基于VTK的虚拟手可视化模型的初步研究

摘要

随着1989年美国提出可视人计划以来，虚拟人的概念引起了全球的关注，“虚拟人”是指把人体形态学、物理学和生物学等信息，通过大型计算机处理而实现的数字化虚拟人体，是可代替真实人体进行实验研究的技术平台。虚拟手的研究是虚拟人研究中的一个重要部分，“虚拟手”是将人手的物理和运动生物学过程用数学方法进行精确描述，并建立相应的、等效意义上的数字化手部模型。虚拟手建模的研究在医学临床应用、生理学研究、仿生机械手研究、康复治疗、聋哑教育等领域有着重要的意义。
　　 本课题利用中国数字化可视人体数据集，以解剖本体为基准进行图像分割，获取手的皮肤、骨骼等组织结构的数据；利用Visual Studio2005和VTK(Visualization Toolkit)可视化工具包作为开发平台，设计了虚拟手系统软件，视觉效果和运行效率较好，可满足临床上的观察需求。其对主要功能的算法进行了封装，实现了任意路径下的BMP图像序列读取功能，采用多平面重建算法实现了多模式的任意切面显示，采用面绘制和体绘制的不同算法分别绘制虚拟手的三维可视化解剖模型，包括手部皮肤、桡骨、尺骨、腕骨(包括周骨、月骨、三角骨、豌豆骨、大多角骨、小多角骨、头状骨、钩骨)、第Ⅰ～Ⅴ掌骨、第Ⅰ～Ⅴ指骨第(包括近节指骨、中节指骨、远节指骨)，可以任意角度和比例大小对它们进行交互式观察，清楚地显示了它们在的空间上的位置关系，并通过实时的鼠标交互实现坐标值的获取、距离测量、角度测量等三维测量功能，以用于人手运动机能检测和手势分析等研究；另外，软件系统功能的实现是采用组件编程的思想独立地封装各子功能，开发效率高，并具有较强的移植性和扩展性。最后，本课题还利用Oracle数据库和Visual Studio2005构建了简单初步的手知识管理系统，可查询、修改手部的解剖知识，可为探讨人体的解剖、生理、病理等生物数据的知识获取和知识表示的方法，搭建数字人体基础数据平台的核心框架，使其成为不同用户使用的公共数据平台，为数字人体的进一步研究提供数据整合规范和平台基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题的提出及研究意义

1.1.1课题的研究背景

1.1.2课题的研究意义

1.2国内外相关技术及应用研究

1.2.1虚拟人的国内外研究现状

1.2.2虚拟手的国内外研究现状

1.3本课题介绍

1.3.1研究目标

1.3.2研究内容

1.3.3论文组织结构

2医学数据的科学可视化

2.1可视化在医学中的意义

2.2三维可视化算法的分类

2.2.1面绘制(Surface Rendering)

2.2.2体绘制(Volume Rendering)

2.2.3不同算法的比较

2.3可视化开发工具VTK

2.3.1 VTK的概述

2.3.2 VTK的特点

2.3.3 VTK的数据类型

2.3.4 VTK的可视化流程

2.4本章小结

3手部数据的预处理和图像分割

3.1原始数据的来源及预处理

3.2手部的解剖知识

3.3手部图像分割

3.4本章小结

4可视化虚拟手系统的软件设计

4.1开发平台的选取

4.1.1用C＃语言开发的优点

4.1.2基于组件编程的思想优点

4.1.3 VTK.NET的编译与使用

4.2系统的整体设计

4.2.1设计环境

4.2.2系统功能

4.2.3系统界面

4.3各功能组件的实现

4.3.1数据读取

4.3.2多平面重建

4.3.3体绘制重建

4.3.4面绘制重建

4.3.5其它功能

4.4本章小结

5虚拟手知识表达的初步研究

5.1知识表示的概述

5.1.1知识表示的方法

5.1.2知识表示的特性

5.1.3知识表示的应用

5.2手部初步的解剖识表示

5.2.1手关系数据库的实现

5.2.2手知识管理系统的设计

5.3本章小结

6总结和展望

6.1课题工作总结

6.2后续研究展望

致 谢

参考文献

附 录