基于VR技術(shù)的人體科學(xué)館虛擬場景模型構(gòu)建

葛建霞，王永波

新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心，河南 新鄉(xiāng) 453003

基于VR技術(shù)的人體科學(xué)館虛擬場景模型構(gòu)建

葛建霞，王永波

新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心，河南 新鄉(xiāng) 453003

以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，以新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院人體科學(xué)館為研究對象，分析、設(shè)計(jì)、構(gòu)建了人體科學(xué)館虛擬場景三維模型，并通過實(shí)例為讀者提供實(shí)現(xiàn)虛擬場景構(gòu)建的思路與方法。同時(shí)，分析了三維模型的優(yōu)劣對虛擬場景交互系統(tǒng)的影響。

VR;人體科學(xué)館;虛擬場景;構(gòu)建

人體科學(xué)館是新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院人體結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科學(xué)研究的重要場所，也是廣大師生參觀、學(xué)習(xí)了解人體奧妙，增強(qiáng)對人體構(gòu)造各部位理解的地方。為了充分發(fā)揮學(xué)校現(xiàn)有資源，降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本，緩解實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源緊張狀況，提高學(xué)習(xí)者興趣和實(shí)驗(yàn)效果，研究開發(fā)了虛擬人體科學(xué)館交互漫游系統(tǒng)。該系統(tǒng)是將現(xiàn)實(shí)中的人體科學(xué)館以三維形式呈現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)上，讓更多的人有機(jī)會參觀瀏覽，并與之進(jìn)行交互，以激發(fā)學(xué)習(xí)者的興趣及探索醫(yī)學(xué)的奧妙?，F(xiàn)將虛擬場景三維模型的構(gòu)建，以及模型優(yōu)劣對整個(gè)交互系統(tǒng)的影響做一探討。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR，又譯作靈境、幻真)是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)，也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身臨其境一般，可以及時(shí)、沒有限制地觀察三維空間內(nèi)的事物［1］。

虛擬現(xiàn)實(shí)不僅僅是一個(gè)演示媒體，而且還是一個(gè)設(shè)計(jì)工具，它以視覺可視化的形式產(chǎn)生一個(gè)適人化的多維信息空間，為我們體驗(yàn)虛擬世界提供了有力的支持［2］。

人體科學(xué)館虛擬場景模型的構(gòu)建，是虛擬人體科學(xué)館交互漫游系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵內(nèi)容，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的具體應(yīng)用。因此，我們以系統(tǒng)的觀點(diǎn)，按照軟件工程的思想，從用戶需求出發(fā)，分析研究對象特點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容，采取合適的建模方法，依據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容，構(gòu)建人體科學(xué)館虛擬場景的三維模型。為了達(dá)到身臨其境與之交互的效果，還需利用交互工具編輯實(shí)現(xiàn)。

2 人體科學(xué)館的結(jié)構(gòu)分析

新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院人體科學(xué)館分東西兩個(gè)展廳，收藏展品千余件，包括胚胎發(fā)育、器官系統(tǒng)、管道鑄型、塑化人體、人體斷層和木乃伊等，采用傳統(tǒng)解剖學(xué)技術(shù)和塑化、透明、鑄型、斷層等特殊技術(shù)方法，從不同角度將復(fù)雜的人體結(jié)構(gòu)展示給參觀者。東展廳是斷層解剖標(biāo)本，西展廳是系統(tǒng)解剖、胚胎、應(yīng)用解剖及特殊技術(shù)標(biāo)本，我們以西展廳為例介紹。西展廳室內(nèi)布局結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 人體科學(xué)館的室內(nèi)布局結(jié)構(gòu)圖

3 人體科學(xué)館虛擬場景的設(shè)計(jì)

該虛擬場景的設(shè)計(jì)是利用軟件工程思想及漸進(jìn)式軟件開發(fā)模式對虛擬現(xiàn)實(shí)人體科學(xué)館室內(nèi)場景進(jìn)行需求分析、設(shè)計(jì)和編碼［3］，該設(shè)計(jì)采用模塊化、組建化、層次化的設(shè)計(jì)思想。虛擬場景設(shè)計(jì)主要由房屋結(jié)構(gòu)、室內(nèi)環(huán)境(包括人體結(jié)構(gòu)標(biāo)本)、房屋裝飾組成(如圖2所示)。

圖2 虛擬人體科學(xué)館室內(nèi)場景設(shè)計(jì)層次結(jié)構(gòu)圖

4 虛擬人體科學(xué)館的建模方法

建模方法是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，為了使這個(gè)虛擬世界看起來真實(shí)、動起來真實(shí)、聽起來真實(shí)、摸起來真實(shí)［4］，我們選取了3Ds Max 9建模工具，根據(jù)建模對象特征的不同，主要采取了以下三種基本建模方法:

4.1 幾何多邊形建模

這種方法是利用3Ds Max中的幾何體和多邊形直接建模，描述虛擬對象的形狀以及它們的外表。適合有較規(guī)則的物體建模，通過簡單的變形編輯操作構(gòu)建其基礎(chǔ)模型。

對人體科學(xué)館房屋結(jié)構(gòu)、門、窗、室內(nèi)標(biāo)本柜、展板、電器等有較規(guī)則的實(shí)體，采用幾何體建模。對不規(guī)則的實(shí)體，選取一種或多種幾何體混合建模。建模時(shí)這些對象的形狀由多邊形、三角形和頂點(diǎn)等來確定，對象外表由表面紋理、光照系數(shù)、顏色等來確定，通常通過紋理映射和烘焙貼圖來實(shí)現(xiàn)。

通常在3Ds Max創(chuàng)建面板中，選擇“幾何體”項(xiàng)，創(chuàng)建一個(gè)長方體模型，進(jìn)入修改面板將“Box”轉(zhuǎn)化為“可編輯多邊形”，增加多邊形橫截線段，調(diào)整修改點(diǎn)、線、面［5］，必要時(shí)在修改面板中對模型進(jìn)行“網(wǎng)格平滑”操作，使模型得到細(xì)化，制作出基礎(chǔ)模型，利用獲得的人體館環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、圖片等制作材質(zhì)和貼圖，進(jìn)行紋理映射和烘焙貼圖，完成模型構(gòu)建。

4.2 圖像建模

這種方法是基于圖像或視頻重建三維模型，適合館內(nèi)人體結(jié)構(gòu)標(biāo)本的建模。具體做法是利用數(shù)碼相機(jī)對物體的前、后、左、右不同側(cè)面進(jìn)行十字交叉等高拍攝，由于拍照的圖片信息并非只有標(biāo)本本身，因而需要對所得的圖片用Photoshop進(jìn)行摳圖處理;將標(biāo)本各個(gè)面的圖像進(jìn)行摳圖，保留標(biāo)本圖像區(qū)域，刪除標(biāo)本之外的其他區(qū)域，保存漫反射顏色貼圖和不透明貼圖。再進(jìn)入3DsMax 9，在材質(zhì)編輯器中導(dǎo)入制作好的標(biāo)本貼圖，前、后、左、右標(biāo)本貼圖進(jìn)行對準(zhǔn)拼接，創(chuàng)建十字交叉面并為其編輯、指定材質(zhì)，制作出基于圖像的三維標(biāo)本模型。在建模過程中，摳圖工作繁瑣又重要，關(guān)系到三維模型真實(shí)感的構(gòu)建［6］。

于試驗(yàn)鵝14、42、70日齡清晨8:00，以重復(fù)為單位，空腹稱重。從每個(gè)重復(fù)中隨機(jī)選取2只接近平均體重的試驗(yàn)鵝，稱重、記錄。

4.3 模型庫建模

這種方法是利用已購買的“DOSCH 3D人體解剖模型”材質(zhì)圖庫重構(gòu)模型。對于較標(biāo)準(zhǔn)的人體結(jié)構(gòu)標(biāo)本采用此方法，可縮短模型構(gòu)建的時(shí)間。具體做法是使用3Ds Max 9打開人體模型，分析MAX模型文件的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行文件的讀取，根據(jù)讀取的三坐標(biāo)信息在3Ds Max 9中進(jìn)行分組篩選，將使用到的模型挑選出來，然后進(jìn)行分割編輯、調(diào)整，導(dǎo)出選擇的模型，即導(dǎo)出.3Ds后綴的文件格式，然后再根據(jù)實(shí)體標(biāo)本進(jìn)行編輯。為了提高人體科學(xué)館網(wǎng)上運(yùn)行速度，還需要盡量減少模型面數(shù)，選擇要編輯的模型，為它添加“編輯多邊形”修改器。將不需要的邊刪除減少面數(shù)，再指定材質(zhì)，完成模型建立，借助實(shí)體圖片、圖像、制作表面材質(zhì)，采用貼圖烘焙、紋理映射等輔助手段實(shí)現(xiàn)真實(shí)模型的構(gòu)建。

5 人體科學(xué)館虛擬場景的構(gòu)建

虛擬場景［7］是指計(jì)算機(jī)通過數(shù)字通訊技術(shù)勾勒出的數(shù)字化場景，是人們進(jìn)行網(wǎng)上漫游和交互的基礎(chǔ)。該虛擬場景模型的構(gòu)建主要包括:房屋結(jié)構(gòu)、室內(nèi)場景、室內(nèi)標(biāo)本、室內(nèi)物品等，它們的建模方法不完全相同，但建模步驟基本相同，當(dāng)各單一模型建成后，還需要對這些模型進(jìn)行歸位和集成，以達(dá)到現(xiàn)實(shí)環(huán)境的重現(xiàn)。

5.1 人體科學(xué)館虛擬場景三維模型的建立

根據(jù)虛擬場景設(shè)計(jì)內(nèi)容，對各實(shí)體對象采取不同的建模方法逐一建模，步驟如下［8］:

第一步，獲取數(shù)據(jù)和制作模型。人體科學(xué)館真實(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)的獲取，主要有室內(nèi)房屋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、裝修圖紙數(shù)據(jù)、實(shí)地測量數(shù)據(jù)，并對場景中標(biāo)本模型進(jìn)行多角度的數(shù)碼照片采樣，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理后作為模型制作的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

制作模型，是利用獲取到的人體科學(xué)館室內(nèi)信息數(shù)據(jù)，通過3Ds Max中幾何體、多邊形按全尺寸對人體科學(xué)館室內(nèi)房屋結(jié)構(gòu)、門、窗、室內(nèi)物體以及室內(nèi)裝飾物等進(jìn)行基礎(chǔ)建模，然后通過修改器調(diào)整其基礎(chǔ)模型，構(gòu)建符合實(shí)體環(huán)境的幾何模型;對于人體標(biāo)本大多是采用圖像和模型庫建模方法。

第二步，制作材質(zhì)。完成幾何模型的創(chuàng)建后，需要使用材質(zhì)編輯器制作材質(zhì)，主要包括人體館場景模型的漫反射、高光、環(huán)境反射、反射折射、凸凹等紋理貼圖及高光參數(shù)設(shè)置;由于各模型的紋理不相同，需要根據(jù)不同的多邊形模型進(jìn)行相應(yīng)的紋理“UVW貼圖”。UVW貼圖是3Ds Max的紋理坐標(biāo)修改器，在這里需要實(shí)地拍攝若干室內(nèi)場景圖片，將這些圖片用Photoshop處理，作為虛擬人體科學(xué)館場景的貼圖，通過紋理映射到幾何模型上。

第三步，布置燈光和攝像機(jī)。場景是否真實(shí)，場景中的燈光是必不可少的元素之一，通過燈光來決定場景的基調(diào)或感覺，烘托場景氣氛。該虛擬場景燈光的設(shè)置是根據(jù)人體館實(shí)際光照狀況來確定，利用3Ds Max中的目標(biāo)射燈、自由射燈、泛光燈等，創(chuàng)建所需要的燈光系統(tǒng)。然后為場景添加攝像機(jī)，在虛擬場景中攝像機(jī)相當(dāng)于用戶的眼睛，它以模擬在虛擬三維空間中觀察模型的方式，從而獲得真實(shí)的視覺效果。

第四步，渲染和烘焙貼圖［9］。完成上述步驟后，還需要對場景進(jìn)行渲染，為場景添加顏色或環(huán)境效果，以達(dá)到逼真的效果。然后采用烘焙貼圖技術(shù)，使光照信息變成貼圖，提高了計(jì)算速度。這種技術(shù)對于靜幀意義不大，但對于游戲和建筑漫游動畫實(shí)現(xiàn)了把渲染費(fèi)時(shí)的光能傳遞計(jì)算應(yīng)用到動畫中，也能省去光能傳遞時(shí)動畫抖動的麻煩。

5.2 虛擬場景模型的合成

當(dāng)室內(nèi)虛擬環(huán)境、各人體結(jié)構(gòu)標(biāo)本等三維模型建成后，還需要對其進(jìn)行整合，最終形成虛擬場景的整體模型;按照層次建模的思想，每個(gè)實(shí)體模型(如展柜、人體結(jié)構(gòu)標(biāo)本、電器、展板、盆景等)單獨(dú)創(chuàng)建，并存儲為不同的文件，將單獨(dú)構(gòu)建的實(shí)體模型按照人體科學(xué)館的室內(nèi)布局，確定好位置，逐一添加到虛擬場景中指定位置，將人體結(jié)構(gòu)標(biāo)本模型逐一放入相應(yīng)的展柜中(人體科學(xué)館虛擬場景效果如圖3所示)。

圖3 人體科學(xué)館虛擬場景圖(含標(biāo)本)

虛擬場景三維模型建好后，還需要為其添加交互行為，使其有行為與反應(yīng)能力，讓用戶真正體會到虛擬現(xiàn)實(shí)魅力。利用Virtools交互工具對場景中對象行為進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自主漫游、視點(diǎn)切換和標(biāo)本交互［10］，最后將虛擬場景輸出為適合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)?vmo文件格式，嵌入到網(wǎng)頁中，網(wǎng)上發(fā)布。這樣用戶就可以在互聯(lián)網(wǎng)上通過鼠標(biāo)和鍵盤漫游人體科學(xué)館，與人體結(jié)構(gòu)標(biāo)本進(jìn)行交互。

6 討論

目前，該虛擬場景的開發(fā)已基本完成，正在校園網(wǎng)上測試，這是我們第一次嘗試將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于學(xué)校教學(xué)中。通過系統(tǒng)的開發(fā)與測試，我們認(rèn)識到在提高虛擬場景的保真性和實(shí)時(shí)性方面還有待提高，是今后努力的方向。虛擬現(xiàn)實(shí)的目的重在表達(dá)一個(gè)視覺效果展示，其文件相對于軟件來說高出幾個(gè)數(shù)量級。它里面有太多的材質(zhì)、貼圖、動畫、聲效等多媒體文件，這樣對貼圖、模型等文件的精細(xì)度要求很高，增加了文件的體積;另外引入了用戶交互，需要動態(tài)計(jì)算和動態(tài)生成新的圖形，不得不降低圖形的逼真度以減少處理時(shí)間。然而，三維模型的優(yōu)劣直接影響到虛擬場景的逼真性，文件的大小又會影響其顯示速度，對于網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的文件，在保證其質(zhì)量效果的同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)帶寬對其速度也有很大影響，因此對于模型的文件大小和網(wǎng)速兩個(gè)問題，筆者認(rèn)為要從以下三個(gè)方面來控制:①嚴(yán)格控制三維模型的面數(shù)，以此來減少3D文件的大小，同時(shí)保證顯示效果;②處理貼圖和視頻文件的大小，貼圖盡量使用.jpg格式的文件，可以借助一些免費(fèi)圖片壓縮工具軟件;視頻文件一般使用.rm格式，不一定是最優(yōu)化的，因?yàn)閂irtools平臺的問題，對于某些格式的視頻文件暫時(shí)還是不支持的;③在Virtools平臺下進(jìn)行優(yōu)化。在全局變量設(shè)置中貼圖使用.jpg格式，并且視情況將其壓縮控制在35%～75%;如果遇到的貼圖文件太大，其質(zhì)量要求又較高，那么將其存儲為外部文件配合使用Virtools自帶BB模塊:Texture Load將圖片動態(tài)加載;將大場景cmo文件分塊保存，實(shí)現(xiàn)動態(tài)download和加載，動態(tài)加載需要兩個(gè)模塊:Web Down-load＆Object Load。

［1］百度百科.虛擬現(xiàn)實(shí)［EB/OL］.http://baike.baidu.com/ view/7299.htm，2010-08-10

［2］王琳琳，劉洪利.虛擬現(xiàn)實(shí)下的頤和園［J］.首都師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，30(1):76-81，87

［3］張金釗，張金銳，張金鏑，等.VRML編程實(shí)訓(xùn)教程［M］.1版.北京:清華大學(xué)出版社，北京交通大學(xué)出版社，2008: 26-27

［4］張棟梁.虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中虛擬生物建模技術(shù)的研究［D］.哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué)出版社，2009:6-7

［5］火星時(shí)代.火星人-3dsmax 9大風(fēng)暴［M］.1版.北京:人民郵電出版社，2007:38-40

［6］都利霞，黃楊.基于圖像或者視頻的三維建模技術(shù)研究［J］.測繪與空間地理信息，2010，33(6):170-175

［7］百度百科.虛擬場景［EB/OL］.http://baike.baidu.com/ view/306452.htm，2010-08-16

［8］陳阿林，胡朝暉，祁相志.校園虛擬現(xiàn)實(shí)三維場景建模技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方法研究［J］.重慶師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，24(4):37-40

［9］火星時(shí)代.網(wǎng)絡(luò)游戲場景烘焙貼圖制作［EB/OL］.http:// www.hxsd.com/tutorial/caizhizhuanlan/3ds_max/201004 27/25921.html，2010-09-12

［10］何武，許杰，李斌勇.基于Virtools的虛擬場景漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電腦知識與技術(shù)，2010，6(19):5323-5329

M odel construction of a human sciencemuseum in the virtual scene based on VR technology

Ge Jianxia，Wang Yongbo
Center of Modern Education Technology，Xinxiang Medical College，Xinxiang 453003，China

Based on virtual reality(VR)technology and using the Human Science Museum of Xinxiang Medical College as the research object，this paper analyzes，designs and constructs a 3Dmodel of virtual scene of themuseum.Then through examples，it provides readerswith thoughts and methods of constructing the virtual scene and analyzes the effects of strengths and weaknesses of the 3Dmodel on the virtual scene interactive system.

virtual reality(VR);human sciencemuseum;virtual scene;construction

G434

:A

:1004-5287(2012)04-0438-03

2009年河南省教育廳教育教學(xué)改革課題(2009-XYJG-79);2010年河南省社科聯(lián)、省經(jīng)團(tuán)聯(lián)調(diào)研課題(SKL-2010-1609)

2012-02-10

葛建霞(1964-)，女，河南衛(wèi)輝人，碩士，高級實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向:網(wǎng)絡(luò)管理與教育技術(shù)教學(xué)研究。