桌面虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學多媒體課件中的設計與應用

孫項潔，卞亞紅，張 力

(第二軍醫(yī)大學教育技術中心，上海 200433)

桌面虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學多媒體課件中的設計與應用

孫項潔，卞亞紅，張 力

(第二軍醫(yī)大學教育技術中心，上海 200433)

介紹了桌面虛擬現(xiàn)實技術在課件制作中的設計思路及實現(xiàn)方法。指出將虛擬現(xiàn)實技術與課件教學內容的知識點相整合，可強化課件的學習自主性和知識交互性，從而提高學習效率和教學質量。

虛擬現(xiàn)實技術;桌面虛擬現(xiàn)實;醫(yī)學多媒體課件;Cult 3D;QuickTime VR

Cult 3D;QuickTime VR

人體器官的形態(tài)及其發(fā)生過程是醫(yī)學教學中教師講解的重點，也是學生理解的難點。傳統(tǒng)教學以掛圖和模型為輔助手段，學生難以從時間和空間的連續(xù)性上理解人體解剖結構以及發(fā)生過程。采用虛擬現(xiàn)實技術，一方面可以提高可視化和學習自主性，另一方面可以將若干知識點串聯(lián)起來，使學生能夠更好地理解和掌握相關知識。

1 虛擬現(xiàn)實技術的內涵、作用與分類

1.1 虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實技術(virtual reality，VR)，又稱靈境技術，是以沉浸性、交互性和構想性為基本特征的計算機高級人機界面。它綜合利用了計算機圖形學、仿真技術、多媒體技術、人工智能技術、計算機網(wǎng)絡技術、并行處理技術和多傳感器技術模擬人的視覺、聽覺、觸覺等器官功能，使人能夠沉浸在計算機生成的虛擬境界中，并能夠通過語言、手勢等自然的方式與之進行實時交互，創(chuàng)建一種適人化的多維信息空間［1］。根據(jù)用戶參與VR的不同形式、“沉浸”程度和交互程度，虛擬現(xiàn)實技術主要劃分為四類:沉浸的虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實性的虛擬現(xiàn)實、分布式虛擬現(xiàn)實以及桌面虛擬現(xiàn)實技術。該文重點探討桌面虛擬現(xiàn)實技術。

1.2 桌面虛擬現(xiàn)實技術

桌面虛擬現(xiàn)實技術是指利用個人計算機和低級工作站進行仿真，將計算機的屏幕作為用戶觀察虛擬境界的一個窗口，通過各種輸入設備實現(xiàn)與虛擬現(xiàn)實世界的充分交互［2］。輸入設備包括鼠標、追蹤球、力矩球等。由于成本較低，課件制作常選用桌面虛擬現(xiàn)實技術。常見桌面虛擬現(xiàn)實技術有:基于靜態(tài)圖像合成的QuickTime VR、基于實時渲染的Cult 3D、基于虛擬現(xiàn)實造型語言的VRML等［3］。

1.3 多媒體課件開發(fā)中虛擬現(xiàn)實技術的選用原則

虛擬現(xiàn)實技術的應用首先要考慮是否適合使用該技術，而后再考慮課件中什么教學內容適合這個技術，在教學上能否起到提高教學質量和學習效率的作用，最后考慮用哪種虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)教學功能(如圖1所示)。

圖1 多媒體課件開發(fā)中虛擬現(xiàn)實技術的選用原則

2 桌面虛擬現(xiàn)實技術在課件中的實現(xiàn)方法

2.1 設計流程

桌面式虛擬現(xiàn)實教學課件的制作，其主要思路是以虛擬場景建模為基礎，用AutoCAD或3DS Max作為主要建模工具、用 Cult 3D、QuickTime VR、VRML語言作為VR交互設計工具，構建一個用于多媒體課件的桌面虛擬現(xiàn)實數(shù)據(jù)文件，其制作流程如圖2所示。

圖2 桌面式虛擬現(xiàn)實教學課件快速制作流程圖

2.2 制作方法

2.2.1 課件素材準備 素材的準備是根據(jù)課件中虛擬現(xiàn)實技術要表達的內容而制作相應的材料。①基于靜態(tài)圖像合成的QuickTime VR素材的準備?；陟o態(tài)圖像的素材就是要求圖片的質量好、清晰度高，以課件《人體胚胎學概論》為例，虛擬現(xiàn)實技術的實現(xiàn)需要用畸形胎兒標本作為素材，所以在素材準備時，要考慮當時標本缸的透明程度，標本液是否渾濁，如果沒有達到下一步拍攝的要求，都要重新對標本進行加工，滿足在后期照片處理時達到高清晰度、高質量;②基于實時渲染的Cult 3D素材的準備。以構建三維立體心臟模型為例，在素材的準備中，利用Photoshop繪制心臟時，心臟各部位的材質，包括心臟外部的血管，肌肉的走向，以及主動脈的紋理等都必須與實際一致，這樣制作的三維心臟模型才能形象直觀，接近解剖學中的真實心臟。

圖3 QuickTime VR制作的虛擬現(xiàn)實技術截屏圖

2.2.2 二維、三維建模與場景的建立 ①基于靜態(tài)圖像合成的QuickTime VR技術的二維場景的建立:基于靜態(tài)圖像處理(Image Based VR)的虛擬現(xiàn)實技術具有三個基本特征:從三維空間造型的原理上看，它是一種基于圖像的三維建模與動態(tài)顯示技術;從功能特點上看，它有視線切換、推拉鏡頭、超媒體鏈接三個基本功能;從性能上看，它不需要昂貴的硬設備就可以產(chǎn)生相當程度的VR體驗。《人體胚胎學概論》課件中的標本(如圖3所示)是從360°視野的觀看對象，通過全景標本照片直接輸入計算機并被轉換成QuickTime VR格式，通過簡單的拖放操作，進行快速場景制作。QuickTime VR需要360°連續(xù)旋轉照片來顯示標本的3D旋轉，全景標本照片的拍攝使用的設備是360°全景環(huán)攝臺和單反相機，根據(jù)標本360°顯示視野自動計算拍攝角度，每10°1張，拍攝36張，從而制作全景照片;②基于實時渲染的Cult 3D三維場景的建立。課件《心血管系統(tǒng)的演變》中的心臟模型是通過3DS Max網(wǎng)格建模制作，同時為三維模型賦予材質、設定燈光和攝像機角度。在制作模型時要盡量優(yōu)化模型，這樣能縮小文件量，置入課件中可以快速調用瀏覽。建立三維虛擬心臟后，在3DS Max中選擇為Cult3D輸出文件類型*.c3d。然后在Cult3D Designer程序中對心臟模型進行旋轉、放大、縮小等基本功能的設定以及對心臟的主要解剖結構設置交互功能。最后導出為*.co的文件格式。在編制課件軟件Authorware中通過ActiveX組件來調用控制Cult3D對象，在課件實現(xiàn)虛擬心臟的展示與交互(如圖4所示)。

圖4 在Cult3D Designer程序中對心臟模型設置交互功能的截屏圖

2.2.3 虛擬現(xiàn)實展示技巧 ①隨時調用與打開:上述課件中的虛擬心臟解剖模型可以在課件中任何地方、任何時候打開，方便學生在學習過程中隨時利用心臟模型對比學習，提高學生對心臟構造的認知;②任意放大與縮小:如上述畸形標本的虛擬現(xiàn)實展示，通過鼠標，可以控制標本的放大、縮小，甚至可以放大到標本的某一個局部(如圖5所示);③控制旋轉與打開:為了清楚地再現(xiàn)心臟內部的結構，設計虛擬心臟時，可使用交互方法，通過鼠標控制其360°旋轉，從任意角度觀看模型;通過鼠標點擊打開心臟模型的關鍵部位，顯示心臟內部結構，并且注明名稱(如圖6所示)。這種展示技術，可以讓學生在學習過程中加深心臟各相關知識點的聯(lián)系。

圖5 通過鼠標控制標本的放大或放大到標本的一個局部圖

圖6 虛擬心臟模型的交互功能

3 在Authorware中調用虛擬現(xiàn)實數(shù)據(jù)文件的方法

在多媒體可視化編程工具Authorware中調用Cult 3D以及Quicktime VR制作的對象，將虛擬現(xiàn)實技術與課件教學內容的知識點相整合，可以強化課件的學習自主性和知識交互性。

3.1 Quicktime VR在Authorware中的調用

Authorware 5.1之后的版本可以通過Quicktime Xtra支持Quicktime 3以上版本。只要在放置Quicktime播放數(shù)據(jù)文件位置的流程線上插入一個Sprite圖標，并且在Xtra屬性對話框中設置相關設置［4］。

由于Quicktime所播放的文件是外部文件，所以要拖入一個計算圖標建立搜索路徑，并在其中輸入:

SetIconProperty(IconID@"Quicktime..."，#filen ame，F(xiàn)ileLocation^"D.mov")

這是用SetIconProperty函數(shù)制定數(shù)據(jù)文件的搜索路徑及文件名，并把數(shù)據(jù)文件放置在與程序相同的文件夾中。

3.2 Cult 3D在Authorware中的調用

Authorware通過ActiveX控件對Cult 3D進行支持。將Cuh3D所發(fā)布的三維演示文件.co加入到Authorware中，并可利用控件所提供的各種屬性、方法、事件等對演示做進一步的交互。首先，必須在計算機中首先安裝Cuh3D ActiveX Player控件［5］。根據(jù)課件設計需要，在編輯界面的流程線上插入ActiveX控件，在彈出的控件選擇對話框的控件列表框中選擇Cult3D ActiveX Player，在出現(xiàn)的控件屬性對話框中可進行初始屬性的設置。并且在彈出的Cult 3D ActiveX Player的屬性窗口中設置。這樣虛擬模型就可以被Authorware調用。我們還可以按需要調整虛擬模型顯示窗口的大小。

將一計算圖標拖到流程線上，并在其中輸入以下語句:

CallSprite(@"Cult3D ActiveX"，#loadcult3d，F(xiàn)ile Location^"heart3d.co")

在此我們調用控件所提供的方法Loadcult3d載入播放文件，heart3d.co為欲播放的Cult 3D文件，在此例中將其放在主程序所在的文件夾中。

4 虛擬現(xiàn)實技術在多媒體課件中的應用展望

隨著計算機技術的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術的應用也越發(fā)廣泛。未來虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學上的應用大致有:一是虛擬人體，也就是數(shù)字化人體。利用虛擬人，醫(yī)師更容易準確、直觀地把握人體的構造和功能;二是虛擬手術系統(tǒng)，可用于指導手術的進行［6］。而沉浸式虛擬現(xiàn)實技術將成為主導技術，利用數(shù)字頭盔、數(shù)字手套等復雜的傳感器設備，通過三維交互技術與語音識別、語音輸入技術等人機交互手段，使學習者產(chǎn)生一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺，從而更好地激發(fā)學習興趣，達到主動構建知識、提高教學質量的目的［7］。

［1］陸北善.虛擬現(xiàn)實技術［EB/OL］.http://baike.baidu.com/view/95269.html?wtp=tt，2006-05-03

［2］三維仿真.桌面虛擬現(xiàn)實［EB/OL］.http://baike.baidu.com/view/1530335.htm，2008-04-16

［3］牛永勝，劉慧.桌面式虛擬現(xiàn)實教學課件的快速制作［J］.華北科技學院學報，2007，3(4):87-91

［4］張力.深入使用Authorware制作多媒體課件［M］.北京:高等教育出版社，2001:153-180

［5］蘇威洲，童仲豪，葉翰鴻.實現(xiàn)網(wǎng)絡三維互動-Cult3D應用指南［M］.北京:清華大學出版社，2001:257

［6］王東玲，謝百治，馮瀟.虛擬現(xiàn)實技術在組胚學教學中的應用［J］.中國醫(yī)學教育技術，2010，24(1):59-60

［7］張婕.課件開發(fā)中虛擬現(xiàn)實技術的應用［J］.高等函授學報:自然科學版，2007，10，(5):19-20

Design and application of desktop-based
virtual reality technology in medical multimedia courseware

Sun Xiangjie，Bian Yahong，Zhang Li
(Center of Educational Technology，Second Military Medical University，Shanghai 200433，China)

The paper introduces the design ideas and implementation of desktop-based virtual reality technology in courseware making.Combination of virtual reality technology with courseware teaching materials can reinforce independent learning of courseware and knowledge interactivity，which leads to a significant improvement in learning efficiency and teaching quality.

virtual reality;desktop-based virtual reality;medical multimedia courseware;

G434

A

1004-5287(2011)02-0164-03

2010-10-12

孫項潔(1972-)，女，上海人，工程師，學士，主要研究方向:多媒體課件設計制作。