虛擬仿真實驗軟件中對象三維模型的構(gòu)建與漫游設(shè)計方法研究

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)，它借助于計算機軟件技術(shù)、多媒體技術(shù)，計算機圖形學(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)、人機接口技術(shù)及人工智能技術(shù)等多項技術(shù)，通過高速計算機的運算來構(gòu)建一個虛擬的世界[1]。在這個虛擬的世界里可以將現(xiàn)實世界的事物重現(xiàn)，或者通過人的思維構(gòu)想出另一個虛擬的環(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體驗。

當(dāng)前，虛擬仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用到醫(yī)學(xué)的各個領(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)有很強的實踐性，學(xué)生需經(jīng)多次實踐，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)的實驗課程虛擬仿真軟件，學(xué)生可以反復(fù)多次練習(xí)，直至熟練掌握。從而使學(xué)生在進行課程學(xué)習(xí)時有效的利用，提高了課程教學(xué)的可視性。

2 虛擬仿真實驗軟件中三維模型構(gòu)建的基本方法

醫(yī)學(xué)課程實驗教學(xué)過程中，需要使用很多三維立體仿真模型，因此，虛擬仿真實驗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。虛擬仿真實驗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)上利用攝像機鏡頭，及材質(zhì)進行貼圖，創(chuàng)作關(guān)鍵幀動畫和對動態(tài)或靜態(tài)對象模型進行渲染等[2]。

下面介紹在虛擬仿真實驗軟件中實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。若兩個模型中的面間距離小于此數(shù)值，則會出現(xiàn)這個兩個面在渲染時的交替重疊現(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，每個模型的相同材質(zhì)成為一個結(jié)合體，有利于后期制作過程中的處理。在建立三維模型時，參與建模的對象所使用的單位要保持一致。至此，一個實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)本身運動規(guī)律的分析，根據(jù)事物的機理來建模;也可以通過對系統(tǒng)的實驗或統(tǒng)計數(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)驗來建模。還可以同時使用幾種方法。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。這個基本體是由兩個圓球和一個圓柱體構(gòu)成。實現(xiàn)的具體方法：選擇“頂視口”，點擊“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”，點擊“編輯”菜單，選擇“克隆”命令，復(fù)制這個球體。在橫軸上以中心點為基準(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)整兩個小球及圓柱體的位置，使圓柱體正好穿過兩個球體的中心。之后，使用選擇功能，將兩個小球和圓柱體三個對象全部選中，再點擊菜單欄中的“組”命令，選擇“成組”，并命名為“DNA基本體”，這時，三個對象合并成一個整體。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，點擊“確定”按鈕，這時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

通過3DS Max2010 構(gòu)建的三維模型的漫游設(shè)計是通過軟件中的攝像機來實現(xiàn)的。攝影機設(shè)置場景的幀，提供可控制的觀察點。攝影機可以模擬真實世界圖片的某些方面，如景深和運動模糊。通過設(shè)置攝影機移動來產(chǎn)生動畫效果，實現(xiàn)對三維模型的漫游[4]。3DS Max2010 中有兩種形式的攝影機，一種是物理攝影機將場景框架與曝光控制以及對真實世界攝影機進行建模的其他效果相集成。另外一種是傳統(tǒng)攝影機的界面更簡單，在它其中只有較少控件。物理攝影機和傳統(tǒng)攝影機可以是目標(biāo)攝影機或自由攝影機。3DS Max2010 的攝影像在模擬人的視野時在個性面板中將攝影機視野設(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”面板，“對象類型”選擇“自由”，參數(shù)使用默認(rèn)值，即可創(chuàng)建一個自由攝影機，在“透視”視口中選擇一個位置放置此攝影機。接下來，就是要將這個自由攝影機綁定到弧形路徑上，并沿此弧形路徑對DNA 螺旋結(jié)構(gòu)進行漫游。具體步驟如下：選擇剛剛創(chuàng)建好的自由攝影機，之后，點擊“動畫”菜單，選擇“約束”條目中的“路徑約束”命令，這時，用鼠標(biāo)點擊“路徑弧”，自由攝影機便被綁定到弧形路徑上。調(diào)整自由攝影機鏡頭位置，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，查看攝影機移動的路徑。經(jīng)過上面的操作，可以看到，在第0 幀時，自由攝影機在弧形的頂部，隨著幀滑塊數(shù)值的增加，自由攝影機沿著弧形路徑勻速移動，直到第100 幀時，自由攝影機移動到弧形的底部。點擊“播放”按鈕，可將自由攝影機移動的過程連續(xù)播放。最后，切換到“攝影機”視口，點擊“播放”按鈕，查看自由攝影機漫游DNA 螺旋結(jié)構(gòu)的過程。在進行三維模型漫游設(shè)計時要注意，當(dāng)創(chuàng)建一個與活動視口中的視圖匹配的物理攝影機，然后通過按Ctrl+C將視口設(shè)置為使用該攝影機。激活“攝影機”視口，并不自動選擇攝影機。要通過同時使用其視口和“修改”面板調(diào)整攝影機，則選擇該攝影機，然后激活“攝影機”視口。在其他視口中時，可以在“攝影機”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”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。虛擬仿真實驗軟件提供給醫(yī)學(xué)專業(yè)的學(xué)生一個內(nèi)容豐富，形象直觀的學(xué)習(xí)平臺，又能夠為醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生提供更加豐富的專業(yè)知識[5-7]，進行創(chuàng)新性實驗，同時，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，還在一定程度上培養(yǎng)學(xué)生的實踐技能。從教學(xué)應(yīng)用過程中來看，虛擬仿真實驗軟件輔助教師完成教學(xué)任務(wù)，體現(xiàn)了虛實互補、以虛促實的教學(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，從而達到現(xiàn)實教學(xué)中無法達到的效果。