智能交互式在线跑步平台
摘 要交互式在线跑步平台是以促进用户健身跑步运动的体感游戏设备。体感游戏（Motion Sensing Game）是用身体去感受的电子游戏的统称。目前，随着虚拟现实技术和人机交互技术的发展，体感游戏的功能效用日渐丰富。同时，相关软硬件设备成本的降低也使得体感游戏越来越倾向于平民化，家庭化。体感游戏其成本和其硬件设备紧密关联。相比价格昂贵的专业级体感设备，交互式在线跑步平台采用深度相机扫描的方式，通过采集手势和骨骼位置信息，结合虚拟现实技术和部分传感器设备，将用户的行为实时反馈给计算机，并通过计算机的处理，将数据返回至用户穿戴的头戴式显示设备。通过头戴式设备，用户可以沉浸式地对周围环境进行漫游，并做出相应的交互。本文对平台的功能和实现进行了介绍。在介绍顺序上，首先，本文将以在相对宏观的角度，对该平台运用的关键技术，如虚拟现实、人机交互的目前的国内外发展进行介绍。接下来，本文将在虚拟现实设计，体感游戏控制器原理和人机交互的设计上进行更加详细的探讨。本文利用Unity3D作为三维场景搭建的主要平台，从软件工程设计的开发流程出发，叙述软件系统的开发流程。然后，本文以虚拟现实眼镜作为外设叙述了虚拟现实眼镜的工作原理和利用其进行开发的流程，以及和传统游戏开发的区别。之后，本文提出了适用于体感游戏设计的输入控制实现的两种方法，一为通过深度相机Kinect对用户肢体信息实时采集数据对人体的实现，另一种为结合AVR单片机或Arduino微控制器来进行体感游戏控制或使用移动智能终端进行体感游戏控制的开发，详细介绍了人机交互以及利用无线通信的实用方法。最后，本文对智能交互式在线跑步平台更多可能的交互功能提出了设计方案和实现方法的探讨，包括多人在线平台的搭建，结合语音识别技术的实现以及健康监测系统。
目录
摘 要 I
Abstract II
目录 IV
第1章 绪论 1
1.1 课题目的和意义 1
1.2 国内外体感游戏现状及趋势 2
1.3 国内外虚拟现实技术发展现状及趋势 3
1.4 国内外人机交互技术发展现状及趋势 4
1.5 研究工作和主要内容 5
第2章 跑步平台的软件部分构建 6
2.1 总体方案设计和分析 6
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
2.2 具体功能需求分析 9
2.2.1 虚拟现实部分具体功能分析 9
2.2.2 人机交互系统具体功能分析 10
2.3虚拟现实部分设计 11
2.3.1 三维场景搭建与人物控制实现 11
2.3.2 逻辑架构设计与实现 14
2.4接口设计 19
第3章 虚拟现实眼镜结合实现 20
3.1 虚拟现实眼镜开发平台构建 20
3.2 左右分屏视角的实现概述 23
3.3 利用陀螺仪获取旋转信息 24
第4章 采用Kinect的平台实现 26
4.1 Kinect深度相机简述 26
4.2 Kinect环境搭建 27
4.3 运动交互的逻辑分析 30
4.4 针对Kinect运动识别的优化处理 30
第5章 采用Arduino的控制器设计与实现 32
5.1 Arduino微控制器概述 32
5.2 使用Arduino进行脚步运动检测 33
5.3 与软件平台数据通信设计 35
5.4 关于提升稳定性的方案 38
5.5 与相关平台的对比 38
第6章 跑步平台的交互设计扩展 40
6.1 多人在线平台搭建与通信实现方案 40
6.2 语音识别交互实现方案 44
6.3 利用健康检测的实现方案 45
第7章 总结与展望 46
7.1 工作总结 46
7.2 研究展望 48
参考文献 49
附录1 攻读学士学位期间主要实践创新工作与成果 52
附录2 英文文献翻译 63
第1章 绪论
1.1 课题目的和意义
随着生活节奏的逐渐加快，人们的在业余生活方面也有了更多的需求。同时，随着相关技术的提高和软硬件设备成本的降低，各式各样的娱乐设备越来越多地进入人们的视野。体感游戏作为一种新颖的娱乐方式，越来越多的被各个年龄段的人所接纳并认可。
体感游戏作为是电子游戏的类型之一，与传统的电子游戏有较大区别[1]。体感游戏一般并不使用鼠标，键盘等传统的输入外设，取代的是利用功能繁多的输入设备来捕获用户的肢体动作。通过将用户的肢体动作作为游戏的输入信号，从而来达到利用肢体控制游戏的目的。相对普通游戏而言，体感游戏能带给用户更好的代入感。此外，输入方式的改变也使得游戏本身更增添了独特的乐趣。
相比普通的电子游戏而言，体感游戏在一般要求使用者使用全身或身体的一部分来操纵游戏，这一特点使得体感游戏与个人健身塑形有密不可分的联系。作为一个辅助用户运动，促进用户锻炼的新型方式，体感游戏将运动健身融合在有趣的游戏内容中。在帮助用户健身的同时，也有助于用户缓解心里压力。
目前，由于相关软硬件技术的不断更新和发展，体感游戏的操纵和体验也越来越丰富。随着图形学领域虚拟现实技术的不断发展，目前有越来越多高效的游戏引擎可以供开发者选择，这使得体感游戏从游戏内容的层面上有了大的提升。在游戏操作方式和种类上，不仅有越来越多的新型游戏在市场上出现，体感游戏的操纵设备也越来越多。如，用于第一人称游戏的头戴式显示仪Google VR Glasses，用于捕捉肢体动作的深度相机Kinect，用于检测重力和旋转的Wii控制器。其中一部分设备也会在本项目中出现。
在提倡现代人绿色生活，健康生活，促进锻炼，减压方面，本课题有较大的意义。此外，本课题针对于体感游戏的体成本实现进行了探索，在虚拟现实的应用和人机交互的结合上作出了一定程度的尝试，因此，也具有相关的实践和研究价值。
1.2 国内外体感游戏现状及趋势
目前，国外体感游戏的市场已经有了不少产品和应用。例如，由任天堂公司发布的应用于电视的游戏机Wii，微软开发的XBox游戏机，索尼的PS各个系列等。在国内，目前也有一些游戏平台。爱动，17Wii，以及有体感控制功能的机顶盒，智能电视等目前均提供了体感游戏功能[2]。在相应的平台，体感游戏都有较多的应用。图1列出了目前主流的几款体感游戏控制设备。
图 1 目前主流的几款体感游戏控制设备
下面，本文将对几个代表平台进行简要介绍。
（1）Wii平台
Wii平台是由日本任天堂推出的一款家庭游戏主机。Wii 的发音类似于We，强调该平台适应于各个年龄段。其控制器的独特设计使得用户可以通过肢体来对游戏进行控制。
（2）PlayStation Move平台
该平台是索尼的第一代体感设备。它使用了PlayStation3 USB摄像机，通过摄像机对人物的动作进行捕捉。在辨别度上，其不仅可以准确识别用户上下左右的动作，还可以对手腕的角度变化进行识别。对于快速活动和微小的运动，PS Move都提供了较好的识别能力。
XBox360 Kinect
Kinect作为XBox360 的外设，提供了捕获用户肢体数据的能力。Kinect本质为深度相机，它可以获取空间深度数据，并通过对这些深度数据的处理来捕获用户的各个关节信息。本文将在第四章以该设备为范例，对开发过程进行详细介绍。
目前，随着软硬件平台相关技术的不断发展，体感游戏的平台也呈现多元化趋势。在主机平台上，随着显卡制造水平的进一步提升，体感游戏在画面上的表现水平进一步提高。此外，随着与虚拟现实、增强现实等技术的更加紧密的结合，游戏内容和操作方式将会更加具有吸引力。同时，针对移动平台，随着目前移动设备性能的提升，移动设备上的体感游戏也会越来越多。
目录
摘 要 I
Abstract II
目录 IV
第1章 绪论 1
1.1 课题目的和意义 1
1.2 国内外体感游戏现状及趋势 2
1.3 国内外虚拟现实技术发展现状及趋势 3
1.4 国内外人机交互技术发展现状及趋势 4
1.5 研究工作和主要内容 5
第2章 跑步平台的软件部分构建 6
2.1 总体方案设计和分析 6
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
2.2 具体功能需求分析 9
2.2.1 虚拟现实部分具体功能分析 9
2.2.2 人机交互系统具体功能分析 10
2.3虚拟现实部分设计 11
2.3.1 三维场景搭建与人物控制实现 11
2.3.2 逻辑架构设计与实现 14
2.4接口设计 19
第3章 虚拟现实眼镜结合实现 20
3.1 虚拟现实眼镜开发平台构建 20
3.2 左右分屏视角的实现概述 23
3.3 利用陀螺仪获取旋转信息 24
第4章 采用Kinect的平台实现 26
4.1 Kinect深度相机简述 26
4.2 Kinect环境搭建 27
4.3 运动交互的逻辑分析 30
4.4 针对Kinect运动识别的优化处理 30
第5章 采用Arduino的控制器设计与实现 32
5.1 Arduino微控制器概述 32
5.2 使用Arduino进行脚步运动检测 33
5.3 与软件平台数据通信设计 35
5.4 关于提升稳定性的方案 38
5.5 与相关平台的对比 38
第6章 跑步平台的交互设计扩展 40
6.1 多人在线平台搭建与通信实现方案 40
6.2 语音识别交互实现方案 44
6.3 利用健康检测的实现方案 45
第7章 总结与展望 46
7.1 工作总结 46
7.2 研究展望 48
参考文献 49
附录1 攻读学士学位期间主要实践创新工作与成果 52
附录2 英文文献翻译 63
第1章 绪论
1.1 课题目的和意义
随着生活节奏的逐渐加快，人们的在业余生活方面也有了更多的需求。同时，随着相关技术的提高和软硬件设备成本的降低，各式各样的娱乐设备越来越多地进入人们的视野。体感游戏作为一种新颖的娱乐方式，越来越多的被各个年龄段的人所接纳并认可。
体感游戏作为是电子游戏的类型之一，与传统的电子游戏有较大区别[1]。体感游戏一般并不使用鼠标，键盘等传统的输入外设，取代的是利用功能繁多的输入设备来捕获用户的肢体动作。通过将用户的肢体动作作为游戏的输入信号，从而来达到利用肢体控制游戏的目的。相对普通游戏而言，体感游戏能带给用户更好的代入感。此外，输入方式的改变也使得游戏本身更增添了独特的乐趣。
相比普通的电子游戏而言，体感游戏在一般要求使用者使用全身或身体的一部分来操纵游戏，这一特点使得体感游戏与个人健身塑形有密不可分的联系。作为一个辅助用户运动，促进用户锻炼的新型方式，体感游戏将运动健身融合在有趣的游戏内容中。在帮助用户健身的同时，也有助于用户缓解心里压力。
目前，由于相关软硬件技术的不断更新和发展，体感游戏的操纵和体验也越来越丰富。随着图形学领域虚拟现实技术的不断发展，目前有越来越多高效的游戏引擎可以供开发者选择，这使得体感游戏从游戏内容的层面上有了大的提升。在游戏操作方式和种类上，不仅有越来越多的新型游戏在市场上出现，体感游戏的操纵设备也越来越多。如，用于第一人称游戏的头戴式显示仪Google VR Glasses，用于捕捉肢体动作的深度相机Kinect，用于检测重力和旋转的Wii控制器。其中一部分设备也会在本项目中出现。
在提倡现代人绿色生活，健康生活，促进锻炼，减压方面，本课题有较大的意义。此外，本课题针对于体感游戏的体成本实现进行了探索，在虚拟现实的应用和人机交互的结合上作出了一定程度的尝试，因此，也具有相关的实践和研究价值。
1.2 国内外体感游戏现状及趋势
目前，国外体感游戏的市场已经有了不少产品和应用。例如，由任天堂公司发布的应用于电视的游戏机Wii，微软开发的XBox游戏机，索尼的PS各个系列等。在国内，目前也有一些游戏平台。爱动，17Wii，以及有体感控制功能的机顶盒，智能电视等目前均提供了体感游戏功能[2]。在相应的平台，体感游戏都有较多的应用。图1列出了目前主流的几款体感游戏控制设备。
图 1 目前主流的几款体感游戏控制设备
下面，本文将对几个代表平台进行简要介绍。
（1）Wii平台
Wii平台是由日本任天堂推出的一款家庭游戏主机。Wii 的发音类似于We，强调该平台适应于各个年龄段。其控制器的独特设计使得用户可以通过肢体来对游戏进行控制。
（2）PlayStation Move平台
该平台是索尼的第一代体感设备。它使用了PlayStation3 USB摄像机，通过摄像机对人物的动作进行捕捉。在辨别度上，其不仅可以准确识别用户上下左右的动作，还可以对手腕的角度变化进行识别。对于快速活动和微小的运动，PS Move都提供了较好的识别能力。
XBox360 Kinect
Kinect作为XBox360 的外设，提供了捕获用户肢体数据的能力。Kinect本质为深度相机，它可以获取空间深度数据，并通过对这些深度数据的处理来捕获用户的各个关节信息。本文将在第四章以该设备为范例，对开发过程进行详细介绍。
目前，随着软硬件平台相关技术的不断发展，体感游戏的平台也呈现多元化趋势。在主机平台上，随着显卡制造水平的进一步提升，体感游戏在画面上的表现水平进一步提高。此外，随着与虚拟现实、增强现实等技术的更加紧密的结合，游戏内容和操作方式将会更加具有吸引力。同时，针对移动平台，随着目前移动设备性能的提升，移动设备上的体感游戏也会越来越多。
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