一種醫藥學三維標本特色數據庫的設計

朱 成

(桂林醫學院，廣西 桂林541004)

0 引 言

標本的實物教學是醫藥學專業學生學習的一項重要內容，其以直觀、形象的特點成為實踐教學中必不可少的一種教學手段。多年來，標本陳列室一直局限于標本柜加標本缸的簡單模式，標本室的開放存在諸多時間和空間的限制，不能為學生提供更多的機會來學習和觀摩［1］。隨著網絡技術、多媒體技術和三維圖像技術的發展，網絡三維實物標本數據庫的建設將實現標本展示不受時間和空間的限制，教師的教學和學生學習將可通過網絡來完成，將進一步提高了教學、科研和工作的效率和質量。

1 標本數據庫建設需求分析

(1) 標本的基本信息建立電子檔案。首先對每一個標本進行分類編號，詳細準確的填寫具體內容，并配上完整的標本講解聲音文字材料。

(2) 標本數字化資料的制作。運用數碼像機對標本進行全方位的拍攝，圖像序列要能達到形象生動地展示標本360 度的圖像集［2］。局部特寫，運用數碼像機的放大功能，可將較小的標本或微小的畸形病變部位放大拍攝，得到清晰的影像，在標本中突出重點部位［3］。在教學過程中進行互動式教學。建立標本數字化數據庫的優點:能真實、完整、詳細地保存資料，避免標本保存不當等原因造成損失，教學中可生動、具體的講解，使講課內容清晰，重點突出。

(3) 掌握器官的形態和內部構造。醫學生很難做到的就是對人體立體結構的學習，從空間三維結構上掌握器官體本的形態和內部構造。三維重建技術能實現標本在網絡上的真實展示，具有強大的應用優勢。運用計算機三維處理技術，使用拍攝的標本連續圖像序列進行三維重建［4］。這樣可以從任意角度剖析和觀察標本的形態空間位置關系和清淅的實物三維圖像，突破標本二維圖像的模式局限性，為進一步研究標本提供數字化的三維圖像，做到對標本的數字化儲存。

(4) 傳播和測量。三維標本圖像應用范圍廣，使用簡單。可通過網絡或下載后，在通用的計算機上播放或瀏覽，解決了學生下課后看不到標本、不方便學習的問題。三維圖像采集于教學標本，與教學模型相比更真實，不會出現失真等問題。三維標本圖像和教學錄像相比具有明顯的優勢，可實現教與學的互動，學生自己可以操作標本圖像，從不同角度觀察學習，能激發學生學習的積極性和主動性，提高學習效率。

2 系統平臺的設計與實現

2.1 系統實現的關鍵技術

2.1.1 三維、全景圖像處理技術

二維圖像經過三維圖像技術的處理后，如果圖像的內容比較簡單，可以不進行處理，直接顯示成三維圖像，三維圖像效果就能達到應用的需求標準［5］。如果圖像的內容比較復雜，會出現尖銳的凸起和凹陷，所以需要對圖像做一些平滑處理，才能達到理想的三維圖像顯示效果，最主要的平滑處理有濾波、插值等處理。

OpenGL 提供了上百個庫函數，可方便地繪制具有真實感的3D 圖形。許多圖形加速卡都支持OpenGL，并且由于OpenGL 遵循ARB 制定的統一標準，各圖形卡廠商也都按照這個標準提供接口，使用OpenGL API開發的圖形程序具有很好的跨平臺和可移植性［6］。通過調用OpenGL 庫函數，啟用光照，設置材質屬性等，顯示的三維圖像才具有真實感。使用OpenGL 繪制小三角形圖面，多個小三角形圖面組成曲面，達到二維圖像的三維顯示，并通過OpenGL 的模型視圖變換從不同角度觀看三維圖像，除了用二維圖像本身對生成的小三角形面片進行紋理映射外，還可以用其他的紋理對其進行映射，豐富三維圖像的顯示效果［7］。

三維全景虛擬現實技術是基于全景圖像的真實場景虛擬現實技術。全景是在固定拍攝點用數碼相機按照一均勻角度繞垂直軸向旋轉360 度的方式拍攝的實景圖片，根據實際要求和具體情況拍攝一序列照片，在計算機中對圖像進行處理，按照實景實際要求合成真實全景圖像，通過計算機和網絡技術實現實景全方位互動式展示的真實場景應用方式［8］。

2.1.2 FLASH 技術

Flash 是美國Macromedia 公司開發基于矢量圖形的交互式多媒體技術，可以非常方便地嵌入網頁，并通過專用的插件來實現網頁中的應用，由于其強大的動畫、音頻和視頻應用功能，在互聯網中現已實現廣泛的應用［9］。Flash 是一種用于互聯網的動畫編程語言，與Ajax 技術相比，Flash 具有更安全、更好的瀏覽器兼容性，并且可以與JavaScript 交互。相比腳本語言的功能，ActionScript 要比JavaScript 腳本的功能更加強大［10］。

FLASH 還具有以下優點:①采用了網絡流媒體技術，對網絡帶寬的要求不高，可以在網絡上流暢的視頻、動畫的播放。②采用矢量技術制作和生成流媒體動畫，需要的文件存儲空間較小，和其他格式的多媒體文件相比，能節省大量的硬盤存儲空間。同樣內容的Flash 流媒體文件只需要幾十千字節，而其他格式的文件可能需要幾十兆字節。③Flash 具有較好的交互性和易用性。強大的多媒體表現能力。視頻圖像的縮放不會變形，嵌入和控制播放音視頻比較方便快捷。繪畫工具強大而齊全，可以控制時間軸，支持層編輯，自動生成動畫。④強大的三維表現能力;通過三維生動的表現力和交互能力，可以更好的展示實物的立體效果，為實物標本提供一個非常好的網上三維展示平臺［11］。

2.2 系統設計與實現

2.2.1 系統功能設計

三維教學標本特色數據庫的建設包括:①實物標本資源的選取;②實物標本的三維FLASH 三維互動性文件的設計與制作;③數據庫軟件的設計;④三維標本數據庫的建設和網上發布;⑤數據庫學習模塊。

三維標本軟件系統平臺主要功能模塊有:

(1) 用戶管理模塊。不同的系統管理用戶具有不同的管理權限，實現對系統的分極管理。用戶分為讀者用戶、普通管理員和超級管理員三大類，具有不同的使用和管理權限。

(2) 系統三維標本的管理模塊。可實現對三維標本文件的錄入、增加、刪除、修改和標注等功能。及時完成系統的三維標本數據庫的建設和資源的更新和發布等工作。

(3) 系統和新建標本資源通知管理模塊。實現系統的新聞通知的管理和發布，系統管理員錄入新的三維標本后，系統在通知欄目自動發布新建資源的提示信息，讀者可以及時使用和瀏覽。

(4) 讀者用戶模塊。①用戶管理:注冊、查看和修改個人用戶信息和登錄密碼;②瀏覽和學習數據庫:可以系統或單獨交互式學習三維標本數據庫的學習內容;③留言或在線學習內容交流:可通過在線直接實現標本學習的問題咨詢，也可以通過留言版給管理員或指導老師留言，通過留言實現學習問題的解決;④RSS 信息推送［12］。

2.2.2 系統硬件平臺架構

根據系統的設計和應用需求，系統應用和數據庫服務器采用美國微軟公司的Windows 2003 Server 操作系統，后臺數據庫系統采用美國微軟公司的SQL Server 2005，WEB 服務器為IIS5.0 以上的. NET 2.0版本，使用Visual Studio 2008 作為系統開發環境，在開發基于.NET 2.0 的動態網頁時可以減少代碼的輸入，提高開發效率［13］，ADOBE 公司的Photoshop 軟件完成標本圖像的前期處理工作，Macromedia Flash 8.0 簡體中文版來完成三維FLASH 標本的制作，結合Flash、Java、Javascript、OpenGL 和DHTML 等技術來實現。

3 數據庫網絡應用的實現

3.1 三維標本的數字化實現

(1) 標本數字化圖片的采集。利用學校各教研室現在的實體標本，用數碼照相機，在2 048 ×1 536 分辨率下拍攝。數碼像機用三角架固定，標本置于固定的轉盤中心，拍攝背景用藍布，利于后期對標本圖像的處理。拍攝過程中應避免照明光線強度發生變化。為了保證標本圖像的質量，每個標本拍36 張(即轉盤每旋轉10°拍攝1 張)。圖像文件按一定的命名規則，采用標本名拼音簡寫加1 ～36 數字構成，每個標本圖像文件單獨存放一個文件夾。

(2) 標本圖像的前期處理。利用圖片處理軟件ADOBE 公司的Photoshop 軟件來完成。將拍好的36張圖片導入PhotoShop 中，首先對所有圖片進行亮度調整、對比度調整等操作，保證每幅圖處理后的效果要統一，統一圖片分辨率、大小和背景等。

(3) 三維全景標本文件的制作。將第個標本的序列圖片處理好后導入到Flash 中生成一個MC，在場景中，通過設置功能按扭和ActionScript 編程控制MC 的播放，達到使物體可以交互完成360°旋轉的效果，并加上放縮和鼠標交互功能按鈕，在Flash 中通過精確控制點的位移來達到模擬三維空間的真實效果［14］。

3.2 三維標本數據庫的建設

三維標本數據庫采用分類和分目錄存儲的方法，包括所有標本的具體數字化和實物存儲的具體信息，標本信息數據庫表如表1 所示。

3.3 網絡應用的實現

三維立體標本瀏覽和學習可實現標本放大、縮小、旋轉、移動，同時顯示放大的病變的部位和病變描述等功能。可使用鍵盤的+、-進行放大縮小，用箭頭←、→和y、z 鍵進行標本旋轉，或直接用鼠標對標本進行移動。在網頁中調用Flash 的SWF 文件也有兩種方法:一種是插入的形式，把SWF 文件當作一種插件;一種是ActiveX 控件的形式，把ShockWave-Flash 控件導入網頁文件中［15］。

表1 三維標本信息數據表

3.4 網絡應用的效果

通過三維標本數據庫系統的使用，真正實現了管理簡單、維護方便、安全可靠、兼容性好等特點。系統后臺管理系統為管理員提供了易于操作、實現動態系統更新與維護的三維標本數據庫構建與資源管理平臺。系統交互性能和功能強大，管理界面友好直觀，操作方便。圖1 是三維標本在網頁中進行瀏覽的效果。

圖1 三維標本瀏覽效果

4 結 語

醫藥學三維標本數據庫適用于所有醫學及與醫學相關專業學習和利用，用于對所學各學科的標本進行自學或復習，也可用于課堂教師講解和演示。青年醫生還可利用三維標本對手術部位的人全結構進行深入學習，從而增加手術成功率，降低手術風險和醫療事故的發生率。本文建設了一個功能較為完整的三維標本的數據庫系統，可完成三維標本的制作，網上標本的錄入、修改和更新等功能。管理系統為管理員提供了易于操作、實現動態系統更新與維護的資源管理平臺。系統功能強大，管理界面友好直觀，操作方便。便于讀者使用，為實物標本的利用拓展了網上空間，增加了標本的利用率。

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