利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建虛擬人體科學(xué)館?

楊懿農(nóng) 向長和 饒利兵 譚 風(fēng)

(湖南醫(yī)藥學(xué)院, 1 醫(yī)學(xué)形態(tài)中心, 2 醫(yī)學(xué)口腔實驗中心, 懷化 418000)

隨著計算機(jī)軟件水平的發(fā)展,人們利用碎片化的時間發(fā)布信息和獲得信息,已成為了一種全新的生活方式和學(xué)習(xí)方式。如何運用這個新的移動媒體更好地為解剖學(xué)服務(wù)?如何讓枯燥的人體形態(tài)知識在新的移動媒體中占有一席之地?這些都擺在教師面前一個新的問題。本中心技術(shù)組意在通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)將人體科學(xué)館虛擬數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化,將科學(xué)館展廳中的標(biāo)本進(jìn)行720°圖像數(shù)字化,使其能在互聯(lián)網(wǎng)上生動地展現(xiàn)出來,方便醫(yī)學(xué)生使用計算機(jī)、手機(jī)等便攜式移動終端學(xué)習(xí)觀察及社會科普推廣達(dá)到及時性、互動性、受眾多、傳播高效等特點。

1 技術(shù)方法

1.1 人體科學(xué)館各展區(qū)的取景及其坐標(biāo)設(shè)置

湖南醫(yī)藥學(xué)院人體科學(xué)館具有包含了“系統(tǒng)大體解剖標(biāo)本、鑄型標(biāo)本、生物塑化、斷層標(biāo)本、局部解剖學(xué)標(biāo)本、病理標(biāo)本”等8個展廳。

首先在取景的視角上要有所選擇。通常在展廳中央設(shè)置一個觀察點作為中心點輻射整個展廳,也可以根據(jù)參觀者步數(shù)設(shè)置多個觀察點(圖1)。其次設(shè)置坐標(biāo)是為了圖片拍攝出來后方便進(jìn)行全景圖像拼接。本技術(shù)組選擇設(shè)置5點(5層)的方式進(jìn)行拍攝。取景拍攝完成后將5層多角度的圖片拼接在一起進(jìn)行處理,最終形成整個展廳的全景平面圖[1](圖2)。

1.2 全景漫游的生成和圖片處理工作

將獲得的全景平面圖導(dǎo)入全景觀察軟件,通過對齊、補充缺失點等方式生成全景漫游模式圖(圖3)。

1.3 實物標(biāo)本720°觀察模式的拍攝和取材、建模

將標(biāo)本從中心線開始自上至下建立5層拍攝面,每層旋轉(zhuǎn)拍攝1周。設(shè)置好相機(jī)自動拍攝間隔時間和圓盤旋轉(zhuǎn)1周時間后將標(biāo)本放置自動旋轉(zhuǎn)的圓盤中進(jìn)行拍攝。通常以拍攝1周72張圖片效果較好。將拍攝出的圖片通過PS摳圖、去噪、設(shè)置大小后進(jìn)行球形圖片拼接形成720°標(biāo)本三維圖,導(dǎo)出所需要格式保存。(圖4)。

1.4 建立虛擬仿真人體科學(xué)館(全景)

在網(wǎng)絡(luò)平臺上把之前獲得的人體科學(xué)館各展廳全景圖片按照觀察者順序進(jìn)行連結(jié),設(shè)置好視線觀察角度。并將單體實物標(biāo)本720°三維圖嵌入全景漫游中,以達(dá)到使用者觀察單個標(biāo)本時的觸摸翻轉(zhuǎn)標(biāo)本互動目的。

2 結(jié)果

通過2年的建設(shè),按系統(tǒng)將湖南醫(yī)藥學(xué)院人體科學(xué)館內(nèi)外的場景實現(xiàn)了虛擬化?？茖W(xué)館全景化及實物標(biāo)本的真實和直觀,使用者身臨其境,可直接從中獲取知識,開闊視野。

2.1 科普教育方面

使參觀者避免了一定的恐懼感,且方便快捷,隨時隨地想看就看,受到社會人士大量好評。

2.2 教學(xué)方面

利用觀察虛擬環(huán)視標(biāo)本作為學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)的內(nèi)容,極大的提高了學(xué)生的積極性。由于虛擬標(biāo)本的真實還原,并可多角度觀察,學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能更清晰的明白人體結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié),在后期理論學(xué)習(xí)和實驗教學(xué)中效果極好。

3 討論

3.1 建立虛擬現(xiàn)實交互式人體科學(xué)館的意義

國內(nèi)虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究起步較晚,受限于人體標(biāo)本緣故,各高校對于人體科學(xué)館的虛擬化研究較少,且投入成本高。在臨床上對于疾病治療的虛擬化展示較多,但均為3D建模后展示,缺乏了人體結(jié)構(gòu)的真實性及周圍結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。

3.2 虛擬現(xiàn)實交互式人體科學(xué)館的特點

(1) 將解剖學(xué)與網(wǎng)絡(luò)媒介、三維景像構(gòu)建有機(jī)結(jié)合在一起[2],把人體科學(xué)館裝進(jìn)了口袋,優(yōu)化了傳統(tǒng)模式,使學(xué)習(xí)超越了時間性和地域性,達(dá)到快捷、高效,輔助臨床教學(xué)、服務(wù)臨床、服務(wù)科研；(2) 實物構(gòu)建的數(shù)字人體科學(xué)館全景視圖比二維平面視圖更加真實和直觀,使用者身臨其境,從中獲取知識,開闊視野[3]；(3) 將代表性標(biāo)本單獨制作出環(huán)視效果,方便觀察者多角度立體原位的觀察；(4) 本項目中的數(shù)字人體科技館以實物為鏡像,改良了虛擬數(shù)字人體圖像與實物圖像之間存在較大差別的缺點[4]；(5) 提升了人體科學(xué)館中標(biāo)本的利用價值,做到珍惜資源利用的最大化而又極大地減少了對標(biāo)本的損耗。

3.3 經(jīng)驗與反思

本中心組在研究建立過程中發(fā)現(xiàn)一些自身不足的問題與獲得一些經(jīng)驗,以供同仁參考： (1) 人體科學(xué)館的設(shè)計布局： 本中心組以本校人體科學(xué)館為模版建立出虛擬人體科學(xué)館。由于本校房屋條件有限、原人體科學(xué)館標(biāo)本過多,所以在建成虛擬科學(xué)館后,會覺得虛擬展館太小、展品太多、讓人眼花繚亂,不便參觀。預(yù)期在新建成的科學(xué)館進(jìn)行重新布局規(guī)劃,展示出精品；(2) 大件標(biāo)本環(huán)視拍攝困難： 本中心組在采集大件標(biāo)本數(shù)據(jù)時(全身、四肢),由于標(biāo)本過高過長,旋轉(zhuǎn)拍攝十分困難,標(biāo)本中心軸幾乎無法固定,造成后期球形圖片拼接錯位,達(dá)不到預(yù)期效果；(3) 各類標(biāo)本數(shù)據(jù)采集工作量大,建議組織學(xué)生興趣小組自發(fā)參與圖像采集、整理工作；(4) 此方法建設(shè)虛擬人體科學(xué)館簡單便捷,可利用學(xué)校原有網(wǎng)絡(luò)平臺展示,極大的節(jié)約了資源。

圖1 拍攝坐標(biāo)的設(shè)置. 圖2 全景平面圖.

圖3 生成全景漫游模式圖. 圖4 標(biāo)本的旋轉(zhuǎn)拍攝及獲得圖像.

在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域里人體標(biāo)本是學(xué)習(xí)的基石,即使精確度高的模型在一定程度上仍然不能取代標(biāo)本的地位。而虛擬現(xiàn)實的交互式人體科學(xué)館與3D交互解剖教育軟件最大的區(qū)別在于使用(真實)人體標(biāo)本集成三維圖,它在同樣環(huán)境下以最大的程度還原真實人體器官的形態(tài)結(jié)構(gòu),與原標(biāo)本幾乎無差別[5]。這使學(xué)習(xí)者能夠更加客觀地學(xué)習(xí)和研究人體結(jié)構(gòu),同時也為他們提供了相對權(quán)威的學(xué)習(xí)資料。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,可通過移動設(shè)備,隨時隨地從不同的角度對館內(nèi)任一人體結(jié)構(gòu)標(biāo)本進(jìn)行靈活的推近、拉遠(yuǎn)、旋轉(zhuǎn)、觀察學(xué)習(xí)等操作,使學(xué)習(xí)者和參觀者在漫游人體科學(xué)館時不僅可以領(lǐng)略人體科學(xué)館的風(fēng)貌,還可以與實物圖像虛擬環(huán)境直接進(jìn)行自然的交互操作,直接觀察人體結(jié)構(gòu),學(xué)習(xí)人體科學(xué)的知識,猶如身臨其境,從中獲取知識,開闊視野,感受人體的靈巧結(jié)構(gòu)、精美與神秘,激發(fā)探索醫(yī)學(xué)科學(xué)的興趣和動力。