關(guān)于醫(yī)學(xué)教育三維模型庫構(gòu)建的探討

葉 濤

(南方醫(yī)科大學(xué)教育技術(shù)中心,廣東 廣州 510515)

·資源開發(fā)與應(yīng)用·

關(guān)于醫(yī)學(xué)教育三維模型庫構(gòu)建的探討

葉 濤

(南方醫(yī)科大學(xué)教育技術(shù)中心,廣東 廣州 510515)

針對目前醫(yī)學(xué)教育視覺影像資源建設(shè)中存在的效率與質(zhì)量問題,提出了構(gòu)建醫(yī)學(xué)教育三維模型庫,將醫(yī)學(xué)教育中常用的形體使用三維軟件進行數(shù)字化建模型,形成可以重復(fù)使用的三維模型庫的設(shè)想,并對其建設(shè)與管理中的關(guān)鍵問題進行了探討。

三維動畫;三維模型;三維圖像

在醫(yī)學(xué)教育中,視覺影像資源在教學(xué)過程中起著重要的作用,許多醫(yī)學(xué)形態(tài)方面的教學(xué)或研究的內(nèi)容需要使用視覺影像資源來表達、傳遞。醫(yī)學(xué)視覺影像資源的媒體形式包括照片、掛圖、視頻以及動畫等,照片、掛圖均以靜態(tài)的畫面展示教學(xué)內(nèi)容,其中照片內(nèi)容以客觀寫實為主,掛圖則可在客觀的基礎(chǔ)上加入主觀的理解元素,并加入文字、圖形等元素綜合表達教學(xué)內(nèi)容,可對畫面進行提煉、抽象、強調(diào)等,且表現(xiàn)形式多樣化,如夸張、比喻、對比等。視頻、動畫則比照片、掛圖多個時間維度,能夠表現(xiàn)事物的發(fā)展變化過程。與照片一樣,視頻側(cè)重客觀的記錄寫實,而動畫則是在對客觀事實理解基礎(chǔ)上,根據(jù)需要進行創(chuàng)作,以達到教學(xué)目標。在教學(xué)應(yīng)用中,照片、掛圖、視頻、動畫等往往復(fù)合在一起,以多媒體課件、電視教材、網(wǎng)頁課件等形式應(yīng)用于教學(xué)中。由此可見,視覺影像資源是醫(yī)學(xué)教學(xué)資源的基礎(chǔ),視覺影像資源建設(shè)一直是醫(yī)學(xué)教育技術(shù)工作者主要的工作內(nèi)容與研究領(lǐng)域。

實踐表明,動畫是醫(yī)學(xué)教育中常用的、重要的一種視覺影像資源。動畫能夠?qū)⒊橄蟮脑硇蜗蠡⑽⒂^過程宏觀化、將紛雜的現(xiàn)象梳理歸納,是一種很重要的表現(xiàn)手段。動畫也是制作難度最大、制作工作量最大的一種資源。首先,動畫制作者需要具有繪圖能力和一定的美術(shù)功力;其次,制作者要具備一定的醫(yī)學(xué)知識,如人體結(jié)構(gòu)、解剖學(xué)方面的知識;動畫制作軟件使用較為復(fù)雜,特別是三維動畫制作軟件,如3DSMax、MAYA等,其中涉及三維空間點線的定位、多邊形編輯、NURB建模、修改器運用、材質(zhì)編輯、正向(FK)運動與反向(IK)運動設(shè)置、關(guān)節(jié)與骨骼設(shè)置、皮膚綁定等關(guān)鍵技術(shù)[1],需要制作者對軟件具有良好的駕馭能力。

從上述分析可知,一方面是醫(yī)學(xué)教育對視覺影像資源的巨大需求,另一方面是視覺影像資源高制作難度與大工作量的制約,如何有效解決兩者之間的矛盾,提高醫(yī)學(xué)教育影像教育資源的制作效率,以適應(yīng)信息化環(huán)境下對醫(yī)學(xué)視覺影像教學(xué)資源的需求?經(jīng)過分析與思考,筆者認為建立醫(yī)學(xué)教育三維模型庫可有效解決這個矛盾。

1 醫(yī)學(xué)教育三維模型庫的構(gòu)建

醫(yī)學(xué)教育三維模型庫具體建設(shè)內(nèi)容是將醫(yī)學(xué)教育中經(jīng)常使用的、反復(fù)使用的模型,如人體器官、手術(shù)器材、醫(yī)療器械等物件、器具使用三維建模軟件制作出來,存儲為模型文件。模型中相關(guān)物體 (object)建模原則遵循獨立性與相關(guān)性原則,即模型中的物體既是獨立的,又可互相構(gòu)成一個整體,形成新的物體。例如:在構(gòu)建心臟模型中,主動脈、上腔、靜脈、肺動脈干、心耳等可設(shè)計成獨立的物體,同時它們又構(gòu)成心臟模型(父物體),如圖 1所示。這樣可適應(yīng)各種不同的應(yīng)用需求,選擇輸出心臟主動脈或靜脈的三維動畫、三維圖像,也可輸出心臟的三維動畫或圖像,并將模型的具體特征數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化,利用數(shù)據(jù)庫存儲起來,在此基礎(chǔ)上形成模型庫協(xié)同建設(shè)、資源共享的平臺。通過這個平臺,可以快速檢索、下載三維模型,并在此基礎(chǔ)上進行二次制作,以達到提高動畫制作效率的目的。醫(yī)學(xué)教育三維模型庫的系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖 1 心臟模型中物體結(jié)構(gòu)

從圖 2可以看出,醫(yī)學(xué)教育三維模型庫建設(shè)的核心思想是依托于網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)三維模型共建共享,從而節(jié)省三維建模的時間、人力成本,提高動畫制作的效率與質(zhì)量。醫(yī)學(xué)教育三維模型庫的應(yīng)用能提高視覺影像資源的制作效率,是因為從三維模型庫中下載后直接能用或稍作改動后就能用,避免重新建模;醫(yī)學(xué)教育三維模型庫的應(yīng)用能提高視覺影像資源的制作質(zhì)量,是因為醫(yī)學(xué)教育涉及到的往往是人體器官,建模涉及人體解剖學(xué)、曲線曲面的空間勾勒能力,即使是一個出色的三維軟件操作者,也不一定能夠制作出高質(zhì)量的人體器官模型,而入庫的模型往往是高水平之作,因此借助庫中的模型能提高視覺影像資源的制作質(zhì)量。

圖 2 醫(yī)學(xué)教育三維模型庫的系統(tǒng)框圖

模型之所以使用三維技術(shù)建模,是因為三維模型是在構(gòu)建于計算機虛擬空間中的真實立體模型,計算機利用統(tǒng)一坐標體系標記模型的點、線、面的空間位置,從而計算出模型的形狀外觀,并能根據(jù)觀察者的視角,計算出相應(yīng)的視圖。例如:只要構(gòu)建心臟的三維模型,計算機三維建模軟件就可以計算任何角度的心臟視圖,并導(dǎo)出成圖片或動畫。因此,三維模型比二維平面畫面更具有重復(fù)使用的意義。同時,三維模型支持合并,可以將多個不同文件中的三維模型合并至一個新的場景中,在新場景中可以重新調(diào)整模型的大小、角度而模型不會因此而失真,因為三維模型軟件會自動根據(jù)點的新坐標重繪模型。由此可見,通過構(gòu)建常用的醫(yī)學(xué)教育資源三維模型,能夠有效實現(xiàn)創(chuàng)作資源的共建與共享。醫(yī)學(xué)教育三維模型庫的應(yīng)用如圖 3所示。

模型的建立主要利用主流的三維建模軟件,如3DSM ax和MAYA等,這些三維建模軟件包括編輯調(diào)整器、燈光、環(huán)境、放樣變形、貼圖、材質(zhì)、動畫控制器、空間扭曲和粒子系統(tǒng)[2]等功能,能滿足醫(yī)學(xué)形體建模需求,并且能夠配置運行在 PC上,使用較為廣泛。

圖 3 醫(yī)學(xué)教育三維模型庫的應(yīng)用示意框圖

除了三維模型文件外,醫(yī)學(xué)教育三維模型庫還應(yīng)盡可能提供相應(yīng)的材質(zhì)與貼圖,與模型文件打包在一起,為模型的應(yīng)用提供便利。模型純粹是一個空間的幾何造型,要應(yīng)用它,還要表現(xiàn)出它的物理屬性。材質(zhì)正是具體表現(xiàn)模型物理屬性的關(guān)鍵所在,通過賦予物體材質(zhì)是指將一個不具備任何物理屬性的模型變成一個現(xiàn)實生活中的物體,使之具有真實或特別的視覺效果。材質(zhì)是對視覺效果的模擬,而視覺效果包括顏色、反射、折射、質(zhì)感和表面的粗糙程度等諸多因素,這些視覺因素的變化和組合呈現(xiàn)出各種不同的視覺特征,材質(zhì)正是通過模擬這些因素來表現(xiàn)事物的[2]。材質(zhì)的設(shè)置由三維建模軟件中的材質(zhì)編輯器編輯,儲存在材質(zhì)庫中,可以將與模型相關(guān)的材質(zhì)存放在專門的材質(zhì)文件中,與模型文件一起提供給使用者,這樣使用者就可以不用自己編輯材質(zhì),當然用戶也可以制作自己的材質(zhì)滿足自身特殊的需求。在材質(zhì)設(shè)置中往往會用到一些貼圖,貼圖是材質(zhì)編輯系統(tǒng)的一部分,它配合材質(zhì)基本參數(shù)的調(diào)節(jié),加之燈光照明,最終渲染[2]。這些使用的貼圖原始圖像文件也應(yīng)與模型、材質(zhì)文件打包在一起提供給用戶。

2 模型庫的檢索方法與實現(xiàn)技術(shù)

為提高模型庫的可用性,應(yīng)根據(jù)醫(yī)學(xué)教學(xué)應(yīng)用特點,對所建的模型進行分類與標記,并由此形成靈活多樣的、準確的檢索方法。檢索方法主要包括:根據(jù)標題檢索,根據(jù)關(guān)鍵字檢索,根據(jù)病種檢索,根據(jù)解剖部位檢索,根據(jù)生理機能或功能檢索等。這些條件可以用“與”、“或”等組合成綜合的查詢形式,以提高查詢的靈活性與準確性。要實現(xiàn)以上查詢,技術(shù)上的標引原則既要考慮到模型的基本屬性,又要考慮到模型在醫(yī)學(xué)教育上的屬性,并且其醫(yī)學(xué)教育上的屬性應(yīng)是可以擴展的。具體的設(shè)計如下:

①模型基本屬性歸為一個表,主要標引包括:標識 ID、題名、關(guān)鍵字、作者、作者單位、提交時間、引用計數(shù)、描述等,模型基本屬性在表中直接進行記錄,而其擴展屬性則通過外鍵標記相應(yīng)的擴展屬性;

②特殊的每個擴展屬性為一個表,例如解剖部位,按照醫(yī)學(xué)相關(guān)標準標引,主要包括:標識 ID、解剖部位。解剖部位內(nèi)容包括心臟、肺部等,如后期需增加部位,只需在這個表中增加一個記錄即可,這樣較好地解決了數(shù)據(jù)的可擴展性,對于其他擴展屬性,處理方法類似;

③模型與擴展屬性表的關(guān)聯(lián)采用獨立的關(guān)系表。如模型與解剖部位的關(guān)系,使用模型_解剖部位表關(guān)聯(lián)。例如:一個模型屬于心臟解剖部位的,那么其在模型_解剖部位表表示為一個記錄(模型 ID,解剖部位 ID),這樣就可以檢索出解剖部位的具體數(shù)據(jù)。這樣標引的好處是可以較好地處理多對多的關(guān)系,并且可擴展性好。如需要增加模型的一個特殊屬性,只需增加兩個表 (特殊屬性表、關(guān)聯(lián)表)即可,對原來的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)不需作任何的改動。

3 醫(yī)學(xué)教育三維模型庫的建設(shè)與管理

3.1 模型庫實現(xiàn)的技術(shù)關(guān)鍵

模型庫的實現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2所示,分為文件層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層與表現(xiàn)層,采用B/S應(yīng)用模式。實施中以 SQL Server作為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器,業(yè)務(wù)邏輯層基于.Net Fram ework環(huán)境,編程工具為V isual Stud io.net2005,采用 C#編碼實現(xiàn)。使用的關(guān)鍵技術(shù)有:

3.1.1 結(jié)構(gòu)化查詢語言 結(jié)構(gòu)化查詢語言(structured query language,SQL)是標準化的非過程查詢語言,利用 SQL可以直接操作數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù),包括數(shù)據(jù)定義、查詢、操縱 (增、刪、改)、控制數(shù)據(jù)訪問權(quán)限等[3]。將模型庫中所有對數(shù)據(jù)庫操作的 SQL語句都定義并封裝成眾多存儲過程 (sto red p rocedu re),存儲過程支持循環(huán)、條件結(jié)構(gòu),支持形式參數(shù)等特性,使得它可以作為完成對數(shù)據(jù)某個操作的邏輯單元,業(yè)務(wù)層在需要時調(diào)用該存儲過程即可。由于存儲過程在運行過程中是預(yù)先優(yōu)化并編譯過的,因此節(jié)省系統(tǒng)的運行時間。同時,存儲過程位于數(shù)據(jù)庫內(nèi),與嵌入業(yè)務(wù)層代碼的 SQL語句相比,因業(yè)務(wù)層向數(shù)據(jù)層發(fā)出操作請求時只需傳送要調(diào)用的存儲過程名,不用發(fā)送冗長的 SQL語句,減少網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)量。在需要對數(shù)據(jù)操縱進行修改時,只需修改存儲過程,不需修改業(yè)務(wù)層的代碼。

3.1.2 ADO.NET數(shù)據(jù)控件 ADO.NET是.NET Frame work環(huán)境中的A ctive Data Ob jects組件庫,它由一系列命名空間組成,在模型庫實現(xiàn)中主要使用 System. Data和 System.Data.Sql命名空間,涉及的類有:Sql-Connection、SqlCommand、SqlDataReader等[4],利用這些類,實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的連接,以存儲過程作為參數(shù)對數(shù)據(jù)庫進行讀、寫等操作。

3.1.3 服務(wù)器文件 I/O 由于模型是以文件的形式存放于服務(wù)器上,在模型上傳或下載時涉及對服務(wù)器的本地文件系統(tǒng)進行“寫”或“讀”操作。在.Net Fram ework中這些操作主要是通過 System.IO命名空間中的類來實現(xiàn)的。System.IO中的類包括: D rive Info、D irectory、D irectory Info、File和 File Info類等[5],利用這些類,可以實現(xiàn)對服務(wù)器的本地文件系統(tǒng)操作,例如:獲取服務(wù)器上的驅(qū)動器標識、類型、容量等信息;創(chuàng)建、移動、刪除目錄;列舉子目錄與文件;路徑處理;訪問控制列表 (ACL)等,從而實現(xiàn)系統(tǒng)中模型文件在服務(wù)器上的存取。

3.2 模型庫建設(shè)與應(yīng)用有效展開的管理關(guān)鍵

3.2.1 成立專門的機構(gòu)作為醫(yī)學(xué)教育三維模型庫建設(shè)、管理的運營機構(gòu) 可依托于某個學(xué)術(shù)專業(yè)委員會或醫(yī)科院校的教育技術(shù)中心協(xié)作組,形成專門機構(gòu),通過網(wǎng)絡(luò)來維護管理醫(yī)學(xué)教育三維模型庫的建設(shè)與應(yīng)用。

3.2.2 制訂核心庫的內(nèi)容建設(shè)規(guī)劃 為了有效提高醫(yī)學(xué)教育三維模型庫的可用性,必須對模型庫的建設(shè)內(nèi)容做出明確的規(guī)劃。通過對醫(yī)學(xué)教育中具體學(xué)科的分析,規(guī)劃列出常用的、重要的內(nèi)容,制訂具體的模型制作方案。如解剖學(xué)中的人體器官模型、生物化學(xué)中的DNA/RNA等大分子物質(zhì)模型、醫(yī)學(xué)檢驗學(xué)中的各種儀器等,這些內(nèi)容由學(xué)科專家與教育技術(shù)專家共同確定,并形成具體的設(shè)計方案。

3.2.3 必要的建設(shè)啟動資金 核心庫建設(shè)資金的籌集,一是依靠上級主管部門下拔,二是要依靠橫向資金。例如:與企業(yè)的合作,在模型庫平臺投放廣告等,爭取通過多種渠道籌集建設(shè)資金。

3.2.4 建模團隊的構(gòu)建與培訓(xùn) 通過全國各醫(yī)科院校教育技術(shù)中心,組織一支由動畫制作、美工、醫(yī)學(xué)方面人員組織的制作團隊,并根據(jù)建設(shè)規(guī)劃,制作具體分工計劃與建設(shè)規(guī)范,組織具體技術(shù)、工作流程方面的培訓(xùn)。

3.2.5 建立長久的可持續(xù)發(fā)展機制 建立長久的可持續(xù)發(fā)展機制較為重要的是:平臺運營的必要資金如何維系?當前期資金支持核心模型庫建立起來以后,后期的內(nèi)容更新、補充以及平臺的維護需要一定的資金投入,除在平臺上投入廣告外,可適當考慮模型庫的有償使用。有償使用需要平衡的教學(xué)共享面與成本之間的關(guān)系,應(yīng)盡可能讓模型庫廣泛應(yīng)用于教學(xué)中,因此有償使用可局限于高品質(zhì)的模型或在出版發(fā)表作品中使用的模型。

3.2.6 激勵機制 采用適當?shù)募顧C制鼓勵教育技術(shù)工作者以投稿的形式上傳自己制作的模型到平臺上,以便不斷擴展模型庫的內(nèi)容。除給適當?shù)母遒M外,還可以采用引用署名的形式,誰使用了其制作的模型,需要注明原模型的作者,并在平臺上標明此模型的引用數(shù)量,引用量越高,作者在引用排行榜上的排名就越靠前,以提高作者的知名度來吸引模型制作者往平臺投稿。

3.2.7 知識產(chǎn)權(quán)保護措施 知識產(chǎn)權(quán)的保護主要是保護模型創(chuàng)作作者及模型擁有者的權(quán)益。模型創(chuàng)作者的權(quán)益較為有保障,主要確立模型創(chuàng)作者與模型庫管理機構(gòu)的合同關(guān)系,以訂做、驗收、一次性結(jié)算的形式進行。而模型擁有者 (模型庫管理機構(gòu))則十分復(fù)雜,模型使用者必須付費給模型擁有者,但模型一旦下載到用戶那里,就有可能被再次傳播、使用而不需付費,這是一個長期困擾知識產(chǎn)權(quán)的一個問題,一般需要特殊的技術(shù)來制約,如加密、授權(quán)等,但這和模型庫建設(shè)資源共享的初衷相悖,而且技術(shù)的成本太高。這個問題的解決還需要進行漫長的探索,根本還是要提高用戶的知識產(chǎn)權(quán)意識。

醫(yī)學(xué)教育三維模型庫的建立能夠?qū)⑨t(yī)學(xué)教育中常用的各種形態(tài),如人體器官、醫(yī)療器械、細胞等元件化,以數(shù)據(jù)庫實行管理、查詢,以網(wǎng)絡(luò)平臺形式實現(xiàn)共享共建,從而提高醫(yī)學(xué)教育資源的建設(shè)效率與質(zhì)量,從而為教學(xué)提供優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源。醫(yī)學(xué)教育三維模型庫要有效實現(xiàn)資源共建共享,需要有效的管理與運營,關(guān)鍵是有效的激勵機制與知識產(chǎn)權(quán)保護機制的建立。

[1]陶麗,佟鳳義.神功利器:3DSMm ax9三維動畫制作典型案例[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008

[2]郝相林,韓翠英,王磊.3DSM ax9從新手到高手[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008

[3]王能斌.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)原理 [M].北京:電子工業(yè)出版社, 2000

[4]B ill Evjen,Scott Hanselm an,Farhan M uhamm ad,等.ASP. NET2.0高級編程[M].4版.北京:清華大學(xué)出版社,2006

[5]Christian Nagel,B ill Evjen,Jay Glynn,等.C#高級編程[M].4版.北京:清華大學(xué)出版社,2006

On the construction of 3D m odel da tabase form ed ica l educa tion

Ye Tao
(Cen ter of Educa tiona l Techno logy,Sou thern M ed ica lUniversity,Guangzhou 510515,Ch ina)

To imp rove the quality and efficiency of visual resources ofm edical education,the paperp roposes constructing 3D model database ofm edicaleducation so as to constructa digitalmodelof the frequently usedm edicine education ob jectsw ith 3D softw are so that it can be a reusab le 3D digital model database.The paper also discusses key issuesof its construction andm anagem ent.

3D anim ation;3D model;3D im age

G434

A

:1004-5287(2010)02-0132-04

2009-12-10

葉濤(1970-),男,廣東人,副教授,碩士,主要研究方向:網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)與資源的開發(fā)與應(yīng)用。