计算机应用：解决脸部模拟难题

2024-10-29 百科知识版权反馈

【摘要】：4）人脸的模拟人体中最难模拟的区域是脸部。

6.4　虚拟人体计划

1989年，美国Colorado大学最早提出了可视人计划（Visual Human Project，VHP），并在1994年和1995年分别获得了一男一女两组包CT，MRI和切片数据集。韩国亚洲大学医学院在韩国科技信息研究院的资助下，提出了一个可视韩国人计划（Visible Korean Human，VKH），并在2001年报道了一例男性尸体的切片工作。2001年冬，第174次香山科学会议揭开了我国数字化虚拟人体研究的序幕，第一军医大学、第三军医大学、中科院计算所、华中科技大学、首都医科大学等单位在全国率先开展了中国可视化人项目的研究工作。

数字化虚拟人体研究可经历三个发展阶段：

①虚拟可视人虚拟可视人是从几何角度定量描绘人体解剖结构，把实体变成切片数据，然后在计算机中重建成三维人体，没有生理变化，是人体断层解剖学意义上的数字化“解剖人”。

②虚拟物理人虚拟物理人是在虚拟可视人的基础上加入人体组织的力学特性和形变等物理特性，在质感、质地、软硬度及温度等方面达到和人体一样的指标。如皮肤有弹性、肌肉可以收缩、骨骼遭到打击时会断裂、血管受到损伤后会出血。

③虚拟生理人虚拟生理人是在虚拟物理人的基础上赋予人体微观结构及生物特性，能从解剖到生理、生化，从宏观到微观，从表象到本质全方位反映人体的交互式数字化人体模型，具有心跳、血液循环、新陈代谢等生理功能。

6.4.1　数字虚拟人的功能模拟

1）人体骨骼、肌肉结构的模拟

“George”是Zeltzer开发的一个由计算机生成的、能够行走的骨架，这是计算机人体模拟上取得的第一个重大突破（徐开，唐庆玉.虚拟现实技术在医学中的应用.国外医学.生物医学工程分册.2001年第2期：49-54.本节涉及的举例都可在该文献中查找）。从此，人们引入了深度和维数的信息，来更好地理解计算机所生成的三维人体模型。使用一个由计算机生成的带有肌肉和肌腱传动器的髋关节模型，DelP和Malone可以对某些髋关节移植手术的结果进行预测，通过模拟25个“肌肉—肌腱”复合体，他们算出了腿部的外展、内收以及弯曲所能产生的最大力量与髋关节位置之间的关系。使用这个模型，可以预测髋部修复术对于各个肌肉群的影响。Chen和Zeltzer提出了一种方法，将计算机动画同肌肉的生物机械模拟结合起来，使用从CT，MRI数据重建的图像和Swivel的3D专用建模软件，可以用有限元方法合成出人体小腿肌肉的多边形模型。该模型可以模拟肌肉的力量，并对肌肉收缩的动力学进行可视化。

2）人体动力学的模拟

引进了解剖图和三维的数字化骨架，并对肢体和关节的生物机械学进行了评测之后，Mc Kenna开发了一套模拟“复杂的人体动力学”的系统。他的人体模型带有90个自由度，每英尺^[1]上带有28个自由度。能够模拟的行动包括起立、伸手、踮脚尖、行走和摔倒等。Renault和Thalmann提出了一种模拟人在走廊中移动而不会撞上障碍物的方法。他们使用一种合成了视觉和位移的自动操作系统，通过下达“沿着走廊前进”和“避开障碍物”两种指令，来指导行动者在房间内移动。

3）大脑结构和功能的模拟

为了提高我们对于大脑结构和功能的认识，欧洲MAGNOBRAIN研究项目的Anogianaski等人正在将脑磁图、脑电图以及MRI数据结合起来。他们将大脑分割为150万个大小为1　mm³的立方体，并且对每个立方体赋予相应的解剖学、结构学和电生理学的属性，从而建立一个带有丰富细节信息的大脑数据库。使用BRAINQUERY软件来处理MRI数据，他们实现了大脑结构的可视化。现在，他们正在努力将数据转化到一个虚拟现实的系统之中，从而对大脑内部的功能关系实现更加准确的可视化。波士顿的市奈翰妇科医院和通用电子研发中心合作开发了一个脑模型。他们使用一副特殊的眼镜把图像转换成“立体”格式，产生真实的深度幻觉。在计算机键盘上击键，可以使脑子旋转，并逐层剥离大脑皮层、灰质、白质等，显示大脑的内部结构。

4）人脸的模拟

人体中最难模拟的区域是脸部。早在20世纪80年代初期，Platt和Badler使用一个包括皮肤、肌肉和骨骼的三层模型模拟了人的脸部。皮肤是用三维坐标下的一系列点来表示的；骨骼是用皮肤下的一个刚性表面来表示的；而肌肉则是由一组肌肉纤维的点来表示的，通过弹性的弧线同上层的皮肤和下层的骨骼相联系。皮肤上的点也是通过弧线同相邻的点相连的。PiePer使用由CT和MRI扫描重建的病人图像，创造了一个带有丰富细节信息的脸部模型。它的原型——计算机辅助整形手术（CAPS）系统，可以对脸部软组织的整形手术进行计划、分析和可视化。使用有限元方法和一个模拟软组织的生物机械学的通用模型，可以预测手术结果。(www.chuimin.cn)

5）器官的模拟

Satava开发出了一个腹部的虚拟现实模型，用来向医学院的学生们展示腹部器官的详细解剖细节，以及向外科住院医师们传授手术的技巧和操作的程序。在这个仿真器中，人可以在消化道中漫游，观看胆和胰腺。该模型允许观众从器官的外部来观察解剖机构，就像传统的剖腹手术一样；观众还可以从器官的内部来进行观察，这种模式被称为“漫游”，就像在进行内窥镜检查一样。

Merrill开发了一个人体躯干模型，其中的虚拟器官能够模拟真实器官的一些属性，例如：弯曲、伸长以及切割器官时产生的边缘收缩现象。

6）神经的模拟

VPL（Visual Programming Languages，虚拟编程语言）制作的视神经模型将由视网膜到光学脑皮层的视神经路径三维地显示出来。人们可以通过手势在路径上漫游，并观看两侧的邻近结构。

7）心脏除颤的有限元模拟

将电极植入体内，可以在心室纤维颤动开始时自动除颤。使用有限元方法可以模拟多个电极的配置、电极尺寸和除颤电击的强度。一个典型的模型由超过150万个四角元素组成，带有250 000个自由度，要计算出一个详细的解答大约需要40亿次浮点运算。

6.4.2　力学虚拟人

力学虚拟人的研究目标是建立一个标准人体的“骨骼—肌肉—韧带”生物力学系统，是一个参数化模型，可以通过输入人体的指定参数，通过所开发的专用几何转换模块，将其转化为具体研究对象的骨肌系统模型。这种转换不仅是人体骨架宏观尺寸的转换，而且在一定精度范围内可逼近对象的具体骨骼形状与尺寸，以便于进行进一步的骨骼应力分析计算。力学虚拟人同时是一具人体全身骨骼系统的有限元模型。研究者可以对所感兴趣的部位，根据动力分析得出的关节力和肌肉力，进行应力与应变分析计算。也可通过并行计算，对人体整体骨架系统进行某一行为运动的应力应变分析。这里，关节之间的接触状态和软骨层的影响，将作为专门的科学问题加以研究。力学虚拟人还是一个大型的人体生物力学分析软件，它包含人体几何建模、运动分析、动力分析、有限元分析等功能模块，拥有自己的数据库。

①在临床医学中的应用力学虚拟人的各个组成部分都可以单独用于临床中，通过对患体部位的骨组织应力分析，帮助医生确定治疗方案。上海交通大学已经利用力学虚拟人的头部开展了儿童唇颚裂及力学快速扩弓、牙列的力学正畸、牵张成骨、拇外翻力学矫正、儿童脊柱侧弯力学矫正等方面的研究。力学虚拟人的足部模型还可以进一步用于平足的矫正、糖尿病患者鞋垫的力学设计中。

②创伤与事故力学分析力学虚拟人模型可以被用来模拟人体的跌、打、碰撞、高空坠落在骨骼中引起的创伤发生机理。在今天的汽车工业中，通常都需要建立人体的骨肌系统模型：模拟驾乘人员在汽车碰撞中的骨骼损伤过程；分析安全带、安全气囊的保护功能和负面效应；研究汽车对行人的碰撞事故及防范技术措施。

③在康复工程领域中的应用力学虚拟人的上肢和下肢生物力学模型可直接用来指导医生和工程师进行假肢的设计，包括它的运动设计和力学设计。由于力学虚拟人提供了中国人体的标准运动姿态和各部分的活动范围，因此它可以成为假肢设计的基本依据。利用力学虚拟人可以模拟下肢假肢受腔与残肢之间的压力分布，从而进行合理的受腔腔形设计。近年来，瑞典的Brinmark设计了直接和股骨相连的下肢假肢。利用虚拟人的下肢力学模型可以对“天然股骨—下肢假肢”力学系统进行仿真，对股骨与假肢的接合部位做出全面细致的应力分析。

④在人机工程学中的应用力学虚拟人可以用来对人体的各种劳动行为进行仿真，用来估算在一个劳动行为过程中肌肉力的作用和骨骼上的应力，从而判断人体的承受能力和相应的保护措施，进行劳动与安全防护器械的设计。在汽车设计中可以用来分析各种坐姿下骨肌系统的状态、人体与座椅界面之间的压力分布，以及驾驶行为中相关肌肉的出力。

⑤艺术或体育动作的生物力学分析力学虚拟人的运动学、动力学分析计算模块可以用来分析一些高难度艺术和竞技体育动作的力学机理，如芭蕾舞演员的旋转运动，溜冰运动员与跳水运动员的各种空中滚翻运动，举重运动员的抓、推、挺举运动，跳高与跳远的运动姿态，跑步与跨栏运动中下肢肌肉的出力分配等。同时还可以对各种运动损伤进行人体生物力学分析。

计算机应用：解决脸部模拟难题

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