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基于增强现实的手部康复训练系统的研究

偰冬慧  
【摘要】:增强现实(Augmented Reality,简称AR),是在虚拟现实基础上发展起来的新技术。它将计算机系统提供的虚拟信息增加到用户所处的真实世界,实现对真实世界的增强。身处其中的用户可以以更加自然的方式与环境中的真实和虚拟物体进行三维实时交互。与虚拟现实技术相比,增强现实技术更具有真实性、交互性和实用性。国内外已有一些尝试将增强现实技术引入到康复领域,能够增加康复的趣味性,降低康复治疗过程对治疗师的依赖,提供精确、稳定、个性化的训练模式和定量化的训练效果评估指标。本文以国家自然科学基金项目为背景,设计并开发一个基于增强现实的手部康复训练系统,其中包含不同难度等级的康复训练项目。本文的主要研究内容包括以下几个方面:首先,本文分析并总结了目前基于标识的增强现实技术的两个主要创新点:标识的改进和注册方法的改进,比较了几种标识的相关参数,阐述并分析了各种标识的优势和不足之处。针对手部康复训练的需要,本文设计了一种适用于手部康复训练的彩色标识。该标识借鉴了海明码的编码原则,设计为7*7的方格,根据二进制位“0”或“1”分别用指定的四种颜色填充。利用彩色标识每行的校验码还原标识中被遮挡方格的二进制位,解决彩色标识的遮挡问题,并完成对彩色标识的跟踪注册。本文也进行了大量实验,验证了彩色标识的有效性和可靠性。本文对ARToolKit应用程序进行改进,将系统的交互界面设计为基于MFC框架的单文档应用程序,提高了交互的便捷和可操作性。在医生的指导下,依据手部创伤康复的功能恢复阶段的康复方法和作业治疗的设计原则设计并实现了一个基于增强现实的手部康复训练系统,其中包含三种康复训练项目:轨迹训练、杯子训练、乒乓球训练,这三个康复训练项目在横向和纵向的难度等级具有递进关系。在该系统中同时使用了彩色标识和ARToolKit标识。最后通过实验对六个指标进行问卷评估和分析,验证了本系统的可行性和有效性。


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