虚拟游泳训练模拟装置的研制与开发

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1、学校代码：10286分类号：TP391密级：公开UDC：621学号：150246虚拟游泳训练模拟装置的研制与开发研究生姓名：张子烨导师姓名：帅立国教授申请学位类别工学硕士学位授予单位东南大学一级学科名称机械工程论文答辩日期2018年06月07日二级学科名称机械电子工程学位授予日期2018年月日答辩委员会主席李兴林评阅人Y201801172A（盲审）Y201801172B（盲审）2018年06月07日硕士学位论文虚拟游泳训练模拟装置的研制与开发专业名称：机械电子工程研究生姓名：张子烨导师姓名：帅立国教授DEVELOPMENTOFVIRTUALS

2、WIMMINGTRAININGSIMULATINGDEVICEAThesisSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofMasterofEngineeringBYZHANGZi-yeSupervisedbyProf.SHUAILi-guoSchoolofMechanicalEngineeringSoutheastUniversityJune2018摘要摘要游泳是一项历史悠久的体育项目，在群众体育和竞技项目中占据着重要地位，是我国体育强国战略的重要组成部分。当前，群众性的游泳健身运动面

3、临着公共水域水质污染和安全隐患，及室内泳池容量不足、卫生状况堪忧等问题。竞技游泳项目虽然可使用游泳模拟器进行训练，但从科学训练的角度仍存在运动姿态评判困难和真实感欠缺的问题。基于上述现状，课题将虚拟现实技术引入到游泳项目中，研制开发了一种虚拟游泳训练模拟装置，论文主要工作包括：1、总体方案。针对虚拟游泳训练模拟装置的技术和应用需求，确定了装置总体设计方案。从保证模拟虚拟游泳的舒适性和安全性角度出发进行支撑结构的设计安装和强度校核；从头位检测和虚拟环境呈现的要求出发进行硬件设计与选择，包括定位球组设计、摄像头选择和VR头显选型；从实现自然人机交

4、互方式的要求出发进行头位检测程序和虚拟场景程序的软件功能设计。2、位姿检测方法。确定了采用解PnP问题的图像处理方法获取位姿数据的方案。首先研究了用于获取摄像头参数的张正友标定法；其次针对运动图像中有效信息占比小的特点，研究了目标识别方法，分析了LBP、Haar和HOG图像特征的原理，提出利用级联Adaboost分类器进行多尺度滑动检测，提取定位球组所在区域的方法；最后，研究了用于确定坐标对应关系的颜色识别方法和计算特征点图像坐标的形态学滤波及斑点检测方法。3、头位检测软件。运用张正友标定法进行了摄像头标定，运用重投影方法获取了当前摄像头在固

5、定地面坐标系中的位姿。基于OpenCV进行了分类器训练，并对采用不同特征的分类器进行性能对比试验，最终选择了使用HOG特征的级联Adaboost分类器进行目标区域识别。基于VisualStudio2010开发环境，实现了位姿检测算法并开发了头位检测程序。4、虚拟环境软件。基于Unity3D软件，开发了虚拟场景程序，搭建了初始菜单场景和虚拟游泳场景，编写C#脚本实现了数据收发、坐标转换和视场更新的功能，并最终部署在VR头显中的Android手机上。5、实验与测试。设计并进行了实时性测试和准确性实验，对实验数据进行了分析，验证了虚拟游泳训练模拟装

6、置中视场更新的实时性和头位检测的准确性。本课题研发的虚拟游泳训练模拟装置可以仿真实景游泳运动环境，并基于虚拟现实技术提供全真的游泳运动实感体验，不仅安全，且兼具实时性、交互性和舒适性。在为群众性的游泳健身项目引进全新运动模式的同时，还能提升竞技游泳项目的科学训练水平，对于提升虚拟现实应用的社会认可度也具有重要价值。关键词：虚拟游泳，图像处理，目标识别，位姿解算，颜色识别IAbstractAbstractAsasportofgreatantiquity,swimmingplaysanimportantroleinpublicsportsanda

7、thleticsports.It’sanimportantpartofoursportspowerstrategy.Atpresent,thepublicswimmingfitnesscampaignisfacingmanyproblems,suchaswaterpollution,potentialsafetyhazardofoutdoorpublicwatersandinsufficientcapacity,worryinghealthconditionofindoorswimmingpools.Althoughswimmingsimul

8、atorscanbeusedfortrainingincompetitiveswimming,therearestillproblemssuchasattitude