虚拟现实医学教学平台研究

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1、[摘要]目的：设计一种双目立体虚拟现实(VR)显示教学资源平台，利用其沉浸性能来增强对学员主观视角上的刺激，达到快速拓展知识面的效果。方法：对3D立体视觉原理进行探讨，设计立体显示的软硬件系统再使用计算机实现视觉模型，采用打开图形库(OpenGL)图像编程接口，分析OpenGL实现三维(3D)图像渲染显示的原理与其坐标变换原理；在OpenGL中构建平行双目视觉的影像模型，确定在双目立体显示系统中两个摄像机的相对位置；使用OpenGL在该模型的基础上设计3D-VR医学教学资料。结果：研究的视频资源的渲染质量能够达理想要求，图形渲染速率可

2、满足交互操作的要求，交互性能良好。使用数学建模方法实现两种视觉模型建模；使用OpenGL构建了平行双目投影模型，完成了双目立体显示平台的设计与实现。结论：3D双目视觉的VR医学教学平台能够较好的表现医学教学操作场景的特征，达到了预期的效果；丰富了教学资源，提高了学员的培训效率。[关键词]虚拟现实；视觉模型；三维；医学教学平台随着计算机科学技术的不断进步，促使虚拟现实(virtualreality，VR)技术的发展。VR技术是以计算机技术为基础，集成了三维(three-dimensional，3D)图像、立体显示和触觉反馈等多种技术，是

3、构建VR数字环境的一门新兴技术。在一定范围内VR环境在视觉、听觉和触觉等感官方面与真实环境高度相似，并能实现人与计算机之间的理想交互[1]。其中，立体显示技术—3D则是VR技术中最为关键的技术之一。由于人眼看事物时是通过双目成像的过程，普通的视频及图像显示，只能展示所谓平面的二维空间影像，即无法充分展示以及令眼部感受到事物的深浅、远近以及角度等信息，因此真正的VR医学教学资源的既视感需要3D成像来展示。为此，本研究设计开发一种双目立体3D-VR医学教学资源平台，为教学资源中的新技术和新业务开展提供技术支持。13D-VR医学教学平台1.

4、1研发背景VR技术在医学上的应用前景十分广泛，生物学与医学仿真系统的开发也越来越多，3D双目视觉VR医学教学平台是基于虚拟仿真操作来实现[2]。在教学操作中，医生需要通过使用剪刀、抽吸器和手术刀等手术器械来进行手术操作，将这些内容反映到VR医学教学的场景中，需要针对操作实现相关的立体视频展示，而由于不同患者信息的差异性，需要获取不同患者的病理特征，并在VR场景中重现其特征。因此，通过利用基于计算机立体视觉的双目3D视觉技术，模拟重现真实的医学教学场景，以此训练医生和(或)学员的操作能力，而训练者通过相应的硬件设备便能够观测到3D-VR

5、视觉效果，从而获取更好的训练效果。1.2主要研究内容本研究以3D双目视觉的VR技术为基础，将其应用于计算机VR医学教学中，以解决VR仿真系统中3D显示问题；探究3D视频渲染及纹理映射等问题，为实现VR的沉浸式感受提供理论指导与依据，并为其他相关的研究提供理论支持。在一般的VR显示设备中，采用的头盔显示器的显示屏并不能完全的覆盖眼睛的视场，除显示屏显示的画面外，还能看到很大部分的黑暗背景。对此，在医学VR教学实验平台的基础上提出广视角的双目3D视觉解决方案，能够完全的覆盖人眼的视觉场景；通过理论分析、系统设计编程以及实验测试与评价，完善

6、了本研究提出的双目3D立体显示系统设计。通过改善理论与模型，构建较为优化的双目3D立体显示系统，并对系统性能进行评价[3]。研究内容包括：①设计广视角3D双目视觉的VR显示系统，对系统的硬件系统做出详尽的分析，研究一个实用的广视角3D立体显示方案；②针对平台中的教学操作过程模型仿真与图像视频显示，利用本领域的现有研究成果，提出平台的软件设计，着重研究VR医学教学平台的3D成像方案，视频渲染方法等；③研究双目立体视觉的几何投影模型，通过分析各种模型的优缺点，确定采用的几何投影模型，并通过打开图形库(opengraphicslibrary

7、，OpenGL)专业3D程序接口，实现本设计的模型，完成3D双目视觉的VR软件设计。23D双目视觉的VR系统平台研发2.1平台总体架构双目视觉的VR医学平台架构可分为3D建模、触觉反馈、VR设备、3D-VR教学资源和视觉系统部分。双目视觉的VR医学平台的工作流程为：系统通过3D建模导入系统的模型数据→用户(学员)通过触觉设备与系统进行交互操作→操作结果反馈到视觉系统→视觉系统通过反馈的数据渲染出视频并将反馈视觉信息给用户→用户通过视觉、力触觉等感官因素与系统进行交互操作[4]。2.2平台硬件组成在3D双目视觉的VR平台上，设计的双目场

8、景均可以实现3D-VR视觉显示。在硬件模块中，3D双目视觉的VR医学教学平台将操作数据流导入到视觉系统中；中央处理器(centralprocessingunit，CPU)通过指令控制数据的处理，图形处理单元(graphi