数据手套在医学虚拟实验中的应用

张琦， 黄展鹏

( 广东药科大学医药信息工程学院， 广州510006)

摘要：在虚拟现实交互设备上的运用，将数据手套与虚拟医学仿真训练相结合，为未来的虚拟医学实验教学平台建设打下良好的基础。根据人手的生理结构特点，利用三维软件Maya构建逼真虚拟手的三维模型，并为其添加骨骼蒙皮，利用权重法对其变形效果进行修正，导入虚拟现实引擎uni ty3D为数据手套与虚拟手进行装配。结合虚拟手术训练中的常用手势进行实验验证，结果表明，真实手与虚拟手匹配精度高，动作流畅，仿真度高，增加了用户的沉浸感。

关键词：数据手套；虚拟手；虚拟医学实验；手势仿真

引 言

在目前的“互联网+”的大背景下，高等教育信息化是促进高等教育改革创新和提高质量的有效途径，推进信息技术与高等教育的深度融合，利用先进的信息技术，建立高等教育资源共建共享机制，来实现教育信息化可持续发展。以信息技术应用为本质特征的虚拟仿真实验教学， 适应了信息时代高等教育开放办学、资源共享的变革要求，为实验教学改革和实验室建设增添了活力。通过虚拟实验的真实感，使学生模拟实验的全部操作过程， 可加强学生的主观能动性和对知识的理解，克服传统教学方式呆板、师生间互动不足、趣味性不强的弊端，真正提升医学实验教学价值。而数据手套是目前比较流行的虚拟现实交互设备之一， 当用户穿戴设备之后，可以在虚拟的三维环境中实时操控虚拟手。因此，虚拟手模型的构建， 以及与真实手之间的运动匹配决定了虚拟交互中自然与否，同时也是进行虚拟医学实验平台建设的首要任务。近年来，国内外对于虚拟手的三维构建方法多数是以人手的解剖学特性为根据，利用三维软件3DsMax进行几何模型的构建，再利用其他软件或算法实现虚拟手的运动模型，最后实现与数据手套相关联。而本文则选用三维动画软件Maya作为建模工具，因

为它是世界顶级的三维动画制作软件，虽然在游戏工业领域，稍逊于3DsMax，但在动画制作行业可以称得上是绝对的创立者和领先者。特别是在医学虚拟仿真开发方面， Maya更为适合构建医学虚拟模型。在实现交互方面，uni ty3D是一款轻量级的开发引擎，在开发虚拟现实方面易于操作，且开发成本低，适合开发虚拟现实教育类的产品。因此，本文提出一种基于数据手套进行虚拟现实交互过程的更简便的解决方案，通过Maya建立逼真虚拟手的几何模型，并利用其强大的动画优势实现虚拟手的运动变形，最后在虚拟现实引擎uni ty3D对虚拟手术训练的常用手势进行测试，仿真效果良好，手势匹配度高。

1虚拟手的三维模型构建

1.1数据手套简介

本文采用的是新型数据手套WiseGlove，采用高质量弹性料制作，在手指关节弯曲处设置传感器，以测量每个手指关节的弯曲度及每相邻两个手指之间的夹角。WiseGlove系列手套的型号有5、14、18和19等传感的数据手套。传感器个数越多，采集手部各关节数据越多,则可以实现的手势动作越复杂。而本文采用的是14传感的右手数据手套，传感器分布如图1所示。 可作每个手指的第1关节MP与第2关节PIP的屈伸，以及手指并拢分开的手势动作。