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目 录

1.绪论 1

1.1 研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 主要开发工具介绍

1.3.1 Visual Studio 2013

1.3.2 OpenGL

1.3.3 3DS MAX ...................................................................................................................6

1.4研究内容

2.ARToolKit 7

2.1 ARToolKit

2.2 ARToolKit的工作原理

2.2.1基本原理

2.3 ARToolKit的关键技术

2.3.1 三维注册

2.3.2虚实融合

2.3.3实时交互

3.系统设计 12

3.1设计目标

3.2系统流程图

3.2.1系统功能流程图

3.2.2系统运行流程图

3.3交互界面的设计

3.4 添加菜单按钮

3.5模拟倒水训练

3.5.1 场景简述

3.5.2 场景的实现

3.6 放置卡片游戏

3.6.1 场景阐述

3.6.2 场景的实现

3.7消砖块游戏

3.7.1 场景阐述

3.7.2 场景的实现

4. 总结与展望 35

4.1 总结

4.2 展望

参考文献 36

致谢 37

基于ARToolKit的增强现实上肢康复系统

温旭新

，China

Abstract:In recent years, the number of upper-limb movement dysfunction patients has been increasing, and the demand for rehabilitation of upper limb function is also increasing. This paper develops an augmented reality upper limb rehabilitation system based on ARToolKit. The system designs three different upper limb rehabilitation scenarios with using ARToolKit, Opengl, and 3ds Max tools. In the first training scenario, the patient needs to hold a virtual teapot to simulate pouring water into the water cup. Through this repeat action, the patient can recover his wrist joint. In the second scenario, the patient is required to hold a virtual card in a grid as a training item, to achieve the purpose of simultaneously training the bending ability of his hands and the flexibility of exercising upper limb movement. In the third scenario, the patient eliminated the diamonds by hitting the ball with hand-held cubes.This training program is training the patient's upper limb flexion ability while training the flexibility of upper limb movement of the patient. The advantage of the system is that it can be combined with therapy in the game and has good application value.

Key words: augmented reality; rehabilitation system; ARToolKit

1.绪论

• 1. 研究目的和意义

上肢是人们使用最频繁的身体部位，它不仅可以完成很多粗大动作，还可以帮助人们进行日常生活中所必要的精细运动。上肢运动功能障碍将会对人们的日常生活造成不同程度的影响。通常情况下，具有上肢运动功能障碍的患者普遍存在上肢不执行运动指令或是执行动作较为缓慢的现象。研究表明，人体中枢神经系统具有高度的可重塑性。也就是说对其进行特定的一系列功能训练，如果长期坚持康复训练可以促进人体中枢神经系统的重组和补偿，从而逐渐恢复患者的肢体运动功能。传统的有关上肢运动功能障碍的康复治疗主要运用医学知识，让患者利用医疗器械进行一些基本训练。依靠这种治疗方法在一定程度上是可以使患者上肢功能得到恢复，但是这种方法存在一些明显的不足。第一，大部分的患者长时间对着笨重的康复机械重复进行枯燥的康复动作训练，会很容易产生倦怠感，丧失坚持锻炼的信心，慢慢的放弃继续进行锻炼，从而降低了康复的效率。第二，在治疗的过程中会耗费大量的人力财力和物力，有时由于传统的医疗器械不能对治疗效果给予患者及时的反馈，还有可能对患者造成二次损伤。因此，传统的康复治疗手段存在着诸多的局限性，为了让康复训练更好的服务于每一位患者，从二十世纪九十年代开始人们就在考虑如何利用虚拟现实和增强现实（Augmented Reality，AR）技术来帮助有上肢运动功能障碍的患者进行康复治疗训练。

增强现实（Augmented Reality，AR）技术是将三维虚拟对象叠加到真实世界并显示，通过真实世界和虚拟环境以及虚拟物体的合成，利用强大的实时渲染器最大程度地增强真实场景。这不仅降低了传统三维建模的工作量，同时借助真实场景与实物也极大改善了用户体验感，提高场景的辨认度和可信度，是VR的进一步发展。这项技术可以让真实的环境与虚拟的物体实时地显示到同一空间或画面上，从而让用户感受到更加丰富的场景信息、视觉效果更为真实的新环境。总体来说，AR系统有三个显著特征：①实时交互性；②将现实世界与虚拟世界的信息进行融合或是扩充；③在三维空间中加入定位虚拟物体。目前增强现实技术在很多的领域有着广泛的运用，例如军事武器、可视化数据模型、虚拟训练、艺术娱乐等领域。而且得益于此技术具有可以对现实环境进行增强显示输出效果的特点，使其在医疗研究与解剖训练、精密仪器维修与制造等领域，拥有比其他技术更显而易见的优势。目前增强现实技术已经逐渐进入人们的视野，在医疗、军事、教育、工业、广告、旅游、游戏等领域发挥着越来与重要的作用。随着技术的不断发展、硬件设备不断升级、硬件设备的价格逐渐下降，视频显示质量的不断提高以及软件功能的日益优化和实用化，也必将推动AR应用的不断增长，AR技术在不久的将来，在众多领域必定会带来革命性的变化。

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