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虚拟人手模拟有望为假肢

无论我们做什么手-达到,抓住或操纵物体-看起来总是很简单。但是,您的手是人体最复杂,最重要的部分之一。

尽管如此,人们对手的基本解剖结构的复杂性了解甚少,因此,长期以来,动画化人类的手一直被认为是计算机图形学中最具挑战性的问题之一。

这是因为直到现在为止,都无法捕捉到手的内部运动。

USC研究人员团队使用磁共振成像(MRI)和受视觉效果行业启发的技术,由两名计算机科学家和一名放射科医生组成,他们开发了世界上最逼真的人手运动中的肌肉骨骼系统模型。

肌肉骨骼系统包括肌肉,骨骼,肌腱和关节。突破不仅对计算机图形学有影响,而且对修复,医学教育,机器人技术和虚拟现实也有影响。

研究合著者安德鲁(Andrew)和厄尔纳·维特比(Erna Viterbi)早期职业生涯的作者Jernej Barbic说:“手非常复杂,但是在进行这项工作之前,没有人建立过精确的计算模型来说明手内部的解剖结构如何运动。”计算机科学系主任兼副教授。

设计更好的假肢

为了解决这个问题,计算机动画和基于物理的模拟专家Barbic和他的博士生Bohan Wang是该研究的主要作者,与Keck医学院临床放射学副教授George Matcuk医学博士合作南加州大学。结果:最精确的基于解剖学的手运动模型。

Matcuk说:“这是目前可用的最准确的手动画模型,并且是第一个结合对手的表面特征进行激光扫描并结合基于MRI的底层骨骼装配模型的模型。”

除了为经常暴露于手部的计算机游戏和CGI电影创建更逼真的手外,该系统还可用于假肢中,以设计更好的手指和假肢。

巴比奇说:“了解内部手部解剖学的动作,为外观和行为像真实手的受生物启发的机械手打开了大门。”

“在不远的将来,这项工作可能有助于解剖学上现实的手的发展和手假体的改进。”

这项名为“使用稳定磁共振成像的手建模和仿真”的研究在ACM SIGGRAPH上进行了介绍。

长期的挑战

为了改善真实感,虚拟手的建模应类似于生物手,这需要建立真实的人类手的精确解剖和运动学模型。但是我们仍然对骨骼和肌肉如何在手内运动知之甚少。

原因之一是,到目前为止,还没有方法来系统地获取内部手部解剖结构的运动。尽管MRI扫描仪可以提供解剖学细节,但仍存在以前未解决的实际挑战:必须将手完全静止地放在扫描仪中约10分钟。

巴比奇说:“将手以固定姿势保持10分钟几乎是不可能的。”“拳头更容易握稳,但是尝试半闭手,大约一两分钟后您会发现自己开始晃动。您不能保持十分钟。”

为了克服这一挑战,研究人员开发了一种使用特殊效果行业的生命铸造材料的制造工艺,以在MRI扫描过程中稳定手部。救生铸造包括制作人类模型的模具,然后在各种媒介(包括塑料或硅树脂)中进行复制。

巴比奇(Barbic)曾在奥斯卡提名的电影《霍比特人:史矛革之战》(The Hobbit:The Desolation of Smaug)中工作,后来在洛杉矶的一家视觉效果店里看到一款廉价的仿制产品,同时又参与了前一个项目,因此他加入了这个想法。巴比奇说:“那是尤里卡的时刻。”巴比奇长期以来一直在思考创建更逼真的虚拟人手的解决方案。

首先,团队使用铸造材料来制作模型手的塑料复制品。此复制品捕获了非常细致的特征,直至手表面的单个毛孔和细线,然后使用激光扫描仪对其进行了扫描。

然后,再次在塑料手上使用了救生铸造工艺,以类似橡胶的弹性材料制作出手负的3D模具。模具将手稳定在所需姿势。将模具切成两部分,然后受试者将他们的真手放入模具中以进行MRI扫描。

“随着我们对这项工作的改进,我认为对于那些需要了解手的复杂解剖结构和生物力学的学生和其他医生来说,这可能是一个极好的教学工具。”乔治·马特库克

在USC放射医学专家Matcuk的协助下,这只手被MRI扫描仪扫描了10分钟。重复此过程12次,每次以不同的手势进行。以此方式捕获了两个对象,一男一女。现在,对于每个姿势,研究人员都确切知道骨骼,肌肉和腱的位置。

在与Matcuk讨论了MRI扫描的解剖学特征之后,Barbic和Wang开始着手建立一个数据驱动的骨骼运动模型,该模型可以捕获复杂的真实世界旋转和任何姿势的骨骼平移。

然后,他们使用有限元方法(FEM)添加了软组织模拟,以计算与骨骼运动一致的手部肌肉,肌腱和脂肪组织的运动。这种模型与表面细节相结合,使他们能够创造出高度逼真的动手。手可以以任何动作进行动画处理,甚至是与捕获的姿势完全不同的动作。

向前走

该团队最近获得了美国国家科学基金会的资助,将其工作推进到下一阶段。该团队计划在未来三年中为10个受试者建立一个多姿势手MRI扫描的公共数据集。这将是第一个此类数据集,并将使来自世界各地的研究人员能够更好地模拟,建模和重新创建人的手。该团队还计划将研究成果整合到教育中,以在南加州大学和K-12外展计划中培训博士研究生。

Matcuk说:“随着我们对这项工作的改进,对于那些需要了解手的复杂解剖结构和生物力学的学生和其他医生来说,这可能是一个很好的教学工具。”

该小组目前正在努力在模型中增加对肌肉和腱的认识,并使其成为实时模型。现在,计算机大约需要一个小时才能创建一分钟的仿真。Barbic和Wang希望在不损失质量的情况下加快系统运行速度。

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