蔡洪濤

1 虛擬仿真技術(shù)的概念及現(xiàn)狀

虛擬仿真技術(shù)是融合了當(dāng)今世界上的高、精、尖技術(shù)，它借助于計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、多媒體技術(shù)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真技術(shù)、視覺心理學(xué)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)信息技術(shù)、立體顯示技術(shù)、傳感器技術(shù)、語音識別技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)及人工智能技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)，通過高速計(jì)算機(jī)的運(yùn)算來構(gòu)建一個(gè)虛擬的世界[1]。在這個(gè)虛擬的世界里可以將現(xiàn)實(shí)世界的事物重現(xiàn)，或者通過人的思維構(gòu)想出另一個(gè)虛擬的環(huán)境，人們通過視覺、聽覺及觸覺等多種傳感通道與虛擬世界進(jìn)行交互。虛擬仿真的目的是通過構(gòu)造對象的逼真模型來模仿現(xiàn)實(shí)世界中的各種事物及形態(tài)，讓人們有置于身臨其境的真實(shí)體驗(yàn)。

當(dāng)前，虛擬仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用到醫(yī)學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，例如，在藥物研制過程中的合成藥物的分子建模，在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域中的解剖學(xué)課程及外科手術(shù)實(shí)踐教學(xué)所使用的課程虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)。虛擬仿真技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用給醫(yī)學(xué)教育帶來了變革，尤其是在解剖學(xué)課程教學(xué)中，解剖學(xué)有很強(qiáng)的實(shí)踐性，學(xué)生需經(jīng)多次實(shí)踐，才能熟練掌握，在以往的教學(xué)中，學(xué)生過分流于表面形式，單純依靠模仿教師在模擬人上的操作，未能有效的練習(xí)，應(yīng)用了虛擬仿真技術(shù)開發(fā)的實(shí)驗(yàn)課程虛擬仿真軟件，學(xué)生可以反復(fù)多次練習(xí)，直至熟練掌握。從而使學(xué)生在進(jìn)行課程學(xué)習(xí)時(shí)有效的利用，提高了課程教學(xué)的可視性。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件中三維模型構(gòu)建的基本方法

醫(yī)學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，需要使用很多三維立體仿真模型，因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件中的虛擬對象的建立，通常就使用三維建模軟件來構(gòu)建。目前，比較流行的三維模型構(gòu)建軟件是3DS Max2010。3DStudioMAX 正在成為PC 機(jī)三維動畫制作軟件的主流，在眾多領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件中的虛擬對象模型是在3DS Max2010 的建模。建模，就是建立模型，就是為了理解事物而對事物做出的一種抽象，是對事物的一種無歧義的書面描述。建立系統(tǒng)模型的過程，又稱模型化。建模是研究系統(tǒng)的重要手段和前提。凡是用模型描述系統(tǒng)的因果關(guān)系或相互關(guān)系的過程都屬于建模。使用3DS Max2010 建模時(shí)可以使用一些基本的幾何類型（如立方體和球體）來構(gòu)建相應(yīng)的幾何場景，并且在提供的各種基本元素構(gòu)建三維模型的基礎(chǔ)上利用攝像機(jī)鏡頭，及材質(zhì)進(jìn)行貼圖，創(chuàng)作關(guān)鍵幀動畫和對動態(tài)或靜態(tài)對象模型進(jìn)行渲染等[2]。

下面介紹在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件中實(shí)物對象的三維模型建立的一般過程。首先，在三維場景中，模型的面片之間最小間距應(yīng)該大于場景中最大模型規(guī)格的二千分之一。若兩個(gè)模型中的面間距離小于此數(shù)值，則會出現(xiàn)這個(gè)兩個(gè)面在渲染時(shí)的交替重疊現(xiàn)象[3]。其次，面片在3DS Max2010 軟件經(jīng)過三維建模和添加相關(guān)的材質(zhì)后，每個(gè)模型的相同材質(zhì)成為一個(gè)結(jié)合體，有利于后期制作過程中的處理。在建立三維模型時(shí)，參與建模的對象所使用的單位要保持一致。至此，一個(gè)實(shí)物對象基本的三維模型就可以構(gòu)建完成了。三維模型的構(gòu)建方法 因描述的關(guān)系各異，所以實(shí)現(xiàn)這一過程的手段和方法也是多種多樣的?？梢酝ㄟ^對系統(tǒng)本身運(yùn)動規(guī)律的分析，根據(jù)事物的機(jī)理來建模;也可以通過對系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)或統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的處理，并根據(jù)關(guān)于系統(tǒng)的已有的知識和經(jīng)驗(yàn)來建模。還可以同時(shí)使用幾種方法。下面以DNA 螺旋結(jié)構(gòu)三維模型為例，講述通過矩陣的方式構(gòu)建對象模型。在啟動3DS Max 軟件后，首先，要創(chuàng)建DNA 螺旋結(jié)構(gòu)的基本體。這個(gè)基本體是由兩個(gè)圓球和一個(gè)圓柱體構(gòu)成。實(shí)現(xiàn)的具體方法：選擇“頂視口”，點(diǎn)擊“創(chuàng)建”菜單，選擇“標(biāo)準(zhǔn)基本體”中的“球體”對象，球體參數(shù)為“半徑45”，點(diǎn)擊“編輯”菜單，選擇“克隆”命令，復(fù)制這個(gè)球體。在橫軸上以中心點(diǎn)為基準(zhǔn)，將這復(fù)制出的球體移動到水平的另一側(cè)。然后，再選擇“標(biāo)準(zhǔn)基本體”中的“圓柱體”，其參數(shù)為“半徑10，高500”。選擇左視圖，調(diào)整兩個(gè)小球及圓柱體的位置，使圓柱體正好穿過兩個(gè)球體的中心。之后，使用選擇功能，將兩個(gè)小球和圓柱體三個(gè)對象全部選中，再點(diǎn)擊菜單欄中的“組”命令，選擇“成組”，并命名為“DNA基本體”，這時(shí)，三個(gè)對象合并成一個(gè)整體。接下來，選擇“透視視口”，在“工具”菜單中選擇“陣列”命令，在彈出的“陣列變換”對話框中設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)：陣列維度1D 中數(shù)量設(shè)置為40，增量Z 軸分別設(shè)置為50，15，100，其他參數(shù)不作調(diào)整。最后，點(diǎn)擊“確定”按鈕，這時(shí)可以看到通過陣列的方式生成的DNA 螺旋結(jié)構(gòu)三維模型。

3 三維模型的漫游設(shè)計(jì)

通過3DS Max2010 構(gòu)建的三維模型的漫游設(shè)計(jì)是通過軟件中的攝像機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。攝影機(jī)設(shè)置場景的幀，提供可控制的觀察點(diǎn)。攝影機(jī)可以模擬真實(shí)世界圖片的某些方面，如景深和運(yùn)動模糊。通過設(shè)置攝影機(jī)移動來產(chǎn)生動畫效果，實(shí)現(xiàn)對三維模型的漫游[4]。3DS Max2010 中有兩種形式的攝影機(jī)，一種是物理攝影機(jī)將場景框架與曝光控制以及對真實(shí)世界攝影機(jī)進(jìn)行建模的其他效果相集成。另外一種是傳統(tǒng)攝影機(jī)的界面更簡單，在它其中只有較少控件。物理攝影機(jī)和傳統(tǒng)攝影機(jī)可以是目標(biāo)攝影機(jī)或自由攝影機(jī)。3DS Max2010 的攝影像在模擬人的視野時(shí)在個(gè)性面板中將攝影機(jī)視野設(shè)置為50即可。

下面以DNA 螺旋結(jié)構(gòu)漫游過程為例，說明三維模型漫游設(shè)計(jì)的制作方法。

首先，選擇“透視”視口，在“創(chuàng)建”面板中選擇“圖形”，之后選擇“弧”，命名為“路徑弧”，參數(shù)為半徑：300，從100，到300，調(diào)整弧的位置，使其在DNA 螺旋結(jié)構(gòu)的左側(cè)中央。在完成上步之后，選擇“攝影機(jī)”面板，“對象類型”選擇“自由”，參數(shù)使用默認(rèn)值，即可創(chuàng)建一個(gè)自由攝影機(jī)，在“透視”視口中選擇一個(gè)位置放置此攝影機(jī)。接下來，就是要將這個(gè)自由攝影機(jī)綁定到弧形路徑上，并沿此弧形路徑對DNA 螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行漫游。具體步驟如下：選擇剛剛創(chuàng)建好的自由攝影機(jī)，之后，點(diǎn)擊“動畫”菜單，選擇“約束”條目中的“路徑約束”命令，這時(shí)，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“路徑弧”，自由攝影機(jī)便被綁定到弧形路徑上。調(diào)整自由攝影機(jī)鏡頭位置，使其對準(zhǔn)DNA 螺旋結(jié)構(gòu)三維模型上的任意位置。撥動3DS Max2010 屏幕底部的幀滑塊，查看攝影機(jī)移動的路徑。經(jīng)過上面的操作，可以看到，在第0 幀時(shí)，自由攝影機(jī)在弧形的頂部，隨著幀滑塊數(shù)值的增加，自由攝影機(jī)沿著弧形路徑勻速移動，直到第100 幀時(shí)，自由攝影機(jī)移動到弧形的底部。點(diǎn)擊“播放”按鈕，可將自由攝影機(jī)移動的過程連續(xù)播放。最后，切換到“攝影機(jī)”視口，點(diǎn)擊“播放”按鈕，查看自由攝影機(jī)漫游DNA 螺旋結(jié)構(gòu)的過程。在進(jìn)行三維模型漫游設(shè)計(jì)時(shí)要注意，當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)與活動視口中的視圖匹配的物理攝影機(jī)，然后通過按Ctrl+C將視口設(shè)置為使用該攝影機(jī)。激活“攝影機(jī)”視口，并不自動選擇攝影機(jī)。要通過同時(shí)使用其視口和“修改”面板調(diào)整攝影機(jī)，則選擇該攝影機(jī)，然后激活“攝影機(jī)”視口。在其他視口中時(shí)，可以在“攝影機(jī)”視口選擇查看安全框區(qū)域的顯示以幫助構(gòu)成最終渲染輸出，“攝影機(jī)”視口的默認(rèn)鍵盤快捷鍵為“C”鍵。

4 總結(jié)

虛擬仿真技術(shù)是高科技技術(shù)的產(chǎn)物，它應(yīng)用到醫(yī)學(xué)教育軟件的開發(fā)前景廣闊，優(yōu)勢明顯。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件提供給醫(yī)學(xué)專業(yè)的學(xué)生一個(gè)內(nèi)容豐富，形象直觀的學(xué)習(xí)平臺，又能夠?yàn)獒t(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生提供更加豐富的專業(yè)知識[5-7]，進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，同時(shí)，又增加了學(xué)習(xí)的趣味性，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)主動性的同時(shí)，還在一定程度上培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐技能。從教學(xué)應(yīng)用過程中來看，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件輔助教師完成教學(xué)任務(wù)，體現(xiàn)了虛實(shí)互補(bǔ)、以虛促實(shí)的教學(xué)理念，又在一定程度上有效提高了學(xué)生的解剖辨識能力、臨床決策能力。使學(xué)生做到知其然并知其所以然，從而達(dá)到現(xiàn)實(shí)教學(xué)中無法達(dá)到的效果。