滑雪场环境要素云端实时链接的元宇宙滑雪系统

1.本发明涉及机械电子工程与体育的交叉技术领域，尤其涉及一种滑雪场环境要素云端实时链接的元宇宙滑雪系统。


背景技术：

2.冰雪运动受制于天气条件，就是在中国北方雪季也是比较短的。因此虚拟现实(vr)滑雪系统开始走向了人们的视野，但现有的vr滑雪系统不能与真实的滑雪场环境要素进行实时链接，极大地减弱了滑雪体验的真实感。
3.为了增加体验者的滑雪真实感，需要建立一种元宇宙滑雪系统，实现虚拟与现实的无缝链接，将有利于对大众进行滑雪运动科普，同时可以突破季节、场地等条件限制，让人们在室内就能体验滑雪场地的地理风貌，感受高山滑雪、自由式滑雪等项目，给冰雪运动带来新的生机。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种滑雪场环境要素云端实时链接的元宇宙滑雪系统，融合“机器人技术 虚拟现实技术 物联网技术 人工智能技术”，并应用在大众体育中，建立滑雪数字体育系统，通过多模态传感器实现真实滑雪场与虚拟滑雪场的实时链接，使体验者实时感受所链接的某真实滑雪场的风向、风速和滑雪阻力。该系统可以突破季节、场地等条件限制，让人们在室内就能体验滑雪场地的地理风貌，感受高山滑雪、自由式滑雪等项目。
5.为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
6.一种滑雪场环境要素云端实时链接的元宇宙滑雪系统，包括滑雪场环境要素感知模块、vr滑雪模块和云端实时链接模块；滑雪场环境要素感知模块负责感知真实滑雪场中的环境要素变化、接收云端指令以及将所采集的数据上传至云端；vr滑雪模块负责向云端上传开始和停止采集数据的指令、实时接收云端转发的数据以及滑雪场景的数据实时显示与场景渲染；云端实时链接模块负责各模块之间的连接与数据传输；
7.所述滑雪场环境要素感知模块包括数据采集端、数据接收端和5g无线网卡；数据采集端采集滑雪场各传感器数据，数据接收端接收采集到的数据并对数据进行判断，若数据发生改变，则使用5g无线网卡将处理后的数据上传至云端；
8.所述vr滑雪模块基于unity3d引擎搭建vr滑雪场景，使用c#脚本编程与云端建立连接，从而与滑雪场环境要素感知模块进行实时链接，将获取到的实时信息与场景中的3d模型和对象模型进行关联，通过改变场景的地形、声音和滑行阻力实现vr场景的动态化；
9.所述云端实时链接模块将服务器部署在云端，使相距较远的滑雪场环境要素感知模块和vr滑雪模块通过互联网进行互联和数据共享；云端实时链接模块采用c/s架构进行设计，同时使用ssl证书实现身份认证与加密通讯，确保数据传输的机密性与可靠性；
10.数据传输采用ssl证书进行鉴别与加密，ssl证书协议分为两层，包括握手协议和
记录协议；
11.握手协议用于在实际的动态环境要素数据传输开始前，客户端与服务器第一次交互并通过数字证书进行身份验证，身份确认无误后，再协商加密方法；采用两种加密算法rsa和aes，用aes算法对原始数据加密，再用rsa算法对aes加密；记录协议是继握手协议、确立安全通信之后才开始对文本内容加密并进行传输，具体过程为：
12.步骤1：服务器与客户端双方均生成一对rsa秘钥，各自保管好私钥，将公钥给对方；
13.步骤2：服务器使用随机函数生成aes加密要用的key；
14.步骤3：服务器使用上一步生成的key对要传输的数据用aes进行加密；
15.步骤4：服务器使用客户端给的公钥对生成的随机key进行加密；
16.步骤5：服务器将使用aes加密的数据以及使用客户端给的公钥加密的随机key一起发送给客户端；
17.步骤6：客户端拿到服务器发送的数据后，先使用客户端的私钥对加密的随机key进行解密，然后使用解密成功的随机key对使用aes加密的数据进行aes解密，获得最终的数据。
18.滑雪场各传感器数据包括温度、湿度、风速、风向和海拔高度，其中温度、湿度、风速和风向使用滑雪场相对应的传感器直接测得，海拔高度通过气压计间接获取。
19.数据采集端包括arduino主板和传感器模块，传感器模块包括风速传感器模块、风向传感器模块、温湿度传感器模块和气压计，传感器模块将其采集到的各模拟电压连接至arduino主板模拟输入口，arduino主板经过电压换算后得到对应数据值；数据接收端使用树莓派，与arduino主板进行串口通讯，同时使用usb转ttl数据线获得气压计数据，通过控制串口的开启与关闭实现数据采集的开始和停止，树莓派接收数据后并对数据进行判断，若数据发生改变，则使用5g无线网卡将处理后的数据上传至云端；
20.vr滑雪模块用于实时接收真实滑雪场中的环境要素，并进行动态反馈，整个设计阶段包括vr滑雪场景的建立、与云端进行链接和虚拟滑雪系统动态反馈三部分；
21.所述vr滑雪场景的建立中，按照实际滑雪场地建模还原真实场地的地形数据以及动态环境要素，并进行vr虚拟场景演示；虚拟滑雪场景基于unity3d引擎，并将所需模型素材拖入场景中，按照现实自由式滑雪场的比例、格局来摆放模型，并添加必要的地面环境、光源、天空盒和声音来烘托场景的氛围，通过c#语言进行脚本的开发，使用oculus软件和steam中的steam vr、vrtk组建虚拟现实软件环境，再使用oculus rift实现虚拟滑雪系统画面的3d成像；
22.所述与云端进行链接是指unity 3d即客户端通过编写好的c#脚本实现和云端即服务器之间数据的传输；
23.所述虚拟滑雪系统动态反馈中，真实滑雪场环境要素数据通过云端传输至vr滑雪场景之后，将获取的环境要素相关数据与静态3d模型和对象模型进行关联，通过改变vr滑雪场景的地形、声音和滑行阻力，得到实时动态模型，并实时显示对象模型所对应的实际参数；用户通过虚拟滑雪场景体验到动态环境要素的改变，通过vr设备和显示屏进行观察。
24.采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的滑雪场环境要素云端实时链接的元宇宙滑雪系统，融合“机器人技术 虚拟现实技术 物联网技术 人工智能技术”，
滑雪场环境要素感知模块可以感知并采集真实滑雪场风向、风速、温湿度、海拔高度的环境要素，vr滑雪模块通过云端实时链接模块与滑雪场的环境变化进行实时同步，通过多模态传感器实现真实滑雪场与虚拟滑雪场的实时链接，使用本系统的体验者可以实时感受所链接的某真实滑雪场的风向、风速和滑雪阻力。该系统可帮助运动员提前适应环境变化及根据当时环境要素调整战术，同时也可用于春夏秋季运动员的滑雪训练以及非运动员进行逼真的滑雪体验。本发明的系统可以突破季节、场地等条件限制，让人们在室内就能体验滑雪场地的地理风貌，感受高山滑雪、自由式滑雪等项目。
附图说明
25.图1为本发明实施例提供的系统总体结构框图；
26.图2为本发明实施例提供的滑雪场环境要素感知模块流程图；
27.图3为本发明实施例提供的ssl证书流程图；
28.图4为本发明实施例提供的元宇宙滑雪场流程图；
29.图5为本发明实施例提供的系统现场测试示意图；
30.图6为本发明实施例提供的元宇宙滑雪体验示意图.
31.图中：1、vr显示视图；2、vr头戴式显示设备；3、滑雪板。
具体实施方式
32.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
33.一种滑雪场环境要素云端实时链接的元宇宙滑雪系统，如图1所示，包括滑雪场环境要素感知模块、vr滑雪模块和云端实时链接模块。滑雪场环境要素感知模块负责感知真实滑雪场中的环境要素变化、接收云端指令以及将所采集的数据上传至云端。vr滑雪模块负责向云端上传开始和停止采集数据的指令、实时接收云端转发的数据以及滑雪场景的数据实时显示与场景渲染。云端实时链接模块负责各模块之间的连接与数据传输。
34.所述滑雪场环境要素感知模块包括数据采集端、数据接收端和5g无线网卡。数据采集端采集滑雪场各传感器数据，数据接收端接收采集到的数据并对数据进行判断，若数据发生改变，则使用5g无线网卡将处理后的数据上传至云端。
35.滑雪场各传感器数据包括温度、湿度、风速、风向和海拔高度，其中温度、湿度、风速和风向使用滑雪场相对应的传感器直接测得，海拔高度通过气压计间接获取。数据采集端包括arduino主板和传感器模块，传感器模块包括风速传感器模块、风向传感器模块、温湿度传感器模块和气压计。
36.风速传感器感应部分由三个半球形的空心风杯组成。风杯固定在互成120
°
的三叉星形支架上，杯的凹面顺着一个方向排列，整个横臂架则固定在一根垂直的旋转轴上。当有风吹来时，凹面迎风的风杯受的风压最大，凸面迎风的风杯由于风的绕流作用使其所受风压比凹面迎风的风杯小，由于风杯之间在垂直于风杯轴方向上的压力差，而使风杯开始旋转，风速越大，起始的压力差越大，产生的加速度越大，风杯转动越快。风杯开始转动后，由于凹面迎风的风杯顺着风的方向转动，受风的压力相对减小，而凸面迎风的风杯迎着风以同样的速度转动，所受风压相对增大，风压差不断减小，经过一段时间后(风速不变时)，作
用在三个风杯上的分压差为零时，风杯就变作匀速转动。当风杯转动时，带动同轴的多齿截光盘转动，通过电路得到与风杯转速成正比的脉冲信号，该脉冲信号由计数器计数，经换算后就能得出实际风速值。
37.风向传感器采用风向标的机械结构，当风吹向风向标尾翼的时候，风向标的箭头就会指风吹过来的方向。为了保持对于方向的敏感性，采用绝对式的格雷码盘，以光电信号转换原理，可以准确地输出相对应的风向信息。
38.采用hmp60温湿度采集模块获取温湿度信息，该模块以温湿度一体式的探头作为测温元件，将温度和湿度信号采集出来，经过稳压滤波、运算放大、非线性校正、v/i转换、恒流及反向保护等电路处理后，转换成与温度和湿度成线性关系的电流信号或电压信号输出。
39.采用气压计测得气压值p，然后根据压高公式计算海拔高度h。压高公式为：
[0040][0041]
其中，p0为标准大气压(101.325kpa)，h0为高度补偿值。由于气压受温度，风力等环境影响较大，再开始测试前需要标定补偿值，在已知海拔高度的位置进行测量，测量值与实际值的差值做补偿。
[0042]
传感器模块将其采集到的各模拟电压连接至arduino主板模拟输入口，arduino主板经过电压换算后得到对应数据值。数据接收端使用树莓派，与arduino主板进行串口通讯，同时使用usb转ttl数据线获得气压计数据，通过控制串口的开启与关闭实现数据采集的开始和停止，树莓派接收数据后并对数据进行判断，若数据发生改变，则使用5g无线网卡将处理后的数据上传至云端。具体的采集过程如图2所示，启动树莓派，初始化各传感器数据(温度、湿度、风速、风向和海拔高度)，将树莓派与云端建立连接，等待云端下发指定。当接到云端下发“开始”指令后，数据采集端开始采集数据，将数据通过串口送到树莓派中，若传送的数据发生变化，将记录的数据进行更新且加密数据上传至云端。当接收到云端下发“停止”指令后，树莓派关闭串口，数据采集端停止采集。
[0043]
vr滑雪模块基于unity3d引擎搭建vr滑雪场景，使用c#脚本编程与云端建立连接，从而与滑雪场环境要素感知模块进行实时链接，将获取到的实时信息与场景中的3d模型和对象模型进行关联，通过改变场景的地形、声音和滑行阻力实现vr场景的动态化。
[0044]
vr滑雪模块实时接收真实滑雪场中的环境要素，并进行动态反馈，整个设计阶段包括vr滑雪场景的建立、与云端进行链接和虚拟滑雪系统动态反馈三部分。
[0045]
所述vr滑雪场景的建立中，按照实际滑雪场地建模还原真实场地的地形数据以及动态环境要素，并进行vr虚拟场景演示。虚拟滑雪场景基于unity3d引擎，并将所需模型素材拖入场景中，按照现实自由式滑雪场的比例、格局来摆放模型，并添加必要的地面环境、光源、天空盒和声音来烘托场景的氛围，通过c#语言进行脚本的开发，使用oculus软件和steam中的steam vr、vrtk组建虚拟现实软件环境，再使用oculus rift实现虚拟滑雪系统画面的3d成像。
[0046]
该vr滑雪场景实现了虚拟现实自由式滑雪体验，给用户身临其境般的滑雪体验，虚拟现实场景中添加了物理引擎，用户以第一人称进入场景中可在滑雪道中滑行。滑行过程中体验者可以听到风声，增强了滑雪的沉浸感，同时可以通过修改场景中的自然环境参
数来模拟在不同环境下的滑雪情形，在下滑过程受到的摩擦阻力、风阻力会相应变化，从而影响滑雪的滑行速度，大大提升了本系统的真实性和适用范围。
[0047]
所述与云端进行链接是指unity 3d即客户端通过编写好的c#脚本实现和云端即服务器之间数据的传输。当进入vr滑雪场景后，通过脚本与云端建立连接，向云端上传“开始”指令，真实滑雪场中环境要素要素感知模块开始采集数据，与此同时场景从云端接收采集到的数据。当退出虚拟场景后，向云端上传“停止”指令，环境要素感知模块停止工作，场景断开与服务器的连接。
[0048]
所述虚拟滑雪系统动态反馈中，真实滑雪场环境要素数据通过云端传输至vr滑雪场景之后，将获取的环境要素相关数据与静态3d模型和对象模型进行关联，通过改变vr滑雪场景的地形、声音和滑行阻力，得到实时动态模型，并实时显示对象模型所对应的实际参数。用户通过虚拟滑雪场景体验到动态环境要素的改变，通过vr设备和显示屏进行观察。
[0049]
所述云端实时链接模块将服务器部署在云端，使相距较远的滑雪场环境要素感知模块和vr滑雪模块通过互联网进行互联和数据共享；云端实时链接模块采用c/s架构进行设计，同时使用ssl证书实现身份认证与加密通讯，确保数据传输的机密性与可靠性。
[0050]
数据传输采用ssl证书进行鉴别与加密，本实施例虚拟滑雪系统根据需求，自制一个ssl证书，ssl证书协议分为两层，包括握手协议和记录协议，整体过程如图3所示。
[0051]
握手协议用于在实际的动态环境要素数据传输开始前，客户端与服务器第一次交互并通过数字证书进行身份验证，身份确认无误后，再协商加密方法。本实施例的系统采用目前两种比较流行的加密算法rsa和aes，rsa是一种非对称算法，需要公钥与私钥配对进行加解密，aes是一种对称算法，只需要一种key，rsa算法安全性高，aes算法加解密速度较快，由于rsa其复杂性，所以加解密速度较慢，因此用aes算法对原始数据加密；如果单纯采用aes对称算法加解密，安全性不够高，所以再用rsa算法对aes的加密，这样就可以在保证加密的安全性，同时还能保证加解密速度。
[0052]
记录协议是继握手协议、确立安全通信之后才开始对文本内容加密并进行传输，具体过程为：
[0053]
步骤1：客户端与服务器双方均生成一对rsa秘钥，各自保管好私钥，将公钥给对方；
[0054]
步骤2：服务器使用随机函数生成aes加密要用的key；
[0055]
步骤3：服务器使用上一步中生成的key对要传输的数据用aes进行加密；
[0056]
步骤4：服务器使用客户端给的公钥对生成的随机key进行加密；
[0057]
步骤5：服务器将使用aes加密的数据以及使用客户端给的公钥加密的随机key一起发送给客户端；
[0058]
步骤6：客户端拿到服务器发送的数据后，先使用客户端的私钥对加密的随机key进行解密，然后使用解密成功的随机key对使用aes加密的数据进行aes解密，获得最终的数据。
[0059]
本实施例的元宇宙滑雪系统具体工作流程如图4所示。首先将环境要素感知模块放置在实际滑雪场地中，启动树莓派与云服务器建立连接。通过unity客户端打开虚拟滑雪场景，当进入场景后，unity客户端通过c#脚本首先与云服务器建立连接，然后发送开始采集数据的指令，云服务器将指令转发给树莓派，树莓派开始采集实际滑雪场中的环境要素
数据并上传至云端。unity客户端实时接收环境要素并与虚拟场景进行关联，体验者通过vr设备体验元宇宙滑雪系统。当退出场景时，unity客户端发送停止采集数据的指令，树莓派通过云服务器的转发进行指令接收并停止环境要素的采集工作。
[0060]
本实施例的云端实时链接滑雪场环境要素的元宇宙滑雪系统测试效果如图5所示。其中，在左图中，a为元宇宙滑雪场地理位置，b为某滑雪场位置。在右图中，a为元宇宙滑雪场及实时显示真实滑雪场环境要素，b为感知某滑雪场环境要素。
[0061]
采用本实施例的元宇宙滑雪系统进行滑雪体验如图6所示。其中，左图为本系统滑雪者可体验的场景，右图中的1为vr显示视图，2为vr头戴式显示设备，3为滑雪板。
[0062]
本发明属于机械电子工程与体育的交叉领域，将机器人技术、虚拟现实技术、物联网技术和人工智能技术应用在大众体育中，建立滑雪数字体育系统，该系统有利于对大众进行滑雪运动科普，为他们“上冰雪”奠定一定基础。
[0063]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。