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        基于VRML的醫(yī)學(xué)物理實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建

        2021-11-25 02:57:40陳昭喜
        大學(xué)物理實(shí)驗(yàn) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:建模物理實(shí)驗(yàn)

        陳昭喜

        (廣州中醫(yī)藥大學(xué) 醫(yī)學(xué)信息工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)

        目前,醫(yī)學(xué)物理課程已逐步建立和完善在線開放課程和配套學(xué)習(xí)資源,為學(xué)生提供在線實(shí)驗(yàn)視頻瀏覽,展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)流程一體化學(xué)習(xí)環(huán)境。只能讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)過程,無法呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié),學(xué)生動手能力并未得到有效提高。此外,在線實(shí)驗(yàn)過程固化,只能機(jī)械地重復(fù)既定過程,無法滿足學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)需求。

        虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)使用計(jì)算資源運(yùn)行并模擬三維環(huán)境,可以對系統(tǒng)中對象進(jìn)行操作和交互,讓體驗(yàn)者感受實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性、完整性和細(xì)節(jié)性。

        VRML(Virtual Reality Modeling Language,虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言)是第二代Web交互技術(shù)[1],可以實(shí)行三維場景搭建及虛擬現(xiàn)實(shí)交互[2,3]。與傳統(tǒng)Web站點(diǎn)相同,在數(shù)據(jù)量不大情況下實(shí)現(xiàn)三維虛擬場景模擬功能,無需額外安裝客戶端軟件和虛擬終端,具有開發(fā)效率高,多組件,生態(tài)圈完善等優(yōu)點(diǎn)。

        VRML建模簡潔方便,只需在瀏覽器中安裝相應(yīng)插件,就可以在客戶端解釋成三維場景,開展相應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)。建立VRML醫(yī)學(xué)物理實(shí)驗(yàn)環(huán)境,學(xué)生可以自主設(shè)計(jì)不同實(shí)驗(yàn),包括從實(shí)驗(yàn)原理到公式推導(dǎo),從儀器選擇到實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)等,圖1為VRML實(shí)現(xiàn)技術(shù)架構(gòu)圖。

        圖1 VRML實(shí)現(xiàn)技術(shù)架構(gòu)圖

        1 VRML虛擬實(shí)驗(yàn)室總體設(shè)計(jì)

        1.1 需求分析與設(shè)計(jì)

        虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軡M足學(xué)習(xí)者自主學(xué)習(xí)需求,沉浸式體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)步驟,熟悉儀器設(shè)備使用方法和參數(shù)調(diào)節(jié),虛擬環(huán)境應(yīng)滿足以下條件:

        (1)實(shí)驗(yàn)儀器的一致性。虛擬環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)儀器必須與真實(shí)環(huán)境一致,包括參數(shù)調(diào)整,基本功能及實(shí)驗(yàn)流程等,讓學(xué)習(xí)者體驗(yàn)到真實(shí)設(shè)備功能,自主控制實(shí)驗(yàn)過程。

        (2)實(shí)驗(yàn)視角的多元化。虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境需要保證多視角、全方位、立體化觀察視角,能實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的拖動、縮放和旋轉(zhuǎn)等操作,調(diào)整參數(shù)配置,干預(yù)實(shí)驗(yàn)過程,讓學(xué)生真實(shí)體驗(yàn)物理實(shí)驗(yàn)流程。

        (3)實(shí)驗(yàn)場景與結(jié)果展現(xiàn)。提供實(shí)驗(yàn)流程與回放演示,計(jì)算自主實(shí)驗(yàn)中各種參數(shù)下實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)。

        1.2 編譯工具

        VRML編譯文件屬于ASCⅡ碼格式文本文件[4,5],在計(jì)算機(jī)中可以采用任意文本編譯器進(jìn)行編譯操作,文件后綴名為*.wrl。當(dāng)前最常用的VRML編譯器為VrmlPad編輯器,能實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵字提示、節(jié)點(diǎn)名稱定義提示,支持交互預(yù)覽會話、語法自動檢測、特殊節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵字提示等便捷功能[6]。

        2 VRML虛擬實(shí)驗(yàn)室場景建模

        2.1 素材收集

        實(shí)驗(yàn)素材設(shè)計(jì)是VRML三維建模的前提。文章采用3DMAX建立實(shí)驗(yàn)儀器模型,將制作好的素材導(dǎo)入Cult3d和Flash環(huán)境中,導(dǎo)出格式分別為*.c3d和*.png。為保證模型視角的一致性及多元化,在設(shè)計(jì)素材時(shí)需對所有實(shí)驗(yàn)設(shè)備拍攝以實(shí)現(xiàn)模型貼圖。

        2.2 幾何建模

        幾何建模是設(shè)計(jì)虛擬設(shè)備的形狀和幾何外觀。根據(jù)實(shí)驗(yàn)對象模型復(fù)雜程度,可以分為規(guī)則形體建模和不規(guī)則形體建模兩種。

        (1)規(guī)則形體建模。Shape節(jié)點(diǎn)是組建VRML場景基本單元,有兩個(gè)基本類,分別是appearance和geometry[7]。Geometry用于描述模型形體特征,有box、cone、cylinder、sphere和text基本形體。Appearance用于描述模型外表特征,并反映造型屬性,如物體顏色屬性,材質(zhì)是否反光,材質(zhì)材料等。在虛擬場景中,實(shí)驗(yàn)對象可能處于不同位置,可以通過設(shè)定Transform屬性的translation、rotation和scale域,以達(dá)到實(shí)驗(yàn)對象平移、旋轉(zhuǎn)和縮放效果。

        (2)不規(guī)則形體建模。對于所有不規(guī)則形體建模,VRML采用“點(diǎn)線面”方法,即由點(diǎn)構(gòu)造線,由線構(gòu)造面。通過設(shè)定點(diǎn)指定三角面或多邊形面,組合成不規(guī)則形體。

        2.3 物理建模

        虛擬實(shí)驗(yàn)的物理建模包含模型對象的燈光、材質(zhì)、質(zhì)量、重量、硬度屬性等,這些對象共同描述和構(gòu)建成實(shí)驗(yàn)儀器的三維模型。物理建模涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、物理學(xué)和力學(xué),如在重量建模上,需要考慮物體變形,軟硬度等物理本質(zhì)屬性。物理建模設(shè)計(jì)是讓VRML更為貼切反映真實(shí)實(shí)驗(yàn),符合客觀世界規(guī)律及真實(shí)場景邏輯。

        2.4 行為建模

        虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目的是讓學(xué)習(xí)者通過沉浸式學(xué)習(xí)感受真實(shí)、完整實(shí)驗(yàn)流程。在虛擬實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生能通過鼠標(biāo)動手操作及調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù),系統(tǒng)如何感知用戶操作,并對這些操作做出響應(yīng),交互性實(shí)驗(yàn)涉及行為建模。虛擬現(xiàn)實(shí)是對客觀世界地真實(shí)映射,客觀事物在外觀特征上具有外形及質(zhì)感,同樣具有行為或動作,并遵循客觀規(guī)律。從行為角度理解,行為建模是在虛擬環(huán)境下所有實(shí)體必須遵循的行為規(guī)則。例如,物體在無支撐物時(shí)會出現(xiàn)自由落體運(yùn)動,自由落體運(yùn)動則屬于行為建模范疇。

        2.5 VRML性能與優(yōu)化

        VRML將描述的三維建模文件(*.wrl)以及其他媒體文件,如貼圖、聲音和視頻文件一次性下載到客戶端上,通過瀏覽器插件解釋、執(zhí)行并渲染成虛擬場景。為提高用戶訪問流暢性和沉浸感,需要考慮以下三個(gè)性能因素:

        (1)應(yīng)盡量減小文件大小,文件過大將影響客戶端加載三維場景等待時(shí)常;

        (2)減少不必要的場景描述復(fù)雜度以加快動畫渲染速度;

        (3)為提高性能,動作腳本控制需進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),如相同動作采用重復(fù)加載和調(diào)用方式,減少腳本代碼。

        為提高渲染效率,提升性能,一般可通過降低貼圖采樣率,縮減VRML文件及動畫渲染效果,提高VRML傳輸速度。文章采用如下解決方式:

        (1)采用模型優(yōu)化器

        建模復(fù)雜程度一般采用多邊形(polygons)數(shù)量衡量[8,9]。3DMAX中模型復(fù)雜度與生成的VRML文件大小關(guān)系為:

        1000polygons≈100k bytes。渲染效果越逼真,多邊形數(shù)量越多,場景生成的VRML文件則越大,不能同時(shí)兼顧渲染效果和性能。在構(gòu)建物理實(shí)驗(yàn)建模場景中,采用模型優(yōu)化器插件(Optimize helper)合并相鄰平面算法,將區(qū)間夾角小于某一指定閾值的平面合并,從而減少多邊形數(shù)量,在不影響視角觀感下能達(dá)到80%以上優(yōu)化效果。

        (2)貼圖優(yōu)化

        為達(dá)到更為逼真渲染效果,通常采用多紋理替代多邊形[10]。由于實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備貼圖文件相對較大,影響傳輸性能。同時(shí),視角變化時(shí)場景渲染必須考慮貼圖計(jì)算,因此,貼圖文件過大會嚴(yán)重影響VRML執(zhí)行效率。文章對貼圖采用MipMaps插件處理,根據(jù)視角變化將單一貼圖以多種分辨率圖像輸出以替代紋理,有效減小貼圖文件大小,提高傳輸和渲染性能[11]。

        (3)采用LOD細(xì)節(jié)層次技術(shù)

        在開發(fā)物理實(shí)驗(yàn)場景時(shí),同一模型根據(jù)復(fù)雜度分別制作不同副本,瀏覽器根據(jù)用戶視距自動匹配副本模型。如遠(yuǎn)景觀看時(shí)只能觀看大致輪廓,近景觀看時(shí)才能瀏覽設(shè)備細(xì)節(jié)。采用LOD細(xì)節(jié)層次技術(shù)能有效加快客戶端場景渲染性能。

        3 虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與開發(fā)

        以醫(yī)學(xué)物理課程“光的單縫衍射實(shí)驗(yàn)”為例講述虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與VRML人機(jī)交互設(shè)計(jì)。在虛擬實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生通過改變光波波長參數(shù),觀察光束穿越狹縫或小孔時(shí)產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)和條紋,從而掌握衍射現(xiàn)象與原理。

        3.1 建模流程

        首先,在實(shí)驗(yàn)場景建模之前明確建模需求,了解實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和內(nèi)容,搜集相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和參數(shù),熟悉公式推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)步驟,通過現(xiàn)場拍攝獲得實(shí)驗(yàn)場景相關(guān)視頻錄像和貼圖照片;其次,確定虛擬實(shí)驗(yàn)場景基本布局和基本元素,依照實(shí)驗(yàn)流程建立三維場景;最后,對實(shí)驗(yàn)導(dǎo)軌、儀器底座、示波器、狹縫擋板、成像屏幕等主體實(shí)驗(yàn)對象建模貼圖,依據(jù)真實(shí)場景縮放、合并與組裝實(shí)驗(yàn)對象,完成實(shí)驗(yàn)?zāi)P秃蛨鼍颁秩荆瑘D2為實(shí)驗(yàn)場景圖。

        圖2 實(shí)驗(yàn)場景圖

        3.2 虛擬實(shí)驗(yàn)人機(jī)交互

        為實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)與學(xué)生的交互,在不同模型對象采用節(jié)點(diǎn)感知器采集用戶輸入狀態(tài),并反饋計(jì)算結(jié)果或動作響應(yīng)。如實(shí)驗(yàn)中由TouchSensor感知器聯(lián)合鼠標(biāo)點(diǎn)擊事件,完成鼠標(biāo)調(diào)節(jié)光束燈源位置操作,部分VRML腳本如下:

        DEF light TimeSensor {

        cycleInterval 10

        }

        DEF way PositionInterpolator {

        key [0.0,0.5,1.0]

        keyValue [50 0.0 -100,

        -12.5 -1.0 -100

        -*23 -2.0 -100

        ] }

        ROUTE yuanzhu1.touchTime TO lock.startTime

        ROUTE clock.fraction_changed TO way.set_fraction

        ROUTE way.value_changed TO yuanzhu.transl

        ation

        VRML本身無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜人機(jī)交互,如需輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù),需采用JavaScript 腳本實(shí)現(xiàn)對 VRML數(shù)據(jù)訪問和控制。如產(chǎn)生的衍射波紋,相關(guān)代碼如下:

        DEF scriptrevolver Script {

        url "vrmlscript:

        function startrevolving(){

        if(bochang b) {

        revolve1[0]=0;

        revolve1[1]=0;

        revolve1[2]=1;

        revolve1[3]=angle;

        angle=angle+0.01;} ……

        else

        angle=c;}

        function pd(value)”

        directOutput FALSE

        mustEvaluate FALSE

        eventIn SFTime startrevolving

        eventIn MFRotation pd

        eventOut SFRotation revolve1

        eventOut SFRotation revolve5

        field SFFloat anglec

        field SFFloat i 0

        field SFBool pdangle FALSE

        }

        ROUTE timeticker.cycleTime TO scriptrevolver.

        startrevolving

        ROUTE scriptrevolver.revolve1 TO qiu1.rotation

        ROUTE scriptrevolver.revolve5 TO bowen.rotation

        4 結(jié) 論

        文章參照醫(yī)學(xué)物理真實(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和場景儀器模型標(biāo)準(zhǔn)建模,虛擬實(shí)驗(yàn)運(yùn)行流暢,具有良好交互性和沉浸式體驗(yàn)感。

        雖然VRML建模與優(yōu)化技術(shù)成熟,但是醫(yī)學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目復(fù)雜,設(shè)備儀器操作煩瑣,實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與人機(jī)交互設(shè)計(jì)仍處于研究階段?;赩RML醫(yī)學(xué)物理虛擬環(huán)境在三維建模、人機(jī)交互、訪問優(yōu)化和實(shí)現(xiàn)方法上具有一定創(chuàng)新性和實(shí)用價(jià)值。

        今后將進(jìn)一步提升場景加載效率,建立完善細(xì)致的行為建模,增加醫(yī)學(xué)物理復(fù)雜實(shí)驗(yàn)場景和項(xiàng)目任務(wù),滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)和在線實(shí)驗(yàn)需求。

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