虚拟环境下公安执法动作运动交互模型研究

目前公安执法动作训练过程中存在突发状况无法充分模拟,多种执法场景难以同时快速搭建,受训人员易造成身体损伤等问题,虚拟仿真训练可有效满足训练科学化、实战化的要求.虚拟执法人员是执法动作虚拟训练中的重要组成部分,为了实现更佳的沉浸效果,满足实战化需求,提出了一种用于肢体运动交互的方法,搭建了肢体交互骨架模型,分析了关节的运动规则,设计了运动算法,实现了运动仿真系统的交互结构,最终利用3ds MAX、Muhigen Creator、Vega和C语言编程实现了虚拟人运动仿真控制,为虚拟人在公安执法动作训练应用方面提供了一条有效途径.     

虚拟手交互中约束类物体操作研究

虚拟手技术是虚拟现实技术中的一种交互方式，是指通过手势识别技术将人的真实手映射到虚拟环境中并与虚拟物体进行交互操作的人机交互方式。主要应用于虚拟训练、虚拟手术和虚拟装配等领域。对虚拟手交互的约束类对象进行了研究，提出了基于运动学的约束类物体操作方法，解决了阀门类有约束物体交互中虚拟手姿态不真实、操作不可控的问题。设计实验验证了基于运动学的方法能以符合实际操作的效果完成虚拟现实系统中的操作任务，可以应用到虚拟训练、虚拟装配等仿真平台。     

虚拟骨科手术中触觉交互建模方法综述

虚拟骨科手术可以让骨科医生使用多种虚拟骨科手术器械在三维重建的骨性解剖结构模型上进行骨科手术操作和 训练。力触觉交互在骨科手术中起着不容忽视的作用,如何在骨科手术模拟中实现真实快速的触觉交互,已成为近年来 虚拟骨科手术研究的热点。文章主要对现有的骨科手术模拟系统中用到的触觉交互模型进行了研究、分类和总结,分析 了现有的一些模型的特点和不足,并展望了骨科手术系统中未来力触觉交互的发展。     

下颌骨骨折虚拟手术培训系统研究

针对下颌骨骨折手术操作技能要求高的特点,使用Unity3D和HTC VIVE进行用于培训和术前模拟的虚拟手术系统的开发。将虚拟手术系统分为三维模型模块、光照系统模块、交互系统模块和手术室瞬间移动模块,对下颌骨骨折手术的场景、交互和手术过程进行模拟。结果表明此虚拟手术系统具有良好的真实感、沉浸感和交互性,能有效引导操作者完成手术流程,达成进行手术训练、模拟的目的。     

基于GPU加速的粒子流体动力学流血模拟算法

流血模拟是虚拟手术训练系统的重要组成部分。然而,流血模拟的真实性和庞大的计算量对手术训练系统具有很大的挑战。提出一种基于GPU加速的方法以解决虚拟手术中的流血效果模拟的实时性问题。该方法利用网格法实时划分问题区域,创建以支持域为边长的空间网格。通过临近网格搜索最近相邻粒子,并且通过并行计算架构(CUDA)多线程并行加速技术完成粒子控制方程的求解以及血液与固体交互的计算,大大提高了运算效率,从而提高了手术训练的实时性。一种改进的移动立方体算法(marching cube)用于流体表面的渲染,大大提高了手术训练的真实性。实验结果表明,该方法能够满足虚拟手术过程中流血的模拟需求,相比于CPU的实现,速度明显提升。     

一种虚拟手术二维力觉交互装置的力学模型

对力交互装置在虚拟手术巾有着广泛的应用,作为基础研究,提出一种二维力觉交互装置的反馈力模型,通过模拟虚拟器械与肌肉组织和骨骼碰撞时的受力情况,验证模型的合理性。首先,根据人体组织的生物力学性能,参照Kamopp模型和胡克定律提出了系统的反馈力模型;然后针对系统的性能指标,通过对肌肉和骨骼两种组织的碰撞实验,验证了设备在虚拟手术过程中反馈力实现效果。仿真结果显示,反馈力方法能较准确地仿真力的变化,准确地感知骨骼的位置,对于虚拟手术系统的实用性具有重要意义。     

舰船训练虚拟系统的设计研究

在建立虚拟舰船仿真系统的研究中,由于舰船的船舱仪表数量多,船体操控复杂,目前还没有舰船虚拟训练系统。针对舰船训练实际需求,提出一种虚拟仪表和游戏引擎相结合的舰船虚拟训练系统设计思想。借助于Ogre、ODE及数据手套、数据头盔和定位器等虚拟现实设备,建立仿真数据模型,解决了场景中的虚拟手交互、碰撞检测等关键技术问题,完成虚拟手对舰船的实时控制。实验结果表明,仿真系统在保证真实性和快速性的同时,还易于操控等特点,能使用户快速掌握舰船驾驶和仪表操作的基本方法,训练周期缩短60%,大大降低了训练成本。     

实现牙体预备触觉交互仿真的图形显示

介绍了在牙科手术训练触觉交互系统的虚拟手术环境中,通过材料去除速率控制构成牙齿的网格变形实现牙齿被切削时材料去除过程的图形仿真.针对牙体预备操作和触觉交互装置输出力的特点,在交互系统的虚拟环境中,当工具与牙体模型发生接触时,所有进入工具空间范围的顶点都会沿着其外法线的反方向进行投射,投射量受控于材料去除速度,且网格变形速度不超过真实的牙齿材料去除速度,同时针对网格的变形位置绘制虚拟工具.通过限制网格变形可以动态的实现牙齿被切削过程的形状变化,图形显示逼真同时没有滞后.     

装备维修仿真训练系统设计与实现

针对实装维修训练成本高和效益低的问题,设计了具有三维交互功能的基于虚拟维修训练的维修仿真训练系统。仿真训练系统集装备学习、训练、考核和管理功能于一体,系统采用了C/S和B/S相结合的体系结构,应用软件采用了开放性和灵活性较高的分层软件体系结构。虚拟维修训练系统采用微软最新的基于Direct 3D的集成开发环境XNA技术和C#语言实现,给出了虚拟维修训练系统实现流程。     

实时多组织虚拟手术的反馈力模拟

为了在虚拟下颌整形手术系统中提供实时和真实的触觉交互,分别构建了基于虚拟中介平面的推操作触觉模型、基于粘附力的拉操作触觉模型和基于非线性粘弹性的针刺触觉模型,以模拟皮肤拉钩、整形镊和针的典型手术操作;同时通过相邻组织间的动态触觉约束建立了多组织联合形变模型,以避免表面弹簧-质点模型形变过程中可能出现的表面间相互穿透的异常现象;并进一步将触觉交互模型和多组织形变模型集成于虚拟下颌手术系统,从而为医生提供一个手术训练的虚拟平台.触觉感知和交互效率的实验结果表明,通过触觉交互识别皮肤、肌肉和骨骼能够获得较高的识别正确率,并能提供实时的触觉和视觉交互体验.     

基于虚拟现实的煤矿大型设备培训系统研究

针对煤矿设备操作培训中存在的不足,设计并实现了一种基于虚拟现实技术的煤矿大型设备虚拟培训系统,利用三维建模软件Maya对井下主要设备采煤机、液压支架、刮板输送机等生产机械设备进行三维模型的创建,结合虚拟现实制作软件Unity3D进行虚拟场景整合与交互设计,利用C#编程语言实现对煤矿大型设备运动仿真控制.通过接口电路实现用户与虚拟场景设备的真实交互.经测试表明,系统不仅实现了煤矿大型设备操作培训的功能,而且增加了系统的交互性,弥补了传统培训方式的不足,节约了培训成本,缩短了培训周期.     

虚拟现实手部康复训练系统的设计与实现

将虚拟现实技术应用到康复医学领域,可有效克服传统康复训练方法的局限性,实现安全、舒适和主动的康复训 练。本文设计并实现了一套虚拟现实手部康复训练系统,系统由交互设备、人机交互软件和虚拟环境三部分组成。交互 设备采用 5DT 公司生产的 5DT Data Glove 14 Ultra 数据手套,而人机交互软件运用 Visual Studio 2012 作为开发工具,基于 MFC 编写,实现了用户管理、数据采集、手势信号分类、实时手势识别测试等功能。构建的虚拟场景使用 Flash 游戏, 通过 MFC 和 Flash 游戏之间通讯使用者能使用手势信号实现游戏操控。本文的实验结果表明：虚拟现实手部康复训练系 统能够指导使用者进行有效的手部康复训练,Flash 康复训练游戏能有效提高使用者进行康复训练的积极性和主动性。     

具有力反馈的虚拟膝部手术系统

基于计算机的外科手术仿真系统已被广泛用于医疗教育、手术训练、手术计划,还被作为术中的辅助手段。随着具有力反馈设备在虚拟膝部手术中的应用,拓展了体数据可视化技术在医学实践中的应用范围,使医务人员不但能看到而且可以触摸并可以使用各种虚拟手术器械对三维虚拟人体膝部进行切割,修补,嫁接等操作。该文介绍了虚拟膝部手术系统的组成部分,主要包括：图像数据的获取和分割,三维模型的重建及人机交互操作,并详细说明每一部分的技术要点及其所采用的疗法。     

装备虚拟维修培训系统设计与实现

针对目前部队及相关军事院校对武器装备维修培训的需求,结合虚拟现实技术的发展现状、系统结构特征设计了基于虚拟维修技术的装备维修培训系统总体方案。对其中的三维模型设计、维修过程设计、碰撞检测、交互方式等关键技术进行了分析与研究,实现了角色管理、虚拟维修演示与训练、维修信息记录等功能,涵盖学习、训练、评估环节。最后以某武器装置为对象对该系统进行实际应用,结果证明可以满足用户在装备维修训练领域的需求,可有效提高装备维修效率,为装备维修培训提供了新的可行方法。     

航天员虚拟交互操作训练多体感融合驱动方法研究

针对航天员虚拟训练中的人机自然交互问题,基于体态/手势识别和人体运动特性, 提出一种多通道数据融合的虚拟驱动与交互方法。结合Kinect 设备能够完整识别人体姿态特点 及LeapMotion 设备能精确识别手势姿态的优势,提出了基于判断的数据传递方法,在人体关节 识别的基础上对手部关节进行识别与数据处理计算,采用多通道体感识别融合方法将二者结合, 并进行了实验。结果表明,通过采用LeapMotion 和Kinect 对手部识别的判别,当手势在 LeapMotion 识别范围内,能够在实现人体体感识别的基础上增加较为精确的手势识别。此方法 成功实现了人体姿态识别和手势精确识别的结合,可应用于航天员虚拟训练中的人机自然交互 中去。     

Effectiveness of a multidevice 3D virtual environment application to train car service maintenance procedures

This paper reports a study which demonstrates the advantages of using virtual-reality-based systems for training automotive assembly tasks. Sixty participants were randomly assigned to one of the following three training experiences to learn a car service procedure: (1) observational training through video instruction; (2) an experiential virtual training and trial in a CAVE; and (3) an experiential virtual training and trial through a portable 3D interactive table. Results show that virtual trained participants, after the training, can remember significantly better (p < .05) the correct execution of the steps compared to video-trained trainees. No significant differences were identified between the experiential groups neither in terms of post-training performances nor in terms of proficiency, despite differences in the interaction devices. The relevance of the outcomes for the automotive fields and for the designers of virtual training applications are discussed in light of the outcomes, particularly that virtual training experienced through a portable device such as the interactive table can be effective, as can training performed in a CAVE. This suggests the possibility for automotive industries to invest in advanced portable hardware to deliver effectively long-distance programs of training for car service operators placed all over the world.     

虚拟煤矿职业培训系统的应用研究

煤矿安全培训是安全生产的重要环节。对安全培训的质量意义重大。该文以滚筒式采煤机为例研究了煤矿设备的虚拟建模、交互仿真。根据各运动部件的运动原理,抽象出设备运动的数学模型,给出了基于交互操作的虚拟设备设计方法。基于这种方法,创建的安全培训系统满足沉浸性、交互性和安全性,并且降低了培训成本。为安全培训现代化提供了可能。     

Gallbladder Removal Simulation for Laparoscopic Surgery Training: A Hybrid Modeling Method

Laparoscopic surgery has many advantages, but it is difficult for a surgeon to achieve the necessary surgical skills. Recently, virtual training simulations have been gaining interest because they can provide a safe and efficient learning environment for medical students and novice surgeons. In this paper, we present a hybrid modeling method for simulating gallbladder removal that uses both the boundary element method (BEM) and the finite element method (FEM). Each modeling method is applied according to the deformable properties of human organs: BEM for the liver and FEM for the gallbladder. Connective tissues between the liver and the gallbladder are also included in the surgical simulation. Deformations in the liver and the gallbladder models are transferred via connective tissue springs using a mass-spring method. Special effects and techniques are developed to achieve realistic simulations, and the software is integrated into a custom-designed haptic interface device. Various computer graphical techniques are also applied in the virtual gallbladder removal laparoscopic surgery training. The detailed techniques and the results of the simulations are described in this paper.     

Computer-based virtual reality simulator for phacoemulsification cataract surgery training

Recent research in virtual reality indicates that computer-based simulators are an effective technology to use for surgeons learning to improve their surgical skills in a controlled environment. This article presents the development of a virtual reality simulator for phacoemulsification cataract surgery training, which is the most common surgical technique currently being used to remove cataracts from the patient’s eyes. The procedure requires emulsifying the cloudy natural lens of the eye and restoring vision by implanting an artificial lens through a small incision. The four main procedures of cataract surgery, namely corneal incision, capsulorhexis, phacoemulsification, and intraocular lens implantation, are incorporated in the simulator for virtual surgical training by implementing several surgical techniques. The surgical activity that are applied on the anatomy of the human eye, such as incision, grasping, tearing, emulsification, rotation, and implantation, are simulated in the system by using different types of mesh modifications. A virtual reality surgical simulator is developed, and the main procedures of phacoemulsification cataract surgery are successfully simulated in the system. The simulation results of the training system show that the developed simulator is capable of generating a virtual surgical environment with faithful force feedback for medical residents and trainees to conduct their training lessons via the computer using a pair of force-feedback haptic devices. In addition, the successful simulation of the mesh modifications on the human eyeball with visual realism and faithful force feedback throughout the surgical operation shows that the developed simulator is able to serve as a virtual surgical platform for surgeons to train their surgical skills.