雷敏蕊 齊琦

摘要：我國(guó)老年護(hù)理服務(wù)普及教育發(fā)展滯后。對(duì)于此方向的虛擬數(shù)字化設(shè)計(jì)方法體系在國(guó)內(nèi)較少有相關(guān)的理論研究，虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)為傳統(tǒng)護(hù)理培訓(xùn)模式帶來(lái)了新的血液，同時(shí)新的動(dòng)畫(huà)技術(shù)也為老年護(hù)理培訓(xùn)帶來(lái)了一場(chǎng)前所未有的變革。本文探討了用于網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)的動(dòng)畫(huà)仿真養(yǎng)老護(hù)理道具設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，在模型表現(xiàn)方式上引入游戲美術(shù)行業(yè)的較為成熟的PBR模型流程的創(chuàng)新融合手法，實(shí)現(xiàn)其視覺(jué)需求。

關(guān)鍵詞：動(dòng)畫(huà)仿真;老年護(hù)理;道具設(shè)計(jì)

虛擬仿真技術(shù)近年來(lái)多應(yīng)用于醫(yī)療相關(guān)領(lǐng)域，在護(hù)理領(lǐng)域方面也有所涉獵，國(guó)內(nèi)外均取得了一定成果。由于養(yǎng)老護(hù)理領(lǐng)域有其專(zhuān)業(yè)性與特殊性，挖掘動(dòng)畫(huà)仿真在該領(lǐng)域的應(yīng)用，目前還處在起步階段，值得開(kāi)發(fā)并形成經(jīng)驗(yàn)理論。老年護(hù)理道具主要是幫助患者開(kāi)展被動(dòng)活動(dòng)或協(xié)助患者進(jìn)行主動(dòng)運(yùn)動(dòng)及日?；顒?dòng)，提升老年人生存質(zhì)量的工具，是完成老年護(hù)理教學(xué)不可或缺的重要組成部分。項(xiàng)目參與者采用市場(chǎng)調(diào)查、設(shè)計(jì)實(shí)踐、案例分析及跨學(xué)科合作等研究手段來(lái)進(jìn)行養(yǎng)老護(hù)理仿真道具設(shè)計(jì)。本研究主要以老年護(hù)理仿真道具設(shè)計(jì)為例，研究基于3ds Max，老年護(hù)理道具模型在虛擬護(hù)理環(huán)境中的科學(xué)表達(dá)。

為了還原護(hù)理道具的真實(shí)性及客觀性，項(xiàng)目參與者前往醫(yī)院進(jìn)行了實(shí)地考察，結(jié)合醫(yī)院提供的大量圖片及視頻等資料，對(duì)護(hù)理道具的形體結(jié)構(gòu)有了大致認(rèn)識(shí)。

同時(shí)，在模型貼圖制作的過(guò)程中，盡可能地呈現(xiàn)出模型的真實(shí)感。如在助行器的制作上，手握部分采用不易脫手的防滑材質(zhì)貼圖，腳部底座采用橡膠材質(zhì)貼圖，以及助行架采用鋁合金材質(zhì)貼圖。

護(hù)理道具的設(shè)計(jì)相較于常規(guī)道具來(lái)說(shuō)，對(duì)專(zhuān)業(yè)性與科學(xué)性提出了更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊?，護(hù)理道具的設(shè)計(jì)結(jié)合了大量對(duì)人體的研究分析，用科學(xué)的數(shù)據(jù)來(lái)確定人在具體環(huán)境中的舒適狀況和安全限度。在動(dòng)畫(huà)仿真道具制作過(guò)程中，則嚴(yán)格按照護(hù)理醫(yī)學(xué)規(guī)范道具的比例及尺寸來(lái)進(jìn)行模型制作。

根據(jù)動(dòng)畫(huà)需求，以偏癱病人為例，在拐杖的選擇上，一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)當(dāng)考慮到患者的平衡能力以及使用安全，因此，項(xiàng)目參與者選擇了幫助患者增加穩(wěn)定性，減少下肢承重的腋拐，腋拐的長(zhǎng)度為患者身長(zhǎng)減去41CM?；颊哒玖r(shí)，腋拐手握部分應(yīng)平行于患者股骨大轉(zhuǎn)子，腋拐高度約在腋窩下3橫指處，腋拐腳部底座應(yīng)在小趾前外側(cè)15CM處，減少患者在行走過(guò)程中肩膀和背部產(chǎn)生的壓力，滿足仿真動(dòng)畫(huà)角色與道具之間運(yùn)動(dòng)的合理性。

通過(guò)虛擬仿真技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)護(hù)理道具的寫(xiě)實(shí)還原，能夠有效地降低護(hù)理道具在臨床實(shí)踐教學(xué)使用過(guò)程中的損壞和消耗等問(wèn)題，進(jìn)而節(jié)約在制作護(hù)理道具上耗費(fèi)的成本與時(shí)間。

模型制作基于三維軟件，在創(chuàng)建模型的過(guò)程中，為了使后期進(jìn)入引擎后三維演示動(dòng)畫(huà)正常流暢的運(yùn)作，在充分保證模型剪影形態(tài)的情況下需統(tǒng)籌精簡(jiǎn)模型的面數(shù)。根據(jù)醫(yī)院提供的圖片、視頻等資料，結(jié)合實(shí)地考察收集的數(shù)據(jù)和相關(guān)信息，整體把握護(hù)理道具的結(jié)構(gòu)和輪廓，細(xì)部結(jié)構(gòu)通過(guò)貼圖對(duì)其進(jìn)行完善。

在模型制作的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)注重布線。引擎只能識(shí)別三角面或四邊面，并且引擎難以識(shí)別長(zhǎng)條形的三角面，因此應(yīng)當(dāng)盡量保證布線合理規(guī)范，且盡量避免面的拉伸。

3ds Max計(jì)算模型默認(rèn)是以原點(diǎn)為基準(zhǔn)。將模型坐標(biāo)軸歸零有助于減少軟件運(yùn)行內(nèi)存，且在引擎中若坐標(biāo)軸未歸零，三維演示動(dòng)畫(huà)可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

動(dòng)畫(huà)仿真道具種類(lèi)多且數(shù)量大，為了便于文件整理、后期修改以及任務(wù)交接，提升團(tuán)隊(duì)合作效率，應(yīng)當(dāng)通過(guò)科學(xué)的規(guī)范命名來(lái)進(jìn)行管理，建立有序的仿真模型庫(kù)。

PBR流程是近年來(lái)游戲行業(yè)領(lǐng)域?qū)憣?shí)表現(xiàn)最為優(yōu)秀的技術(shù)，然而醫(yī)療護(hù)理具有其特殊性和專(zhuān)業(yè)性，因此在引入PBR流程中，將護(hù)理訴求與之有機(jī)融合，是該課題研究的關(guān)鍵之處。

護(hù)理道具主要分為兩個(gè)板塊，一方面是輔助患者進(jìn)行日常活動(dòng)的工具，例如勺子、碗、筷子、病床桌，另一方面是促進(jìn)患者逐步恢復(fù)正常運(yùn)動(dòng)功能的工具，例如助行器、糾正器、拐杖。

以助行架為例，助行架的穩(wěn)定性與助行架本身與地面的接觸面積成正比，與助行架本身重量成正比，與地面左右下肢與助行器支點(diǎn)間的面積成正比。為了保證助行架的穩(wěn)定性及患者的使用安全，通過(guò)ZBrush創(chuàng)建高模時(shí)，嚴(yán)格按照醫(yī)院提供的科學(xué)數(shù)據(jù)以及圖片影像資料來(lái)進(jìn)行模型的制作，確保建模的真實(shí)性。助行架手握部分則采用防滑材質(zhì)外包，通過(guò)ZBrush創(chuàng)建高模時(shí)，利用噪波工具生成表面細(xì)小的凹痕。

為了節(jié)省運(yùn)行內(nèi)存，進(jìn)行低模拓?fù)?。將制作完成的助行架高模?dǎo)入3ds Max中，借助3ds Max測(cè)量工具，結(jié)合縮放工具將助行器高模修改為正確的比例，一般來(lái)說(shuō)，助行架的高度需調(diào)整至平齊與患者股骨大轉(zhuǎn)子。將助行架高模轉(zhuǎn)換為可編輯多邊形，拖拽復(fù)制出一個(gè)面片，彈出對(duì)話框選擇克隆到對(duì)象。選中拖拽復(fù)制出的面，進(jìn)入石墨工具的自由形式，選擇繪制于曲面，拾取助行架高模進(jìn)行步驟構(gòu)建，拓?fù)涑黾粲瓣P(guān)系與助行架高模匹配的低模模型。為了避免面的浪費(fèi)，將三角形面數(shù)控制在300面以內(nèi)。

使用3ds Max與Headus UVLayout展開(kāi)低模。由于3ds Max自動(dòng)計(jì)算拆分UV難以得到理想的效果，因此，選擇Headus UVLayout進(jìn)行配合可以更有效直觀地拆分UV。打開(kāi)Headus UVLayout導(dǎo)入OBJ格式的助行架低模模型文件，在三維窗口里斷開(kāi)UV，由于UV斷線造成的貼圖接縫是難以修補(bǔ)的，因此斷線一般選擇在觀察角度看不見(jiàn)的位置，完成操作后切換到二維視窗對(duì)UV進(jìn)行自動(dòng)展開(kāi)和擺放，進(jìn)入3ds Max對(duì)UV進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，留出溢出間距。根據(jù)貼圖需求，調(diào)整UV大小控制貼圖精度，一般來(lái)說(shuō)，同一個(gè)場(chǎng)景的模型貼圖精度的差距在2倍以內(nèi)。在3ds Max中，選中所有道具模型賦予同一個(gè)材質(zhì)球。

通過(guò)拾取助行架高模的細(xì)節(jié)制作貼圖，對(duì)低模模型缺少的細(xì)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)刻畫(huà)和還原。在3ds Max中選擇低模模型以FBX格式進(jìn)行導(dǎo)出，助行架模型加載進(jìn)Substance Painter，法線貼圖格式選擇DirectX，在工具欄打開(kāi)環(huán)境設(shè)置，調(diào)整其參數(shù)。為了便于更直觀地觀察，將場(chǎng)景中的光線調(diào)整為所需光線，取消勾選投影選項(xiàng)。打開(kāi)紋理設(shè)置，紋理級(jí)勾選為將低模作為高模進(jìn)行烘焙，烘焙得到ID貼圖、法線貼圖、位置貼圖，世界空間法線貼圖，AO貼圖，曲率貼圖，厚度貼圖。助行架的手握部分采用防滑材質(zhì)，腳部底座采用橡膠材質(zhì)，以及架身采用鋁合金材料，在制作材質(zhì)的時(shí)候，基于Substance Painter中默認(rèn)的材質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了使貼圖呈現(xiàn)更加真實(shí)，應(yīng)用Generators創(chuàng)建污垢、灰塵材質(zhì)。為了提高運(yùn)算效率，將五張貼圖通過(guò)圖像處理減少為兩張貼圖。最后，進(jìn)入3ds Max測(cè)試貼圖的展示效果。

在龐大的老年護(hù)理教育視域下，虛擬護(hù)理道具設(shè)計(jì)僅僅是演示仿真視覺(jué)體系中小小的一環(huán)。未來(lái)以此作為切入和嘗試，研究開(kāi)發(fā)出更多系統(tǒng)化的適用于護(hù)理教學(xué)領(lǐng)域的設(shè)備仿真模型，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程教育展示，脫離現(xiàn)實(shí)的設(shè)備限制，為養(yǎng)老服務(wù)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的普及帶來(lái)極大便利。在后續(xù)的研究當(dāng)中，本課題成員將創(chuàng)想出更完善的有利于老年護(hù)理教育發(fā)展的新手段，進(jìn)一步探索藝術(shù)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)服務(wù)社會(huì)的深度與廣度。

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大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目階段性成果，項(xiàng)目編號(hào)：S201910621001。