医学虚拟现实技术及应用

目　录

第一部分　虚拟现实技术基础知识

第1章　虚拟现实技术概论　1

1．1　虚拟现实技术的基本概念　2

1．1．1　狭义的定义　3

1．1．2　广义的定义　3

1．1．3　虚拟现实技术的特性　3

1．1．4　虚拟现实系统组成　4

1．1．5　虚拟现实的关键技术　5

1．2　虚拟现实系统的分类　6

1．2．1　沉浸型虚拟现实系统　6

1．2．2　增强现实性虚拟现实系统　7

1．2．3　桌面型虚拟现实系统　7

1．2．4　分布式虚拟现实系统　9

1．3　虚拟现实技术的主要研究对象　9

1．4　虚拟现实技术的主要应用领域　10

1．4．1　医学领域　10

1．4．2　娱乐和艺术领域　12

1．4．3　军事与航天工业领域　12

1．4．4　管理工程领域　12

1．4．5　室内设计领域　13

1．4．6　房产开发领域　13

1．4．7　工业仿真领域　14

1．4．8　文物古迹领域　15

1．4．9　娱乐游戏领域　16

1．4．10　道路桥梁领域　16

1．4．11　地理领域　17

1．4．12　教育领域　17

1．5　虚拟现实的发展和现状　18

1．5．1　虚拟现实技术发展历程　18

1．5．2　虚拟现实系统研究现状　19

1．5．3　虚拟现实技术的发展趋势　20

本章小结　21

习题　21

第2章　虚拟现实系统的三维交互工具　22

2．1　跟踪定位设备　22

2．1．1　机械跟踪器　23

2．1．2　电磁波跟踪器　24

2．1．3　光学式跟踪器　27

2．1．4　超声波跟踪器　28

2．1．5　惯性位置跟踪器　29

2．1．6　图像提取跟踪器　29

2．2　手数字化设备　30

2．2．1　数据手套　30

2．2．2　三维鼠标　32

2．3　立体视觉设备　33

2．3．1　头盔显示器　33

2．3．2　沉浸式立体投影系统　35

本章小结　38

习题　38

第3章　虚拟现实系统的相关技术　40

3．1　立体显示技术　40

3．1．1　立体显示原理　40

3．1．2　4种立体显示技术　40

3．2　三维建模技术　42

3．2．1　几何建模技术　43

3．2．2　物理建模技术　44

3．2．3　行为建模技术　45

3．3　真实感实时绘制技术　45

3．3．1　真实感绘制技术　46

3．3．2　基于图形的实时绘制技术　46

3．3．3　基于图像的实时绘制技术　47

3．4　三维虚拟声音的实现技术　48

3．4．1　三维虚拟声音的作用　48

3．4．2　三维虚拟声音的特征　48

3．4．3　语音识别技术　48

3．4．4　语音合成技术　48

3．5　人机自然交互技术　48

3．5．1　手势识别　49

3．5．2　面部表情识别　49

3．5．3　眼动跟踪　49

3．6　碰撞检测技术　50

本章小结　50

习题　50

第4章　虚拟现实的计算体系结构　52

4．1　绘制流水线　52

4．1．1　图形绘制流水线　52

4．1．2　触觉绘制流水线　54

4．2　基于PC的图形体系结构　55

4．3　基于工作站的图形体系结构　56

4．3．1　Sun Blade 1000的体系结构　57

4．3．2　SGI Infinite Reality体系结构　57

4．4　分布式VR体系结构　58

4．4．1　多流水线同步　59

4．4．2　联合定位绘制流水线　60

4．4．3　分布式虚拟环境　61

本章小结　62

习题　63

第5章　三维全景技术　64

5．1　三维全景技术概述　64

5．1．1　三维全景技术的特点　64

5．1．2　全景技术的应用　65

5．1．3　全景技术的分类　67

5．1．4　全景技术常用设备　68

5．2　全景图生成技术　69

5．2．1　全景图像采集　70

5．2．2　图像预处理　70

5．2．3　像素坐标及相机焦距的估计　71

5．2．4　全景图投影模型　72

5．3　全景图制作实例　74

5．3．1　拍摄照片　75

5．3．2　用Photoshop拼接静态全景图　76

5．3．3　用Ulead COOL 360制作动态全景图　78

本章小结　81

习题　81

第二部分　虚拟现实技术编程和建模方法

第6章　三维建模工具3ds Max　83

6．1　3ds Max概述　83

6．1．1　3ds Max 2010的硬件要求　83

6．1．2　3ds Max的启动与退出　84

6．1．3　3ds Max文件的打开与保存　84

6．1．4　3ds Max界面分布　85

6．1．5　3ds Max视图区常用操作　86

6．1．6　3ds Max主工具栏常用工具　87

6．2　3ds Max基础建模　90

6．2．1　3ds Max内置几何体建模　90

6．2．2　3ds Max二维图形对象生成三维模型　92

6．2．3　3ds Max常用复合建模　93

6．3　3ds Max材质与贴图　95

6．3．1　3ds Max精简材质编辑器　95

6．3．2　3ds Max贴图的类型　97

6．3．3　3ds Max贴图的坐标　97

6．4　3ds Max灯光与摄影机　98

6．4．1　3ds Max摄影机简介　98

6．4．2　3ds Max灯光简介　98

6．5　3ds Max生成动画的基本流程　99

6．6　综合实例　100

6．6．1　制作“安卓机器人”公仔模型　100

6．6．2　制作眼球模型　103

6．7　生成动画　105

本章小结　106

习题　106

第7章　Maya、Cult3D和Web3D介绍　108

7．1　Maya 2013应用基础　108

7．1．1　Maya概述　108

7．1．2　Polygon建模　117

7．1．3　Nurbs建模　121

7．1．4　Maya动画基本操作　125

7．2　Cult3D技术　131

7．2．1　Cult3D概述　131

7．2．2　Cult3D的模块　132

7．2．3　Cult3D的工作流程　132

7．2．4　Cult3D的窗口简介　133

7．2．5　Cult3D模型的导出　136

7．2．6　Cult3D应用实例　136

7．3　Web3D　140

7．3．1　Web3D简介　140

7．3．2　Web3D的实现技术　143

本章小结　146

习题　146

第8章　虚拟现实建模语言VRML　148

8．1　VRML虚拟现实建模语言　148

8．1．1　VRML基本概念　148

8．1．2　VRML文件的基本特点　150

8．1．3　VRML场景的编辑与浏览　153

8．2　在场景中建造基本几何模型　156

8．2．1　外形节点Shape 的使用　156

8．2．2　构建虚拟场景的几何造型geometry域　158

8．2．3　创建基本几何造型　158

8．2．4　在虚拟场景中添加文本造型　162

8．2．5　在场景中构建复杂造型　163

8．3　虚拟造型群节点的使用　169

8．3．1　编组节点的使用　170

8．3．2　空间坐标变换节点的使用　171

8．4　虚拟对象交互功能的实现　173

8．4．1　检测器的基本功能　173

8．4．2　各类检测器的基本作用与使用　173

8．4．3　程序脚本的使用　181

8．5　3ds Max与VRML的转换　183

8．5．1　3ds Max的场景导出　183

8．5．2　在3ds Max中插入VRML节点　184

8．5．3　VRML文件的压缩　187

本章小结　187

习题　187

第三部分　虚拟现实在医学领域的应用和教学平台建设

第9章　虚拟现实在医学方面的应用　191

9．1　虚拟人体　191

9．1．1　虚拟人体技术　191

9．1．2　虚拟人体的应用领域　193

9．2　医生虚拟操作与虚拟手术　195

9．2．1　虚拟内窥镜　195

9．2．2　虚拟外科手术　197

9．2．3　虚拟静脉注射　197

9．3　虚拟康复训练　198

9．3．1　肢体运动训练应用　198

9．3．2　心理及认知功能训练应用　200

9．4　虚拟现实技术与现代高等医学教育　200

9．4．1　虚拟现实技术在基础医学教育中的应用　201

9．4．2　虚拟现实技术在临床医学教育中的应用　201

9．4．3　虚拟现实技术在远程医学教育中的应用　201

9．5　医学虚拟现实软件的应用现状　202

本章小结　203

习题　203

第10章　虚拟现实开发平台VRP　204

10．1　VRP简介　204

10．1．1　VRP软件的下载与安装　204

10．1．2　VRP工具栏　205

10．1．3　VRP项目的制作技巧　205

10．2　VRP入门　207

10．2．1　3ds Max的前期准备　207

10．2．2　3ds Max建模的要求　208

10．2．3　VRP文件的保存　209

10．2．4　打开VRP文件　209

10．2．5　编辑独立EXE文件　210

10．3　VRP交互应用　211

10．3．1　创建动画相机　211

10．3．2　创建角色控制相机　212

10．3．3　创建交互按钮　215

本章小结　217

习题　217

第11章　虚拟现实实验室　218

11．1　虚拟实验室概述　218

11．1．1　虚拟实验室定义　218

11．1．2　虚拟实验室的组成结构　218

11．1．3　虚拟实验室的功能　219

11．1．4　虚拟实验室的主要特点　220

11．1．5　虚拟实验室的类型　222

11．2　虚拟实验室国内外发展状况　222

11．2．1　国外虚拟实验室发展状况　223

11．2．2　国内虚拟实验室发展状况　223

11．2．3　虚拟实验室在医学领域的应用　224

11．3　虚拟现实实验室建设方案设计　226

11．3．1　大屏幕三维立体显示应用介绍　226

11．3．2　沉浸式虚拟现实显示应用介绍　227

11．3．3　医学虚拟现实实验室系统建设方案案例　228

本章小结　232

习题　233

主要参考文献　234

本书编写本着普及与实用的原则，在阐述虚拟现实技术必要理论知识的基础上，还着重介绍了目前流行的虚拟现实软件及其使用方法。
　　本书共分3个部分。第一部分为基础知识，共5章，分别介绍了虚拟现实技术概论、虚拟现实系统的三维交换工具、虚拟现实系统的相关技术、虚拟现实的体系结构和三维全景技术。第二部分为虚拟现实技术VRML编程和建模方法，共3章，分别介绍了3ds Max 2013虚拟现实建模语言、其他常用软件以及虚拟现实建模语言VRML。第三部分介绍了虚拟现实在医学领域的应用和教学平台建设，共分3章，分别为虚拟现实在医学方面应用、虚拟现实实验室、VRP平台。
　　本书的特点是注重概念的通俗化、方法的运用、技能的掌握，并以大量的典型实例贯穿其中，尽量减少晦涩难懂的公式推导和理论性研究。除此之外，本书还介绍了三维建模软件和其他应用程序之间的互相调用关系，并给出了具体例子。
　　本书可作为高等医学院校计算机公共基础课教材，或其他普通院校“虚拟现实技术应用”课程的教科书，也可供各类虚拟现实应用技术人员自学使用。