阅读说明：本技术 一种电子显示屏虚拟人物陪跑系统及方法 (Electronic display screen virtual character running accompanying system and method ) 是由 郑华军 于 2019-10-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种电子显示屏虚拟人物陪跑系统及方法,系统包括沿跑道设置的电子显示屏、跑步者携带的智能设备、大屏服务器、云服务器；跑步者携带的智能设备用于随时将跑步者的定位数据和指令数据传输至云服务器中；云服务器用于将跑步者的定位数据和指令数据进行过滤、计算和分析定位数据,并生成跑步数据传递至大屏服务器中；大屏服务器用于接收跑步数据,经过对跑步数据的综合计算和同步的优化,以固定帧率刷新像素位并显示在沿跑道设置的电子显示屏上。本发明通过手机定位结合大数据计算跑步速度并采用修正值进行修正来实现同步,不需要动力装置带动全息投影设备进行跟随,降低成本,也不需要采用传感器进行感应,降低系统的计算量,极大的提高同步性能。(The invention discloses a virtual character running accompanying system and a virtual character running accompanying method for an electronic display screen, wherein the system comprises the electronic display screen arranged along a runway, intelligent equipment carried by runners, a large-screen server and a cloud server; the intelligent equipment carried by the runner is used for transmitting the positioning data and the instruction data of the runner to the cloud server at any time; the cloud server is used for filtering, calculating and analyzing the positioning data and the instruction data of the runner, generating running data and transmitting the running data to the large-screen server; the large screen server is used for receiving the running data, refreshing pixel bits at a fixed frame rate through comprehensive calculation and synchronous optimization of the running data, and displaying the pixel bits on an electronic display screen arranged along the runway. The invention realizes synchronization by combining mobile phone positioning with big data to calculate running speed and adopting the correction value to correct, does not need a power device to drive holographic projection equipment to follow, reduces cost, does not need a sensor to sense, reduces the calculated amount of the system and greatly improves the synchronization performance.)

一种电子显示屏虚拟人物陪跑系统及方法

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，特别涉及一种电子显示屏虚拟人物陪跑系统及方法。

背景技术

位于菲律宾的马尼拉市中心，NIKE建造了世界上第一条带有大型LED的跑道“unlimitedstadium”，它以耐克经典的跑步鞋Lunar Epic为原型，整个运动场就是球鞋型的外形，沿着全长200米的跑道设立了一道由千万个LED组成的跑步屏幕。运动员必须在自己的耐克鞋上装上传感器。当开启跑步计划时，电子显示屏上便会出现一个虚拟的对手，它的速度与你相当，偶尔还会超越。

由于它是专业运动场地，需要运动员在鞋子上系专用传感器，这并不适合其他公共场所或比赛场地。同时它拥有众多感应器和传感器，正是这个原因造成整个系统计算量大且复杂，让性能存在一定的问题，陪跑同步性影响较大，所以“unlimitedstadium”最多允许30位选手可以同时参与赛跑，另外它的陪跑人影像过于单一，如能让用户选择自己喜欢的陪跑人影像，则大大提升项目的乐趣和参与的积极性。

目前专利号CN109045665A一种基于全息投影技术的运动员训练方法及训练系统虽然克服了上述问题，但采用动力装置带动全息投影设备跟随进行投影，从而实现同步陪跑的功能，严重增加了整体装置的能耗和成本，不利于系统的投入使用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种电子显示屏虚拟人物陪跑系统及方法，解决目前陪跑装置能耗过大、成本较高以及系统运算复杂、同步性能较差的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

第一方面，本发明提供一种电子显示屏虚拟人物陪跑系统，包括沿跑道设置的电子显示屏、跑步者携带的智能设备、大屏服务器、云服务器；

所述跑步者携带的智能设备用于随时将跑步者的定位数据和指令数据传输至云服务器中；

所述云服务器用于将跑步者的定位数据和指令数据进行过滤、计算和分析定位数据，并生成跑步数据传递至大屏服务器中；

所述大屏服务器用于接收跑步数据，经过对跑步数据的综合计算和同步的优化，以固定帧率刷新动画和移动相应的像素位，驱动虚拟人跑步动画显示在沿跑道设置的电子显示屏上。

作为本发明的一种优选技术方案，所述跑步者携带的智能设备还用于设置陪跑者的个人数据、陪跑人数和陪跑时间以及显示的颜色，并将虚拟陪跑人物的数据传递至电子显示屏上进行显示，所述陪跑者的个人数据包括陪跑者的姓名、昵称、性别、身高和体重，所述电子显示屏包括LED显示屏或LCD显示屏。

作为本发明的一种优选技术方案，所述指令数据包括出发指令和结束指令，所述定位数据包括跑步者实时的经纬度。

作为本发明的一种优选技术方案，所述系统还包括固定在跑道一侧的摄像装置，所述摄像装置用于拍摄跑步者的影像并进行剪影和识别运动轮廓形成虚拟人物发送至电子显示屏上。

作为本发明的一种优选技术方案，所述电子显示屏与大屏服务器通过多路显示电路相连接，所述跑步者携带的智能设备、大屏服务器、云服务器之间通过WebSocket长连接通讯的方式进行数据传输。

作为本发明的一种优选技术方案，所述跑步者携带的智能设备为手机专用app。

第二方面，本发明还提供一种电子显示屏虚拟人物陪跑方法，包括以下步骤：

S1：跑步者在智能设备的专用App上按下出发指令，并选择陪跑人物的数量和个人数据显示在电子显示屏上；

S2：跑步者跑动的过程中，智能设备的专用App将跑步者的定位数据进行过滤、计算和分析得出跑步数据；

S3：对跑步数据进行综合计算并优化，根据优化后的数据移动电子显示屏上虚拟人物相应的像素位，实现陪跑功能。

作为本发明的一种优选技术方案，所述在生成跑步数据的过程中，过滤相同的定位数据，以及相距小于0.1米的定位数据。

作为本发明的一种优选技术方案，所述对跑步数据进行综合计算并优化步骤包括：

A:综合计算显示速度：跑步数据包括当前离屏幕起始点的距离和最近的跑步速度，以此预测跑步者下一次可能的定位数据并生成相应的速度；

B:同步的优化：对预测的定位数据和实际数据进行比较，当误差不小于20像素时，对速度数据乘以0.07的方式进行纠偏；当误差不小于50像素时，对速度数据乘以0.15的方式进行纠偏。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明通过手机定位结合大数据计算跑步速度并采用修正值进行修正来实现同步，不需要动力装置带动全息投影设备进行跟随，降低成本，也不需要采用传感器进行感应，降低系统的计算量，极大的提高同步性能。

本发明适用于学校操场日常跑步和公共场所的休闲跑步，也适用于专业的训练场景和比赛场景，不会受制于专业建造的运动场所，对于参与的人数不加以限制，也无需专业人员进行维护，以及发放和回收运动员所携带的设备，使人人都可以自主参与。

丰富的虚拟人影像可以供跑步者选择，可以使用在不同的出发点决定，也可以通过App手动选择，灵活选择和设置，大大提升项目的乐趣和参与的积极性。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的方法流程图；

图中：1、智能设备；2、云服务器；3、大屏服务器；4、电子显示屏。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

此外，如果已知技术的详细描述对于示出本发明的特征是不必要的，则将其省略。

实施例1

如图1所示，本发明提供一种电子显示屏虚拟人物陪跑系统，包括超长且沿跑道建造的电子显示屏；

大屏服务器，它部署在电子显示屏附近，且通过多路显示连接线与电子显示屏相连；

云服务器以及跑步者携带的手机手机(或智能设备)；

软件组成：

云服务器的数据中心，对外提供Web服务，数据库作为存储媒介；

大屏服务器的陪跑软件，负责虚拟人陪跑动画和同步，还包括实时通讯功能，如WebSocket技术；

LED显示屏或LCD显示屏是沿着跑道所建造的超长电子显示屏，它通过多路显示连接到大屏服务器，按照排列顺序显示跨多屏的陪跑软件的画面。陪跑软件负责显示虚拟人的同步陪跑动画，同步陪跑由云服务器的数据中心推送来的跑步数据驱动，这些跑步数据最终源自于手机(或智能设备)的定位数据。

以下是对软件部分功能的具体介绍：

智能设备功能说明：

设置用户个人数据：用户姓名或昵称、性别、身高和体重，姓名或昵称显示在虚拟人上方，用于区分不同的跑步者，性别决定虚拟人的男女影像，不同的身高体现在虚拟人与大屏垂直高度的比例不同，形像的区别不同高度的跑步者，体重用于计算运动的热量。

训练设置：需要设置陪跑的人数，以及他们的完成时间。

比赛设置：需要输入赛时随机码，以锁定运动员身份。

发出“出发”和“结束”指令：这里的结束功能是跑步者提前手动结束，另外当跑步者冲过屏幕终点时系统自动结束，比赛场景中的自动“出发”指令，它并不由运动员直接控制，由数据中心统一处理。

显示跑步的成绩：包括名次、时间、速度、跑步和卡路里等数据。

地图显示，用于标注出发点和终点，显示运动轨迹。

云服务器功能说明：

过滤数据：当跑步者出发后，持续不断的上传定位数据，同时过滤相同的定位数据，以及相距小于0.1米的定位数据。

出发点的下载：大屏起点与跑道中心线的交叉点作为原点，提供多个不同的出发点的定位数据供App软件下载，以便跑步者站在不同出发点范围内时，显示虚拟人影像名称。

接收App上传的指令：用于开启和中止陪跑过程，区分手动和自动指令。

接收App上报的定位数据，并进行如下的处理：

使用卡尔曼滤波统计学方法去噪。

定位数据是否有效，如果离原点超过指定的距离，则认为无效数据，无须实时推送给陪跑软件，如50米的大屏，70米认为是有效距离范围。

计算定位点离原点的距离，以米为单位。假定地球是以半径为6371.004千米的正圆球体，需要计算任意两个经纬度点距离，换算成米为单位的距离。

当跑步者未到达屏幕时，沿跑道中心线的距离是负数，只有超过屏幕起点才大于零，此时陪跑的虚拟人影像才会出现在大屏上。

定位点与原点距离并不是被认可的距离，必须在跑道中心线(或者屏幕中心线)上的投影后才被认可，才能计算跑步的理论速度，如果跑道是笔直的，跑步者在跑道上任意定位点应正投影于屏幕中心线；

如果距道是弯曲的，如操场两端半圆形的跑道，则以圆心作为原点，计算跑道上任意定位点与原点的斜率或角度，通过角度投影到跑道中心线，这样跑步者的速度就变成了角速度的计算。

当定位数据的距离超出大屏长度时(即跑步者冲出大屏的终点)，自动结束陪跑过程，自动下发结束指令。

比赛场景中对于预设的多个打卡点，要求按顺序进行逐一自动打卡。

推送指令和跑步数据：定位数据通过上述处理后，与指令一起推送到大屏服务器，因为本发明要求尽可能的实时性和同步性，他们间连接则采用WebSocket长连接通讯技术。

速度排名和最终成绩：当触发“结束”指令时，数据中心负责计算速度排名和最终成绩，如果比赛场景中，必须是完成所有打卡点的打卡动作，否则成绩无效。

大屏服务器的功能说明：

根据电子显示屏像素尺寸生成陪跑软件的窗体大小，选择显示质量最好的1：1像素比。

接收数据中心推送过来的指令和定位数据，处理如下：

手动指令：“出发”和“结束”指令，它们是App上手动开启和中止的虚拟人陪跑指令。

自动指令：除了上述两个手动指令外，系统还提供自动出发和自动结束指令，如在比赛模式中，出发指令由数据中心统一触发，同时定位和跑步数据并不会直接推送到大屏服务器。只到达大屏附近，如50米的跑道，定位距离小于起点70米的范围时，数据中心才会推送。如大屏服务器未检测到相应陪跑虚拟人时，则会触发生成一个陪跑开启指令，生成一个虚拟人。同理，当跑步者冲过大屏终点时，系统会自动触发中止指令。

虚拟人影像：在开启陪跑时，大屏服务器根据出发点位置或手动选择，生成相应的虚拟人影像，影像同时区分性别和体重、身高。

综合计算显示速度：跑步数据包括当前离屏幕起始点的距离和最近的跑步速度等，以此陪跑软件预测跑步者下一次可能的定位数据。另外当前定位数据应该在一定毫秒前由手机(或智能设备)所获取，在计算距离上需增加一定的经验提前量(目前数据是3.2米)，综合计算后获得跑步者的显示速度。

同步的优化：因为跑步的速度并非衡定，特别是跑步者突然加速或者减速，容易造成实际的位置与预测位置之间出现偏差，算法上必须使用优化手段，在既定的速度上乘上一个系数(偏差≥50个像素，系数：±0.15，≥20个像素，系数：±0.07)进行纠偏。

驱动虚拟人陪跑：在显示速度计算和纠偏后，根据大屏的像素密度来计算每帧像素位移速度，用固定帧率(目前采用30毫秒)刷新虚拟人动画和移动相应的像素位，驱动虚拟人跑步动画，最终实现虚拟人同步陪跑的效果。

当跑步者冲过大屏终点时，自动结束陪跑，大屏立即显示跑步者的姓名或昵称、排名和其他成绩，这些数据统一由云服务器的数据中心计算所得。

当跑步者沿着电子显示屏跑步时，大屏内的虚拟人(虚拟跑步动画)会紧紧跟随或者领跑于跑步者，实现同步陪跑的效果。

本系统默认采用预先制作的纯白色虚拟人像，并具有粒子效果，在速度较快时(如>3.5米/秒)，部分粒子会被消散，形成追随尾影的艺术效果。

也可以采用真人动画影像，在出发前通过摄像装置拍摄，以白墙作为背景，实时对真人视频进行剪影和识别运动轮廓，瞬间完成拍摄和显示。

实施例2

如图2所示，本发明提供一种电子显示屏虚拟人物陪跑方法，包括以下步骤：

S1:当跑步者在手机(或智能设备)的专用App按“出发”时，就向数据中心发送“出发”指令和定位数据，并且持续上报定位数据。

S2:云服务器的数据中心负责接收、过滤、计算和分析定位数据，并生成跑步数据推送给大屏服务器的陪跑软件。

S3:大屏服务器接收这些数据，经过显示速度的综合计算和同步的优化，以固定帧率刷新动画和移动相应的像素位，驱动虚拟人跑步动画，最终实现虚拟人同步陪跑的效果。

S4:当跑步者冲过大屏终点时，自动结束陪跑，大屏立即显示跑步者的姓名或昵称、排名和其他成绩。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。