道后方为掷壶区，掷壶区左右分别为第一非掷壶人员等待区和第二非掷壶人员等待区，搭建衍架位于赛道正上方，光学接收器安装于搭建衍架上，光学***分别安装于冰壶球球盖上和可穿戴设备上。
进一步地，赛道前方设有拦截区域8，赛道左右方设有连通拦截区域的滑道。
进一步地，搭建衍架的安装尺寸为：长宽≥5.0×5.0m，高度≥3.5m；光学接收器于搭建衍架上对应赛道均匀安装，光学接收器的安装数量至少八个。
进一步地，光学***内设有八个带编号的光源点，每个光源点至少对应连接三个光学接收器。
进一步地，可穿戴设备包括穿戴件和虚拟现实头显，光学***分别安装于穿戴件和虚拟现实头显上，穿戴件穿戴在参与者的双手手腕和腰部。
与现有技术相比较，本申请能够带来如下技术效果：
1、本方案采用虚拟现实技术在视觉与听觉上实现基于真冰的标准冰壶场地的体验，采用陆地冰壶道具在触觉上实现真实冰壶比赛的体验，并且采用光学动作捕捉***实现实时的运动数据采集与分析，用于参与者技能的实时评价与虚实联动。该***通过有机融合虚拟现实技术、陆地冰壶道具以及光学动作捕捉技术，实现了一种兼顾成本与体验的，面向初中级人群的智能沉浸仿真冰壶体验与训练***；
2、本技术方案极大的降低了冰壶场地要求，因为不需要全长赛道，其物理赛道比陆地冰壶占地面积更小，对场地要求更低；同时，该本技术方案在视觉、听觉和触觉上实现了无论在场地大小、冰壶真实轨迹上几乎与基于真冰的标准冰壶一致的体验，另外，***利用运动数据对参与者进行实时的量化评价与反馈，极大减少了对教练员的需求，非常适合针对群众的冰壶运动普及、推广与商业化；
3、本技术方案具有良好的扩展性，只需要对虚拟现实软件部分进行场景的扩充和修改就能适合不同人群不同目的冰壶体验与训练需求。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是本发明基于虚拟现实的冰壶运动体验与训练***的组成结构示意图；
图2是本发明POE通信器的组成结构示意图；
图3是本发明基于虚拟现实的冰壶运动体验与训练装置的实施示意图；
图中：1、虚拟现实头显，2、手腕，3、腰部，4、滑道，5、第一非掷壶人员等待区，6、第二非掷壶人员等待区，7、赛道，8、拦截区域，9、光学接收器，10、冰壶球，11、掷壶区，12、搭建衍架。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例1
本发明第一方面在于提供一种基于虚拟现实的冰壶运动体验与训练***，包括：
虚拟现实模块：用以为参与者提供基于真冰的国际赛事标准冰壶场馆的场景，接管参与者的视觉和听觉，同时实时跟踪参与者在三维空间的实时位置，形成位置、时间的序列数据；序列数据被计算形成运动信息后同步到虚拟现实中，用于驱动虚拟现实中对应的虚拟形象，实现虚实对应；
光学***：用以捕捉参与者所需的肢体以及球体的运动实时数据，其上设有带有编号的光源点，光源点发出红外光而发送所述的运动实时数据；
光学接收器：用以捕获并接收所述光学***发出的红外光，实时跟踪其在三维空间的实时位置，形成位置、时间的序列数据，根据红外光运动实时数据而形成基于时间序列的光学***的空间数据集；该空间数据集被计算形成运动信息后同步到虚拟现实中，用于数据记录以及驱动虚拟现实中的冰壶球，实现虚实对应；
冰壶计算***：将光学接收器9收集到的序列数据进行基于真实物理规则的仿真运算与分析，形成的人体以及冰壶的速度、轨迹和旋转运动数据，并传递给场景***，用于驱动虚拟场景，或者根据当前的冰壶任务情景，形成对参与者完成情况的量化的实时分数与评价；
场景***：用以根据来自冰壶计算***的运动数据，实时为参与者生成第一人称的视觉和听觉的虚拟任务场景，并通过虚拟现实头显传递给参与者；参与者完成任务后，场景***结合任务要求，根据运动数据对参与者完成情况进行量化评价；
场景***包含由专业冰壶人员设计的各种冰壶体验与训练的任务场景，在运行时，场景***根据来自计算***的运动数据，实时为每位参与者生成第一人称的视觉和听觉的虚拟任务场景，并通过虚拟现实头显传递给参与者。参与者完成任务后，场景***结合任务要求，根据运动数据对参与者完成情况进行量化评价。
光学***通过光信号连接光学接收器9，光学接收器9电性连接冰壶计算***，冰壶计算***电性连接场景***，场景***电性连虚拟现实模块；
上述除了光学接收器9捕捉光学***的光信号外，其他***之间可以通过有线或者无线进行连接，具体可以采用包括不限于蓝牙、4G通信模块、数据线在内的通信方式。
本发明提出的基于虚拟现实的冰壶运动体验与训练***采用虚拟现实技术在视觉与听觉上实现标准冰壶场地的体验，采用陆地冰壶道具在触觉上实现真实冰壶比赛的体验，并且采用光学动作捕捉***实现实时的运动数据采集与分析，用于参与者技能的实时评价与虚实联动。
该***通过有机融合虚拟现实技术、陆地冰壶道具以及光学动作捕捉技术，实现了一种兼顾成本与体验的，面向初中级人群的智能沉浸仿真冰壶体验与训练***。
进一步地，在场景***中：
场景***实时为参与者生成第一人称的视觉和听觉的虚拟任务场景，并通过虚拟现实头显传递给参与者；当有多名参与者时，场景***也负责多名参与者之间的信息同步。
本***可以实现一个或一个以上的冰壶参与者进行虚拟现实交互训练，因此，在通过本***进行冰壶运动体验与训练时，具体灵活调整***的外设、项目实施方位，即可调整***参数。
进一步地，还包括：
POE通信器：用以接收并传输光学接收器的空间数据集到冰壶计算***，并将冰壶计算***的运动数据传输到场景***。POE通信器采用有线网络进行信息数据的传递，进行数据的端口输入输出，包括信息的压缩、装换、预处理操作。
进一步地，POE通信器包括电性连接的POE网线和POE交换机，POE 网线电性连接光学接收器，POE交换机电性连接冰壶计算***和场景***。
本技术使用时，当冰壶训练体系中的场地、搭建衍架以及光学接收器安装完毕后，首先进行光学标定，将物理采集空间中的陆地冰壶赛道的精准位置以及尺寸信息通过标定的方式录入计算***，并校准光学接收器。该步骤只用在部署时进行一次。标定完成后，穿戴光学***的运动员即可进行冰壶训练，因为每个***有八个带编号的光源点，而每个光源点可以保证至少有三个光学接收器同时接收，所以可以实时计算出***的空间位置信息以及***的三维空间姿态，光学接收器每秒采集120次，采集精度不低于1cm，从而形成基于时间序列的光学***的空间数据集。
光学接收器通过POE网线、POE交换机与计算***连接，实时提供采集的运动数据，计算***根据事前的场地校准数据，以及***的实时数据进行计算，从而获得所需的肢体以及球体的运动轨迹、旋转方向、旋转速度等实时数据。该数据集在计算***中，会被计算成为实时位置、实时速度、实时方向、与实时旋转速度与方向，因为每个***有自己独立的编号，计算***可以区分不同的***，根据***的安装位置，从而还原出肢体以及球体的运动轨迹、旋转方向、旋转速度等实时数据。又因为，计算***在校准时有完整的陆地冰壶赛道数据，又可以计算出冰壶球在赛道的具***置，从而获得冰壶球离营垒中心距离等实时数据。
本技术方案采集的数据可以为运动员的训练提供精确的参考指标，从而实现可监测、可量化可持续改进的高效训练手段，结合特定的媒体展现手段，也可以用于群众冰壶运动的实时反馈，有效普及和推广冰壶运动。
如附图3所示，
本发明第二方面在于提供一种基于虚拟现实的冰壶运动体验与训练装置，包括冰壶运动体验与训练体系，冰壶运动体验与训练体系用以安装上述所述的基于虚拟现实的冰壶运动体验与训练***。
进一步地，冰壶运动体验与训练体系包括冰壶球10、可穿戴设备、搭建衍架12和赛道7，赛道7后方为掷壶区11，掷壶区11左右分别为第一非掷壶人员等待区5和第二非掷壶人员等待区6，搭建衍架12位于赛道7正上方，光学接收器9安装于搭建衍架12上，光学***分别安装于冰壶球10球盖上和可穿戴设备上。搭建衍架12为钢架结构或者铝合金或者其他材料，采用悬空安装，离地三到五米即可，要保证光学接收器9能够接受的光信号处于接受范围内，光学接收器9常规安装于搭建衍架12上即可。
冰壶球10绑定光学***，可供光学接收器9实时跟踪其在三维空间的实时位置，形成位置、时间的序列数据，该数据被计算形成运动信息后同步到虚拟现实中，用于数据记录以及驱动虚拟现实中的冰壶球，实现虚实对应。当参与者去抓取虚拟现实场景中的冰壶球时，就能真实抓取到物理存在的冰壶球，从而在触觉上实现真实冰壶比赛的体验。
本发明采用定制的陆地冰壶赛道7，其外形为一个T形，其大小可以根据实际情况定制，5m*5m为较为理想的大小，T的竖线宽度，也即冰壶滑动区域，宽度要求至少2m，参与者在掷壶区11区域投掷冰壶；其他非当前掷壶的参与者在第一非掷壶人员等待区5和第二非掷壶人员等待区6区域等待掷壶；赛道7的物理位置信息在安装时通过标定的方式录入***，实现与虚拟现实中赛道的对应关系。
因为参与者的视觉和听觉由虚拟现实***接管，冰壶球出手以后，其运动轨迹经过计算以后，在虚拟现实中按照真实冰面物理特性计算生成，所以物理赛道不需要全长赛道，冰壶球在图一中8所示区域被拦截，通过人工或者自动装置，送到两边的滑道4，滑道有一定坡度，自行回到起点区域。
进一步地，赛道7前方设有拦截区域8，赛道7左右方设有连通拦截区域 8的滑道4。冰壶球10到达拦截区域8即行停止，从赛道7左右方设有连通拦截区域8的滑道4到达第一非掷壶人员等待区5和第二非掷壶人员等待区6，便于下一轮参与者进行参与训练。
进一步地，搭建衍架7的安装尺寸为：长宽≥5.0×5.0m，高度≥3.5m；光学接收器9于搭建衍架12上对应赛道7均匀安装，光学接收器9的安装数量至少八个。如附图3所示，本处采用最小的赛道尺寸，采取最小值进行安装。
进一步地，光学***内设有八个带编号的光源点，每个光源点至少对应连接三个光学接收器9。
进一步地，可穿戴设备包括穿戴件和虚拟现实头显1，光学***分别安装于穿戴件和虚拟现实头显1上，穿戴件穿戴在参与者的双手手腕2和腰部3。虚拟现实头显1可以运行场景***下达的任务命令，场景***根据来自计算***的运动数据，实时为每位参与者生成第一人称的视觉和听觉的虚拟任务场景，并通过虚拟现实头显传递给参与者。
具体使用时，一名或者多名参与者戴上可不受限移动的虚拟现实头显参与运动，虚拟现实中为国际赛事标准冰壶场馆的场景，从而在视觉和听觉上让参与者实现标准冰壶场地的体验。参与者的头部与虚拟现实头显结合、双手腕部以及腰部佩戴光学***，可供光学接收器9实时跟踪其在三维空间的实时位置，形成位置、时间的序列数据，该数据被计算形成运动信息后同步到虚拟现实中，用于驱动虚拟现实中对应的虚拟形象，实现虚实对应。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于虚拟现实的冰壶运动体验与训练***，其特征在于，包括：
虚拟现实模块：用以为参与者提供基于真冰的国际赛事标准冰壶场馆的场景，接管参与者的视觉和听觉，同时实时跟踪参与者在三维空间的实时位置，形成位置、时间的序列数据；序列数据被计算形成运动信息后同步到虚拟现实中，用于驱动虚拟现实中对应的虚拟形象，实现虚实对应；
光学***：用以捕捉参与者所需的肢体以及球体的运动实时数据，其上设有带有编号的光源点，光源点利用红外光而发送所述的运动实时数据；
光学接收器(9)：用以捕获并接收所述光学***发出的红外光，实时跟踪其在三维空间的实时位置，形成位置、时间的序列数据，根据红外光运动实时数据而形成基于时间序列的光学***的空间数据集；该空间数据集被计算形成运动信息后同步到虚拟现实中，用于数据记录以及驱动虚拟现实中的冰壶球，实现虚实对应；
冰壶计算***：将光学接收器(9)收集到的序列数据基于真实物理规则的仿真进行运算与分析，形成的人体以及冰壶的速度、轨迹和旋转运动数据，并传递给场景***，用于驱动虚拟场景，或者根据当前的冰壶任务情景，形成对参与者完成情况的量化的实时分数与评价；
场景***：用以根据来自冰壶计算***的运动数据，实时为参与者生成第一人称的视觉和听觉的虚拟任务场景，并通过虚拟现实头显传递给参与者；参与者完成任务后，场景***结合任务要求，根据运动数据对参与者完成情况进行量化评价；
光学***通过光信号连接光学接收器(9)，光学接收器(9)电性连接冰壶计算***，冰壶计算***电性连接场景***，场景***电性连虚拟现实模块。
2.如权利要求1所述的一种基于虚拟现实的冰壶运动体验与训练***，其特征在于，在场景***中：
场景***实时为参与者生成第一人称的视觉和听觉的虚拟任务场景，并通过虚拟现实头显传递给参与者；在有多名参与者时，场景***同时负责多名参与者之间的信息同步。
3.如权利要求1或2所述的一种基于虚拟现实的冰壶运动体验与训练***，其特征在于，还包括：
POE通信器：用以接收并传输光学接收器的空间数据集到冰壶计算***，并将冰壶计算***的运动数据传输到场景***。
4.如权利要求3所述的一种基于虚拟现实的冰壶运动体验与训练***，其特征在于，POE通信器包括电性连接的POE网线和POE交换机，POE网线电性连接光学接收器，POE交换机电性连接冰壶计算***和场景***。
5.一种基于虚拟现实的冰壶运动体验与训练装置，其特征在于，包括冰壶运动体验与训练体系，冰壶运动体验与训练体系用以安装上述权利要求1-4任一所述的基于虚拟现实的冰壶运动体验与训练***。
6.如权利要求5所述的一种基于虚拟现实的冰壶运动体验与训练装置，其特征在于，冰壶运动体验与训练体系包括冰壶球(10)、可穿戴设备、搭建衍架(12)和赛道(7)，赛道(7)后方为掷壶区(11)，掷壶区(11)左右分别为第一非掷壶人员等待区(5)和第二非掷壶人员等待区(6)，搭建衍架(12)位于赛道(7)正上方，光学接收器(9)安装于搭建衍架(12)上，光学***分别安装于冰壶球(10)球盖上和可穿戴设备上。
7.如权利要求6所述的一种基于虚拟现实的冰壶运动体验与训练装置，其特征在于，赛道(7)前方设有拦截区域(8)，赛道(7)左右方设有连通拦截区域(8)的滑道(4)。
8.如权利要求6或7所述的一种基于虚拟现实的冰壶运动体验与训练装置，其特征在于，搭建衍架(7)的安装尺寸为：长宽≥5.0×5.0m，高度≥3.5m；光学接收器(9)于搭建衍架(12)上对应赛道(7)均匀安装，光学接收器(9)的安装数量至少八个。
9.如权利要求8所述的一种基于虚拟现实的冰壶运动体验与训练装置，其特征在于，光学***内设有八个带编号的光源点，每个光源点至少对应连接三个光学接收器(9)。
10.如权利要求8所述的一种基于虚拟现实的冰壶运动体验与训练装置，其特征在于，可穿戴设备包括穿戴件和虚拟现实头显(1)，光学***分别安装于穿戴件和虚拟现实头显(1)上，穿戴件穿戴在参与者的双手手腕(2)和腰部(3)。
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