基于虛擬現(xiàn)實技術的解剖學實驗仿真教學軟件的研制

蔡洪濤，王巧玲，黃 和

早在20 世紀80 年代美國的Jaron Lanier 就提出了虛擬現(xiàn)實技術（也稱為VR），這是一種綜合的信息技術，它結合了多媒體技術，數字圖像處理技術，計算機圖形學，并在人工智能領域也在逐步應用。當前，虛擬現(xiàn)實技術廣泛應用到醫(yī)學領域，從合成藥物的分子建模，到解剖學及外科手術教學的醫(yī)學虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實技術也應用在醫(yī)學教育領域，尤其是在醫(yī)學課程教學中，應用了虛擬現(xiàn)實技術開發(fā)的實驗課程虛擬仿真軟件，大大提高了課程的可視性。

1 設計開發(fā)思路

在解剖學實驗課程教學中，對于器官的講解，胃部解剖的教學一直是教學的重點和難點。由于胃部解剖結構抽象復雜、專業(yè)性強，再加上很多知識點需要通過實物進行講授，因此，傳統(tǒng)的胃部教學方式是以教師在課堂上口述講解、掛圖及使用實物模型示范為主，但學生的理解力有限，再加上教室空間有限，學生全憑借想象而沒有直觀的認識，有的學生甚至在老師講過一遍后，還不能完全理解老師講授的內容，影響了學生的學習效果。當前，但伴隨著日新月異的現(xiàn)代計算機技術，先進的多媒體輔助教學都在逐步的引入課堂，使得原本抽象復雜的專業(yè)術語、概念或者某些意識領域內的、微觀的事物都可以通過逼真的視頻和栩栩如生的3D 動畫演示出來，讓學生更加容易理解和掌握。這些逼真的視頻和栩栩如生的3D 動畫功能的實現(xiàn)很大程度上依賴于虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展。一般情況下，用于解剖學實驗課的虛擬仿真軟件是按照這樣的流程進行開發(fā)的：首先，開發(fā)者對軟件功能進行深入分析，通過對實驗對象（主要是采集器官的各項數據）建模，利用三維軟件生成對象模型，用于后期制作；之后，再將對象模型具有寫真實物品相匹配的屬性；最后，再利用虛擬現(xiàn)實制作軟件生成對象模型的交互式控制。再加上利用各種多媒體信息對場景的美化，制作出所需要的效果，提供給用戶使用。這樣一來，學生就可以有真實的學習體驗。

2 實驗虛擬仿真軟件建模方法

2.1 建模軟件介紹

3ds Max 是一款基于個人計算機系統(tǒng)開發(fā)和制作3D 動畫的軟件。在進行開發(fā)時，設計者可以通過軟件提供的各種基本元素構建三維模型，并在此基礎上利用多個攝像機鏡頭、使用材質進行貼圖、關鍵幀動畫制作及動態(tài)或靜態(tài)物體渲染等功能，最終將產品導出某種類型的文件供其它軟件使用。3ds Max 還有一個重要的功能，它可以使用一些基本的幾何類型（如立方體和球體）來構建相應的幾何場景，例如場景的平移，旋轉和復合操作。

2.2 建立模型的基本方法

三維模型的建立是通過點、線和面這3 個基本要素完成的。對象構建模型的設計是對設計師造型能力和整體把握的考驗，又能夠將對象的模型進行整體優(yōu)化設計。在3D 建模中，基本應用多邊形建模，Nurbs 建模和細分曲面建模等方式。下面以解剖學實驗仿真軟件中構建胃部主體模型為例，介紹3ds Max 建模的方法。

啟動3ds Max 軟件后會自動創(chuàng)建一個工程文件，在4個視圖中，選擇前視圖繪制所需要的球體。然后，單擊“菜單欄”|“創(chuàng)建”命令，在面板“標準基本體”中，選擇“球體”，修改命令面板球體參數，在“分段值”一項輸入32。這里要注意，參數“半徑”自定，分段數值不得小于20。單擊“修改欄”∣“彎曲”命令，沿 Y 軸將“球體”進行彎曲，彎曲軸選擇“Y 軸”，設定“彎曲”參數值，角度為60，方向為20。單擊“修改欄”∣“ FFD 圓柱體”命令，按鍵盤上數字“1”鍵激活錨點，框選錨點或按住 Ctrl鍵，點選相應錨點，參照采集的胃部形態(tài)數據，對各個錨點進行移動、旋轉或縮放進行調整，，擠壓該球形來塑造胃部三維模，使其更加形似胃部。最后再給胃部模型貼上相應的圖片，使其更加逼真。

建模完成后，渲染場景中的胃部模型，如果效果不理想，再對其進行調整，直到滿足要求，再將此場景導出一個名為wei.fbx 的項目文件。下一步是將其導入到Unity3D 軟件中，進行編輯、開發(fā)，來完成交互式漫游控制。設計者也可以在軟件開發(fā)過程中根據需要適當添加文本和音頻等多媒體信息。

3 交互漫游設計

3.1 Unity3D 軟件介紹

Unity3D 由美國一家軟件公司 Unity Technologies 開發(fā)，這個軟件開發(fā)的產品，可使設計者輕松創(chuàng)建3D 視頻游戲。這個軟件問世以來，多用于開發(fā)交互式內容的多平臺、實時3D 動畫集成的游戲開發(fā)，現(xiàn)已成為一個全面整合的專業(yè)游戲引擎。它是一種利用交互的圖型化開發(fā)環(huán)境，被廣泛應用于虛擬仿真軟件開發(fā)，已成為醫(yī)學實驗虛擬仿真教學軟件的最佳工具。

3.2 交互漫游設計方法

漫游動畫的重點是交互設計，它實現(xiàn)了在虛擬場景中完成對象的移動，旋轉，縮放等功能。漫游操作一般情況下常由使用鍵盤或鼠標操作的用戶操作和控制。設計者構建的三維虛擬環(huán)境中，是通過不斷移動視點，以及改變視線方向而實現(xiàn)交互漫游過程。也就是說，用戶的視點的位置就是視線的方向，即系統(tǒng)通過不斷改變視點的位置來實現(xiàn)不同的動畫效果。這種效果主要是根據在虛擬環(huán)境中，被操控者（用戶），在位置上的坐標移動來改變控制參數，例如向前、向后，所有方向上旋轉，向下看、向上看等。設計者也可以通過鼠標的移動來替換視點方向的變化。當系統(tǒng)接收到用戶鼠標位置數據或者得到用戶鍵盤輸入命令后，系統(tǒng)將及時進行反饋運算，根據獲得的相關數據對場景進行重新布置。漫游的觀點就好像是人的眼睛，其功能類似于相機。它似乎提供了一個虛擬攝像頭，可以在視覺環(huán)境中自動選擇路徑和計算。在這樣的交互環(huán)境中，不需要預處理，只需要在漫游過程期間執(zhí)行場景分析和實時的路徑計算。

3.3 胃部漫游交互式動畫制作

胃部漫游交互式動畫是利用鼠標進行控制，主要包括：1）拖動鼠標控制胃部旋轉；2）鼠標靠近胃部時放大，遠離時恢復；3）通過鼠標滾輪調整攝像機位置的遠近，實現(xiàn)對胃部細節(jié)進行觀察。具體步驟如下：

啟動Unity3D 軟件，創(chuàng)建一個新的項目文件，然后將上文創(chuàng)建好的文件“wei.fbx”，也就是胃部三維模型導入到場景。然后，選擇“scripts”文件夾，新建一個腳本文件“control.c#”，在場景中選擇胃部模型，將下面的腳本插入其中“Inspector”面板添加腳本組件，完成漫游對象（即胃部模型）與程序代碼的綁定。當軟件進行時，就用戶就可以通過鼠標完成對胃部模型的交互式控制。

3.3.1 胃部模型控制旋轉

通過拖動鼠標來旋轉胃部模型，變量rotate_Speed 定義旋轉速度，Input.GetMouseButton(0)為按下鼠標左鍵時觸發(fā)操作，主要代碼如下。

3.3.2 放大與還原

當鼠標進入胃部模型，胃部模型執(zhí)行放大三倍，遠離胃部模型時，恢復胃部模型恢復原樣。變量this.transform.localScale 決定胃部的大小，主要代碼如下。

3.3.3 使用滾輪調整攝像機遠近

當用戶使用滾輪調整攝像機與胃部模型距離遠近時，鼠標滾輪向上滾動為拉近攝像機，鼠標滾輪向下滾動為推遠攝像機。其中，攝像機遠近值由變量 Camera.main.fieldofview 決定攝像機視野，另外一個變量Camera.main.orthographicsSize 決定攝像機鏡頭大小，主要代碼如下。

4 總結

目前，虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學教育軟件的應用前景廣闊，而且優(yōu)勢突出，這種方式突破了時空限制，創(chuàng)造了一個生動逼真的實驗環(huán)境。在項目開發(fā)過程中，用于創(chuàng)建胃的三維模型的軟件是3ds Max，用于創(chuàng)建胃的交互式漫游部分軟件是Unity3D。通過類似的方法，可以舉一反三，制作相應的人體器官模型進行交互漫游，從而增加學生學習的趣味性，調動學習主動性的同時，還可以在一定程度上培養(yǎng)學生的實踐技能。