解剖學實驗仿真教學軟件
早在20世紀80年代美國的JaronLanier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(shù)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(shù)據(jù))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
3dsMax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。3dsMax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3dsMax建模的方法。啟動3dsMax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(shù)，在“分段值”一項輸入32。這里要注意，參數(shù)“半徑”自定，分段數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)據(jù)，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(jù)需要適當添加文本和音頻等多媒體信息。
3交互漫游設計
3.1Unity3D軟件介紹Unity3D由美國一家軟件公司UnityTechnologies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(jù)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(shù)，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(shù)據(jù)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(jù)獲得的相關數(shù)據(jù)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。3.3.3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3dsMax，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。
參考文獻
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《解剖學實驗仿真教學軟件》來源：《科技傳播》，作者：蔡洪濤 王巧玲 黃和
