適用于大眾健身的VR眼鏡應(yīng)用研究

韓學(xué)輝 許棉 邵鈞屹 梁喜慶 蔣志豪

摘要：當(dāng)代社會人們的物質(zhì)生活豐富，在吃飽穿暖的基本生活狀態(tài)下，健康的身體被越來越多的人所追求，健身逐漸走到大眾的視野之中。如果將VR技術(shù)和運(yùn)動健身結(jié)合起來，發(fā)展成一種有益的VR健身眼鏡將會受到大家的歡迎。這項(xiàng)基于VR技術(shù)的運(yùn)動健身是指通過特定的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備對虛擬的健身場景在用戶的腦內(nèi)還原，并以此達(dá)到在特定場景中鍛煉的技術(shù)，同時(shí)基于VR的虛擬健身可針對當(dāng)前大眾普遍存在的運(yùn)動不足狀況進(jìn)行有效地改善，改善人們因?yàn)闀r(shí)間地點(diǎn)問題不能去健身房鍛煉，VR眼鏡可以激發(fā)人們的運(yùn)動熱情，增強(qiáng)人民體質(zhì)。

關(guān)鍵詞：虛擬技術(shù)（VR）;健身;健身場景

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）36-0126-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

所謂虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，就是我們常說的VR技術(shù)，是起源于20世紀(jì)80年代的一種新興的實(shí)用性技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融合了計(jì)算機(jī)、電子信息和仿真技術(shù)，它的基本實(shí)現(xiàn)方式是計(jì)算機(jī)模擬虛擬環(huán)境，近距離給人一種浸入環(huán)境的感覺。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有巨大的市場發(fā)展前景，隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的科技含量提高，許多產(chǎn)品都需要通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提高其產(chǎn)品科技含量，使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究成為當(dāng)今行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方面。

在多媒體領(lǐng)域中，虛擬技術(shù)是比較先進(jìn)的技術(shù)，這種技術(shù)利用了許多高科技手段，包括三維模型建模技術(shù)、動態(tài)感知技術(shù)、3D顯示技術(shù)、前端應(yīng)用開發(fā)技術(shù)、系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)、動畫設(shè)計(jì)技術(shù)等。這些技術(shù)的充分使用能夠增強(qiáng)多媒體技術(shù)開發(fā)的功能，使創(chuàng)作的人物和界面更加真實(shí)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)包括真實(shí)性、互動性、開放性。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心內(nèi)容之一就是實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境的構(gòu)建，如何讓大眾能夠身臨其境是關(guān)鍵。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以利用已有的真實(shí)場景的數(shù)據(jù)，結(jié)合觀眾的體驗(yàn)，打造更為真實(shí)的虛擬環(huán)境模型。而SW是一種可以用來獲取場景數(shù)據(jù)的不錯(cuò)的軟件，但是在真實(shí)的場景中情況往往比較復(fù)雜，需要借助于三維建模技術(shù)，并結(jié)合SW獲取最可靠的場景數(shù)據(jù)。

1 研究背景

VR，中文意為虛擬現(xiàn)實(shí)，又稱精神技術(shù)或人工環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)的概念最早于20世紀(jì)80年代被提出，其具體含義指為了實(shí)現(xiàn)更好的人機(jī)交互而采用的計(jì)算機(jī)輔助和先進(jìn)的傳感技術(shù)。這種技術(shù)旨在為用戶建立一個(gè)能夠滿足全身各種感官需要的三維的真實(shí)場景，用戶可以通過自己的視覺、聽覺和觸覺等感受到真實(shí)的體驗(yàn)，而這些都是建立在計(jì)算機(jī)模擬仿真的場景基礎(chǔ)上的。

當(dāng)今新一輪的科技革命即將展開帷幕，這次革命勢必以互聯(lián)網(wǎng)為中心，同時(shí)充分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和人工智能的優(yōu)勢，將網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)放在主要發(fā)展地位，力求推動改變?nèi)藗內(nèi)粘Ｉ罘绞健．?dāng)然這次革命需要全世界人民的支持和各國政府的努力，發(fā)揮政府管理的職能，預(yù)估可能出現(xiàn)的負(fù)面影響，并將其風(fēng)險(xiǎn)保持到較低的水平。各國都高度重視人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等前沿科技，發(fā)改委也提出要重點(diǎn)發(fā)展國家 AR/VR工程技術(shù)。

在網(wǎng)絡(luò)快速傳播的大環(huán)境下，人們通過短視頻、社交軟件和網(wǎng)站科普視頻等形式接受到的體育健身理念越來越多;同時(shí)，“人魚線”“閃電腰”“鎖骨養(yǎng)魚”等熱點(diǎn)話題也越來越受到潮流的影響，人民群眾也越來越重視體育活動和健身。但是新一代的消費(fèi)群體已經(jīng)形成，年輕人更加重視精神消費(fèi)，物質(zhì)消費(fèi)已經(jīng)不是時(shí)代的主流。全民健身的潮流逐漸滲透到我們?nèi)粘Ｉ钪?，而科技含量高的VR健身技術(shù)更能滿足年輕用戶對科技感和愉快體驗(yàn)的需要。

2 VR眼鏡的實(shí)現(xiàn)

2.1 VR眼睛的基本原理

Oculus Rift及PlayStation VR等頭戴式可視設(shè)備，通用的做法都是要有一個(gè)頭戴式的顯示器。即使沒有聲音或者手部追蹤，放在面前的這個(gè)GOOGLE Cardboard里的智能手機(jī)足夠可以使用戶得到一種半沉浸式的虛擬世界。這些硬件的目標(biāo)就是創(chuàng)造出一種跟真實(shí)世界中一樣的效果。說到3D的無邊界顯示的視覺環(huán)境，使用者通常會和電視或者電腦屏幕聯(lián)系到一起。因此不管用戶怎么去看，架在用戶頭上的這臺設(shè)備一直跟蹤著用戶。這里就跟AR將整個(gè)真實(shí)世界的圖像包圍用戶有所區(qū)別。以HTC的Vive及Rift為例，他們都是通過高清的數(shù)據(jù)連接線，平臺或者電腦將視頻內(nèi)容輸送到頭戴設(shè)備顯示屏。而Google的Cardboard及最新版的Daydream頭戴設(shè)備，三星的Gear VR，他們都是將智能手機(jī)插入到頭戴設(shè)備中。

通過將數(shù)字或模擬信號輸入到一塊單片機(jī)中或者兩個(gè)發(fā)光二極管進(jìn)行顯示，用戶可以利用VR設(shè)備感受到真實(shí)體驗(yàn)，但這種設(shè)備之所以被稱為眼睛，就是因?yàn)橛脩艉推聊恢g有一段距離，這段距離中有一個(gè)鏡片，而且鏡片的位置可以根據(jù)需要靈活調(diào)節(jié)。

VR頭戴設(shè)備增加沉浸感的一個(gè)重要的方式就是擴(kuò)展視野范圍。但是考慮到人體人機(jī)學(xué)原理，頭戴設(shè)備沒有必要滿足全方位的旋轉(zhuǎn)需求。更多的高端設(shè)備是取100到110度之間的可視范圍，這對于迷惑眼睛來說，足夠了。為了使得頭戴設(shè)備能夠足以欺騙人腦感知的圖像，使用者把最小的幀速率設(shè)定為60幀每秒刷新率，這樣才能夠避免延遲或者眩暈感。

2.2 頭部追蹤

當(dāng)用戶頭戴一款VR設(shè)備時(shí)，要想做到頭部追蹤就要根據(jù)用戶頭部的移動調(diào)整場景。使用者選擇了6DoF（Six Degrees of Freedom）。這套設(shè)備使用了三位坐標(biāo)系感知技術(shù)，將用戶的頭部移動轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)系的變化。實(shí)現(xiàn)這種追蹤的是一系列的元件，包括平衡儀、陀螺儀和速度計(jì)，可以感知用戶頭部的移動。同樣，使用者也在眼鏡上用到了9顆LED燈，輔以PS4上的攝像頭監(jiān)視提供360頭部追蹤，Oculus也有20顆燈，但是它們不如9顆LED燈的更有標(biāo)識度。為了實(shí)現(xiàn)頭部追蹤技術(shù)必須降低延遲——使用者說的低延遲是50 ms或更低，才能讓使用者在轉(zhuǎn)頭或者VR環(huán)境改變時(shí)候，感覺不到畫面的延遲。Oculus Rift使這種設(shè)備的延遲降低到了人的感受閾值以外，所以很難感受到。所以使用者把延遲降低到了35 ms。

最后，為了使用戶有沉浸式體驗(yàn)可以戴上耳機(jī)。雙耳或3D音頻可以被用在應(yīng)用和游戲中去，與頭部追蹤技術(shù)塊應(yīng)用，給予穿戴者以臨場音效從不同的方向傳播過來的感覺。所以使用者選擇了雙耳耳機(jī)來搭配VE健身眼鏡。

2.3 動作追蹤

但是為了提高用戶的體驗(yàn)，許多VR領(lǐng)域的研究人員還在努力研究動作追蹤功能。當(dāng)用戶穿戴了VR設(shè)備后，最想觀察的首先是自己，看看自己的身體在虛擬世界中的面貌。使用者用Kinect2攝像頭做了一些追蹤全身動作的實(shí)驗(yàn)。用戶用到了來自O(shè)culus、Valve和Sony的輸入設(shè)備。最終的選擇是Oculus Touch。設(shè)計(jì)這套產(chǎn)品是為了使用戶在虛擬環(huán)境中能充分利用自己的身體。比如，在箭類娛樂中，用戶可以通過觸發(fā)按鈕使箭射出去。這樣能讓使用者更好地體驗(yàn)到健身動作以及虛擬健身教練的指導(dǎo)。

2.4 眼部追蹤

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最重要的一部分是眼部追蹤。其技術(shù)原理類似于普通的凸透鏡，如果有平行光線通過凸透鏡，光線就會匯聚到凸透鏡后面一個(gè)點(diǎn)，就是焦點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)與凸透鏡中心之間的距離稱作焦距。物體發(fā)出的光線如果不超過焦距，其圖像是一個(gè)放大的虛像。如果超過焦距，但是距離不是很遠(yuǎn)，就會呈現(xiàn)出一個(gè)倒立的實(shí)像。當(dāng)物體距離凸透鏡超過焦距的一定倍數(shù)時(shí)，圖像就會逐漸縮小。當(dāng)用戶使用凸透鏡時(shí)，眼睛距離凸透鏡不超過焦距，就能看到放大的物體的虛像，當(dāng)視線逐漸遠(yuǎn)離凸透鏡時(shí)，看到的圖像就會變大。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是通過這種方式形成圖像，所以用戶在不同的距離有不同的感受。

通過在虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡中安裝紅外線傳感器，可以感知用戶的視線停留在哪個(gè)地方。除了能夠讓用戶明確地辨別方向之外，它可以提高用戶體驗(yàn)的真實(shí)感。在一般的VR穿戴設(shè)備中，看上去的感覺有些模糊，跟在現(xiàn)實(shí)中觀察到的事物有區(qū)別。通常我們在看遠(yuǎn)處的物體時(shí)，由于注意力都在遠(yuǎn)處，所以不怎么關(guān)注近處的物體，看到的就不怎么清楚。將這種感受模擬到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，可以使模擬環(huán)境更加真實(shí)。如果沒有考慮到這一點(diǎn)，則模擬的場景不符合實(shí)際，很容易被用戶通過視覺感受出來。

3 VR技術(shù)應(yīng)用于健身領(lǐng)域的優(yōu)勢及其功能

在當(dāng)代社會來說，對大多數(shù)人來說，追求并保持體形，保持健康，是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。而且對一部分新的健身愛好者來說，大多數(shù)人會認(rèn)為，到健身房是一次令人筋疲力盡的艱苦經(jīng)歷，時(shí)間長了很辛苦，鍛煉就顯得單調(diào)乏味，健身似乎總是和乏味聯(lián)系在一起。但VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，能使健身增加趣味性，改善健身本身的乏味感，能讓人享受快樂健身。

3.1 沉浸感與交互感

利用 VR高度的沉浸感，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和各種健身器材的結(jié)合，健身不再局限于健身房，當(dāng)用戶跑步時(shí)，帶上 VR虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，便可漫步于羅馬斗獸場，觀賞異域風(fēng)光，當(dāng)人心情愉快時(shí)，鍛煉后的疲勞感自然消失。借助于 VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，健身空間將無限擴(kuò)大，健身者可以在不同地區(qū)自由穿梭，觀賞世界名山大川。有別于傳統(tǒng)健身，人們可以打羽毛球、網(wǎng)球、跳繩等自己喜歡的運(yùn)動，使自己更加積極主動，增加健身的樂趣。

這一沉浸式技術(shù)使 VR成為現(xiàn)實(shí)，這也是 VR產(chǎn)業(yè)突然間風(fēng)起云涌的原因。不管是電視還是電腦，都無法帶給用戶如此真實(shí)的感覺，即使是最好的 PC游戲畫面，恐怕也比不上旁邊一條藍(lán)鯨讓人心潮澎湃（HTC VIVE深海體驗(yàn)場景中曾有類似畫面）。

3.2 指導(dǎo)性與自主性

為了鍛煉心肺功能，可以參與很多有氧運(yùn)動，比如慢跑、乒乓球、太極拳等。健美操的好處很多：可以鍛煉心肺，增強(qiáng)循環(huán)功能，燃燒脂肪，增加肺活量，降低血壓，甚至可以預(yù)防糖尿病，減少心臟病的發(fā)生。美國體育學(xué)院建議，要了解有氧運(yùn)動強(qiáng)度是否合適，可以在運(yùn)動后測試心率，以達(dá)到最大心率60%～90%。若要通過有氧運(yùn)動減肥，可選擇低至中等強(qiáng)度的運(yùn)動，同時(shí)延長運(yùn)動時(shí)間，此方法消耗的熱量較多，運(yùn)動頻率每周3～5次，每次20～60分鐘為最佳。

而且在 VR健身眼鏡里，配上專業(yè)的虛擬教練，讓虛擬教練來指導(dǎo)健身，能讓大眾自主地進(jìn)行科學(xué)的鍛煉，學(xué)會正確的姿勢，更準(zhǔn)確地完成科學(xué)的運(yùn)動目標(biāo)，同時(shí)還能享受一對一的訓(xùn)練，這也降低了健身的成本，讓健身不再成為一種不想健身的人望而卻步的運(yùn)動。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)健康公司 YUR發(fā)布的 Oculus Quest測試版，它提供的信息顯示，應(yīng)用程序可以跟蹤熱量。這個(gè)軟件能讓用戶像往常一樣，在玩游戲的過程中攝取用戶消耗的總熱量。了解了用戶運(yùn)動數(shù)據(jù)后，可以做出更加合理的指導(dǎo)。

3.3 社交性與包容性

查閱大量的文獻(xiàn)資料后可以了解到健身房氛圍濃郁的;原因有兩個(gè)：首先是健身房人數(shù)比較多，參與健身的積極性強(qiáng);其次是在健身房可以獲得別人的鼓勵。而3Glasses與VirZOOM合作，帶來社交VR健身和競技體育。據(jù)了解，3Glasses還在環(huán)球資源展上帶來VirZOOM最新內(nèi)容和玩法，包括7種游戲和11種場景，支持多人聯(lián)機(jī)健身，帶來社交VR運(yùn)動體驗(yàn)。

這使得VR健身擺脫單獨(dú)位于一個(gè)空間健身的孤獨(dú)及無法與人更好地交流的局面，打破傳統(tǒng)健身無法更好交流的局限性，被譽(yù)為“肥宅救星”。

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【通聯(lián)編輯：李雅琪】