基于VRML的醫(yī)學(xué)物理實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建

陳昭喜

(廣州中醫(yī)藥大學(xué) 醫(yī)學(xué)信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

目前，醫(yī)學(xué)物理課程已逐步建立和完善在線開放課程和配套學(xué)習(xí)資源，為學(xué)生提供在線實(shí)驗(yàn)視頻瀏覽，展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)流程一體化學(xué)習(xí)環(huán)境。只能讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)過程，無法呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，學(xué)生動(dòng)手能力并未得到有效提高。此外，在線實(shí)驗(yàn)過程固化，只能機(jī)械地重復(fù)既定過程，無法滿足學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)需求。

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)使用計(jì)算資源運(yùn)行并模擬三維環(huán)境，可以對(duì)系統(tǒng)中對(duì)象進(jìn)行操作和交互，讓體驗(yàn)者感受實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性、完整性和細(xì)節(jié)性。

VRML(Virtual Reality Modeling Language，虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言)是第二代Web交互技術(shù)[1]，可以實(shí)行三維場(chǎng)景搭建及虛擬現(xiàn)實(shí)交互[2，3]。與傳統(tǒng)Web站點(diǎn)相同，在數(shù)據(jù)量不大情況下實(shí)現(xiàn)三維虛擬場(chǎng)景模擬功能，無需額外安裝客戶端軟件和虛擬終端，具有開發(fā)效率高，多組件，生態(tài)圈完善等優(yōu)點(diǎn)。

VRML建模簡(jiǎn)潔方便，只需在瀏覽器中安裝相應(yīng)插件，就可以在客戶端解釋成三維場(chǎng)景，開展相應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)。建立VRML醫(yī)學(xué)物理實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生可以自主設(shè)計(jì)不同實(shí)驗(yàn)，包括從實(shí)驗(yàn)原理到公式推導(dǎo)，從儀器選擇到實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)等，圖1為VRML實(shí)現(xiàn)技術(shù)架構(gòu)圖。

圖1 VRML實(shí)現(xiàn)技術(shù)架構(gòu)圖

1 VRML虛擬實(shí)驗(yàn)室總體設(shè)計(jì)

1.1 需求分析與設(shè)計(jì)

虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軡M足學(xué)習(xí)者自主學(xué)習(xí)需求，沉浸式體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)步驟，熟悉儀器設(shè)備使用方法和參數(shù)調(diào)節(jié)，虛擬環(huán)境應(yīng)滿足以下條件：

(1)實(shí)驗(yàn)儀器的一致性。虛擬環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)儀器必須與真實(shí)環(huán)境一致，包括參數(shù)調(diào)整，基本功能及實(shí)驗(yàn)流程等，讓學(xué)習(xí)者體驗(yàn)到真實(shí)設(shè)備功能，自主控制實(shí)驗(yàn)過程。

(2)實(shí)驗(yàn)視角的多元化。虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境需要保證多視角、全方位、立體化觀察視角，能實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的拖動(dòng)、縮放和旋轉(zhuǎn)等操作，調(diào)整參數(shù)配置，干預(yù)實(shí)驗(yàn)過程，讓學(xué)生真實(shí)體驗(yàn)物理實(shí)驗(yàn)流程。

(3)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景與結(jié)果展現(xiàn)。提供實(shí)驗(yàn)流程與回放演示，計(jì)算自主實(shí)驗(yàn)中各種參數(shù)下實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)。

1.2 編譯工具

VRML編譯文件屬于ASCⅡ碼格式文本文件[4,5]，在計(jì)算機(jī)中可以采用任意文本編譯器進(jìn)行編譯操作，文件后綴名為*.wrl。當(dāng)前最常用的VRML編譯器為VrmlPad編輯器，能實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵字提示、節(jié)點(diǎn)名稱定義提示，支持交互預(yù)覽會(huì)話、語法自動(dòng)檢測(cè)、特殊節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵字提示等便捷功能[6]。

2 VRML虛擬實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景建模

2.1 素材收集

實(shí)驗(yàn)素材設(shè)計(jì)是VRML三維建模的前提。文章采用3DMAX建立實(shí)驗(yàn)儀器模型，將制作好的素材導(dǎo)入Cult3d和Flash環(huán)境中，導(dǎo)出格式分別為*.c3d和*.png。為保證模型視角的一致性及多元化，在設(shè)計(jì)素材時(shí)需對(duì)所有實(shí)驗(yàn)設(shè)備拍攝以實(shí)現(xiàn)模型貼圖。

2.2 幾何建模

幾何建模是設(shè)計(jì)虛擬設(shè)備的形狀和幾何外觀。根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)象模型復(fù)雜程度，可以分為規(guī)則形體建模和不規(guī)則形體建模兩種。

(1)規(guī)則形體建模。Shape節(jié)點(diǎn)是組建VRML場(chǎng)景基本單元，有兩個(gè)基本類，分別是appearance和geometry[7]。Geometry用于描述模型形體特征，有box、cone、cylinder、sphere和text基本形體。Appearance用于描述模型外表特征，并反映造型屬性，如物體顏色屬性，材質(zhì)是否反光，材質(zhì)材料等。在虛擬場(chǎng)景中，實(shí)驗(yàn)對(duì)象可能處于不同位置，可以通過設(shè)定Transform屬性的translation、rotation和scale域，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)對(duì)象平移、旋轉(zhuǎn)和縮放效果。

(2)不規(guī)則形體建模。對(duì)于所有不規(guī)則形體建模，VRML采用“點(diǎn)線面”方法，即由點(diǎn)構(gòu)造線，由線構(gòu)造面。通過設(shè)定點(diǎn)指定三角面或多邊形面，組合成不規(guī)則形體。

2.3 物理建模

虛擬實(shí)驗(yàn)的物理建模包含模型對(duì)象的燈光、材質(zhì)、質(zhì)量、重量、硬度屬性等，這些對(duì)象共同描述和構(gòu)建成實(shí)驗(yàn)儀器的三維模型。物理建模涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、物理學(xué)和力學(xué)，如在重量建模上，需要考慮物體變形，軟硬度等物理本質(zhì)屬性。物理建模設(shè)計(jì)是讓VRML更為貼切反映真實(shí)實(shí)驗(yàn)，符合客觀世界規(guī)律及真實(shí)場(chǎng)景邏輯。

2.4 行為建模

虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目的是讓學(xué)習(xí)者通過沉浸式學(xué)習(xí)感受真實(shí)、完整實(shí)驗(yàn)流程。在虛擬實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生能通過鼠標(biāo)動(dòng)手操作及調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，系統(tǒng)如何感知用戶操作，并對(duì)這些操作做出響應(yīng)，交互性實(shí)驗(yàn)涉及行為建模。虛擬現(xiàn)實(shí)是對(duì)客觀世界地真實(shí)映射，客觀事物在外觀特征上具有外形及質(zhì)感，同樣具有行為或動(dòng)作，并遵循客觀規(guī)律。從行為角度理解，行為建模是在虛擬環(huán)境下所有實(shí)體必須遵循的行為規(guī)則。例如，物體在無支撐物時(shí)會(huì)出現(xiàn)自由落體運(yùn)動(dòng)，自由落體運(yùn)動(dòng)則屬于行為建模范疇。

2.5 VRML性能與優(yōu)化

VRML將描述的三維建模文件(*.wrl)以及其他媒體文件，如貼圖、聲音和視頻文件一次性下載到客戶端上，通過瀏覽器插件解釋、執(zhí)行并渲染成虛擬場(chǎng)景。為提高用戶訪問流暢性和沉浸感，需要考慮以下三個(gè)性能因素：

(1)應(yīng)盡量減小文件大小，文件過大將影響客戶端加載三維場(chǎng)景等待時(shí)常；

(2)減少不必要的場(chǎng)景描述復(fù)雜度以加快動(dòng)畫渲染速度；

(3)為提高性能，動(dòng)作腳本控制需進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如相同動(dòng)作采用重復(fù)加載和調(diào)用方式，減少腳本代碼。

為提高渲染效率，提升性能，一般可通過降低貼圖采樣率，縮減VRML文件及動(dòng)畫渲染效果，提高VRML傳輸速度。文章采用如下解決方式：

(1)采用模型優(yōu)化器

建模復(fù)雜程度一般采用多邊形(polygons)數(shù)量衡量[8,9]。3DMAX中模型復(fù)雜度與生成的VRML文件大小關(guān)系為：

1000polygons≈100k bytes。渲染效果越逼真，多邊形數(shù)量越多，場(chǎng)景生成的VRML文件則越大，不能同時(shí)兼顧渲染效果和性能。在構(gòu)建物理實(shí)驗(yàn)建模場(chǎng)景中，采用模型優(yōu)化器插件(Optimize helper)合并相鄰平面算法，將區(qū)間夾角小于某一指定閾值的平面合并，從而減少多邊形數(shù)量，在不影響視角觀感下能達(dá)到80%以上優(yōu)化效果。

(2)貼圖優(yōu)化

為達(dá)到更為逼真渲染效果，通常采用多紋理替代多邊形[10]。由于實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備貼圖文件相對(duì)較大，影響傳輸性能。同時(shí)，視角變化時(shí)場(chǎng)景渲染必須考慮貼圖計(jì)算，因此，貼圖文件過大會(huì)嚴(yán)重影響VRML執(zhí)行效率。文章對(duì)貼圖采用MipMaps插件處理，根據(jù)視角變化將單一貼圖以多種分辨率圖像輸出以替代紋理，有效減小貼圖文件大小，提高傳輸和渲染性能[11]。

(3)采用LOD細(xì)節(jié)層次技術(shù)

在開發(fā)物理實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景時(shí)，同一模型根據(jù)復(fù)雜度分別制作不同副本，瀏覽器根據(jù)用戶視距自動(dòng)匹配副本模型。如遠(yuǎn)景觀看時(shí)只能觀看大致輪廓，近景觀看時(shí)才能瀏覽設(shè)備細(xì)節(jié)。采用LOD細(xì)節(jié)層次技術(shù)能有效加快客戶端場(chǎng)景渲染性能。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與開發(fā)

以醫(yī)學(xué)物理課程“光的單縫衍射實(shí)驗(yàn)”為例講述虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與VRML人機(jī)交互設(shè)計(jì)。在虛擬實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過改變光波波長(zhǎng)參數(shù)，觀察光束穿越狹縫或小孔時(shí)產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)和條紋，從而掌握衍射現(xiàn)象與原理。

3.1 建模流程

首先，在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景建模之前明確建模需求，了解實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和內(nèi)容，搜集相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和參數(shù)，熟悉公式推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)步驟，通過現(xiàn)場(chǎng)拍攝獲得實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景相關(guān)視頻錄像和貼圖照片；其次，確定虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景基本布局和基本元素，依照實(shí)驗(yàn)流程建立三維場(chǎng)景；最后，對(duì)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)軌、儀器底座、示波器、狹縫擋板、成像屏幕等主體實(shí)驗(yàn)對(duì)象建模貼圖，依據(jù)真實(shí)場(chǎng)景縮放、合并與組裝實(shí)驗(yàn)對(duì)象，完成實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛨?chǎng)景渲染，圖2為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖。

圖2 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖

3.2 虛擬實(shí)驗(yàn)人機(jī)交互

為實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)與學(xué)生的交互，在不同模型對(duì)象采用節(jié)點(diǎn)感知器采集用戶輸入狀態(tài)，并反饋計(jì)算結(jié)果或動(dòng)作響應(yīng)。如實(shí)驗(yàn)中由TouchSensor感知器聯(lián)合鼠標(biāo)點(diǎn)擊事件，完成鼠標(biāo)調(diào)節(jié)光束燈源位置操作，部分VRML腳本如下：

DEF light TimeSensor {

cycleInterval 10

}

DEF way PositionInterpolator {

key [0.0,0.5,1.0]

keyValue [50 0.0 -100,

-12.5 -1.0 -100

-*23 -2.0 -100

] }

ROUTE yuanzhu1.touchTime TO lock.startTime

ROUTE clock.fraction_changed TO way.set_fraction

ROUTE way.value_changed TO yuanzhu.transl

ation

VRML本身無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜人機(jī)交互，如需輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)，需采用JavaScript 腳本實(shí)現(xiàn)對(duì) VRML數(shù)據(jù)訪問和控制。如產(chǎn)生的衍射波紋，相關(guān)代碼如下：

DEF scriptrevolver Script {

url "vrmlscript:

function startrevolving(){

if(bochang b) {

revolve1[0]=0；

revolve1[1]=0；

revolve1[2]=1；

revolve1[3]=angle；

angle=angle+0.01；} ……

else

angle=c；}

function pd(value)”

directOutput FALSE

mustEvaluate FALSE

eventIn SFTime startrevolving

eventIn MFRotation pd

eventOut SFRotation revolve1

eventOut SFRotation revolve5

field SFFloat anglec

field SFFloat i 0

field SFBool pdangle FALSE

}

ROUTE timeticker.cycleTime TO scriptrevolver.

startrevolving

ROUTE scriptrevolver.revolve1 TO qiu1.rotation

ROUTE scriptrevolver.revolve5 TO bowen.rotation

4 結(jié) 論

文章參照醫(yī)學(xué)物理真實(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和場(chǎng)景儀器模型標(biāo)準(zhǔn)建模，虛擬實(shí)驗(yàn)運(yùn)行流暢，具有良好交互性和沉浸式體驗(yàn)感。

雖然VRML建模與優(yōu)化技術(shù)成熟，但是醫(yī)學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目復(fù)雜，設(shè)備儀器操作煩瑣，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與人機(jī)交互設(shè)計(jì)仍處于研究階段?；赩RML醫(yī)學(xué)物理虛擬環(huán)境在三維建模、人機(jī)交互、訪問優(yōu)化和實(shí)現(xiàn)方法上具有一定創(chuàng)新性和實(shí)用價(jià)值。

今后將進(jìn)一步提升場(chǎng)景加載效率，建立完善細(xì)致的行為建模，增加醫(yī)學(xué)物理復(fù)雜實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和項(xiàng)目任務(wù)，滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)和在線實(shí)驗(yàn)需求。