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1、华中科技大学 硕士学位论文 虚拟现实的视觉与触觉场景三维同步匹配 姓名：陈华 申请学位级别：硕士 专业：生物医学工程 指导教师：龚辉 20070130 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要* 虚拟现实技术已在军事、工程、医学、教育等诸多领域获得了广泛的应用。随 着虚拟现实系统的发展，使医学虚拟现实用途更加广泛。数字化虚拟人体手术研究 是生命科学与信息科学的交叉领域，对医学、生物学及其他人体相关学科的发展将 起到难以估量的影响。 目前大多数虚拟现实系统均只有单一的视觉立体或触觉立体，且对分辨率高的 模型数据读取速度慢，本文
2、通过研究快速读取中国数字人男一号高分辨率三维结构 模型；建立视觉模型和触觉模型；建立视觉场景与触觉场景的三维同步匹配，实现 视觉立体和触觉立体的同时渲染。 针对同时实现视觉立体和触觉立体的技术困难，通过比较当前常用的视觉立体 和触觉立体渲染方法，选择 Open Inventor 和 GHOST（General Haptic Open Software Toolkit）作为实现工具；一方面，修复压缩高分辨率虚拟中国人男一号三维结构数据 模型建立视觉立体模型；另一方面，在触觉立体模型中采用层次包围盒法进行碰撞 检测；最后，三维同步匹配视觉和触觉场景，为开发集成主动式立体眼镜和力反馈 设备的仿真平台
3、构建平台接口，给予操作者视觉和触觉两种立体模式的沉浸型虚拟 交互。 在此仿真平台基础上，模拟医护人员利用注射器进行肌肉注射操作的过程，对 数据获取和三维同步匹配结果进行了测试和评价。结果表明，数据获取速度快，三 维同步匹配结果准确，匹配精度为 0.02 毫米。Open Inventor 和 GHOST 的视觉立体 和触觉立体同步平台，为立体模式医学虚拟训练提供了新方法。 关键词：关键词： Open Inventor GHOST SDK 视觉显示 触觉显示 虚拟现实 *本课题受到国家高技术研究发展计划（863 计划：2006AA02Z343）的资助 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
4、 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract Virtual Reality technology has been widely used in military, engineering, medicine, education, et al. The medical application of Virtual Reality at the moment is various and quite adequate to adapt closely with Virtual Reality system. The research of the Virtual
5、Surgery is a cross-discipline of life and information sciences, which is significant to the development of medicine, biology and other human-related subject. At present most systems just have simplex visual stereo or haptic stereo, and cannot read model information with high resolution fleetly, the
6、research of this paper includes: rapid acquisition of Virtual Chinese Male-No.1 3D model data; the construction of the visual model and haptic model; the implementation of matching visual stereo and haptic stereo synchronously in three-dimensional space, and simultaneously rendering of visual and ha
7、ptic stereo. Faced the technical difficulties in implementing the visual and haptic stereo synchronously, Open Inventor and GHOST are choosed as the development tool through the comparison with wide-used methods. On the one hand, Virtual Chinese Male-No.1 3D models are repaired and compressed for vi
8、sual model; On the other hand, hierarchical bounding volumes method for collision detection is adopted for haptic stereo model. At last, the visual and haptic scene are matched synchronously to construct the platform interface for simulation platform, which integrates active stereo glasses and hapti
9、c device. The simulation platform gives manipulator two stereo model for visual interacting. Based on this simulation platform, the process of muscle injection is simulated through injector which is operated by medical care personal, and a measurement and evaluation are given to the data-obtaining a
10、nd matching results. The outcome indicates that it is quite quickly in data-obtaining and accurately in 3D matching, and the matching resolution is 0.02mm. The synchronization platform for visual and haptic stereo based on Open Inventor and GHOST supplies a new approach for medical 3D simulation tra
11、ining. Key words: Open Inventor GHOST SDK Visual Display Haptic Display Virtual Reality 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关
12、保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论绪论 1.1 虚拟现实技术概述虚拟现实技术概述 虚拟现实技术（Virtual
13、Reality，VR）是一种综合应用各种技术制造逼真的人工 模拟环境，并能有效地模拟人在自然环境中视、听、触觉等各种感知行为的高级人 机交互技术1。它汇集了计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传 感器技术、高度并行的实时计算技术和人的行为学研究等多项技术，是这些技术高 层次的集成和交叉。它给用户以更逼真的体验，为人们探索宏观世界和微观世界中 由于种种原因不便于直接观察事物的运动变化规律提供了极大的便利，将从根本上 改变人与计算机系统的交互方式。目前，虚拟现实技术已在军事、工程、医学、教 育等诸多领域获得了广泛的应用，而且随着虚拟现实技术的不断发展，必将展示出 更加广阔的应用前景。
14、 第一个蕴涵虚拟现实思想的装置是由美国摄影师Morton Heilig在1962年研制出 的一套称为 Sensorama Simulator 的具有多种感官刺激的立体电影设备。该设备具有 图像、声音、振动、风、气味等感知性能，但属于非交互式的系统。 1965 年，有 VR“先锋”之称的计算机图形学的创始人 Ivan Sutherland 在 IFIP （International Federation for Information Processing）会议上作了题为“The Ultimate Display”的报告2，提出了一项富有挑战性的计算机图形学研究课题。他指出，人 们可以把显示屏当
15、作一个窗口观察一个虚拟世界，使观察者有身临其境的感觉。这 一思想提出了虚拟现实概念的雏形。 虚拟现实技术发展史上的一个重要里程碑是 Ivan Sutherland 于 1968 年在哈佛大 学组织开发的第一个计算机图形驱动的头盔式显示器（Helmet Mounted Display， HMD）及与之匹配的头部位置跟踪系统。1970 年，Ivan Sutherland 到尤他州大学继 续研制 HMD，第一个 HMD 原型终于研制成功，但非常笨重。30 多年后的今天，大 多数虚拟现实系统中仍然能看到 HMD 的影子，只是比那时的要轻得多。Ivan Sutherland 的报告和他研制的 HMD 是
16、具有初始意义的虚拟现实技术，是虚拟现实的 萌芽。 1986 年， 美国国家宇航局 （National Aeronautics and Space Administration， NASA） 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 的 Ames 研究中心研制成功第一个基于 HMD 及数据手套的 VR 系统 VIEW3。该系 统提供了语音、手势等交互式手段，成为名副其实的虚拟现实系统。该系统对虚拟 现实技术的发展产生了深远的影响，目前，大多数虚拟现实系统的硬件体系结构都 由 VIEW 发展而来。 1989 年，VPL Research 公司的创始人 Jaron Lanier 提出了“Virtual Reality” （虚 拟现实）一词，意指“计算机产生的三维交互环境，在使用中用户是投入到这 个环境中去的” 。从此， “Virtual Reality”便引起世界极大的关注和丰富的想象45。 20 世纪 90 年代至今是虚拟现实全面发展阶段，出现了一些优秀的
