本發(fā)明涉及vr解剖教學(xué)，具體為一種基于vr的解剖教學(xué)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、解剖學(xué)作為醫(yī)學(xué)教育的核心課程，要求學(xué)生具備對(duì)人體結(jié)構(gòu)的深刻理解以及在三維空間中想象和辨識(shí)解剖結(jié)構(gòu)的能力。然而，這種空間理解能力的培養(yǎng)，對(duì)于許多學(xué)生來說，仍然是一大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的解剖學(xué)教學(xué)主要依賴于書本、二維圖像以及文字描述，這些方式雖然能夠傳達(dá)基本的信息，但難以充分幫助學(xué)生將二維信息轉(zhuǎn)化為三維的心智模型。

2、隨著科技的進(jìn)步，市場(chǎng)上出現(xiàn)了多種輔助解剖學(xué)教學(xué)的技術(shù)和工具，這些技術(shù)試圖通過提供更加直觀的三維模型和交互體驗(yàn)來解決學(xué)生在學(xué)習(xí)解剖學(xué)時(shí)遇到的難題。然而，盡管這些技術(shù)在一定程度上改善了學(xué)習(xí)體驗(yàn)，但它們也各自存在一定的缺陷和局限性。

3、現(xiàn)有技術(shù)的缺陷包括：

4、屏幕類：移動(dòng)設(shè)備的小屏幕可能限制了對(duì)細(xì)節(jié)的觀察，大屏幕3d交互式解剖模型，依舊脫離現(xiàn)實(shí)環(huán)境，缺乏圖像與主觀運(yùn)動(dòng)感受的結(jié)合。

5、vr技術(shù)：vr技術(shù)可能會(huì)引起某些用戶的暈動(dòng)癥等不適，且往往難以向多人同時(shí)展開教學(xué)。

6、ar技術(shù)：現(xiàn)有的ar技術(shù)，常依賴于智能手機(jī)或平板電腦，往往受限于設(shè)備的攝像頭和傳感器精度，脫離現(xiàn)實(shí)人體實(shí)際，影響用戶體驗(yàn)。

7、綜合上述現(xiàn)有技術(shù)的主要缺點(diǎn)：難以在運(yùn)動(dòng)中觀察人體解剖和揭示人體復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于vr的解剖教學(xué)系統(tǒng)及方法，解決了在基于vr技術(shù)的解剖教學(xué)中，難以在運(yùn)動(dòng)中觀察人體解剖的目的和揭示人體復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

3、本發(fā)明所述的基于vr的解剖教學(xué)系統(tǒng)，包括：

4、動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，用于采集捕捉用戶的動(dòng)作或模型的位置，動(dòng)作捕捉系統(tǒng)包括紅外攝像機(jī)模塊、追蹤模塊和動(dòng)作捕捉設(shè)備；

5、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，用于通過高性能計(jì)算機(jī)處理從動(dòng)作捕捉模塊接收到的數(shù)據(jù)，執(zhí)行兩項(xiàng)關(guān)鍵計(jì)算任務(wù)，并渲染三維圖像和控制投影儀，實(shí)時(shí)投影投影儀接收到視頻信號(hào)后，將實(shí)時(shí)圖像投射到人體目標(biāo)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的人體解剖可視化，其中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括有軟件平臺(tái)和三維解剖模型數(shù)據(jù)庫；

6、投影儀，投影儀集成了追蹤傳感器、動(dòng)作捕捉設(shè)備和投影組件，通過追蹤傳感器識(shí)別并追蹤人形目標(biāo)，動(dòng)作捕捉設(shè)備獲取人體運(yùn)動(dòng)學(xué)信息，計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)，識(shí)別關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度并調(diào)用相關(guān)圖像或視頻資源，最終通過投影儀將畫面實(shí)時(shí)投射到人體目標(biāo)區(qū)域。

7、優(yōu)選的，動(dòng)作捕捉系統(tǒng)中，紅外攝像機(jī)模塊、追蹤模塊和動(dòng)作捕捉設(shè)備的采集方式為：

8、追蹤模塊：通過追蹤傳感器對(duì)人形事物進(jìn)行識(shí)別并追蹤其位置，利用計(jì)算機(jī)視覺庫實(shí)現(xiàn)追蹤傳感器中的圖像識(shí)別和人體形態(tài)及運(yùn)動(dòng)的追蹤功能；

9、動(dòng)作捕捉設(shè)備：動(dòng)作捕捉設(shè)備裝配了高精度傳感器，專門設(shè)計(jì)用于精細(xì)捕獲人體的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，包括關(guān)節(jié)的角度和肢體的定位；數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)會(huì)迅速且準(zhǔn)確地將大量的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)傳遞給后續(xù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；數(shù)據(jù)的處理和分析涉及到軟件和硬件對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行必要的調(diào)整、計(jì)算運(yùn)動(dòng)路徑，并將數(shù)據(jù)與三維模型結(jié)合起來；

10、紅外攝像機(jī)模塊：將三維紅外攝像機(jī)與計(jì)算機(jī)連接，利用三維紅外攝像機(jī)捕捉人體的三維模型，并將這些圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)中；將紅外感應(yīng)器連接到計(jì)算機(jī)，并將其貼在人體的關(guān)節(jié)處，以便計(jì)算機(jī)能夠檢測(cè)這些感應(yīng)器；再次使用三維紅外攝像機(jī)捕捉人體模型，并與之前導(dǎo)入的模型進(jìn)行比對(duì)，對(duì)關(guān)節(jié)位置進(jìn)行標(biāo)記；利用計(jì)算機(jī)生成3d坐標(biāo)；將測(cè)量得到的3d位置映射到人體模型的相應(yīng)圖像上，結(jié)合預(yù)設(shè)的關(guān)節(jié)點(diǎn)位置信息和實(shí)際捕獲的關(guān)節(jié)點(diǎn)位置信息，對(duì)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行追蹤，最終獲得視頻中各關(guān)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

11、優(yōu)選的，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中：

12、軟件平臺(tái)，作為中央控制單元，集成和協(xié)調(diào)所有硬件組件的功能，用于控制動(dòng)作捕捉、圖像渲染、投影控制；

13、三維解剖模型數(shù)據(jù)庫，包含詳細(xì)的人體解剖結(jié)構(gòu)的三維模型，用于在投影中展示。

14、優(yōu)選的，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，兩項(xiàng)關(guān)鍵計(jì)算任務(wù)為：

15、一是清洗和濾波捕捉到的數(shù)據(jù)，去除噪聲，獲取和計(jì)算關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度，為后續(xù)的圖像渲染提供精確的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，使用編程語言結(jié)合相關(guān)的數(shù)學(xué)庫來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的清洗、濾波和計(jì)算關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度；

16、easytracker：采用?smk?系列智能演算專用攝像機(jī)，直接演算出標(biāo)記點(diǎn)的二維坐標(biāo)；smk?系列智能演算專用攝像機(jī)支持實(shí)時(shí)在線或者離線的運(yùn)動(dòng)捕捉、分析，具有高性能自動(dòng)識(shí)別功能，根據(jù)模板自動(dòng)進(jìn)行標(biāo)記點(diǎn)匹配，實(shí)時(shí)計(jì)算輸出人或物體的空間位置和自由度數(shù)據(jù)；

17、二是根據(jù)捕捉到的骨性標(biāo)志點(diǎn)和關(guān)節(jié)位置，利用三維建模技術(shù)，根據(jù)捕捉到的數(shù)據(jù)創(chuàng)建人體部位的三維模型；根據(jù)捕捉到的骨性標(biāo)志點(diǎn)和關(guān)節(jié)位置信息，查詢?nèi)S解剖模型數(shù)據(jù)庫，并從三維解剖模型數(shù)據(jù)庫中檢索對(duì)應(yīng)的圖像或視頻資源，采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫或非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)和檢索三維解剖模型數(shù)據(jù)庫中的圖像和視頻資源；渲染三維模型和生成圖像，以展示人體解剖結(jié)構(gòu)；其專用軟件平臺(tái)集成了用戶界面、數(shù)據(jù)處理、圖像渲染和投影控制功能，使用戶能夠直觀地操作和控制投影過程。

18、優(yōu)選的，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，圖像渲染過程為：

19、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度和檢索到的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，生成與人體運(yùn)動(dòng)同步的圖像；專業(yè)的三維圖形庫用于創(chuàng)建和渲染人體部位的三維模型；同時(shí)，使用?3d?建模軟件的開發(fā)接口結(jié)合相應(yīng)的渲染引擎來生成高質(zhì)量的圖像。

20、優(yōu)選的，還包括：

21、視頻輸出接口使用hdmi、dvi或其他高速視頻輸出接口，將渲染后的圖像從計(jì)算機(jī)處理模塊傳輸?shù)酵队皟x；實(shí)時(shí)投影投影儀接收到視頻信號(hào)后，將實(shí)時(shí)圖像投射到人體目標(biāo)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的人體解剖可視化；用戶通過交互界面選擇不同的解剖部位、調(diào)整視角和縮放比例，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，使用跨平臺(tái)的?ui?框架來創(chuàng)建直觀的用戶交互界面。

22、優(yōu)選的，投影儀中，投影儀集成了三個(gè)核心部件：追蹤傳感器、動(dòng)作捕捉設(shè)備及投影組件，投影儀兼具人形追蹤、運(yùn)動(dòng)學(xué)信息獲取及實(shí)時(shí)投影的三大主要功能；實(shí)現(xiàn)方法是追蹤傳感器對(duì)人形事物進(jìn)行識(shí)別并追蹤其位置，由動(dòng)作捕捉設(shè)備收集人體的運(yùn)動(dòng)學(xué)信息，通過捕捉骨性標(biāo)志點(diǎn)來確定人體相關(guān)結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置關(guān)系，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后，最后由投影儀將實(shí)時(shí)畫面投至人體目標(biāo)區(qū)域。

23、優(yōu)選的，還包括：

24、運(yùn)動(dòng)學(xué)信息通過有線或無線方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)需完成兩項(xiàng)主要計(jì)算工作，在操作者確定所展示部位后，一是實(shí)時(shí)識(shí)別關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度，二是根據(jù)骨性標(biāo)志點(diǎn)和對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)從三維解剖模型數(shù)據(jù)庫中調(diào)取相關(guān)靜動(dòng)態(tài)圖片或視頻資源，通過軟件平臺(tái)加載到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行渲染和投影，通過hdmi、dvi或其他視頻輸出接口連接到投影儀，投射到人體。

25、本發(fā)明所述的基于vr的解剖教學(xué)方法，具體步驟為：

26、步驟一：使用一體兩用人體追蹤式投影儀，開始對(duì)人體進(jìn)行定位和捕捉；

27、步驟二：利用追蹤模塊，通過追蹤傳感器和相應(yīng)的算法進(jìn)行粗略定位，并通過紅外攝像機(jī)模塊啟動(dòng)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)捕捉，實(shí)現(xiàn)精細(xì)定位；

28、步驟三：信號(hào)轉(zhuǎn)換器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并傳輸至計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，消除噪聲，濾除誤差，并確認(rèn)關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置，建立三維模型，分析關(guān)節(jié)點(diǎn)的角度；

29、步驟四：將確認(rèn)的關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)存入三維解剖模型數(shù)據(jù)庫中，以供后續(xù)使用；

30、步驟五：使用渲染算法在計(jì)算機(jī)上生成相應(yīng)的三維圖像，電信號(hào)通過另一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為視頻信號(hào)，并由軟件平臺(tái)控制輸出，并進(jìn)行投影。

31、本發(fā)明的有益效果如下：

32、本發(fā)明整合了動(dòng)作捕捉系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及投影儀，首先，該系統(tǒng)利用紅外攝像機(jī)模塊、追蹤模塊和高精度動(dòng)作捕捉設(shè)備能夠精確捕捉人體的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，根據(jù)人體骨性標(biāo)志定位點(diǎn)以及所需展示的解剖圖片資源，將解剖定位點(diǎn)一對(duì)一定位并投影；這一功能不僅提高了教學(xué)內(nèi)容的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)力，還確保了解剖結(jié)構(gòu)展示的準(zhǔn)確性，避免了傳統(tǒng)教學(xué)中靜態(tài)模型無法展示復(fù)雜動(dòng)態(tài)信息的局限性，其次，該系統(tǒng)通過高性能計(jì)算機(jī)對(duì)捕捉到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和渲染，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)中跟隨人體位置投影，且圖片可根據(jù)關(guān)節(jié)角度測(cè)算實(shí)時(shí)發(fā)生變化，生成逼真的三維解剖圖像，并通過投影儀實(shí)時(shí)投射到人體目標(biāo)區(qū)域；這種實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)投影功能，能夠讓學(xué)生在觀察解剖結(jié)構(gòu)的同時(shí)，更好地理解人體結(jié)構(gòu)在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的變化，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的直觀性和記憶效果，同時(shí)規(guī)避了頭戴式工具對(duì)身體的影響。