“虚拟人手模拟有望为假肢”

无论我们做什么——无论达成了什么，拉动和操作物体总是看起来很容易。 但你的手是身体中最多、最复杂、最重要的部分之一。

尽管如此，人们对对方的基本解剖结构大多和复杂性知之甚少。 因此，长期以来，将人手制作成动画一直被认为是计算机图形学中最具挑战性的问题之一。

这是因为至今为止，没有捕捉到得到的内部运动。

usc研究小组利用磁共振成像( mri )和受视觉效果领域启发的技术，由两名计算机科学家和一名放射科医生组成，开发了世界上最真实的人手运动肌肉骨骼系统模型。

肌肉骨骼系统包括肌肉、骨骼、肌腱和关节。 突破不仅影响计算机图形学，还影响修复、医学教育、机器人技术和虚拟现实。

记者安德鲁和埃尔纳比特研究早期职业生涯的作者jernej barbic说，虽然手非常多、非常复杂，但在做这项工作之前，没有人建立过准确的计算模型来说明手关节的实际解剖结构。 计算机科学系主任兼副教授。

设计更好的假肢

为了应对这一问题，计算机动画和基于物理学的模拟专家barbic和他的博士生bohan wang是这项研究的主要作者，与keck医学院临床放射学副教授george matcuk医学博士和usc合作。 结果:基于解剖学的最准确的手运动模型。

matcuk先生作了如下陈述。 “这是目前可用的最准确的手部动画模型，也是结合对方表面特性进行激光扫描，结合基于mri的基础骨骼组装模型的第一个模型。

除了为经常暴露在手上的电脑游戏和cgi电影制作更逼真的手外，该系统还可以用于假肢，设计更好的手指和假肢。

巴奇说，他了解了内部手的解剖学动作，为外观和行为被真正的手一样的生物触发的机械手打开了门。

在不久的将来，这项工作可能会有助于解剖学上真实的手的迅速发展和手的假体的改善。

在acm siggraph中介绍了使用稳定磁共振图像的手建模和仿真这一研究。

长时间的挑战

为了增强真实感，虚拟手的建模必须类似于生物手。 这就需要建立实际人手的准确解剖和运动学模型。 但是，关于骨头和肌肉是如何在手里工作的还不太清楚。

其理由之一是，到目前为止，还不能系统地取得内部手的解剖结构的运动。 mri扫描仪可以提供解剖学上的细节，但以前存在未处理的实际挑战。 手必须完全静止，放入扫描仪约10分钟。

蜜蜂说:“实际上不能以固定的姿势保持手10分钟。 拳头更容易稳定，但是请把手合上一半试试。 大约一两分钟后自己开始摇晃。 你不能保持十分钟。

为了克服这一挑战，研究人员开发了采用特效领域的生命铸造材料制造技术，并在mri扫描中稳定了手。 救生包括制作人体模型的模具，被复制到各种介质，包括塑料和硅树脂。

巴奇( barbic )曾在奥斯卡提名的电影《霍比特人:史矛革沙漠》) the hobbit:desolation of smaug )工作，在洛杉矶的视觉效果店看到廉价的手工克隆产品，前 巴奇说:那是桉树的瞬间。 巴奇长期以来一直在考虑制作更真实的虚拟人手的处理方案。

首先，小组利用铸造材料制作了模型手的塑料复制品。 这个复制品捕捉到了手表面的各个毛孔和细线等非常细微的特征，用激光扫描仪进行了扫描。

然后，再次在塑料手上采用救生铸造技术，用橡胶等弹性材料制成了负3d模具。 使模具稳定在必要的姿势。 将模具切成两半，受试者将他们的真迹放入模具中进行mri扫描。

随着这项工作的改进，我们认为这对于我的学生和其他手很多需要了解复杂解剖结构和生物力学的医生来说是一个很好的教育工具。 乔治·麦克库克

在usc放射医学专家matcuk的协助下，该手被mri扫描仪扫描了10分钟。 重复这个过程12次，每次以不同的姿势进行。 用这种方法捕获了两个对手，一男一女。 目前，对于各种姿势，研究者都准确知道骨骼、肌肉、肌腱的位置。

在与matcuk讨论了mri扫描的解剖学特征后，barbic和wang开始建立数据驱动的骨骼运动模型。 这个模型无论现实世界的旋转和姿势如何，都能捕捉到很多复杂的骨骼移动。

然后，他们利用有限元法( fem )添加软组织模拟，计算手的肌肉、肌腱、脂肪组织与骨骼运动一致的运动。 通过这个模型和表面细节的组合，他们可以制作出非常真实的手。 手的任何动作都可以通过动画解决，也是和捕捉到的姿势完全不同的动作。

前进

该小组最近得到美国国家科学基金会的资助，将其工作进行到下一阶段。 该小组计划在今后3年中为10名受试者建立多姿态手mri扫描的通用数据集。 这将成为第一个数据集，让全世界的研究者能够更好地模拟、建模和重新制作人手。 该小组还计划将研究成果融入教育，并通过南加州大学和中小学推广计划培训博士研究生。

matcuk先生作了如下陈述。 “在我们完全完成这项工作的时候，对于需要了解手多、复杂的解剖结构和生物力学的学生和其他医生来说，我认为这可能是一个很好的教育工具。

该小组目前正在努力使模型增加对肌肉和肌腱的认知，使之成为实时模型。 目前，计算机制作一分钟的模拟需要大约一个小时。 barbic和wang希望在不损害质量的情况下提高系统的运行速度。

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