浅谈虚拟人技术

精品文档 1欢迎下载 浅谈虚拟人技术 生物医学工程是兴起于 20 世纪 50 年代的一门边缘学科 它是 在电子学 微电子学 现代计算机技术 化学 高分子化学 力学 近代物理学 光学 射线技术 精密机械和近代高科技发展的基础 上 与医学结合的条件下发展起来的 它综合工程学 生物学和医 学的理论和方法 在各层次上研究人体系统的状态变化 并运用工 程技术手段去控制这类变化 1 它是运用现代自然科学和工程技 术的原理和方法 从工程学的角度 在多层次上研究人体的结构 功能及其相互关系 揭示其生命现象 为防病 治病提供新的技术 手段的一门综合性 高技术的学科 有识之士认为 在新世纪随着 自然科学的不断发展 生物医学工程的发展前景不可估量 2 1 生物医学工程中的虚拟人 虚拟人 是指把人体形态学 物理学和生物学等信息 通过 大型计算机处理而实现的数字化虚拟人体 可代替真实人体进行实 验研究的技术平台 虚拟人 将从各个角度形成人体数字模型 即 将人的动态生物学和物理过程用数学方法进行精确描述 并建立相 应的 等效意义上的数字化模型 它的研究目标 是通过人体从微 观到宏观结构与机能的数字化 可视化 进而完整地描述基因 蛋 白质 细胞 组织以及器官的形态与功能 最终达到人体信息的整 体精确模拟 研究者利用来源于自然人的解剖信息和生理信息 集 成虚拟的数字化人体信息资源 经计算机模拟构造出虚拟人 可以 精品文档 2欢迎下载 开展无法在自然人身上进行的一系列诊断与治疗研究 如果用仿生 人来得出真人对于诸如药物之类外界作用的反应数据 是需要依赖 诸多的仪器 而用真实人体切片得来数字化虚拟人的数据 这里所说的 虚拟人 Visual Human 并不是互联网上的那种 虚拟主持人 而是通过数字技术模拟真实的人体器官而合成的三维 模型 这种模型不仅具有人体外形以及肝脏 心脏 肾脏等各个器 官的外貌 而且具备各器官的新陈代谢机能 能较为真实地显示出 人体的正常生理状态和出现的各种变化 用电脑制作 虚拟人 最 关键的环节是采集各种人体数据 首先需要确定出一个理想的人体 样本 然后经过尸体解剖 拍照 分析 再将数据输入电脑进行合 成 从而制成一个完整的立体人类生理结构 这项研究工作 由美 国最先进行 他们于 年提出了 可视虚拟人 的概念 并于 年制成了世界第一具男性 虚拟人 年 又通过 对一具女尸的解剖 在电脑中储存了高达 的数据 从而形 成了数字化的女性 虚拟人 现在 美国正在制造第二代有物理性 能的 虚拟人 和第三代有生理功能的 虚拟人 韩国从 年 开始进行 虚拟人 的研究 计划利用 年时间建立具有东方人特征 的数据库 我国对 虚拟人 的研究 在 年正式列入高新技 术发展计划中 2003 年 2 月 18 日 17 时 18 分 我国首例女性虚拟 人数据集在位于广州市的解放军第一军医大学构建成功 这标志着 继美国 韩国后 中国成为世界上第三个拥有本国虚拟人数据库的 国家 精品文档 3欢迎下载 所谓计算机虚拟人是完全由计算机生成的模仿现实真人行为 和动作的三维图形实体 3 虚拟人可作为真人的代替者对用计算 机辅助设计的产品 如车辆 工作区域 机器工具 装配线等在实 际构造前进行人类工效学的评估 在真人无法到达的环境中进行各 种紧密的 甚至危险的实验 在军事上代替真人接受各种训练 在 医学上代替真人接受一些矫形手术 在航空航天上代替真人从事太 空作业 在娱乐领域开发情节逼真的三维游戏 在电视节目中担任 虚拟节目主持人等 虽然对虚拟人的研究早在 20 世纪 80 年代已经 开始 但事先与当时的技术及硬件水平 虚拟人的几何模型比较简 单 也未考虑虚拟人的智能行为 虚拟人技术是构造 IVE 的核心内 容 近年来 计算机虚拟人技术正在吸收人工生命和人工智能的研 究成果 并取得了一些初步的研究成果 预示了广泛的应用前景 从 20 世纪 80 年代末以来 虚拟人技术发展的很快 一个典型 的系统就是美国宾夕法尼亚大学 Pennsylvanta 开发的著名的虚 拟人动画软件 Jack 4 该软件旨在能解决工业工程领域中的人 机工效仿真 Jack 采用的是一个多边形模型 具有刚性的分段 精 确的关节运动和约束 Jack 中的应以人具一定的智能性 可惜缺乏 个性 他们开发了参数行为表示 PAR Parameterized Action Representation 虚拟人在 中要实现逼真的运动 要解决身体 运动的平衡控制 即使虚拟人的质心投影在支撑点所确定的支撑区 域内 为此需要建立相应的平衡控制算法 实质上可以归结为约束 优化问题 5 精品文档 4欢迎下载 2 虚拟人医学价值 研制 虚拟人 的目的 是为医学或其他学科的研究提供更为 精致的演示条件 比如 研究手术方案或试验新型药物 都可以让 虚拟人 来充当试验者 美国某研究所的研究人员 为了测试一 种治疗糖尿病新药的疗效 他们首先操控计算机让 虚拟人 患上 糖尿病 这个过程很简单 只是用鼠标进行点击 就 切除 了 虚拟人 的胰腺或其它器官 并让 虚拟人 的体重发生变化 几秒钟后一个健康的 虚拟人 就能变成一位糖尿病患者 然后 研究人员将试用新药的数据输入计算机 不断观察 虚拟病人 的 反应 调整用药剂量和用药方法 最终得出结论 这种方法至少能 为研究人员节省 年的时间 现在 除了用于开发糖尿病的新药以 外 研究人员还在尝试用 虚拟人 对治疗风湿性关节炎 哮喘病 等其它新药进行测试 有利于培养优秀外科医生 过去要培养一 个手到病除 技艺高超的外科医生 都要通过师傅带徒弟式的反复 实践 在病人身上练习操作技术 现在有了虚拟人 就可以在电脑 操纵的虚拟人体模型上培训外科医生 在动手术之前 也可以先在 虚拟人的身上开刀 电脑上会显示刀口断层及组织断面 为医生制 订术前计划提供科学参考 有了 虚拟可视人 人们可以事先准 确模拟各种复杂的外科手术 美容手术 以及预测术后的效果 可 以利用 数字化虚拟人 这一实验平台 进行人造器官的研究 设 计 改进和创新手术器械 在国防医学上它的效果也是显而易见 的 比如说原子弹爆炸 原来我们都是在离爆炸地点 2 或 3 公里的 精品文档 5欢迎下载 地方放一群狗或者其它什么生物 炸完后通过看对生物的损伤来推 测对人体的损伤 这是不人道的 有了虚拟人就可以通过对虚拟人 损伤的判断来推测对人类的损伤 3 我国虚拟人发展 2001 年 11 月 虚拟人研究被列入国家高技术研究发展计划 863 项目 由中国科学院 首都医科大学 华中科技大学和解放 军第一军医大学等协作攻关 第一军医大学承担人体建模的数据采 集 在第一军医大学钟世镇教授的带领下 经过 1 年多刻苦攻关 有针对性地解决了一系列与人体建模有关的关键性技术 按照香山会议确定的计划 我国虚拟人的切片厚度精确到 0 1 毫米 美国男女虚拟人分别是 1 0 0 33 毫米 并提出了新的设计 和组装方案 与美国和韩国的 虚拟人 相比 中国将放弃对标本 原型的卧姿固定切削 改为立姿固定切削 研究人员先拿一个西瓜 试刀 将其切成薄薄的细片 见识了刀具的 软功 再对新西 兰大白兔进行切片试验 结果发现当兔子被急冻冷藏后肢体僵硬 切片效果不错 甚至可以达到 0 02 毫米的切削间距精度 这意味着 人体的切片可以由预期的 16600 片增加到 83000 片 但由于受到计 算机储存和运算能力的限制 研究小组决定还是按原计划的厚度切 削 我国首个女虚拟人 中国虚拟人 号 原型是一位身高 1 56 米的 19 岁少女 广西人 去年在广东因误食毒蘑菇而急性死 精品文档 6欢迎下载 亡 专家们认为虽然她不是一个健康人 但由于是急性死亡 骨骼 身体结构保持完好 加上年纪很轻 生殖器官功能完全 是一个条 件很不错的标本 我国虚拟人标本的切削 采用的是直立式 美国 韩国都采用躺卧式 造成了标本的头部 背部 臀部和腿部等被压 成扁平失真状态 我国科学家克服直立式切割带来的不便 保证了 人体建模接近正常人体形态 2003 年 2 月 18 日 17 时 18 分 我国首例女性虚拟人数据集在 第一军医大学构建成功 标本原型在零下 70 摄氏度冷冻后横向切成 8556 片 每片厚度为 0 2 毫米 此时国人万分激动 中国首位女虚 拟人诞生指日可待 确切地说 虚拟人的数据集的建立还只是万里 长征的开始 虚拟人的诞生还有赖于数据库的建立 2003 年 3 月 3 日 研究小组向外界宣布 具有中国人生理特性的女虚拟人初步完 成了三维重建 罗述谦教授领导的研究小组根据第一军医大学拍摄 下的人体切片数字图片 将这些断层数据通过专门的三维软件进行 信息化处理 在电脑中组建出三维人体图像 这项工作更能体现虚 拟人研究的特点 生物学与信息技术的紧密结合 这里完全没有 了前期工作的 刀光血影 研究人员更像是三维图像的工作者 他 们个个是医学专家 同时又精通信息技术 在这些 多面手 的昼 夜奋战下 女虚拟人已经恢复了皮肤 外观 骨骼 盆腔 卵巢的 建构 罗教授介绍说 将来女虚拟人的肌肉 五脏六腑等主要器官 都会逐渐恢复 预计在 5 月份 有关数据还将在互联网上公布 精品文档 7欢迎下载 中国的虚拟人计划在短短一年多的时间里完成了国外三四年走 的历程 不过这些还远远不够 中国虚拟人计划还不能画上句号 虚拟人分为 虚拟可视人 虚拟物理人 和 虚拟生物人 三个 阶段 目前 我国仅仅是踏出了 虚拟可视人 的第一步 通过 完成数据集建立 在电脑里构建出一个三维立体的彩色虚拟人体 参考文献 1 医院生物医学工程的发展和创新 高原 刘洪运 张政 波 解放军总医院 医学保障部 北京 100853 2 浅谈生物医学工程的现状及前景 胡兴斌 解放军第 91 医院 3 Badler N Phillips C and Webber B Simulating Humans Computer Graphics Animation and Control New York Oxford University Press 1993 4 Diane Chi Manica Costa Liweizhao Norman Badler The Emoto Model