姜禎育 蔡洪濤 王楊

摘? 要：本文首先描述了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中的意義，并抽取解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中相關(guān)內(nèi)容，以胃部形態(tài)動(dòng)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(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中的制作方法，即虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中的建模技術(shù)、動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)、漫游功能實(shí)現(xiàn)的方法。

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

中圖分類號(hào)：TP391.9;? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）09-0084-04

0? 引? 言

虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)技術(shù)已開(kāi)始對(duì)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(shí)技術(shù)的初級(jí)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(jìn)行解剖和外科手術(shù)教育等醫(yī)學(xué)中的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。因此，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)課上進(jìn)行應(yīng)用，對(duì)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(shí)驗(yàn)的意義

1.1? 節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本

選取典型的解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本。通常我們由于設(shè)備、場(chǎng)地、經(jīng)費(fèi)等硬件的限制，無(wú)法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作成教育軟件，讓學(xué)生足不出戶便可以觀察實(shí)驗(yàn)，獲得與真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣的體會(huì)。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(xiǎn)

挑選一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)比較大的解剖實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真技術(shù)研究，可以起到規(guī)避實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的作用。真實(shí)實(shí)驗(yàn)或操作往往會(huì)帶來(lái)各種危險(xiǎn)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，可以放心地去做各種危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)。

1.3? 全方位展示教學(xué)內(nèi)容

信息技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合，打破空間、時(shí)間的限制，能全方位展示教學(xué)內(nèi)容。對(duì)于特定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生都可以進(jìn)入這些物體的內(nèi)部進(jìn)行觀察。實(shí)驗(yàn)課上，老師經(jīng)常會(huì)在我們自己動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)之前對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一個(gè)初步的演示，在這個(gè)過(guò)程中有的同學(xué)會(huì)由于各種因素影響到對(duì)演示實(shí)驗(yàn)的觀看。這時(shí)，可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一個(gè)立體化的演示，并且每一個(gè)同學(xué)都會(huì)看到一個(gè)清晰完整的實(shí)驗(yàn)演示，那么會(huì)大大提高上課的效率，減少在動(dòng)手實(shí)驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行的錯(cuò)誤操作。

2? 解剖學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

解剖學(xué)課程實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的肌肉和關(guān)節(jié)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，選擇適合使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)體現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的部分，作為開(kāi)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(shí)驗(yàn)相關(guān)標(biāo)本進(jìn)行數(shù)字化處理，然后通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，利用三維軟件建立實(shí)體模型，形成視覺(jué)上的仿真。因此，在進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件開(kāi)發(fā)時(shí)，將真實(shí)場(chǎng)景與構(gòu)建三維立體空間形成一個(gè)對(duì)照關(guān)系，并運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中涉及的對(duì)象結(jié)構(gòu)、形態(tài)等進(jìn)行數(shù)字建模及必要的視頻處理，通過(guò)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(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，最終給用戶一種真實(shí)的體驗(yàn)。本文以胃部形態(tài)動(dòng)態(tài)漫游為例，來(lái)介紹開(kāi)發(fā)此類虛擬仿真軟件的各個(gè)過(guò)程。同時(shí)，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上傳到校園網(wǎng)上。在應(yīng)用過(guò)程中，學(xué)生不受時(shí)空的限制，能夠及時(shí)上網(wǎng)進(jìn)行學(xué)習(xí)，并與真實(shí)的解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)形成虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充的作用，如圖1所示。

2.2? 構(gòu)建模型的方式

構(gòu)建實(shí)驗(yàn)物體模型是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)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(jī)對(duì)需要模擬的環(huán)境進(jìn)行錄制以實(shí)現(xiàn)仿真的應(yīng)用。錄制產(chǎn)生的視頻利用計(jì)算機(jī)中的Ae，Pr等視頻軟件進(jìn)行一個(gè)預(yù)處理，然后利用Kolor Autopano Video Pro及Autopano Video Pro對(duì)視頻進(jìn)行拼接。Kolor Autopano Video Pro是一款功能強(qiáng)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€(gè)鏡頭組合到一起，對(duì)鏡頭進(jìn)行渲染處理。利用這種方式開(kāi)發(fā)制作的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以直接應(yīng)用，但不利用后期繼續(xù)開(kāi)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(dòng)畫(huà)制作及渲染軟件，具有三維建模、攝像機(jī)使用、燈光設(shè)定、材質(zhì)制作、動(dòng)畫(huà)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(guò)一系列幾何操作，如平移、旋轉(zhuǎn)、拉伸及復(fù)合運(yùn)算等來(lái)構(gòu)建復(fù)雜的幾何場(chǎng)景。

3? 構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)三維模型

在本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，胃部漫游過(guò)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(gè)實(shí)驗(yàn)的主要模型，如圖2所示。具體制作過(guò)程如下。

3.1? 素材準(zhǔn)備

將準(zhǔn)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(zhǔn)基本體”中單擊“球體”，打開(kāi)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(jìn)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(diǎn)，框選錨點(diǎn)或按住Ctrl鍵點(diǎn)選取相應(yīng)錨點(diǎn)后移動(dòng)、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(zhǔn)幾何體”中找到“管狀體”選項(xiàng)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(diǎn)，框選錨點(diǎn)或按住Ctrl鍵點(diǎn)選相應(yīng)錨點(diǎn)后移動(dòng)、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(gè)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(kāi)“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(kāi)”。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(dòng)畫(huà)

把關(guān)鍵點(diǎn)指針?lè)胖玫?處，單擊“自動(dòng)關(guān)鍵點(diǎn)”。移動(dòng)關(guān)鍵點(diǎn)指針到35處，把胃部延Z軸旋轉(zhuǎn)90°。移動(dòng)關(guān)鍵點(diǎn)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(dòng)畫(huà)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(shí)間輸出為：范圍0至70，輸出大小PAL（視頻）。單擊文件，在對(duì)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(dòng)畫(huà)，保存類型為：AVI文件，單擊“保存”。保存后自動(dòng)回到渲染設(shè)置界面，單擊“渲染”，生成“胃部旋轉(zhuǎn)動(dòng)畫(huà).AVI”的動(dòng)畫(huà)文件。

3.8? 攝像機(jī)漫游動(dòng)畫(huà)

制作漫游動(dòng)畫(huà)，可以從多角度觀察胃部模型。制作過(guò)程如下：首先，在創(chuàng)建面板中單擊“攝像機(jī)”按鈕，在對(duì)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(dòng)，此時(shí)創(chuàng)建了攝像機(jī)，然后定義攝像機(jī)的“目標(biāo)”點(diǎn)，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(jī)視圖。把時(shí)間軸指針對(duì)準(zhǔn)0，單擊激活“設(shè)置關(guān)鍵點(diǎn)”，然后選擇激活移動(dòng)工具，單擊記錄關(guān)鍵點(diǎn)。移動(dòng)關(guān)鍵點(diǎn)指針到40處，在左視圖中，用移動(dòng)工具沿X、Y軸把攝像機(jī)位置適當(dāng)調(diào)整，單擊記錄關(guān)鍵點(diǎn)。按照40幀時(shí)設(shè)置關(guān)鍵點(diǎn)方式添加65幀時(shí)的關(guān)鍵點(diǎn)。

設(shè)置好關(guān)鍵點(diǎn)后，單擊“設(shè)置關(guān)鍵點(diǎn)”取消激活。添加關(guān)鍵點(diǎn)及各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)處攝像機(jī)的移動(dòng)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(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)不同其它應(yīng)用軟件在開(kāi)發(fā)過(guò)程中注重?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)的處理過(guò)程，而強(qiáng)調(diào)在應(yīng)用過(guò)程中虛擬物理的真實(shí)體驗(yàn)及漫游過(guò)程中的人機(jī)交互。解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)中關(guān)于胃部形態(tài)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，并通過(guò)使用3ds max建立仿真模型，瀏覽胃部形態(tài)的動(dòng)畫(huà)，以及通過(guò)攝像機(jī)改變觀察角度等方法，從而達(dá)到了教學(xué)目的。

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作者簡(jiǎn)介：姜禎育（1999-），男，漢族，遼寧營(yíng)口人，本科在讀，2015級(jí)臨床醫(yī)學(xué)專業(yè);通訊作者：蔡洪濤（1975-），男，漢族，遼寧沈陽(yáng)人，教研室主任，副教授，碩士，研究方向：虛擬仿真項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。