CN109597478A - 一种基于虚实结合的人体解剖结构展示与交互方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于虚实结合的场景展示技术领域，涉及一种基于虚实结合的人体解剖结构展示与交互方法，包括采用虚拟人体解剖结构模型、人体实物模型、标记板和手持设备等实现实物人体模型与虚拟人体解剖结构模型的融合，展示人体解剖结构的十大***，并标注各***主要器官或组织的名称；本发明通过触摸选取手持设备显示屏幕上显示的人体解剖结构模型中待选的组织或器官，进行单一组织或器官显示以及对其功能进行介绍，可通过放大、缩小、旋转等交互进行细节观察，根据待寻组织或器官的纹理颜色发生变化，移动手持设备，可在视图区域内寻到选中的组织或器官。本方法能通过虚拟景物获取全面、准确的信息，并通过与真实场景的互动，使虚拟景物显得更加直观和真实。

Description

一种基于虚实结合的人体解剖结构展示与交互方法
技术领域
本发明属于虚实结合的场景展示技术领域，涉及一种将虚拟场景与真实场景进行实时、互动式融合的技术。具体涉及一种基于虚实结合的人体解剖结构展示与交互方法。
背景技术
目前，有关医学研究，教学以及科普涉及的人体结构相关的展示方法，可以分为人体实物模型、人体标本、视频影像资料和通过计算机展示的人体虚拟模型4种类型；其中，人体实物模型展示方法，其制作和维护成本较低，是目前国内外绝大多数采用的人体结构展示形式，这类展示方法通过适当的设计并辅以声光电效果，可以较好地展示特定组织器官的形态结构，但是其所能展示的信息较有限，无法真实、全面地反映人体结构整体信息，而且缺少互动性，观众的参与感和体验感不足；人体标本的展示方法，是使用离体的经生物塑化处理后制成的标本，其真实性强，但在其他的展示效果方面，仍存在与人体实物模型展示方法同样的局限，考虑到观众心里承受方面的问题，这类展示方法更适用于专业展示，而不适合大规模制作并向普通公众展出；视频影像资料展示方法是通过专门制作的影像资料，可以围绕某一个方面的人体结构、生理功能或某一疾病进行详尽的演示和讲解，但是这种展示方法，观众只能被动的接受，缺少互动性和参与感；计算机中的人体虚拟模型展示方法是在计算机中通过虚拟现实技术建立人体的三维模型，并通过计算机屏幕将人体标本断层图像的三维可视化结果展示给观众，此方法的缺点是无法与真实的人体建立直接的联系，观众不容易理解相关信息，而且交互方式不直接，对计算机、解剖学专业知识有一定要求，观众互动稍显困难。
综上所述，目前国内外的展示人体解剖结构的方法普遍存在信息量少、交互性差、体验性和真实感不强等缺陷，而且大部分以人体静态结构的展示方法为主。
基于现有技术的现状，本申请的发明人拟提供一种将虚拟场景与真实场景进行实时、互动式融合的技术，具体涉及一种交互的、虚实结合的人体解剖结构展示方法。
发明内容
本发明的目的在于，基于现有技术的现状，提供一种将虚拟场景与真实场景进行实时、互动式融合的技术方法，具体涉及一种基于虚实结合的人体解剖结构展示与交互方法。
本发明提出了一种基于虚实结合的人体解剖结构展示与交互方法，其主要包括采用虚拟人体解剖结构模型、人体实物模型、标记板和手持设备等，实现实物人体模型与虚拟人体解剖结构模型的完美融合，展示人体解剖结构的十大***，并标注各***主要器官或组织的名称；本发明中通过触摸选取手持设备显示屏幕上显示的人体解剖结构模型中感兴趣的组织或器官，进行单一组织或器官显示以及对其功能进行介绍，可以通过放大、缩小、旋转等交互进行细节观察，选中待寻找的组织或器官，对应组织或器官的纹理颜色发生变化，移动手持设备，可在视图区域内寻找到选中的组织或器官。
本发明中，使用标记板绘制人体解剖结构模型，将人体实物模型固定在标记板上，与绘制的人体解剖结构模型重合，标记板的其他区域绘制人体解剖结构十大***的图片和相关结构功能介绍；所述的人体实物模型按照虚拟人体解剖结构模型的尺寸等比例制成。
本方法既能通过虚拟景物获取全面、准确的信息，又能通过与真实场景的互动，使虚拟景物显得更加直观和真实。
具体的，本发明的一种交互的、虚实结合的人体解剖结构展示方法，其包括：
1、通过手持设备的摄像头预览真实空间场景，识别标记板成功后，在手持设备的显示屏上显示人体解剖结构模型，并且与真实空间内的人体实物融合相叠加；进而，可单一或者并列展示人体解剖结构的十大***，包括：骨骼***、肌肉***、心血管***、神经***、内分泌***、免疫***、呼吸***、消化***、生殖***、泌尿***，并标注各***主要器官或组织的名称；同时，人体实物模型与虚拟人体解剖结构模型的相融合，移动手持设备，手持设备的摄像头跟随移动，可从任意角度观察人体解剖结构的各个***；
其中，人体实物模型配准到标记板空间的变换关系为：
(1)、借助红外定位仪和探针工具获取定位仪空间到标记板空间的变换矩阵M1；
(2)、选取人体实物模型特征点集，在虚拟人体解剖结构模型三维数据场的点集表示为{Vi}，获取人体解剖结构模型的特征点集在定位仪坐标系的坐标表示为{Pi}，将这些点集通过上述(1)的变换矩阵M1转换到标记板坐标系，表示为{Ii}，那么点集{Vi}和{Ii}直接存在如下的关系：
Ii＝R*Vi+T 公式(1)
其中i＝1，2…N，N为选取的人体实物模型特征点的个数，通过奇异值分解的点云配准方法获取最优的R和T值，从而获得人体实物模型到识别板空间的变换关系；
其中，识别标记板的方法包括：
(1)、采用Gamma校正法对摄像头预览真实场景的图像进行颜色空间的标准化；I(x，y)＝I(x，y)1/2
(2)、计算图像梯度，图像中像素点(x，y)的梯度为：
Gx(x，y)＝H(x+1，y)-H(x-1，y) 公式(2)
Gy(x，y)＝H(x，y+1)-H(x，y-1) 公式(3)
其中Gx(x，y)，Gy(x，y)，H(x，y)分别表示图像中像素点(x，y)处的水平方向梯度、垂直方向梯度和像素值。像素点(x，y)处的梯度幅值和梯度方向分别为：
(3)、将图像划分为小方格，每个方格为9*9像素，对每一个小方格的梯度直方图进行规定权重的投影；
(4)、将各个小方格组合成大的，空间上连通的区间，一个区间中包含所有的小方格的特征向量，检测所有重叠的区间进行特征的收集，结合成最终的特征向量。
(5)、将这些特征向量与识别板图像进行识别和跟踪；
2、可触摸选取手持设备显示屏上显示的人体解剖结构模型中各个***感兴趣的组织或器官，该组织或器官的纹理颜色变为红色，并在屏幕左侧的图像框内，进行单一组织或器官显示以及对其功能的文字介绍，同时，可以通过触摸实现放大、缩小、旋转等交互进行细节观察；
3、选中要寻找的组织或器官，对应组织或器官的纹理颜色发生变化，并有图片提示该组织或器官的形状，此时，视图区域内仅显示该组织或器官所属的***，移动手持设备，可在视图区域内寻找到选中的组织或器官。
经实际操作，结果显示，本发明的基于虚实结合的人体解剖结构展示与交互方法，结合人体解剖结构模型、人体实物模型、标记板和手持设备等，能实现实物人体模型与虚拟人体解剖结构模型的完美融合，展示人体解剖结构的十大***，可进行单一组织或器官显示以及对其功能进行介绍，可通过放大、缩小、旋转等交互进行细节观察；本方法既能通过虚拟景物获取全面、准确的信息，又能通过与真实场景的互动，使虚拟景物显得更加直观和真实。
附图说明
图1是本发明人体解剖结构展示与交互方法的原理图。
图2是人体实物模型配准到标记板空间的变换关系。
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明的基于虚实结合的人体解剖结构展示与交互方法，包括采用虚拟人体解剖结构模型、人体实物模型、标记板和手持设备，其中人体实物模型根据虚拟人体解剖结构模型的尺寸等比例制成；
标记板绘制；了人体解剖结构模型，将人体实物模型固定在标记板上，与绘制的人体解剖结构模型重合；
其中，人体实物模型配准到标记板空间的变换关系包括：
(1)、借助红外定位仪和探针工具获取定位仪空间到标记板空间的变换矩阵M1；
(2)、选取人体实物模型特征点集，在虚拟人体解剖结构模型三维数据场的点集表示为{Vi}，获取人体解剖结构模型的特征点集在定位仪坐标系的坐标表示为{Pi}，把这些点集通过上述(1)的变换矩阵M1转换到标记板坐标系，表示为{Ii}，那么点集{Vi}和{Ii}直接存在如下的关系：
Ii＝R*Vi+T 公式(1)
其中i＝1，2…N，N为选取的人体实物模型特征点的个数，通过奇异值分解的点云配准方法获取最优的R和T值，从而获得人体实物模型到识别板空间的变换关系；
其中，识别标记板的方法包括：
(1)、采用Gamma校正法对摄像头预览真实场景的图像进行颜色空间的标准化；I(x，y)＝I(x，y)1/2
(2)、计算图像梯度，图像中像素点(x，y)的梯度为：
Gx(x，y)＝H(x+1，y)-H(x-1，y) 公式(2)
Gy(x，y)＝H(x，y+1)-H(x，y-1) 公式(3)
其中Gx(x，y)，Gy(x，y)，H(x，y)分别表示图像中像素点(x，y)处的水平方向梯度、垂直方向梯度和像素值。像素点(x，y)处的梯度幅值和梯度方向分别为：
(3)、将图像划分为小方格，每个方格为9*9像素，对每一个小方格的梯度直方图进行规定权重的投影；
(4)、把各个小方格组合成大的，空间上连通的区间，一个区间中包含所有的小方格的特征向量，检测所有重叠的区间进行特征的收集，结合成最终的特征向量。
(5)、将这些特征向量与识别板图像进行识别和跟踪。
本实施例中，通过手持设备的摄像头预览真实空间场景，当识别标记板成功后，在手持设备的显示屏幕上显示人体解剖结构模型，并与真实空间内的人体实物模型融合相叠加，可单一或叠加显示人体解剖结构模型的十大***，分别是骨骼***、肌肉***、心血管***、神经***、内分泌***、免疫***、呼吸***、消化***、生殖***、泌尿***；并标注各***主要器官的名称；
在显示人体解剖结构模型的各***时，可以触摸选取手持设备显示屏幕上显示的各***中感兴趣的组织或器官，进行单一组织或器官显示和相应的文字介绍，并且可以通过放大、缩小、旋转等交互进行细节观察；
可进一步寻找组织或器官，选中待寻找的组织或器官，提示显示该组织或器官的形状，该组织或器官的纹理颜色发生变化，移动手持设备，可在视图区域内寻找到选中的组织或器官。
经实际操作结果显示，本方法能实现实物人体模型与虚拟人体解剖结构模型的完美融合，展示人体解剖结构的十大***，可进行单一组织或器官显示以及对其功能进行介绍，可通过放大、缩小、旋转等交互进行细节观察；本方法既能通过虚拟景物获取全面、准确的信息，又能通过与真实场景的互动，使虚拟景物显得更加直观和真实。

Claims (9)

1.一种基于虚实结合的人体解剖结构展示与交互方法，其特征在于，其包括，采用虚拟人体解剖结构模型、人体实物模型、标记板和手持设备，进行实物人体模型与虚拟人体解剖结构模型的融合，展示人体解剖结构的十大***，其中，标记板上绘制人体解剖结构模型，人体实物模型固定在标记板上，与绘制的人体解剖结构模型重合。
2.按权利要求1所述的基于虚实结合的人体解剖结构展示与交互方法，其特征在于，所述的标记板上还绘制人体解剖结构十大***的图片和相关结构功能介绍；所述的人体实物模型按照虚拟人体解剖结构模型的尺寸等比例制成。
3.按权利要求1所述的基于虚实结合的人体解剖结构展示与交互方法，其特征在于，其包括步骤：
1)通过手持设备的摄像头预览真实场景，识别标记板成功后，可单一或者并列展示人体解剖结构的十大***，同时，人体实物模型与虚拟人体解剖结构型相融合，移动手持设备，手持设备的摄像头跟随移动，可从任意角度观察人体解剖结构的各个***；
2)可触摸选取手持设备显示屏上显示的人体解剖结构模型中感兴趣的组织或器官，进行单一组织或器官显示和文字介绍其功能，并且可以通过放大、缩小、旋转交互进行细节观察；
3)寻找及选中待选的组织或器官，对应组织或器官的纹理颜色发生变化，移动手持设备，可在视图区域内寻找到选中的组织或器官。
4.按权利要求3所述的基于虚实结合的人体解剖结构展示与交互方法，其特征在于，所述的可单一或者并列展示人体解剖结构的十大***，包括：骨骼***、肌肉***、心血管***、神经***、内分泌***、免疫***、呼吸***、消化***、生殖***、泌尿***。
5.按权利要求3所述的基于虚实结合的人体解剖结构展示与交互方法，其特征在于，所述步骤1)中，
人体实物模型配准到标记板空间的变换关系为：
(1)、借助红外定位仪和探针工具获取定位仪空间到标记板空间的变换矩阵M1；
(2)、选取人体实物模型特征点集，在虚拟人体解剖结构模型三维数据场的点集表示为{Vi}，获取人体解剖结构模型的特征点集在定位仪坐标系的坐标表示为{Pi}，将这些点集通过上述(1)的变换矩阵M1转换到标记板坐标系，表示为{Ii}，那么点集{Vi}和{Ii}直接存在如下的关系：
Ii＝R*Vi+T 公式(1)
其中i＝1，2…N，N为选取的人体实物模型特征点的个数，通过奇异值分解的点云配准方法获取最优的R和T值，从而获得人体实物模型到识别板空间的变换关系。
6.按权利要求3所述的基于虚实结合的人体解剖结构展示与交互方法，其特征在于，所述步骤1)中，识别标记板的方法包括：
(1)、采用Gamma校正法对摄像头预览真实场景的图像进行颜色空间的标准化；I(x，y)＝I(x，y)1/2
(2)、计算图像梯度，图像中像素点(x，y)的梯度为：
Gx(x，y)＝H(x+1，y)-H(x-1，y) 公式(2)
Gy(x，y)＝H(x，y+1)-H(x，y-1) 公式(3)
其中Gx(x，y)，Gy(x，y)，H(x，y)分别表示图像中像素点(x，y)处的水平方向梯度、垂直方向梯度和像素值。像素点(x，y)处的梯度幅值和梯度方向分别为：
(3)、将图像划分为小方格，每个方格为9*9像素，对每一个小方格的梯度直方图进行规定权重的投影；
(4)、将各个小方格组合成大的，空间上连通的区间，一个区间中包含所有的小方格的特征向量，检测所有重叠的区间进行特征的收集，结合成最终的特征向量。
(5)、将这些特征向量与识别板图像进行识别和跟踪。
7.按权利要求3所述的基于虚实结合的人体解剖结构展示与交互方法，其特征在于，所述步骤2)中，触摸选取手持设备显示屏上显示的人体解剖结构模型中感兴趣的组织或器官的纹理颜色变为红色，并在屏幕左侧的图像框内。
8.按权利要求3所述的基于虚实结合的人体解剖结构展示与交互方法，其特征在于，所述步骤3)中，选中要寻找的组织或器官，对应组织或器官的纹理颜色发生变化，并有图片提示该组织或器官的形状，且，视图区域内仅显示该组织或器官所属的***，移动手持设备，可在视图区域内寻找到选中的组织或器官。
9.根据权利要求1所述的基于虚实结合的人体解剖结构展示与交互方法，其特征在于，所述的手持设备为平板电脑或智能手机。
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