VR全真步行模拟系统

刘云从

摘 要 由于VR可以丰富我们的生活，已逐渐的进入现代生活，本设计由跑步机系统、处理器、通讯模块、VR显示器几个模块组成，该VR全真步行模拟系统可以感知人的行走方位，实现了人们可以全真行走的体验，特别在游戏中，优化了玩家以往使用键盘的操作方法，使玩家能够自由的改变方位进行行走。

【关键词】VR设备 步行模拟 系统

现代都市生活的节奏加快，人们对于新鲜事物的热度也越来越高，因此需要采用先进技术来加强人们的生活体验，VR全真步行模拟系统可以让人们在家里或者办公室体验到外面世界多样化的风景。目前国内外的研究集中在VR设备及技术的革新方面，加快图像生成速度与质量，改良用户体验是极为重要的。本设计对于VR显示器的多个模块展开分析。

1 VR技术的发展

VR通常采取头戴式眼镜的形式，在眼睛的前面具有屏幕，声音可以通过扬声器或耳机来进行传送。人的高级感觉包括触觉信息，这通常被應用于医疗、视频游戏和军事训练应用中的感觉反馈。在视频游戏中使用的一些VR系统可以通过游戏控制器向用户传送振动和其他感觉。虚拟现实还指通过远程呈现或使用虚拟制品（VA）来提供用户的虚拟存在的远程通信环境。沉浸式环境可以类似于真实世界，以创建逼真的体验，让现实中玩家可以使用虚拟的力量。虚拟现实（VR）提供了一种新的媒介，用于在对人有效且同时高度受控的方式下呈现情感相关的复杂刺激。现有的模拟设备需要做到标准化，它们在交互能力方面有限，但这个技术还在研发，从而可以建立个性化的步行模拟方案。作为虚拟现实技术衍生的周边研究项目之一，长久以来，「步行模拟」相关的探索似乎始终都可以吸引可观的关注量，不过个中原因细究之下倒也不难理解：和某些看似更高端更为超现实的项目——典型如脑电波交互控制和脑机接口——相比，步行模拟的靠谱度与研究方向显然要明确得多；同时，和某些看似挑战性更高却又让人感觉意义不大的项目——典型如气味模拟和环境模拟——相比，步行模拟的可行性与实用性无疑要出色太多。一言以蔽之，虚拟现实步行模拟系统的魅力，其实就集中在这项技术已经积累了可观的原型设计与研发经验，两边引发质变的拐点似乎已经清晰可辨，完善实用的方案一旦诞生，VR体验的代入感立刻会提升不止一个量级——从科幻小说作者到虚拟现实从业者，这个圈子里几乎所有人都对这个结论坚信不移，毫不夸张。

2 VR全真步行系统的设计

2.1 系统结构

VR全真步行系统主要有跑步机系统、处理器、通讯模块、VR显示器几个模块组成。

跑步机系统与一般的跑步机差别不大，主要差别在于跑步机的底面上是一层小球，可以在起到按摩作用的同时实时监测人的运动状态，把人的运动信号转化为小球的旋转方向与速度，进而将其转变为处理器可以识别的电信号。

处理器可以在接收到电信号后，对其进行分析与运算，正确得到人的运动状态，包括运动方向和速度，然后进行图像的生成，得到实时的运动场景信号，并将其传输到VR显示器中。

VR显示器在接收到信号后，将其作为图像进行输出，从而使得使用者可以看到自己的运动状态，VR显示器应当可以进行不同场景的生成，例如在公园、在街道上、在风景区等，从而让使用者有身临其境的感觉。

以上模块的通信都是由无线通信来完成的，其中最主要的是Wi-Fi模块，无线使得使用者在使用时不受到线路的限制，方便快捷，减少冗余的部分。无线通信需要高频Wi-Fi，因其需要短时间内传输大量的图像信号，所以速度应当要快，同时减少失真，让使用者可以有着良好的使用体验。

2.2 工作原理

装置上平面为平面，其余方向为固体小球，外包一层跑步机履带，履带包裹这这些比较硬的小球，履带外面也是一层球，两层球与履带无连续，整个装置位于一个大小刚好的、形状相同的槽内，槽内壁有传感器。人走在履带上，由于履带和内外两层小球间的摩擦很小，所以履带可以自由转动。人在平面上可以体验到真的行走的感觉。同时因为槽内侧的传感器可以分析处理小球的转动情况，从而推算出人的走路方向，通过信息手段传到电脑中，使游戏的人也随之走动。同时，人与履带之间的摩擦力应该较大，使得人走路可以自由停止，避免出现安全的事故。产品除了拥有可以在 X 轴方向上前后滚动的履带之外，组成这条履带的每一根皮带本身也可以在 Y 轴上朝着两个方向平稳滑动，在传感器的辅助下，可以为使用者提供一个可以自由运动的二维平面，让体验者可以在不更改步行习惯的前提下自由享受全方位原地漫步的感受，配上 VR 头显简直完美。

3 VR全真步行系统的关键技术

3.1 传感器技术

当环境介质的折射率发生变化，如振动或温度变化等引起，传感光纤经过此处时的光波相位会发生变化。对传感光纤中的相干光进行相位调制，检测段处就可以观察到外界环境变化带来的干涉结果的变化，这就是干涉型光纤传感器的工作原理。将每种材料作为均匀连续体处理，由外部介质和表面之间的频率相关介电常数来描述。这个物理量被称为复介电常数。为了描述电子表面等离子体，导体的介电常数的实部必须为负，其大小必须大于电介质的大小。对于空气/金属和水/金属界面，其中金属的介电常数为负，空气或水的介电常数为正，红外可见波长区域满足这一条件。为了以共振的方式激发表面等离子体激元，可以使用电子轰击或入射光束，可见光和红外线是较为常用的光束。

3.2 模式识别技术

这是机器学习的一个分支，其重点在于识别数据中的模式和规则，尽管在某些情况下被认为几乎与机器学习差不多。模式识别系统在许多情况下采用原始数据来训练，但是当没有标记数据可用时，可以使用其他算法来发现先前未知的模式。数据库（KDD）中的模式识别、机器学习、数据挖掘和知识发现这些领域很难分开，因为它们有时候的内容是重叠的。所有这些领域都是从人工智能工程和统计学演变而来的，他们通过整合彼此的发展，想法变得越来越相似。在机器学习中，模式识别是将标签分配给输入值。模式识别的主要应用是分类，它试图将每个输入值进行分类，比如把人的情感转化为计算机可以识别的信号，从而对于显示的内容进行科学的选择。endprint

支持向量机（SVM）表示一组从训练数据创建函数的学习技术，训练数据通常包括输入对象和期望输出的对象。学习的函数可以用于预测新对象的输出。SVM通常用于对输入量进行分类。SVM也用于回归和偏好学习，分别称为支持向量回归SVR和排名SVM。SVM属于一类广义线性分类器，其中分类函数在特征空间的形式为一个平面。SVM的特殊性质是SVM可以实现高度的泛化，泛化表示学习函数对測试数据或在训练中排除未知数据的性能。通过SVM技术可以把VR设备中的图像进行正确识别，将其转化为人可以识别的感情信号。

3.3 通讯技术

Wi-Fi是一种允许电子设备连接到一个无线局域网（WLAN）的技术，通常使用2.4G UHF或5G SHF ISM 射频频段。连接到无线局域网通常是有密码保护的，但也可是开放的，这样就允许任何在WLAN范围内的设备可以连接上。Wi-Fi是一个无线网络通信技术的品牌，由Wi-Fi联盟所持有。目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网路产品之间的互通性。Wi-Fi最主要的优势在于不需要布线，可以不受布线条件的限制，因此非常适合移动办公用户的需要，并且由于发射信号功率低于100mw，低于手机发射功率，所以Wi-Fi上网相对也是最安全健康的。

4 总结

VR模拟步行技术发展迅速，因其易用性、稳定性、快捷性受到广大使用者的欢迎。我国各层次的开发研究人员正不断地改善当前VR模拟步行技术的应用环境，为了充分利用VR模拟步行的价值，在当前社会生活中，各方面应用人员应加强自身的学习与探究，在合理的体系中力求VR模拟步行价值的利用最大化。

参考文献

[1]王孜睿，来炳恒，李昌华.虚拟现实技术在设备安装中的应用[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版），2008（02）.

[2]高颖，钟啸，许志国，郑涛.基于VR的航空发动机虚拟教学实验系统设计[J].系统仿真学报，2008（11）.

[3]鲍劲松，许长春，杨艳春，金烨.VR环境下的矢量场可视化交互感知技术研究与应用[J].系统仿真学报，2006（01）.

[4]皮兴忠，范秀敏，严隽琪.VR Flier：一个面向虚拟现实通用应用开发的软件平台[J].系统仿真学报，2005（05）.

[5]邱进冬，杨志雄，顾新建.基于Web的虚拟现实的开发与应用[J].计算机应用研究，2003（03）.

[6]林以军，王鸣歌，范万岗，胡文.基于模糊评判法的飞行模拟器逼真度评估[J].科学技术与工程，2008（02）.

作者单位

河南省实验中学 河南省郑州市 450014endprint