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什么是虚拟现实(VirtualReality)？•1989年，美国VPLResearch公司创始人JaronLanier提出了“VirtualReality”（虚拟现实）的概念。在这里，“Reality”的含义是现实的世界，或现实的环境。所以，“VirtualReality”（虚拟现实）的另一个名称是“VirtualEnvironment”（虚拟环境）。•Virtual说明，这个世界或环境是虚拟的，不是真实的。这个世界或环境是人工构造的，是存在于计算机内部的。用户应该能够进入这个虚拟的环境中。所谓进入这个虚拟的环境中，是指用户以自然的方式与这个环境交互（包括感知环境并干预环境），从而产生置身于相应的真实环境中的虚幻感，身临其境的感觉。什么是虚拟现实(VirtualReality)？•特定的交互工具(如感传手套、视频头盔、立体眼镜等)•通过计算机的软硬件•仿真环境•使用者可以通过传感器装置与虚拟环境相互作用，按照自己的意愿去改变虚拟环境。•1990年在美国达拉斯召开的SIGGRAPH国际会议上对VR进行了讨论,并首次用以下三个构成技术对VR进行了定义:•·三维计算机图形学技术•·采用多功能传感器的交互式接口技术•·高清晰度以及高更新速度的显示技术特征•immersion沉浸性•interaction交互性•imagination构想性组成•虚拟世界生成设备•感知设备：•跟踪设备：•人机交互设备虚拟现实（VR）的广泛应用●室内样板房演示●城市规划军事应用●●文物保护●游戏娱乐在康复工程与康复医学中的应用肢体治疗•生理治疗作业治疗•残疾人功能辅助•认知和心理治疗•远程医疗•辅助治疗肢体治疗•与游戏结合由屏幕提供一种人工景物,使患者如同置身于游戏或旅游的环境中,使治疗过程充满乐趣,提高患者的乐观情绪。肢体治疗AirbourneRangerBirdsN'BallsCoconutzDrumsFormulaGravballHipAbductionHipFlexionSharkbaitSnowboardingSoccerVolleyballApplicationTherapeuticExerciseAirborneShoulder,Torso,FullBody,LowerExtremityProprioceptionBirds&BallsShoulder,Torso,FullBodyCocoNutsShoulderDrumsUpperExtremityFormulaRacingTorso,Neck,LowerExtremityProprioception,LateralStepGravballFullBody,LowerExtremityProprioceptionHipAbductionHipAbduction,ContralateralHipAbductionHipFlexionHipFlexion,ContralateralHipFlexion,StepUp/Down,Squat,LungeSharkbaitFullBody,LowerExtremityProprioceptionSnowboardFullBody,LowerExtremityProprioception,LateralStepSoccerShoulder,Torso,FullBodyVolleyballUpperExtremity,TrunkStabilization手部功能检测系统手部功能检测系统康复车•先天性运动和功能障碍的恢复•美国加州洛玛琳达大学研制的“神经康复工作站”是一个采用压力传感器、生物传感器,具有数据手套和视线跟踪系统的可视化工作站,可用于诊断因严重事故或先天性引起的身体缺陷,并针对病人缺乏运行的现象,让其沉浸在与真实世界的物理规律不尽相同的虚拟现实之中,从而有助于恢复病人感觉或运动障碍。作业治疗•建立一个和日常生活环境一致的虚拟环境,患者戴上头盔、手套等,可如身临其境一样进行作业,如使用吸尘器打扫房间,用洗衣机洗衣服等,吸尘器、洗衣机等房间中的设备都是虚拟的,在作业中出现失误,也不会对患者的身体造成损坏,这种环境可用于慢性病治疗及生活技能丧失者的康复。残疾人功能辅助特制的人-机接口让肢体残缺者顺利地操纵计算机或控制相关器具以实现生活自理等,并且在操作过程中完全有一种身临其境的感受。认知和心理治疗1.用于焦虑障碍的治疗•恐高症1994年，Lamson和Meisner将30个恐高症患者置于用VR技术建构的虚拟高空中，有90%的人治疗效果明显。•社交焦虑症用VR技术建立各种虚拟社交场景，如演讲比赛、虚拟会议室、咖啡店等，帮助患者克服心理障碍。•另外在痛感较强的牙科手术和其他治疗过程中虚拟疗法能够吸引病人的注意力。•“雪世界”是第一种专门用来治疗烧伤后遗症的虚拟环境。在美国西雅图烧伤治疗中心，患者在接受痛苦的治疗过程中可以在虚拟环境中飞越冰封的峡谷，俯视冰冷的河流和飞溅的瀑布，还可以将雪球抛向雪人，观看河中的企鹅和爱斯基摩人的圆顶雪屋。“雪世界”的研发者认为，虚拟现实疗法之所以能够获得成功，主要是它能够把病人的注意力从创伤或病痛上转移到虚拟的世界中来。2.创伤后应激障碍•美国9.11以后出现大量的创伤后应激障碍的患者。Eifede和Hoffman运用VR重现了世贸中心的爆炸场面，并运用此技术对一个传统疗法失败的患者进行治疗，该患者被成功治愈。3注意力缺陷障碍诊断和治疗运用VR技术辅以EEG对注意力缺陷障碍的儿童进行治疗监控，不但对多动、注意力不集中等有明显效果，而且可以提高受试者的成绩及IQ值。4其他精神病和神经病的治疗美国神经系统疾病与脑溢血研究所等机构的研究人员最近利用电子游戏对中风病人进行了VR疗法。游戏设计着眼于人体保持平衡、移动、迈步和走路的技巧。经治疗后，病人的脑功能开始重组，行走、站立、上台阶能力都有所改善。远程医疗患者在网络终端和医生进行连接后可以通过各种传感器将脉搏、血压、心电图、CT图像等传递给医生。医生可通过VR在本地的一个虚拟患者模型上进行操作,其动作通过高速通信网络或卫星传递给机器人对远地患者进行手术.机器人上立体照相机所获得的图像信息反馈给医生,显示在医生的HMD显示屏上,并加载到虚拟人体上。日本研制出远程控制的血管缝合机器人,实现了直径1mm血管的远程操作缝合手术,并已成功实现了由在纽约的医生为在巴黎的患者实施外科手术。辅助治疗1.VR用于解剖和病理分析虚拟人体解剖图：•数字化3D解剖图谱•无外界干扰•自由地观察、移动和生成解剖结构•快捷地学习和了解解剖信息.在VisualC++开发平台下,结合CT技术利用OpenGL图形库编程实现的思路:不断判断操作者手的状态，通过VR系统实现对每块骨骼模型进行抓取、移动和旋转的人体骨骼虚拟现实系统。虚拟手术模拟模拟病人(theHumanPatientSimulator),•适用于护理、外科和麻醉的预期•可以对模拟病人进行体检、呼吸道管理、进行心肺复苏、电除颤、静脉给药和观察创伤发展过程。VR以及在康复领域的新进展哈工大的最新成果•多功能手臂康复训练机器人国外最新研究成果•Patientsstandinfrontofagreenscreenthatisdigitallyremoved,leavingonlythepatientsactualbodyimagesplacedwithinthevideoenvironment;Noheadgearorwires,onlyalightweightgloveononehandandnosystemcalibrationisrequired.•IREXtracksthemovementofthepatient'sbodyandextremitieswithintheclinician-prescribedrange-of-motioncriteria.Thisdataisrecordedasanoutputreport,whichallowsthecliniciantoseeifthepatientisperforminginlinewiththeprescribedexercisetargets.软件方面•相对于硬件，应用到康复工程的软件在市面上难得一见，而最新最尖端的虚拟现实技术，无一例外的都用在了目前最热门的行业————游戏产业•以ATI图形显示设备公司推出的HDR（High-DynamicRange）技术来说，就达到了前所未有的高度。这个算法可以实现与人眼相近的灰阶分辨能力，也就是可以呈现过亮或过暗区域的更多细节，同时，更令人惊叹的是，它可以做到对人眼瞳孔应激的模拟，即从黑暗的房间进入明亮的花园，你会感觉到很明显的玄光，然后场景才逐渐恢复正常。•EAX是我们熟悉的环境效果程序集，它的4.0版本更是对音效做出了惊人的仿真！众所周知，站在大厅的中央和角落听到的同一音源的效果也是不同的，并且，随着音源位置的变化，直接声波与一次反射声波乃至多次反射声波由于室内建筑的遮挡，也会产生不同的音效；同时，不同的材质，不同形状的墙面都会对音效产生影响……这一切，EAX4.0全部做到了，•不单如此，常玩游戏的同学都知道，每当地面或场景有变化，那么产生的如脚步声等音效也会发生相应的变化，目前的游戏都做到了这一点，而4.0可以模拟出你从客厅中央的木地板向卧室的门口走的时候，卧室内的毛地毯和壁橱对你的皮鞋的脚步声的影响！•在未来的5年中，虚拟现实技术将实现数据的无线传输，患者与计算机之间无须再连接乱麻般的电线，这就使患者可以在家中接受治疗。研究人员说：“可以想象，未来的患者只需利用家中的工作站就可以与治疗师实现远程连接和治疗。在一个窗口中，治疗师在鼓励患者进行各种类型的训练，或者帮助患者控制计算机，而在另一个窗口中显示出的便是正在接受帮助的患者。”VR相对传统的干预训练方法的优势:•提供多种治疗场景和刺激,患者在安全的环境中进行康复治疗•可根据患者的实际情况进行治疗过程设计,而且同样的场景和任务可以重复进行•可以迅速得到治疗效果的反馈信息,并对数据进行存储,对医生掌握患者的病情有一定作用•有利于开展远程治疗,大大方便了患者,增加了受益的范围•减少患者的治疗费用。不足之处–技术方面。头盔式显示器、图形眼镜、数据服、数据手套、立体声耳机、跟踪系统、三维空间传感器等的视场，分辨率，造成眩晕等问题还有待解决。–听觉接口和力觉接口等设备还在研究，应用还不多。味觉，嗅觉，运动觉等技术，还缺乏研究。–缺乏相关治疗和评估标准–系统的交互性现实还不是很好–较好的虚拟现实系统外围设备还较贵,致使大规模使用还不行。–须满足众多矛盾的要求.例如,高质量的图形绘制和实时刷新的矛盾、计算精度和速度的矛盾、大容量和高速的数据存储的矛盾、全彩色高分辨率显示和绘制速度的矛盾等.技术问题•更逼真的仿真。图像不真实接触和力反馈几乎没有，用户不能实时看到视场变化。•器官和人体结构的逼真模型。（例如，器官不随重力变型，不随操作变型。血管没有血液，胆管没有分泌，心脏不跳动。）•对增强现实更好的图像校准技术。•适当的数据表示体系。•减小广域网延迟。延迟应该大大减小，提供远距合作。•我们对于虚拟现实技术改进的建议有：•（1）加强计算机虚拟环境建模的研究更重要的是，把目前的新技术尽快地转移到康复工程应用领域来•（2）改进操作设备的设计•（3）完善人机界面•（4）加强对有关人类行为的建模研究小组成员：田梁王钊杨星刘宇娟
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