体感互动游戏在长白山虚拟漫游中的应用
一、引言
当今社会人们都提倡零排放出行，也注重健身运动。自行车当交通工具也就成为了一种时尚，也成为一种健身的好方法，但是很多人认为城市交通拥堵，自行车也不能充分发挥它的作用，所以一种新型的自行车运动游戏就运用而生了，那就是室内自行车即虚拟自行车。
虚拟自行车系统以虚拟漫游技术为基础，综合运用了传感器技术、嵌入式系统开发技术，采用了多线程、非阻塞的数据实时处理技术，无线通信技术，并通过立体显示等多通道交互技术实现了人在虚拟环境中的漫游和体感互动，使参与者在由计算机构造的虚拟场景中获得了如同在真实环境中骑车的体验，同时参与者自身的动作如速度快慢、转弯等动作能够在虚拟场景中反映处理。它是把虚拟漫游技术应用于实际的一个有益尝试，使骑车者在虚拟环境中，获得真实环境下骑车过程的全身心感受。 二、长白山虚拟漫游CAVE系统
CAVE(Cave Automatic Virtual Environment)是一种基于投影的虚拟现实系统，它由围绕观察者的四个投影面组成，四个投影面组成一个立方体结构，其中三个墙面采用背投方式，地面采用正投方式。若放至CAVE系统的房间大小有限，可通过反射镜把投影图象投影到屏幕上以节省空间。观察者戴上液晶立体眼镜和一种六个自由度的头部跟踪设备，以便将观察者的视点位实时的反馈到计算机系统和体验身临其境的感觉。当观察者在CAVE中走动时，系统自动计算每个投影面正确的立体透视图象。
CAVE是世界上第一个虚拟现实系统，它把高分辨率的立体投影技术、三维计算机图形技术和音响技术等有机地结合在一起，产生一个完全沉浸式的虚拟环 境。本文将长白山的秀丽风光植入到CAVE系统内，利用虚拟现实技术构建 一个虚拟的长白山立体旅游环境，将长白山的秀美景观动态地呈现出来，使用户在骑自行车或者跑步机上健身锻炼的同时，可以感受长白山国家深林公园的鸟语花香、领略长白山的风光美景。
图1 长白山虚拟漫游cave系统
三、CAVE系统关键技术
CAVE系统由立体放映系统、特效平台、特效设备、银幕系统、音响系统、控制系统、操作监控一体化等子系统构成，各个子系统协同作用，构成一个整体，共同刺激观众的视觉、听觉、触觉、嗅觉、感觉、幻觉等各个感官，营造出使人身临其境的整体效果。其主要关键技术如下：
3.1立体放映技术
CAVE系统利用多种投影技术（墙体投影，立体面投影）和裸眼3D显示技术，来配合主线内容显示，使显示空间扩展到整个房间。使用这种技术给置身于其中的观众带来大空间的视觉效果，让观众无法感知到空间的真实大小，沉浸其中，更好的感受到主线内容提供的新鲜体验。
3.2图像无缝拼接技术
图像无缝拼接技术是一种特殊的、要求比较高的投影显示应用，可以实现多屏图像融合在一起，并将拼接缝隙缩至最小以至于完全重合的拼接技术。无缝拼接技术不仅需要完整的超大幅屏幕，对投射出超大尺寸画面所用的投影也有特殊要求。
3.3现场声光电特技技术
CAVE系统综合运用了多种现场特技技术：整个影院采用人工模拟的方式产生吹风、喷水、烟雾、闪电等多种特效，同时观众座席采用了具有多种特技效果的平台，可以让观众感受到震动、坠落等特技，通过计算机的精确控制，达到了特技效果与影片内容的完美结合，加深了观众的临场感。
3.4动感技术
CAVE系统采用动感旋转平台，以增强影片的感染力。特技平台除了常规的安装于地面这种安装方式外，还可以安装在一动感旋转平台上，该平台可以绕中心轴配合影片内容旋转，让观众的视线跟随着影片的精彩点，增强了影片的渲染力。
3.5同步控制技术
为了实现各个控制部分的协调运行，例如特效控制部分，触觉特效控制部分等的统一协调，需要对这些设备进行统一的同步控制。这样的同步控制实际上是通过核心中央控制系统完成的。
3.6多声道环绕音响技术
采用计算机控制的数码多声道环绕立体音响，即银幕后左、中、右3路，观众厅左后、右后环绕2路，次低音1路，实现了准确的声音定位，达到了高级影院的音响水平。
四、体感自行车设计方案
体感自行车的硬件系统主要由STM32F103ZE ARM电路系统、测速模块、 六轴陀螺仪角度测量模块、WIFI通信模块、USB通信模块五部分组成。 模块图如下：
图2 骑行台模块图
其中，STM32F103ZE电路模块主要负责主控单元和外围模块进行通信。测速模块主要用来测量自行车车轮转速速度，通过测量实际自行车的行驶速度，来判定虚拟自行车在虚拟场景内的行驶速度。角度测量模块主要用来测量自行车的实际转角度数。WIFI通信模块主要实现与上位机进行数据通信，将自行车的角度值和行驶的速度值实时传至上位机内，实现现实自行车与模拟自行车转弯角度的同步。USB通信模块，主要为了实现与上位机进行USB通信，实时监控前后轮位置情况，用来模拟上下坡在真实路面上的情况。 3.1 测速模块
测速模块采用红外测距模块实现，对环境光线适应能力强，一对红外线发射与接收管，发射管发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外线反射回来被接收管接收，经过比较器电路处理之后，绿色指示灯会亮起，同时信号输出接口输出数字信号（一个低电平信号），可通过电位器旋钮调节检测距离，有效距离范围 2～30cm，(测试请到光线暗的地方距离范围会长一些）工作电压为3.3V-5V。该传感器的探测距离可以通过电位器调节。 3.2角度测量模块
通过陀螺仪来测量角度原理比较简单，因为陀螺仪读出的是角速度，角速度乘以时间，就是转过的角度。把每次计算出的角度做累加就会等到当前所在位置的角度。先看下图：
图3 测角度原理图
假设最初陀螺仪是与桌面平行，单片机每tms读一次陀螺仪的角速度，当读了三次角速度以后 z轴转到上图的位置，则在这段时间中转过的角度为x：
角x=角1+角2+角3
假设从陀螺仪读出的角速度为w，那总角度为： X=(w1*t1+w2*t2+w3*t3)/1000 假设经过n次，那么总的角度如下： X=(w1*t1+w2*t2+w3*t3+…+wn*tn)/1000 实际上这就是一个积分过程。
通过使用卡尔曼滤波把加速度计读出的角度结合在一起，使计算出的角度更准确。
3.3 STM32F103ZE ARM电路系统
STM32F103ZE ARM电路系统主要由以下电路组成：电源电路、时钟供电模块、USB通信模块、CAN通信模块、RS232通信模块、红外通信模块、SPI设备、IIC设备、系统复位电路、蜂鸣器驱动电路、按键扫描电路、LED驱动电路、AD采样电路、音频输入电流、音频输出电路、处理器工作方式选择电路、PWM电机接口电路、液晶显示电路接口、智能卡电路、通用IO扩展接口。 五、骑行台在CAVE虚拟场景的应用
本文研究以骑行台自行车为道具，可以从视觉、听觉和触觉感受到他们的三维虚拟化身在长白山中以相同的节奏和动作同步运动。实现用户和长白山虚拟环境的自然交互，并产生多种感觉的体验，达到形象逼真，细致生动，如同身临其
境。将虚拟现实技术运用到骑行台自行车中，很好地解决了单一自行车运动无聊的问题，使用户足不出户即可观光风景名胜，这将健身运动变得充满乐趣。
六、结语
本系统以长白山旅游为应用对象，通过CAVE系统的深度沉浸式虚拟现实技术给用户一种逼真的三维视听感觉，在虚拟世界中达到了与真实世界相同的感觉，当用户在骑行台自行车上运动健身时，空间位置跟踪定位设备可以及时检测到用户的变化，并且经过计算机运算，输出相应的场景变化，经测试，这个变化是及时的，且延迟时间很小。