关于医学教育三维模型库构建的探讨

叶 涛

(南方医科大学教育技术中心,广东 广州 510515)

·资源开发与应用·

关于医学教育三维模型库构建的探讨

叶 涛

(南方医科大学教育技术中心,广东 广州 510515)

针对目前医学教育视觉影像资源建设中存在的效率与质量问题,提出了构建医学教育三维模型库,将医学教育中常用的形体使用三维软件进行数字化建模型,形成可以重复使用的三维模型库的设想,并对其建设与管理中的关键问题进行了探讨。

三维动画;三维模型;三维图像

在医学教育中,视觉影像资源在教学过程中起着重要的作用,许多医学形态方面的教学或研究的内容需要使用视觉影像资源来表达、传递。医学视觉影像资源的媒体形式包括照片、挂图、视频以及动画等,照片、挂图均以静态的画面展示教学内容,其中照片内容以客观写实为主,挂图则可在客观的基础上加入主观的理解元素,并加入文字、图形等元素综合表达教学内容,可对画面进行提炼、抽象、强调等,且表现形式多样化,如夸张、比喻、对比等。视频、动画则比照片、挂图多个时间维度,能够表现事物的发展变化过程。与照片一样,视频侧重客观的记录写实,而动画则是在对客观事实理解基础上,根据需要进行创作,以达到教学目标。在教学应用中,照片、挂图、视频、动画等往往复合在一起,以多媒体课件、电视教材、网页课件等形式应用于教学中。由此可见,视觉影像资源是医学教学资源的基础,视觉影像资源建设一直是医学教育技术工作者主要的工作内容与研究领域。

实践表明,动画是医学教育中常用的、重要的一种视觉影像资源。动画能够将抽象的原理形象化、将微观过程宏观化、将纷杂的现象梳理归纳,是一种很重要的表现手段。动画也是制作难度最大、制作工作量最大的一种资源。首先,动画制作者需要具有绘图能力和一定的美术功力;其次,制作者要具备一定的医学知识,如人体结构、解剖学方面的知识;动画制作软件使用较为复杂,特别是三维动画制作软件,如3DSMax、MAYA等,其中涉及三维空间点线的定位、多边形编辑、NURB建模、修改器运用、材质编辑、正向(FK)运动与反向(IK)运动设置、关节与骨骼设置、皮肤绑定等关键技术[1],需要制作者对软件具有良好的驾驭能力。

从上述分析可知,一方面是医学教育对视觉影像资源的巨大需求,另一方面是视觉影像资源高制作难度与大工作量的制约,如何有效解决两者之间的矛盾,提高医学教育影像教育资源的制作效率,以适应信息化环境下对医学视觉影像教学资源的需求?经过分析与思考,笔者认为建立医学教育三维模型库可有效解决这个矛盾。

1 医学教育三维模型库的构建

医学教育三维模型库具体建设内容是将医学教育中经常使用的、反复使用的模型,如人体器官、手术器材、医疗器械等物件、器具使用三维建模软件制作出来,存储为模型文件。模型中相关物体 (object)建模原则遵循独立性与相关性原则,即模型中的物体既是独立的,又可互相构成一个整体,形成新的物体。例如:在构建心脏模型中,主动脉、上腔、静脉、肺动脉干、心耳等可设计成独立的物体,同时它们又构成心脏模型(父物体),如图 1所示。这样可适应各种不同的应用需求,选择输出心脏主动脉或静脉的三维动画、三维图像,也可输出心脏的三维动画或图像,并将模型的具体特征数据结构化,利用数据库存储起来,在此基础上形成模型库协同建设、资源共享的平台。通过这个平台,可以快速检索、下载三维模型,并在此基础上进行二次制作,以达到提高动画制作效率的目的。医学教育三维模型库的系统框架如图2所示。

图 1 心脏模型中物体结构

从图 2可以看出,医学教育三维模型库建设的核心思想是依托于网络,实现三维模型共建共享,从而节省三维建模的时间、人力成本,提高动画制作的效率与质量。医学教育三维模型库的应用能提高视觉影像资源的制作效率,是因为从三维模型库中下载后直接能用或稍作改动后就能用,避免重新建模;医学教育三维模型库的应用能提高视觉影像资源的制作质量,是因为医学教育涉及到的往往是人体器官,建模涉及人体解剖学、曲线曲面的空间勾勒能力,即使是一个出色的三维软件操作者,也不一定能够制作出高质量的人体器官模型,而入库的模型往往是高水平之作,因此借助库中的模型能提高视觉影像资源的制作质量。

图 2 医学教育三维模型库的系统框图

模型之所以使用三维技术建模,是因为三维模型是在构建于计算机虚拟空间中的真实立体模型,计算机利用统一坐标体系标记模型的点、线、面的空间位置,从而计算出模型的形状外观,并能根据观察者的视角,计算出相应的视图。例如:只要构建心脏的三维模型,计算机三维建模软件就可以计算任何角度的心脏视图,并导出成图片或动画。因此,三维模型比二维平面画面更具有重复使用的意义。同时,三维模型支持合并,可以将多个不同文件中的三维模型合并至一个新的场景中,在新场景中可以重新调整模型的大小、角度而模型不会因此而失真,因为三维模型软件会自动根据点的新坐标重绘模型。由此可见,通过构建常用的医学教育资源三维模型,能够有效实现创作资源的共建与共享。医学教育三维模型库的应用如图 3所示。

模型的建立主要利用主流的三维建模软件,如3DSM ax和MAYA等,这些三维建模软件包括编辑调整器、灯光、环境、放样变形、贴图、材质、动画控制器、空间扭曲和粒子系统[2]等功能,能满足医学形体建模需求,并且能够配置运行在 PC上,使用较为广泛。

图 3 医学教育三维模型库的应用示意框图

除了三维模型文件外,医学教育三维模型库还应尽可能提供相应的材质与贴图,与模型文件打包在一起,为模型的应用提供便利。模型纯粹是一个空间的几何造型,要应用它,还要表现出它的物理属性。材质正是具体表现模型物理属性的关键所在,通过赋予物体材质是指将一个不具备任何物理属性的模型变成一个现实生活中的物体,使之具有真实或特别的视觉效果。材质是对视觉效果的模拟,而视觉效果包括颜色、反射、折射、质感和表面的粗糙程度等诸多因素,这些视觉因素的变化和组合呈现出各种不同的视觉特征,材质正是通过模拟这些因素来表现事物的[2]。材质的设置由三维建模软件中的材质编辑器编辑,储存在材质库中,可以将与模型相关的材质存放在专门的材质文件中,与模型文件一起提供给使用者,这样使用者就可以不用自己编辑材质,当然用户也可以制作自己的材质满足自身特殊的需求。在材质设置中往往会用到一些贴图,贴图是材质编辑系统的一部分,它配合材质基本参数的调节,加之灯光照明,最终渲染[2]。这些使用的贴图原始图像文件也应与模型、材质文件打包在一起提供给用户。

2 模型库的检索方法与实现技术

为提高模型库的可用性,应根据医学教学应用特点,对所建的模型进行分类与标记,并由此形成灵活多样的、准确的检索方法。检索方法主要包括:根据标题检索,根据关键字检索,根据病种检索,根据解剖部位检索,根据生理机能或功能检索等。这些条件可以用“与”、“或”等组合成综合的查询形式,以提高查询的灵活性与准确性。要实现以上查询,技术上的标引原则既要考虑到模型的基本属性,又要考虑到模型在医学教育上的属性,并且其医学教育上的属性应是可以扩展的。具体的设计如下:

①模型基本属性归为一个表,主要标引包括:标识 ID、题名、关键字、作者、作者单位、提交时间、引用计数、描述等,模型基本属性在表中直接进行记录,而其扩展属性则通过外键标记相应的扩展属性;

②特殊的每个扩展属性为一个表,例如解剖部位,按照医学相关标准标引,主要包括:标识 ID、解剖部位。解剖部位内容包括心脏、肺部等,如后期需增加部位,只需在这个表中增加一个记录即可,这样较好地解决了数据的可扩展性,对于其他扩展属性,处理方法类似;

③模型与扩展属性表的关联采用独立的关系表。如模型与解剖部位的关系,使用模型_解剖部位表关联。例如:一个模型属于心脏解剖部位的,那么其在模型_解剖部位表表示为一个记录(模型 ID,解剖部位 ID),这样就可以检索出解剖部位的具体数据。这样标引的好处是可以较好地处理多对多的关系,并且可扩展性好。如需要增加模型的一个特殊属性,只需增加两个表 (特殊属性表、关联表)即可,对原来的数据表结构不需作任何的改动。

3 医学教育三维模型库的建设与管理

3.1 模型库实现的技术关键

模型库的实现系统结构如图 2所示,分为文件层、数据层、业务逻辑层与表现层,采用B/S应用模式。实施中以 SQL Server作为数据库服务器,业务逻辑层基于.Net Fram ework环境,编程工具为V isual Stud io.net2005,采用 C#编码实现。使用的关键技术有:

3.1.1 结构化查询语言 结构化查询语言(structured query language,SQL)是标准化的非过程查询语言,利用 SQL可以直接操作数据库中的数据,包括数据定义、查询、操纵 (增、删、改)、控制数据访问权限等[3]。将模型库中所有对数据库操作的 SQL语句都定义并封装成众多存储过程 (sto red p rocedu re),存储过程支持循环、条件结构,支持形式参数等特性,使得它可以作为完成对数据某个操作的逻辑单元,业务层在需要时调用该存储过程即可。由于存储过程在运行过程中是预先优化并编译过的,因此节省系统的运行时间。同时,存储过程位于数据库内,与嵌入业务层代码的 SQL语句相比,因业务层向数据层发出操作请求时只需传送要调用的存储过程名,不用发送冗长的 SQL语句,减少网络传送数据量。在需要对数据操纵进行修改时,只需修改存储过程,不需修改业务层的代码。

3.1.2 ADO.NET数据控件 ADO.NET是.NET Frame work环境中的A ctive Data Ob jects组件库,它由一系列命名空间组成,在模型库实现中主要使用 System. Data和 System.Data.Sql命名空间,涉及的类有:Sql-Connection、SqlCommand、SqlDataReader等[4],利用这些类,实现数据库的连接,以存储过程作为参数对数据库进行读、写等操作。

3.1.3 服务器文件 I/O 由于模型是以文件的形式存放于服务器上,在模型上传或下载时涉及对服务器的本地文件系统进行“写”或“读”操作。在.Net Fram ework中这些操作主要是通过 System.IO命名空间中的类来实现的。System.IO中的类包括: D rive Info、D irectory、D irectory Info、File和 File Info类等[5],利用这些类,可以实现对服务器的本地文件系统操作,例如:获取服务器上的驱动器标识、类型、容量等信息;创建、移动、删除目录;列举子目录与文件;路径处理;访问控制列表 (ACL)等,从而实现系统中模型文件在服务器上的存取。

3.2 模型库建设与应用有效展开的管理关键

3.2.1 成立专门的机构作为医学教育三维模型库建设、管理的运营机构 可依托于某个学术专业委员会或医科院校的教育技术中心协作组,形成专门机构,通过网络来维护管理医学教育三维模型库的建设与应用。

3.2.2 制订核心库的内容建设规划 为了有效提高医学教育三维模型库的可用性,必须对模型库的建设内容做出明确的规划。通过对医学教育中具体学科的分析,规划列出常用的、重要的内容,制订具体的模型制作方案。如解剖学中的人体器官模型、生物化学中的DNA/RNA等大分子物质模型、医学检验学中的各种仪器等,这些内容由学科专家与教育技术专家共同确定,并形成具体的设计方案。

3.2.3 必要的建设启动资金 核心库建设资金的筹集,一是依靠上级主管部门下拔,二是要依靠横向资金。例如:与企业的合作,在模型库平台投放广告等,争取通过多种渠道筹集建设资金。

3.2.4 建模团队的构建与培训 通过全国各医科院校教育技术中心,组织一支由动画制作、美工、医学方面人员组织的制作团队,并根据建设规划,制作具体分工计划与建设规范,组织具体技术、工作流程方面的培训。

3.2.5 建立长久的可持续发展机制 建立长久的可持续发展机制较为重要的是:平台运营的必要资金如何维系?当前期资金支持核心模型库建立起来以后,后期的内容更新、补充以及平台的维护需要一定的资金投入,除在平台上投入广告外,可适当考虑模型库的有偿使用。有偿使用需要平衡的教学共享面与成本之间的关系,应尽可能让模型库广泛应用于教学中,因此有偿使用可局限于高品质的模型或在出版发表作品中使用的模型。

3.2.6 激励机制 采用适当的激励机制鼓励教育技术工作者以投稿的形式上传自己制作的模型到平台上,以便不断扩展模型库的内容。除给适当的稿费外,还可以采用引用署名的形式,谁使用了其制作的模型,需要注明原模型的作者,并在平台上标明此模型的引用数量,引用量越高,作者在引用排行榜上的排名就越靠前,以提高作者的知名度来吸引模型制作者往平台投稿。

3.2.7 知识产权保护措施 知识产权的保护主要是保护模型创作作者及模型拥有者的权益。模型创作者的权益较为有保障,主要确立模型创作者与模型库管理机构的合同关系,以订做、验收、一次性结算的形式进行。而模型拥有者 (模型库管理机构)则十分复杂,模型使用者必须付费给模型拥有者,但模型一旦下载到用户那里,就有可能被再次传播、使用而不需付费,这是一个长期困扰知识产权的一个问题,一般需要特殊的技术来制约,如加密、授权等,但这和模型库建设资源共享的初衷相悖,而且技术的成本太高。这个问题的解决还需要进行漫长的探索,根本还是要提高用户的知识产权意识。

医学教育三维模型库的建立能够将医学教育中常用的各种形态,如人体器官、医疗器械、细胞等元件化,以数据库实行管理、查询,以网络平台形式实现共享共建,从而提高医学教育资源的建设效率与质量,从而为教学提供优质的教学资源。医学教育三维模型库要有效实现资源共建共享,需要有效的管理与运营,关键是有效的激励机制与知识产权保护机制的建立。

[1]陶丽,佟凤义.神功利器:3DSMm ax9三维动画制作典型案例[M].北京:清华大学出版社,2008

[2]郝相林,韩翠英,王磊.3DSM ax9从新手到高手[M].北京:清华大学出版社,2008

[3]王能斌.数据库系统原理 [M].北京:电子工业出版社, 2000

[4]B ill Evjen,Scott Hanselm an,Farhan M uhamm ad,等.ASP. NET2.0高级编程[M].4版.北京:清华大学出版社,2006

[5]Christian Nagel,B ill Evjen,Jay Glynn,等.C#高级编程[M].4版.北京:清华大学出版社,2006

On the construction of 3D m odel da tabase form ed ica l educa tion

Ye Tao
(Cen ter of Educa tiona l Techno logy,Sou thern M ed ica lUniversity,Guangzhou 510515,Ch ina)

To imp rove the quality and efficiency of visual resources ofm edical education,the paperp roposes constructing 3D model database ofm edicaleducation so as to constructa digitalmodelof the frequently usedm edicine education ob jectsw ith 3D softw are so that it can be a reusab le 3D digital model database.The paper also discusses key issuesof its construction andm anagem ent.

3D anim ation;3D model;3D im age

G434

A

:1004-5287(2010)02-0132-04

2009-12-10

叶涛(1970-),男,广东人,副教授,硕士,主要研究方向:网络教学系统与资源的开发与应用。