耿曉敏 胡芳睿 王正義 趙夢(mèng) 王夢(mèng)迪

摘 要：隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的崛起，虛擬現(xiàn)實(shí)已經(jīng)被越來越多的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，尤其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域更是用之甚廣，以針灸虛擬仿真為例，本教學(xué)實(shí)踐輔助系統(tǒng)利用HTC VIVE頭盔，通過Unity3D完成交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制作，實(shí)現(xiàn)虛擬針灸識(shí)穴，辨穴等功能，使其更好的面向針灸推拿愛好者及在校醫(yī)學(xué)生。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);Unity3D;3ds MAX;Rhino;HTC VIVE

中圖分類號(hào) TP391.9

虛擬現(xiàn)實(shí)是新一代的信息和通信技術(shù)，如近眼顯示、感知交互、渲染處理、網(wǎng)絡(luò)傳輸和內(nèi)容制作等，以構(gòu)建新的業(yè)務(wù)類型、跨越云端、滿足用戶現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)需求，促進(jìn)信息消費(fèi)的擴(kuò)大和升級(jí)以及傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的整合和創(chuàng)新。

針灸療法大約起源于新石器時(shí)期，經(jīng)歷數(shù)千年來長(zhǎng)期的醫(yī)療實(shí)踐，歷代醫(yī)家不斷的總結(jié)創(chuàng)新，形成了完整的一門學(xué)科——針灸學(xué)。[1]早期的針灸教學(xué)主要通過銅鑄模型輔助教學(xué)，雖然模型立體感較強(qiáng)，但是不利于初學(xué)者對(duì)未知穴位的查找，于是發(fā)展成為主要依靠圖片訓(xùn)練?，F(xiàn)代新型科技發(fā)展背景下，針灸教學(xué)也實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，運(yùn)用虛擬仿真輔助訓(xùn)練解決了初學(xué)者的許多難點(diǎn)，顯然虛擬仿真教學(xué)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。[2]

1 虛擬針灸教學(xué)實(shí)踐輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用Unity 3D為開發(fā)工具，并且基于HTC VIVE頭盔，開發(fā)虛擬針灸教學(xué)實(shí)踐輔助系統(tǒng)。

2 輔助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 3D建模

系統(tǒng)開發(fā)過程中，采用3dsMAX進(jìn)行模型建立，利用3ds MAX導(dǎo)入背景圖片并將圖片導(dǎo)出線稿圖，創(chuàng)建人體三維線框，利用線框進(jìn)行人物低模的創(chuàng)建。建模過程中針對(duì)人體的四肢五官進(jìn)行精細(xì)化修改，采用相對(duì)高模，通過貼圖使得模型更加逼真。利用Sphere模擬人體針灸穴位，導(dǎo)出.OBJ格式，再導(dǎo)入Rhino進(jìn)行模型修改，使用Rhino中的Pipe命令建立人體經(jīng)絡(luò)模型并與Sphere模擬的穴位進(jìn)行合并，連接，Text命令標(biāo)注出最后導(dǎo)出.FBX格式，再導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中進(jìn)行組合。

2.2 實(shí)踐系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用多場(chǎng)景切換來實(shí)現(xiàn)交互，使用SteamVR與VRTK插件搭建MainScene，用全景圖做三維空間背景，用Button搭建UI交互界面。導(dǎo)入Dotween即差值動(dòng)畫插件在代碼中引用，新建空物體命名Iteam用來掛載代碼，給Item新建子物體Quad增加Video Player組件用來動(dòng)態(tài)加載視頻文件，具體實(shí)現(xiàn)代碼如圖2：

為更加高效率完成項(xiàng)目，將重復(fù)使用的模型，采用Prefab，提升系統(tǒng)運(yùn)行流暢度。[3]對(duì)于人體各系統(tǒng)模型與十二經(jīng)絡(luò)本項(xiàng)目將進(jìn)行多場(chǎng)景搭建，每一條經(jīng)絡(luò)循行路線使用一個(gè)場(chǎng)景來進(jìn)行展示。但是這樣會(huì)嚴(yán)重占用內(nèi)存，于是本系統(tǒng)采用異步加載的方法加載場(chǎng)景。實(shí)現(xiàn)代碼如圖3：

后期會(huì)將多場(chǎng)景整合到同一個(gè)場(chǎng)景，利用Raycast檢測(cè)碰撞體，通過射線檢測(cè)按住手柄圓盤并扣動(dòng)扳機(jī)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景切換。

2.3 ?Shader

貼圖和一些參數(shù)都是通過材質(zhì)球載入的，材質(zhì)球載入貼圖后就會(huì)傳給Shader處理。Shader是整個(gè)材質(zhì)球的核心，它里面有必要的功能和算法，通過功能和算法對(duì)貼圖及參數(shù)進(jìn)行處理后就可以使貼圖的各種信息顯示出來，然后把材質(zhì)球賦予模型物體得到目標(biāo)效果。

由于系統(tǒng)自帶著色器顏色過于單一，而我們又想渲染出更加逼真的模型，于是本項(xiàng)目使用Shader Forge插件如圖4。首先將插件導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D，將材質(zhì)球的Shader設(shè)置成插件對(duì)應(yīng)效果，然后打開編輯模式對(duì)材質(zhì)球和貼圖進(jìn)行組合并賦在模型上，將皮膚貼圖的Metallic的參數(shù)調(diào)整為0。

Shader Forge即基于節(jié)點(diǎn)的著色器編輯器，它可讓更輕松地創(chuàng)建自己的著色器，而不需要使用代碼，著色器用于繪制游戲中的物理資源。它們用于確定當(dāng)前渲染物體的表面顏色，通過使用紋理、光源、光色、網(wǎng)格數(shù)據(jù)等信息計(jì)算該處的顏色。[4]

將ShaderForge直接拖入到Unity的項(xiàng)目視圖面板或者通過菜單導(dǎo)入，打開Shader Forge操作面板，添加節(jié)點(diǎn)。

2.4 粒子系統(tǒng)

粒子系統(tǒng)用來對(duì)穴位美化，烘培光暈特效即使得穴位更加可視化，更加美觀，給體驗(yàn)者一定的視覺沖擊，令其加強(qiáng)記憶。新建Particle System修改里面的各項(xiàng)參數(shù)并給經(jīng)絡(luò)模型加上Collider使粒子能夠被束縛在Pipe中并沿經(jīng)絡(luò)的路徑進(jìn)行移動(dòng)，用來模擬人體生物電的效果。

2.5 交互

本系統(tǒng)對(duì)于單個(gè)穴位創(chuàng)建Animation添加狀態(tài)機(jī)，用Preview錄制關(guān)鍵幀，為每一個(gè)穴位添加動(dòng)畫。模擬穴位的小球初始顏色設(shè)置為紅色，當(dāng)手柄射線點(diǎn)擊到時(shí)穴位以動(dòng)畫的形式最終Sphere變成綠色，效果如圖5：

將調(diào)用粒子系統(tǒng)優(yōu)化穴位的代碼掛載在GameObject上，動(dòng)態(tài)優(yōu)化各個(gè)穴位增加特效，使之更加可視化。

3 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了用戶自由點(diǎn)擊每個(gè)穴位來模擬針刺，使得用戶能更好的識(shí)辨穴位的具體位置以及經(jīng)絡(luò)走向，沉浸于該系統(tǒng)的虛擬環(huán)境中。[5]用戶戴著HTC VIVE頭盔使用手柄即可完成實(shí)踐操作練習(xí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁芳，李彬，張帆，劉璐，郭靜.科學(xué)記憶方法在針灸腧穴教學(xué)中的應(yīng)用[J].繼續(xù)醫(yī)學(xué)教育，2019，33（02）：60-62.

[2]劉振波.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的針灸醫(yī)療訓(xùn)練系統(tǒng)研究[D].浙江大學(xué)，2008.

[3]易巧玲，何家勇.基于Unity3D的虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)產(chǎn)品與流通，2019（01）：246+250.

[4]那遠(yuǎn)遠(yuǎn)的云端.博客：“ShaderForge插件介紹詳解”.https：//blog.csdn.net/wwlcsdn000/article/details/78847745，2017.12.

[5]蔡曉雯，黃泳，曲姍姍，鐘正.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中醫(yī)針灸教學(xué)中的運(yùn)用[J].河北中醫(yī)，2017，39（11）：1758-1760.

作者簡(jiǎn)介：耿曉敏（1997-），女，漢族，山東濱州人，本科，主要研究方向?yàn)獒t(yī)學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)。