一種跑步機(jī)3D視頻同步播放系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

顧新鋒，倪晨剛，徐 榮，劉童嶺

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

一種跑步機(jī)3D視頻同步播放系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

顧新鋒，倪晨剛，徐 榮，劉童嶺

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

針對目前跑步機(jī)鍛煉模式單調(diào)、乏味的問題，結(jié)合視頻播放設(shè)備設(shè)計了一套跑步機(jī)3D視頻同步播放控制系統(tǒng)。采用磁場傳感器采集跑步機(jī)轉(zhuǎn)軸狀態(tài)，通過單片機(jī)實時計算跑步機(jī)速度，并進(jìn)行濾波以后送給上位機(jī)。編寫上位機(jī)控制軟件，利用Windows鍵盤相關(guān)的API函數(shù)控制播放器速度，使視頻播放速度隨著跑步者速度變化而同步改變，實現(xiàn)了體驗者與視頻播放的互動，增強了跑步運動的趣味性。實驗結(jié)果表明，設(shè)計方案有效可行，且實用性強，可廣泛地應(yīng)用到其他健身器械中。

跑步機(jī)；主動快門式；單片機(jī)；磁場傳感器

0 引言

隨著時代的發(fā)展，人們的物質(zhì)生活水平不斷提高，健康意識也隨之不斷增強。走、跑作為一種健康的有氧代謝健身活動，受到國內(nèi)外體育界與醫(yī)學(xué)界的高度重視[1]。這種運動在提高心肺功能、增加肌肉與骨骼強度方面都有顯著效果，如今已廣泛應(yīng)用于運動鍛煉、醫(yī)療復(fù)健等領(lǐng)域。進(jìn)行跑步運動，通常有多種場地可選，如運動場、道路、跑步機(jī)等，室外運動場、道路等視野開闊，能夠更好地放松心情，但容易受環(huán)境、天氣、場地等自然因素的限制；而使用室內(nèi)跑步機(jī)隨時都可以進(jìn)行運動，比較方便，不受天氣、氣候的影響，但在跑步機(jī)上跑步時視野窄，比較單調(diào)，不利于緩解心情、調(diào)解壓力。跑步者在跑步機(jī)上跑步時，有的戴上耳機(jī)，通過音樂來放松心情；有的在跑步機(jī)前用平板電腦播放視頻，來緩解跑步健身時的單調(diào)，但平板電腦屏幕較小，在跑步過程中眼睛容易累。

在3D技術(shù)日益發(fā)達(dá)的今天，如果能在跑步時把跑道或道路等室外的場景用大屏幕的3D電視機(jī)呈現(xiàn)在眼前，體驗者通過配戴3D眼睛觀看視頻，并且在體驗的過程中與視頻互動，即視頻播放的速度會隨著體驗者速度的快慢而同步改變，讓體驗者有一種如同穿越時空，到室外跑步的感受，跑步者跑步時既不受天氣、氣候變化的影響，隨時都可以進(jìn)行，而且在鍛煉身體的同時起到放松心情，緩解壓力的作用。

跑步機(jī)視頻同步播放系統(tǒng)以現(xiàn)有跑步機(jī)為基礎(chǔ)，加裝速度測量傳感器，通過單片機(jī)[2]采集傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后發(fā)送給上位機(jī)計算機(jī)，在計算機(jī)上編寫軟件接收單片機(jī)傳送過來的測量數(shù)據(jù)，并根據(jù)跑步機(jī)參數(shù)計算跑步的速度，再根據(jù)速度的變化控制視頻播放器的播放速度，從而實現(xiàn)跑步機(jī)速度與視頻播放速度的同步。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 跑步機(jī)3D視頻同步播放系統(tǒng)原理框圖

1 跑步機(jī)視頻同步播放系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 跑步機(jī)速度的測量

要使得視頻播放速度與體驗者速度同步，需要獲取跑步機(jī)的速度信息，現(xiàn)有的跑步機(jī)具有速度顯示和控制功能，可以在跑步的過程中通過調(diào)節(jié)按鈕控制跑步機(jī)速度，也可以通過自適應(yīng)的方式調(diào)節(jié)跑步機(jī)的速度[3-5]，并實時顯示，但它沒有對外速度輸出接口，需要自己研制跑步機(jī)速度采集設(shè)備。

實現(xiàn)跑步機(jī)速度采集有以下三種方案：

方案1：跑步機(jī)采用七段數(shù)碼管顯示速度，可以通過采集數(shù)碼管各管腳的電平狀態(tài)并進(jìn)行解碼得到。

方案2：跑步的速度通過按鍵控制，可以通過采集速度控制按鍵的狀態(tài)間接得到跑步機(jī)的速度。

方案3：利用獨立的傳感器來采集跑步機(jī)的速度。

方案1和方案2需要對跑步機(jī)的線路進(jìn)行改造，可能會影響跑步機(jī)的性能，方案3需要增加傳感器，但采用獨立的傳感器，不會影響跑步機(jī)的性能，綜合考慮，選用方案3。

跑步機(jī)具有速度控制功能，自身存在速度采集模塊，拆開跑步機(jī)，在跑步機(jī)內(nèi)部帶動履帶前進(jìn)的滾軸上有一圓形磁鐵，在支架上有一個磁場傳感器。因此，可以在跑步機(jī)磁場傳感器附近加裝一套磁場傳感器，采集跑步機(jī)的速度。當(dāng)轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)動一圈，會帶動磁鐵在磁場傳感器附近穿過一次，磁場傳感器就會輸出一個脈沖信號，只需要測量轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一圈對應(yīng)履帶前進(jìn)的距離及相鄰兩次脈沖輸出的時間間隔，就可以計算得到履帶前進(jìn)的速度，即跑步機(jī)的速度可表示為：

v=vn·S

(1)

式中，S為跑步機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一圈對應(yīng)履帶前進(jìn)的距離，vn為跑步機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，vn=1/Δt,Δt為相鄰兩次脈沖輸出時間間隔。

1.2 跑步機(jī)速度信息的濾波與傳輸

考慮到不同跑步機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一周對應(yīng)履帶前進(jìn)的距離不同，速度的計算在計算機(jī)端實現(xiàn)。由于在跑步過程中，每一步給履帶帶來一定的沖擊，造成時間間隔的波動，影響視頻控制的穩(wěn)定性，因此，需要對時間間隔進(jìn)行濾波后再發(fā)送給計算機(jī)，進(jìn)行速度的計算。單片機(jī)得到的數(shù)據(jù)以串口形式發(fā)送給計算機(jī)。

(1)速度值平滑濾波

為了減小跑步時的沖擊帶來的影響，對測量得到的跑步機(jī)轉(zhuǎn)速vn進(jìn)行平滑濾波處理。這里采用一種被稱為“l(fā)eaky integration”的方法，用X(n)(n=1,2,…)表示當(dāng)前時刻速度值，Y(n)表示當(dāng)前時刻濾波結(jié)果，則Y(n)可表示為[6-7]：

Y(n)=α×Y(n-1)+(1-α)×X(n)

(2)

式中，α(0≤α≤1)為平滑系數(shù)，α=0表示不進(jìn)行平滑，α越大平滑性越好，但系統(tǒng)響應(yīng)速度會變慢，一般根據(jù)經(jīng)驗值設(shè)定，這里設(shè)置為0.9。

(2)速度信息的傳輸

單片機(jī)和上位機(jī)之間采用串口方式進(jìn)行通信，為了保證數(shù)據(jù)的正確接收和解調(diào)，在數(shù)據(jù)中增加開始標(biāo)志和校驗碼。

數(shù)據(jù)格式為$xx,ddcc,HH；其中$為開始標(biāo)志，xx從00到99表示傳感器編號，ddcc為速度，dd表示速度的整數(shù)部分，cc表示速度的小數(shù)部分，如ddcc為1232表示轉(zhuǎn)速為vn=12.32圈/s，HH為校驗碼，用兩位十六進(jìn)制數(shù)表示，采用字符形式傳輸，校驗碼為從開始標(biāo)志到第二個逗號共9個字符的ASCII碼的校驗和的十六進(jìn)制形式。

單片機(jī)每收到一個脈沖信號，利用內(nèi)部的定時器計算得到與上個沖的時間間隔Δt，再計算跑步機(jī)的轉(zhuǎn)速vn，濾波后組幀發(fā)送給計算機(jī)，考慮到一般跑步機(jī)設(shè)定的最低速度大于1 km/h,若單片機(jī)在10 s內(nèi)未收到脈沖信號，表明跑步機(jī)已停止運轉(zhuǎn)，直接置vn=0進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。當(dāng)計算機(jī)收到$表示一幀數(shù)據(jù)開始，對包括$在內(nèi)的連續(xù)9個字符計算校驗和，將結(jié)果與HH代表的十六進(jìn)制發(fā)送校驗和進(jìn)行比較，若比較結(jié)果一致，表明數(shù)據(jù)傳輸正確，否則認(rèn)為數(shù)據(jù)傳輸錯誤，做丟棄處理。

1.3 視頻同步播放控制軟件設(shè)計

視頻的同步播放可以通過兩種方法來實現(xiàn)，一種是自己設(shè)計制作播放速度可控的3D播放器；另一種是利用軟件控制播放器的播放速度。由于自己設(shè)計制作播放器難度相對較大，選用后一種方案，根據(jù)單片機(jī)送到計算機(jī)的跑步機(jī)轉(zhuǎn)速，根據(jù)跑步機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一圈對應(yīng)的距離參數(shù)計算跑步的速度，再轉(zhuǎn)換成播放器的控制信號，控制視頻播放的速度。

用軟件控制播放器速度，需要播放器有相應(yīng)的控制接口。通常，播放器的播放控制可以用鼠標(biāo)來控制，也可以利用快捷鍵通過鍵盤實現(xiàn)快速控制，因此，需要選擇一款可以通過鍵盤按鍵控制播放速度的3D播放軟件，利用軟件模擬鍵盤按鍵來實現(xiàn)播放器速度的控制。

以PotPlayer播放器為例，它可以實現(xiàn)不同格式3D視頻的播放，并且播放速度可以通過快捷鍵控制。打開視頻后其播放的初始速度為1，通過x和c兩個鍵實現(xiàn)播放速度的控制，通過空格鍵實現(xiàn)暫停與播放控制。按下c鍵為加速，每按一次，速度增加0.1，按下x為減速，每按一次，速度降低0.1，播放器最高速度為2倍速，最低為0.2倍速。在軟件設(shè)計中，通過Windows的API函數(shù)來模擬鍵盤按鍵控制播放器的播放速度。播放器控制軟件界面如圖2所示。

圖2 播放器速度控制軟件

軟件通過串口設(shè)置，選擇合適的端口和波特率與單片機(jī)通信，獲取轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速vn。其中周長為跑步機(jī)轉(zhuǎn)軸的周長，等價為轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一圈，履帶前進(jìn)的距離，當(dāng)前數(shù)值為單片機(jī)實時發(fā)送的轉(zhuǎn)軸速度，速度為轉(zhuǎn)換后跑步機(jī)履帶前進(jìn)的速度，單位為km/h。周長可以在軟件中通過“+”或“-”按鈕調(diào)節(jié)，也可以直接輸入對應(yīng)的數(shù)字，以適應(yīng)不同的跑步機(jī)。

實驗用跑步機(jī)能夠設(shè)置的最低速度為2 km/h，最高速度為20 km/h，步進(jìn)變化為0.1 km/h。在拍攝視頻時，以10 km/h的速度前進(jìn)，所以當(dāng)跑步機(jī)速度為10 km/h時，控制播放器速度為1，即以正常速度播放視頻；當(dāng)跑步機(jī)速度為20 km/h時，控制播放器以2倍速播放視頻。由于跑步機(jī)速度是一個連續(xù)變化量，而播放器的速度控制是0.1倍速變化的離散控制量，需要在軟件中將連續(xù)變化的速度轉(zhuǎn)換為離散的控制量，軟件設(shè)計流程如圖3所示，具體對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

圖3 播放器控制流程圖

跑步機(jī)速度v/(km/h)播放器速度000

軟件啟動時，首先對其進(jìn)行初始化，根據(jù)數(shù)據(jù)連接端口進(jìn)行接收端口設(shè)置，并初始化播放器速度都為0.2，使播放器暫停播放。當(dāng)跑步機(jī)開始運行，速度從零開始增加，當(dāng)軟件接收到速度信息時，模擬空格鍵，使播放器開始播放，當(dāng)速度v>2.5時，模擬鍵盤c鍵，控制播放器速度增加0.1，變?yōu)?.3倍速；當(dāng)v>3.5時，模擬鍵盤c鍵，控制播放器速度再增加0.1，變?yōu)?.4倍速，依次類推。跑步機(jī)減速時，模擬鍵盤x鍵，控制播放器播放速度減慢，當(dāng)跑步機(jī)速度為零時，模擬空格鍵，控制播放器暫停。至此，就實現(xiàn)了跑步機(jī)速度與播放器速度的同步控制。

2 3D電視的選購與3D視頻的獲取

通過市場調(diào)查，為達(dá)到較好的顯示效果，選定一款三星的65英寸的電視機(jī)作為3D視頻的播放顯示器，并配合主動快門式3D眼鏡，以達(dá)到觀看效果。

3D視頻獲取方式有兩種，一是直接下載，二是自己拍攝。為了能夠有一種在真實場景中漫步的效果，選擇后者，利用3D攝像機(jī)在道路上拍攝視頻。在拍攝過程中，把3D攝像機(jī)通過三腳架安放在小型汽車中，從天窗伸出拍攝車前的景色，讓汽車啟動后保持10 km/h的速度勻速前進(jìn)，選定馬路、運動場跑道等路線進(jìn)行拍攝。

3 軟硬件平臺搭建及測試

Δt采用單片機(jī)采集磁場傳感器輸出脈沖信號，利用定時計數(shù)器測量相鄰脈沖之間的時間差得到。對于距離S，首先在跑步機(jī)履帶上做好標(biāo)記，然后讓轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一圈，測量履帶前進(jìn)的距離，利用多次測量值求平均后得到。表2是5次測量得到的結(jié)果。

表2 跑步機(jī)轉(zhuǎn)周旋轉(zhuǎn)一圈對應(yīng)履帶前進(jìn)的距離

對5次測量結(jié)果求平均，得到跑步機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)1圈履帶前進(jìn)的平均距離S=243 mm,在軟件界面的周長對應(yīng)的文本框中填入距離值243。這一數(shù)值也可以通過如下的調(diào)試方式得到。

在調(diào)試時先不打開播放器，只開啟播放器同步控制軟件，當(dāng)跑步機(jī)速度穩(wěn)定以后，查看軟件界面顯示的速度與跑步機(jī)設(shè)置的速度是否一致，若不一致可以通過軟件界面的“+”按鈕或“-”按鈕調(diào)節(jié)周長，使得播放器控制軟件界面顯示的速度值與跑步機(jī)的實際速度一致。這里假設(shè)跑步機(jī)顯示的速度是準(zhǔn)確的。

暫停跑步機(jī)，打開播放器，加載待播放的視頻文件，將播放器速度調(diào)到最低0.2倍速，并暫停播放，開啟跑步機(jī)，設(shè)置跑步機(jī)的速度，隨著跑步機(jī)履帶開始前進(jìn)行，視頻開始播放，當(dāng)跑步機(jī)速度加快時，播放器的速度也隨之加快；當(dāng)跑步機(jī)速度減慢時，播放器的速度也隨之降低；當(dāng)跑步機(jī)暫停時，視頻也隨即暫停播放。經(jīng)測試，跑步機(jī)的速度與播放器的播放速度的關(guān)系與表1給出的值一致。

4 結(jié)論

本文針對目前跑步機(jī)與視頻播放相對獨立的情況，利用磁場傳感器結(jié)合單片機(jī)制作了跑步機(jī)的速度測量模塊，利用Windows的與鍵盤相關(guān)的API函數(shù)設(shè)計播放器速度控制軟件，實現(xiàn)了播放器速度與跑步機(jī)速度的同步控制，并且可以通過軟件界面對跑步機(jī)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的跑步機(jī)，也可以實現(xiàn)速度的比例變化。采用主動快門式3D電視與相應(yīng)的眼鏡結(jié)合，用3D數(shù)碼相機(jī)勻速拍攝道路和跑道視頻，讓體驗者在跑步機(jī)上跑步時獲得如同在道路上跑步一樣的感受，具有沉浸式的效果[8]，且有助于緩解壓力，放松心情。

[1] 程龍樂. 基于視頻圖像處理的跑步機(jī)速度自適應(yīng)控制技術(shù)的研究[D]. 合肥：安徽大學(xué),2015.

[2] MONK S. 基于Anduino的趣味電子制作[M]. 吳蘭臻，鄭海昕，王天祥,譯.北京：科學(xué)出版社，2011.

[3] 劉洋,周旭,孫怡寧,等. 基于步法的跑步機(jī)速度跟蹤控制方法[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報, 2015, 28(2):121-124.

[4] 崔文琪， 李峰. 下肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)中的跑步機(jī)速度跟隨自適應(yīng)控制方法[J]. 現(xiàn)代制造工程，2013(9): 30-34.

[5] 王鵬, 韓穎. 電動跑步機(jī)上步態(tài)特征獲取系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 電子測試，2013(22): 238-239.

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[7] 陳以恩.遙測數(shù)據(jù)處理[M].北京：國防工業(yè)出版社,2002.

[8] 李婷婷, 劉石, 陳發(fā)祿. 沉浸式虛擬校園仿真系統(tǒng)開發(fā)及關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用,2017,36(1):79-82.

Design and implementation of 3D video synchronous broadcasting system for the treadmill

Gu Xinfeng, Ni Chengang, Xu Rong, Liu Tongling

(China Satellite Maritime Tracking & Control Department, Jiangyin 214431, China)

A 3D Video synchronous broadcasting system for the treadmill is designed in view of the monotonicity and insipidity of the traditional treadmill. The speed of treadmill is measured by the magnetic sensor and the single chip machine and then it is transmitted to the PC software after filtering. PC software, controlling the speed of 3 dimension (3D) player, is compiled by using the Windows Application Programming Interface(API) function related to the keyboard. The speed of 3D video player is synchronized with the speed of the treadmill. It realizes the interaction between experiencer and the 3D player, and it increases the enjoyment. The results show the efficiency, feasibility and practicability of the design. The technique also can be widely applied in other fitness equipments.

treadmill; active shutter type; single chip machine; magnetic sensors

TP273

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.20.028

顧新鋒，倪晨剛，徐榮，等.一種跑步機(jī)3D視頻同步播放系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(20)：101-103，107.

2017-03-23)

顧新鋒(1983-)，通信作者，男，博士，工程師，主要研究方向：航天測控、信號處理、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用。E-mail:y6ckgxf@126.com。

倪晨剛(1989-)，男，本科，助理工程師，主要研究方向：3D建模與仿真。

徐榮(1979-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：航天測控。