王 燕,王 省,王永波,王 涵

(新鄉(xiāng)醫(yī)學院:1現(xiàn)代教育技術(shù)中心;2解剖學教研室,河南 新鄉(xiāng) 453003)

人體解剖學是醫(yī)學教育的基礎學科。人體結(jié)構(gòu)復雜、概念抽象,舊的教學模式和抽象思維不能達到良好的教學效果[1]。傳統(tǒng)的人體解剖學教學方法是以課堂教學為主,再結(jié)合掛圖、模型、標本、人體等輔助教學工具進行教學,并配以尸體解剖來加深學生的理解。目前,國內(nèi)醫(yī)學院校的教學用人體標本來源匱乏,盡管社會輿論也不斷提倡遺體捐獻,但由于我國缺乏規(guī)范的遺體捐贈法,遺體捐獻遠遠滯后于社會需求[2]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的產(chǎn)生能使學生在虛擬的人體標本上進行解剖學觀察和學習,可緩解尸體標本缺乏的狀態(tài),降低教學成本,提高教學質(zhì)量,彌補教學條件的不足[3]。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(virtual reality,VR)是一種由計算機全部或部分生成多種感覺環(huán)境,使參與者產(chǎn)生身臨其境的感覺,分為沉浸式和非沉浸式兩種。沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)由于其價格昂貴,且一次只能供一人使用,很少在教學中得到推廣和應用。而非沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù),主要依賴軟件技術(shù)來實現(xiàn),其特點是經(jīng)濟、方便,便于廣大學習者使用,而且其功能全面,人機交互性強[4]。

因此,我們主要采用3DSMax和Virtools技術(shù)開發(fā)制作出三維虛擬“標志肌”學習軟件,供醫(yī)學院校教師和學生使用,也可應用在其他領(lǐng)域。

1 設備和方法

1.1 設備

1.1.1 硬件配置 尼康D1X相機1部,索尼DSR-250P攝像機1臺,佳能CanoScan 8800F掃描儀1臺,強氧-氟4508工作站1臺,聯(lián)想圖形工作站5臺,專業(yè)錄音設備。

1.1.2 軟件配置 3DSMax(8.0,英文版;Discreet公司);Photoshop CS3(Adobe公司);VirtoolsDev 3.5。

1.2 方法

1.2.1 三維人體模型的制作 2006年,我校以人體解剖學教研室為基地建成了“人體科學館”,館內(nèi)標本豐富,姿態(tài)各異,是難得的教學資源。其中“全身肌”標本最為醒目,肌肉色澤鮮艷,起止點完整,形態(tài)栩栩如生,是“肌學”部分教學的難得資源。為了充分利用“人體科學館”標本資源,本研究利用已有的“全身肌肉標本”進行了如下工作:①使用單反相機、攝像機采集標本六面圖像及視頻資料,為后期的軟件制作做好前期準備;②三維“標志肌”的制作。使用3D MAX軟件制作標志肌中的人體骨骼、肌肉三維模型,并使用骨骼鏈將其串連,為后期制作動畫做準備,此工作較為費時費事;③使用Photoshop軟件繪制模型所需要的材質(zhì);④使用Virtools軟件將模型、聲音、文字、圖像等素材串連,形成交互平臺,該軟件包含30個三維動畫,并實現(xiàn)鼠標拖動物體旋轉(zhuǎn)、縮放、平移的功能;⑤聲音的錄制。用專業(yè)話筒和專業(yè)調(diào)音臺錄入電腦備用。

1.2.2 三維動畫的制作 以全國高等學校醫(yī)學規(guī)劃教材《系統(tǒng)解剖學》(第2版)為基礎,再結(jié)合別的有關(guān)文獻以界定其內(nèi)容,確定人體肌肉的分布。

①三維人體模型的處理。啟動3DS Max 8.0軟件,使用網(wǎng)格建模方法,創(chuàng)建骨骼、肌肉模型(如圖1所示)。首先,進入“創(chuàng)建”面板創(chuàng)建長方體,然后,進入“修改”面板,將“長方體”轉(zhuǎn)化為“可編輯多邊形”,進行線段及頂點的調(diào)節(jié),創(chuàng)建骨骼、肌肉的模型,最后,在“修改”面板中給網(wǎng)格物體添加“UVW貼圖”命令,設置貼圖坐標(如圖1所示)。

②動畫的制作。使用3DS Max 8.0軟件中的Biped功能來創(chuàng)建兩足物體,并調(diào)整兩足物體和人體模型完全對位(如圖2所示),然后給人體的骨骼、肌肉模型添加physique命令,并調(diào)整其中的封套值,確定影響區(qū)域,使兩足物體和人體模型綁定。調(diào)節(jié)Biped創(chuàng)建動畫,設置關(guān)鍵幀,并輸出動畫(如圖2所示)。

圖1 創(chuàng)建骨骼、肌肉模型圖

圖2 創(chuàng)建兩足物體圖

③物體材質(zhì)的指定。單擊工具欄上的Material Editor按鈕,彈出材質(zhì)編輯器,即為需要材質(zhì)的物體貼圖。

1.2.3 NMO文件的生成 3DSMax軟件三維建模后,必須通過安裝Virtools forMax插件才能將三維模型及動畫轉(zhuǎn)換成Virtools所識別的NMO文件格式[5]。

1.2.4 三維虛擬“標志肌”學習軟件系統(tǒng)的制作啟動VirtoolsDev 3.5,把導出的人體虛擬角色NMO文件添加進來。在3D Layout窗口中為場景添加燈光、攝像機,并調(diào)整他們的位置。給人體虛擬角色、攝像機、肌肉三維物體創(chuàng)建腳本添加所使用的BB模塊,使之達到交互效果;創(chuàng)建二維幀制作軟件界面及其按鈕,具體事件觸發(fā)設置在此不予詳述。最后,把文件保存成能在網(wǎng)頁上使用的COM文件類型。

2 功能與作用

2.1 該系統(tǒng)的界面

該系統(tǒng)打開后,顯示主界面,主界面的左邊有“進入”“習題”“幫助”“退出”四個按鈕,右邊是一個全身肌肉暴露的三維虛擬人體(如圖3所示)。

圖3 主界面圖

鼠標點擊按鈕可進入相應的子界面,子界面的中間為三維虛擬“標志肌”:身體直立,兩眼平視前方;雙足微開,約與肩寬,足尖朝前;兩臂下垂,手掌心向前的裸體成年男性,全身肌肉暴露于體外。左側(cè)可顯示面部動畫窗口,左下方還有“恢復”、“聲音”兩個按鈕,鼠標點擊按鈕可進行相應的操作;右側(cè)可顯示文本和習題,右下方有“返回”按鈕(如圖4所示)。

圖4 子界面圖

2.2 有關(guān)鼠標的操作

單擊鼠標左鍵并在頁面上拖曳,可以旋轉(zhuǎn)三維人體模型,并從任何角度觀看;滾動鼠標中間滾輪,整個三維人體模型被縮放;單擊鼠標中間滾輪并拖曳,整個三維人體模型被移動。當鼠標劃過每一塊肌肉時,將在鼠標箭頭右側(cè)出現(xiàn)相應肌肉的名稱,在此位置單擊鼠標左鍵,將會自動播放動畫,并對此內(nèi)容進行解說,同時在界面的右側(cè)顯示肌肉說明文本。

2.3 三維虛擬“標志肌”學習軟件的功能

該軟件在設計時,重點增強了軟件的學習功能。使用者可任意點擊感興趣的肌肉進行學習,這是該軟件功能設計的獨到之處:①實現(xiàn)鼠標拖動物體旋轉(zhuǎn)、縮放、平移,鼠標放在肌肉上顯示該肌肉名稱;②鼠標點擊每塊肌肉時,播放對應的動畫、聲音,顯示肌肉說明文本等功能;③軟件可進行人機交互,每塊肌肉的起止點、功能作用和產(chǎn)生的運動一應俱全,解決“肌學”學習枯燥乏味的難題。

2.4 三維虛擬“標志肌”在多媒體輔助教學方面的作用

三維虛擬“標志肌”標志明顯,形象逼真,可全方位轉(zhuǎn)動標本,可以用鼠標隨意控制,縮小和放大均不失真,界面友好,操作便利,可隨時局部觀看,又可整體觀看。在教學過程中,教師可以把此軟件作為教學課件在課堂上使用,可增強教學的直觀性、形象性、趣味性,從而提高學生的學習興趣。另外,還可以解決學生的課下自學問題,以及教學中標本不可重復使用的缺陷。尤其是和現(xiàn)代教學中的多媒體網(wǎng)絡教學相結(jié)合,可實現(xiàn)網(wǎng)絡自學、遠程教學、資源共享、構(gòu)建數(shù)字化人體解剖教學系統(tǒng)的目的。該軟件已用于我校《人體解剖學》課程的輔助教學中,起到了提高教學效率、增強教學效果、提高教學質(zhì)量的作用。

該學習軟件是計算機三維建模與虛擬現(xiàn)實技術(shù)在人體解剖學教學與科研中的一次有益嘗試。它集文本、聲音、動畫、三維交互于一體,給用戶以三維空間的虛擬境界,直觀性強、信息量大、交互性好、界面友好、操作簡單,具有一定的先進性、科學性、實用性、創(chuàng)新性。該軟件可廣泛應用于醫(yī)學、體育、美術(shù)、中醫(yī)和康復醫(yī)學等專業(yè)的本科和專科學生的學習,實現(xiàn)學生遠程網(wǎng)上互動式自主學習,可減輕教師的教學負擔,同時也適合研究生和執(zhí)業(yè)醫(yī)生的自我學習,有極為廣闊的市場前景。

[1] 高秀來.人體解剖學[M].2版.北京:北京大學醫(yī)學出版社,2009

[2] 祈曉民,馬朋麗.淺議人體解剖學教學中的人文關(guān)懷問題[J].醫(yī)學與哲學:人文社會醫(yī)學版,2006,27(4):60-60

[3] 單錦露,張紹祥,譚力文.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在人體解剖學教學中的應用[J].局解手術(shù)學雜志,2008,17(1):45-45

[4] 羅虹,王士勇.基于Virtools技術(shù)的虛擬教學系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2007,17(10):57-60

[5] 李君笙,徐平.三維虛擬經(jīng)絡人模型的構(gòu)建和制作研究[J].河南中醫(yī)學院學報,2006,21(3):28-29