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基于OpenSceneGraph的上肢康复虚拟环境系统研究与设计

作　者: 扈世伟
导　师: 周以齐
学　校: 山东大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 上肢康复虚拟现实 OpenSceneGraph
分类号: TP391.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着中国老龄化进程加快,心脑血管疾病发病率持续增加,偏瘫患者将越来越多。上肢运动的恢复对患者的日常生活能力影响大,同时也是康复治疗中较难解决的问题之一。本文主要研究了上肢运动康复虚拟环境系统的技术要求、主要功能和具体实现。由于我国的特殊国情,基于虚拟现实技术的康复系统研究尚处于起步阶段,因此,本课题的研究有重要的应用价值。虚拟现实技术是一种结合了计算机图形学、多媒体技术、人工智能、传感技术、人机接口技术以及计算机仿真技术的新兴技术领域。其正被许多专家学者探索应用于医学领域,而在康复医疗方面,其交互性、沉浸性、构想性的特征使其具有巨大的应用潜力。本文在广泛搜集脑卒中康复虚拟现实资料的基础上,对脑卒中后遗症的康复现状和虚拟现实技术的应用现状进行了深入分析,指出了将虚拟现实技术应用于偏瘫康复的可能性,并结合脑卒中后运动功能障碍的康复理论,提出了将目前的几种康复手段与虚拟现实技术结合起来,并分析了具体的系统方案以及系统技术路线。在对桌面虚拟现实平台进行研究的前提下,本文分别讨论了虚拟场景建模方法和虚拟现实软件开发系统的主要技术,针对该讨论选用了主要技术平台,并对选用的目标平台使用过程中的几个重要技术问题进行了分析,包括基于OSG的视景显示技术应用,用于实现上肢康复的虚拟人的几何建模与运动控制技术。对OSG的场景图技术、OSG的体系结构和OSG程序的运行流程进行了详细分析,对虚拟人的几何建模和运动控制方法进行了介绍,使用Creator建模软件完成了了虚拟人的几何建模,利用D-H方法进行了上肢的运动学分析。再次,本文分析了基于虚拟现实技术的上肢康复系统软件的开发环境,设计了关键模块。对患者信息管理模块的主要功能进行了分析,利用数据库开发技术设计了患者康复治疗与评定数据库,并基于Access数据库对该模块进行了开发,并完成了在微软基础类库(MFC)下进行的OpenSceneGraph应用程序开发。

全文目录

摘要  9-10
Abstract  10-12
第1章绪论  12-20
  1.1 研究背景分析  12-13
  1.2 国内外研究发展现状  13-18
    1.2.1 国外研究发展现状  13-16
    1.2.2 国内研究发展现状  16-18
  1.3 论文的主要内容与结构组织安排  18-20
    1.3.1 论文的主要内容  18
    1.3.2 论文的结构组织安排  18-20
第2章虚拟现实技术及其在运动康复中的应用  20-34
  2.1 虚拟现实概述  20-24
    2.1.1 虚拟现实的概念  20
    2.1.2 虚拟现实的特征  20-22
    2.1.3 虚拟现实的分类  22
    2.1.4 虚拟现实技术的应用领域  22-24
  2.2 虚拟现实在运动康复中的应用  24-28
    2.2.1 脑卒中后运动功能障碍的康复理论  24-25
    2.2.2 虚拟现实技术用于运动康复的科学原理  25-27
    2.2.3 虚拟现实技术与现有康复技术手段的结合  27-28
  2.3 系统方案设计与技术路线分析  28-32
    2.3.1 系统方案设计  28-30
    2.3.2 系统技术路线分析  30-32
  2.4 本章小结  32-34
第3章基于OSG的上肢康复虚拟环境仿真技术基础研究与分析  34-58
  3.1 桌面式虚拟现实开发平台研究  34-41
    3.1.1 虚拟场景建模方法研究  34-35
    3.1.2 虚拟环境建模工具选择  35-36
    3.1.3 虚拟现实系统软件开发平台研究  36-39
    3.1.4 虚拟现实软件开发平台选择  39-41
  3.2 3D图形引擎OpenSceneGraph研究  41-46
    3.2.1 OpenSceneGraph简介  41
    3.2.2 OpenSceneGraph与场景图形  41-43
    3.2.3 OpenSceneGraph的体系结构和链接库  43-45
    3.2.4 OpenSceneGraph程序的运行流程  45-46
  3.3 虚拟人的几何建模  46-51
    3.3.1 虚拟人的几何建模方法简介  46-47
    3.3.2 虚拟人的场景图形设计  47-49
    3.3.3 虚拟人体几何建模  49
    3.3.4 虚拟人上肢的DOF(自由度节点)设计  49-51
  3.4 虚拟人上肢的运动控制  51-56
    3.4.1 虚拟人的运动控制方法  51-52
    3.4.2 Denavit-Hatenberg(D-H)表示法  52-53
    3.4.3 基于D-H方法的康复系统虚拟人上肢正向运动学分析  53-56
  3.5 本章小结  56-58
第4章基于OSG的上肢康复软件系统的设计与实现  58-82
  4.1 软件系统集成开发环境简介  58-60
    4.1.1 Visual Studio C++2008简介  58-59
    4.1.2 微软基础类库(MFC)简介  59-60
  4.2 信息管理模块的设计与实现  60-69
    4.2.1 数据库技术介绍与数据库管理系统选择  60-62
    4.2.2 脑卒中患者信息管理模块设计  62
    4.2.3 康复治疗与评定数据库的设计  62-64
    4.2.4 数据管理模块的编程  64-68
    4.2.5 数据管理模块运行实例  68-69
  4.3 康复训练模块的设计与实现  69-81
    4.3.1 基于MFC的OSG应用程序开发  69-73
    4.3.2 基于OSG的虚拟人控制实现  73-76
    4.3.3 虚拟环境中声音的生成  76-78
    4.3.4 康复训练模块运行实例  78-81
  4.4 本章小结  81-82
第5章总结与展望  82-84
  5.1 全文总结  82-83
  5.2 存在的问题和研究展望  83-84
参考文献  84-88
致谢  88-89
学位论文评阅及答辩情况表  89

基于OpenSceneGraph的上肢康复虚拟环境系统研究与设计

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