犬頭骨模型的三維數(shù)字化建立

劉桐希，王宏坤，鄧 彪，宋德光，李 穎，宋斯偉

吉林大學動物醫(yī)學學院，吉林長春 130062

有賴于成像技術與打印技術的進步，3D技術取得了長足的發(fā)展并已成為現(xiàn)今的熱門技術，在廣告制作、影視宣教、交通規(guī)劃、醫(yī)療衛(wèi)生、教育教學、游戲生產(chǎn)、建筑規(guī)劃、工業(yè)設計、軍事軍工等領域。3D（立體）技術特指基于電腦/互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化3D/三維/立體技術，即三維數(shù)字化。

犬解剖學是研究犬體各器官的正常形態(tài)構造、位置關系及其發(fā)生發(fā)展規(guī)律的科學，屬于家畜解剖學的范疇，是研究犬生理、繁殖、飼養(yǎng)、外科、診斷、治療和其他臨床科學的基礎。傳統(tǒng)的解剖教學方式是借助文字講解、圖片展示、標本觀摩和尸體解剖等方式進行教學。對于利用這種傳統(tǒng)的教學方式進行實驗教學，對于幫助學生理解動物解剖結構的三維形態(tài)方面有局限性。現(xiàn)代計算機技術的發(fā)展使利用虛擬的三維數(shù)字化展示動物的立體解剖結構成為現(xiàn)實，極大的提高學生對動物組織器官形態(tài)和結構的理解與認知。利用新興的三維數(shù)字化技術進行解剖教學可以避免傳統(tǒng)教學方式中尸體腐敗、防腐藥品使用等因素對人體健康的損壞，增加使用的便利性，提高教學效率。我們想要通過3D建模技術，使得書本上的平面圖（以頭骨為例）能夠以立體的形式展現(xiàn)出來，并且可以將其組成部分自由拆解與還原，以滿足授課時先整體后局部的教學需求。最終可以通過3D打印技術獲得模型，增加實踐教學中的可操作性。同時隨著線上教育需求的日益增加，教學中對于標本數(shù)字化及立體全方位展示的需求大幅提高，這與提高教學效率、促進教育公平、最大限度使用現(xiàn)有存量教學資源的需求相一致。

3ds Max的建模對象主要有多邊形(Polygon)建模、非均勻有理B樣條曲線(NURBS)建模、細分曲面(Subdivision Surfase)建模。

1 模型制作

犬頭骨模型圖片的制作是將模型三維數(shù)字化的第一個步驟也是最重要的步驟。制作過程用到Adobe Photoshop、Mari、3ds Max等軟件。主要步驟包括首先對實物模型全面、立體的精確攝影，并利用Adobe Photoshop對圖片進行處理，去除無關畫面。其后使用3ds Max軟件依據(jù)實物標本比例精確構建頭骨整體及各部分的模型。之后，利用Mari軟件將拍攝的圖片填充于構建的模型之上。

1.1 選取參考標本

選取吉林大學動物醫(yī)學學院標本館內的犬頭骨模型，使用單反相機對標本進行立體化、全方位的拍攝。確保將標本真實還原。

1.2 制作參考圖

拍攝標本后使用Adobe Photoshop軟件對拍攝所得圖片進行處理，去除圖片中與模型構建無關的畫面。并確保修改后圖片正側面細節(jié)位于圖片相同位置，利于位置匹配。

1.3 導入?yún)⒖紙D

啟動軟件3ds Max，使用位圖貼圖功能（相應位置為：軟件菜單-材質編輯器-位圖貼圖功能），將相應圖片導入至場景內，調整相對位置，調整完成后，將圖片進行凍結，獲得所需的參考圖。

1.4 建立模型

依據(jù)實物標本及參考圖拍攝所得數(shù)據(jù)，規(guī)范設定3ds Max軟件中的單位，使之符合實際情況。同時根據(jù)頭骨各部分的結構特點，選取不同的初始構建模型。建模過程中盡量使用四邊面，必要的時候也可以使用三角面。因頭骨左右兩側基本完全對稱，因此可在建立單邊模型后圖層整體通過旋轉復制得到雙邊模型。

1.5 模型保存

制作完成后將模型保存為“.max”格式。

2 模型貼圖

2.1 UVW展開

啟動軟件3ds Max，向已經(jīng)完成制作的犬頭骨模型中添加UVW展開修改器，選擇“.obj”格式，將已經(jīng)完成調整位置與大小的模型進行導出。

2.2 貼圖繪制

啟動軟件Mari，導入貼圖文件至已經(jīng)展開UV的模型中，隨后使用splinewarper工具繪制相應貼圖，對頭骨模型的大小方向及位置的進行調整，進行烘培合并操作后導出。

2.3 模型導出

啟動軟件3ds Max，打開材質球，選擇“.fbx”格式將貼圖賦予已進行UVW展開的模型進行導出。

3 模型交互

Unity 3D軟件是由Unity Technologies公司開發(fā)的用于建筑可視化、實時三維動畫等內容交互的多平臺綜合型開發(fā)工具，是目前較為常用的動畫、游戲交互引擎。在本項目中，使用Unity 3D軟件進行點擊-拖拽交互功能的實現(xiàn)。使得項目使用者可使用鼠標等輸入設備對制作完成的項目全方位、立體無死角的觀看與學習。

3.1 新建工程

打開Unity 3D軟件，新建一份新工程。

3.2 模型導入

3Ds Max軟件是當前最為流行的一款3D建模軟件，直觀且操作易于上手。打開3ds Max軟件，將已完成的“.max”文件中的物體在X、Y、Z軸的坐標歸零，以確保物體位于坐標原點。使用3Ds Max軟件的導出選項，將項目保存為“.fbx”通用格式文件。使用Unity 3D軟件導入相應“.fbx”文件。

3.3 交互關系制作

將導入的模型置于軟件項目位置中央，新建對象，將對象的位置移動至相應模型中央，隨后使用Hierarchy對模型和對象的關系進行調整，將對象調整為先前模型的對象。同時于新建的“相機”初添加腳本以控制“相機”的旋轉。新建腳本，編寫相應控制腳本，賦予對象。同時將對象Cube指定至Pivot。

3.4 軟件編譯與測試

使用Unity 3D軟件File菜單Build settings選項，將相應項目編譯發(fā)布至PC平臺。在發(fā)布后的文件中，找到相應發(fā)布時命名，且文件名后綴為“.exe”的文件，打開后測試效果。

4 討論

本項目利用目前三維數(shù)字化主流軟件，將犬頭骨各部位立體、全面的展現(xiàn)于數(shù)字化平臺，且可根據(jù)使用者需求便捷高效的拖動學習與觀察。受2020年新冠疫情影響至今，新課的教授以線上教育形式開展，在以往的教學過程中，標本的線上教學僅能以圖片或視頻形式開展，無法滿足教學質量要求，效果較為不理想。本項目的建立與完成，方便學生對犬的頭骨進行整體與局部的觀察學習，更好的掌握犬的頭骨解剖結構，以“互聯(lián)網(wǎng)+”的思維滿足了線上標本教學過程中便捷、直觀、準確的要求，也有力于日后教學與實踐環(huán)節(jié)的結合，大大提高了教學的效率。同時此項目可用于整合重點高校內優(yōu)勢學科的現(xiàn)有存量教學資源，促進知識的傳播，提升教育資源的可獲取性，有力于維護教育公平、促進優(yōu)勢資源互補、提高知識流通效率及準確性。

近年來，政府對虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展越來越重視，國家發(fā)布多個政策引導支持教育信息化建設。由于3D虛擬現(xiàn)實技術可以模仿創(chuàng)造出接近真實的感官環(huán)境，非常適合解剖學習的形象化思維模式，3D虛擬現(xiàn)實技術在教育領域，有著不可估量的影響。計算機技術的發(fā)展衍生出VR、AR、三維數(shù)字化、人機交互等多種技術手段，可以將解剖標本、尸體解剖等場景進行虛擬仿真化，將動物的組織器官虛擬現(xiàn)實化展現(xiàn)在學生面前，無需接觸標本和尸體就可以體驗沉浸式課堂體驗，使得實驗教學更加優(yōu)質高效。

本項目方便快捷的同時，也存在一定的不足之處，集中體現(xiàn)在頭骨在分散復位的過程中會因為位置變化出現(xiàn)不夠流暢的問題，這是因為在建模過程中需要大量的頂點來支撐，若設備硬件條件不達標，運行偶有困難。虛擬仿真的數(shù)字化模型雖然逼真直觀，但與真實的標本或實際尸體解剖操作仍有差別，新的教學模式不能完全替代傳統(tǒng)的教學方式。所以，在實際的教學活動中虛擬模型要與傳統(tǒng)現(xiàn)實標本等教學方式相結合，各取所長，提高解剖學教學活動的效率。

綜上，下一步需要突破的重點在于如何讓模型在標準配置而非高等配置的設備上流暢運行，這對于未來三維模型的建立是一個挑戰(zhàn)。

參考文獻：略