虛擬仿真解剖學(xué)實驗的設(shè)計與制作

姜禎育 蔡洪濤 王楊

摘? 要：本文首先描述了虛擬仿真實驗在解剖學(xué)實驗教學(xué)過程中的意義，并抽取解剖學(xué)實驗教學(xué)中相關(guān)內(nèi)容，以胃部形態(tài)動態(tài)漫游虛擬仿真為例，介紹虛擬仿真技術(shù)在解剖學(xué)實驗教學(xué)過程中的制作方法，即虛擬仿真實驗中的建模技術(shù)、動畫設(shè)計、漫游功能實現(xiàn)的方法。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;解剖學(xué)實驗;胃部形態(tài);漫游功能

中圖分類號：TP391.9;? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）09-0084-04

0? 引? 言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的飛速發(fā)展以及兩者之間的融合使得虛擬現(xiàn)實技術(shù)已開始對生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響，目前正處于應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的初級階段，其應(yīng)用范圍包括從建立合成藥物的分子結(jié)構(gòu)模型到各種醫(yī)學(xué)模擬，以及進行解剖和外科手術(shù)教育等醫(yī)學(xué)中的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。虛擬仿真實驗是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域。因此，將虛擬仿真實驗在解剖學(xué)實驗課上進行應(yīng)用，對于醫(yī)學(xué)課程的教學(xué)有著重要意義。

1? 解剖學(xué)虛擬仿真實驗的意義

1.1? 節(jié)省實驗成本

選取典型的解剖學(xué)實驗進行項目開發(fā)，可以節(jié)省實驗成本。通常我們由于設(shè)備、場地、經(jīng)費等硬件的限制，無法進行的實驗，可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)制作成教育軟件，讓學(xué)生足不出戶便可以觀察實驗，獲得與真實實驗一樣的體會。在保證教學(xué)效果的前提下，極大地節(jié)省了成本。

1.2? 規(guī)避風(fēng)險

挑選一項風(fēng)險比較大的解剖實驗進行實驗仿真技術(shù)研究，可以起到規(guī)避實現(xiàn)風(fēng)險的作用。真實實驗或操作往往會帶來各種危險，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行虛擬實驗，使學(xué)生在虛擬實驗環(huán)境中，可以放心地去做各種危險的實驗。

1.3? 全方位展示教學(xué)內(nèi)容

信息技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合，打破空間、時間的限制，能全方位展示教學(xué)內(nèi)容。對于特定的實驗內(nèi)容，學(xué)生都可以進入這些物體的內(nèi)部進行觀察。實驗課上，老師經(jīng)常會在我們自己動手做實驗之前對實驗進行一個初步的演示，在這個過程中有的同學(xué)會由于各種因素影響到對演示實驗的觀看。這時，可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)將實驗進行一個立體化的演示，并且每一個同學(xué)都會看到一個清晰完整的實驗演示，那么會大大提高上課的效率，減少在動手實驗過程中進行的錯誤操作。

2? 解剖學(xué)虛擬仿真實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

解剖學(xué)課程實驗教學(xué)中涉及到的消化系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、脈管系統(tǒng)、內(nèi)臟、運動系統(tǒng)的肌肉和關(guān)節(jié)相關(guān)實驗，選擇適合使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來體現(xiàn)虛擬仿真實驗內(nèi)容的部分，作為開發(fā)虛擬仿真教學(xué)軟件的核心內(nèi)容。

2.1? 確定構(gòu)建目標(biāo)

首先，確定將解剖學(xué)實驗相關(guān)標(biāo)本進行數(shù)字化處理，然后通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，利用三維軟件建立實體模型，形成視覺上的仿真。因此，在進行虛擬仿真實驗軟件開發(fā)時，將真實場景與構(gòu)建三維立體空間形成一個對照關(guān)系，并運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)將實驗過程中涉及的對象結(jié)構(gòu)、形態(tài)等進行數(shù)字建模及必要的視頻處理，通過利用相關(guān)軟件技術(shù)或硬件（結(jié)合VR設(shè)備），制作成虛擬仿真解剖學(xué)實驗教學(xué)軟件，最終給用戶一種真實的體驗。本文以胃部形態(tài)動態(tài)漫游為例，來介紹開發(fā)此類虛擬仿真軟件的各個過程。同時，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將實驗內(nèi)容上傳到校園網(wǎng)上。在應(yīng)用過程中，學(xué)生不受時空的限制，能夠及時上網(wǎng)進行學(xué)習(xí)，并與真實的解剖學(xué)實驗形成虛實結(jié)合、相互補充的作用，如圖1所示。

2.2? 構(gòu)建模型的方式

構(gòu)建實驗物體模型是虛擬仿真實驗的重點內(nèi)容，也是核心內(nèi)容。建立模型的方式有兩種方式，一種是全景方式構(gòu)建模型，另外一種方式是利用三維建模軟件構(gòu)建模型。

全景方式構(gòu)建模型的方法，先利用360°廣角攝像機對需要模擬的環(huán)境進行錄制以實現(xiàn)仿真的應(yīng)用。錄制產(chǎn)生的視頻利用計算機中的Ae，Pr等視頻軟件進行一個預(yù)處理，然后利用Kolor Autopano Video Pro及Autopano Video Pro對視頻進行拼接。Kolor Autopano Video Pro是一款功能強大的全景視頻拼接制作工具，可以縫合和創(chuàng)建360°全景圖視頻。Autopano Video Pro允許用戶創(chuàng)建身臨其境的360度環(huán)繞視頻，能夠?qū)⒍鄠€鏡頭組合到一起，對鏡頭進行渲染處理。利用這種方式開發(fā)制作的虛擬仿真實驗，可以直接應(yīng)用，但不利用后期繼續(xù)開發(fā)。

利用三維建模軟件構(gòu)建模型，是利用3ds Max軟件制作數(shù)字化模型。3ds Max是基于PC系統(tǒng)的三維動畫制作及渲染軟件，具有三維建模、攝像機使用、燈光設(shè)定、材質(zhì)制作、動畫設(shè)置及渲染等功能。3ds Max可以利用一些基本的幾何元素，如立方體、球體、樣條線等，通過一系列幾何操作，如平移、旋轉(zhuǎn)、拉伸及復(fù)合運算等來構(gòu)建復(fù)雜的幾何場景。

3? 構(gòu)建虛擬仿真實驗三維模型

在本虛擬仿真實驗中，胃部漫游過程是以胃部模型為基礎(chǔ)，與連接胃部的上、下腸道共同構(gòu)成整個實驗的主要模型，如圖2所示。具體制作過程如下。

3.1? 素材準備

將準備的Stomach.JPG（此圖片用于貼圖）圖片文件放入路徑為“D：＼3d”的文件夾中。

3.2? 構(gòu)建胃部主體模型

首先，單擊“菜單欄”中“創(chuàng)建”命令，在“標(biāo)準基本體”中單擊“球體”，打開修改命令面板，輸入分段值32，如圖3所示，在前視圖中繪制球體。注意：參數(shù)“半徑”自定。分段數(shù)值不得小于20。

然后，單擊“修改欄”∣“彎曲”命令，沿Y軸將“球體”進行彎曲，之后在修改面板中，輸入“彎曲”參數(shù)：角度60，方向20。單擊“修改欄”∣“FFD圓柱體”命令，按鍵盤上數(shù)字“1”鍵激活（或隱藏）錨點，框選錨點或按住Ctrl鍵點選取相應(yīng)錨點后移動、旋轉(zhuǎn)或縮放調(diào)整、擠壓該球形，使其更加形似胃部，如圖4所示。

3.3? 構(gòu)建上、下部腸道模型

構(gòu)建胃上部腸道，首先單擊“菜單欄”中“創(chuàng)建”命令，在“標(biāo)準幾何體”中找到“管狀體”選項并單擊，參數(shù)設(shè)置：半徑1：9，半徑2：6，高度70，高度分段10，邊數(shù)18。

然后，單擊“修改欄”∣“Bend”彎曲命令，沿Z軸將“管狀體”彎曲一定的角度，在修改面板中輸入數(shù)值：角度90，方向0。單擊“修改欄”∣“FFD圓柱體”命令，按鍵盤上數(shù)字“1”鍵激活（或隱藏）錨點，框選錨點或按住Ctrl鍵點選相應(yīng)錨點后移動、旋轉(zhuǎn)或縮放調(diào)整該管狀體，使腸道口的上端較窄，與胃連接的下端口較寬，如圖5所示。

最后，按照胃上部腸道建模方法，構(gòu)建胃下部腸道模型。

3.4? 形成胃部整體模型

此步驟將胃部主體與上、下兩個腸道合為一體。首先，框選胃部主體、上部腸道及下部腸道三部分，單擊“菜單欄”中“組”∣“成組”命令，命名為“胃部”。

3.5? 胃部模型添加材質(zhì)

胃部整體模型已經(jīng)構(gòu)造完畢，利用貼圖功能給胃部模型添加材質(zhì)。首先，單擊“菜單欄”中渲染∣“材質(zhì)編輯器”命令，單擊選中材質(zhì)球01-Default，勾選“漫反射顏色”，單擊“漫反射顏色”后的“NONE”按鈕，打開“材質(zhì)貼圖瀏覽器”，雙擊“位圖”，在路徑為“D：＼3d”的文件夾中選擇“Stomach.JPG”文件，單擊“打開”。回到材質(zhì)編輯器中，鼠標(biāo)放到材質(zhì)球01-Default上，單擊鼠標(biāo)左鍵并拖拽到“胃部”組模型上，選擇“指定給選擇集”，單擊“確定”，即完成貼圖。

3.6? 制作旋轉(zhuǎn)動畫

把關(guān)鍵點指針放置到0處，單擊“自動關(guān)鍵點”。移動關(guān)鍵點指針到35處，把胃部延Z軸旋轉(zhuǎn)90°。移動關(guān)鍵點指針到65處，把胃部延Y軸旋轉(zhuǎn)90°。

3.7? 渲染輸出

將制作好的動畫文件輸出，單擊“菜單欄”中“渲染”∣“渲染設(shè)置”命令。設(shè)置參數(shù)，時間輸出為：范圍0至70，輸出大小PAL（視頻）。單擊文件，在對話框中設(shè)置參數(shù)，歷史記錄D：＼3d，保存在3d，文件名為：胃部旋轉(zhuǎn)動畫，保存類型為：AVI文件，單擊“保存”。保存后自動回到渲染設(shè)置界面，單擊“渲染”，生成“胃部旋轉(zhuǎn)動畫.AVI”的動畫文件。

3.8? 攝像機漫游動畫

制作漫游動畫，可以從多角度觀察胃部模型。制作過程如下：首先，在創(chuàng)建面板中單擊“攝像機”按鈕，在對象類型欄中單擊“目標(biāo)”按鈕，在前視圖中按下鼠標(biāo)左鍵并拖動，此時創(chuàng)建了攝像機，然后定義攝像機的“目標(biāo)”點，如圖6所示。

利用鼠標(biāo)單擊透視圖并按快捷鍵C，把透視圖切換到攝像機視圖。把時間軸指針對準0，單擊激活“設(shè)置關(guān)鍵點”，然后選擇激活移動工具，單擊記錄關(guān)鍵點。移動關(guān)鍵點指針到40處，在左視圖中，用移動工具沿X、Y軸把攝像機位置適當(dāng)調(diào)整，單擊記錄關(guān)鍵點。按照40幀時設(shè)置關(guān)鍵點方式添加65幀時的關(guān)鍵點。

設(shè)置好關(guān)鍵點后，單擊“設(shè)置關(guān)鍵點”取消激活。添加關(guān)鍵點及各個關(guān)鍵點處攝像機的移動位置，最終，將生成“胃部形態(tài)漫游.AVI”的文件。

4? 結(jié)? 論

虛擬仿真實驗的開發(fā)不同其它應(yīng)用軟件在開發(fā)過程中注重數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)的處理過程，而強調(diào)在應(yīng)用過程中虛擬物理的真實體驗及漫游過程中的人機交互。解剖學(xué)實驗中關(guān)于胃部形態(tài)的虛擬仿真實驗設(shè)計的方法，并通過使用3ds max建立仿真模型，瀏覽胃部形態(tài)的動畫，以及通過攝像機改變觀察角度等方法，從而達到了教學(xué)目的。

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作者簡介：姜禎育（1999-），男，漢族，遼寧營口人，本科在讀，2015級臨床醫(yī)學(xué)專業(yè);通訊作者：蔡洪濤（1975-），男，漢族，遼寧沈陽人，教研室主任，副教授，碩士，研究方向：虛擬仿真項目開發(fā)。