3dxmax软件在解剖学教学中的应用

石冰涛,刘 锦

(1.河南职工医学院人体结构教研室,河南郑州 451191;2.郑州大学医学院解剖教研室,河南郑州 450052)

解剖学是研究人体正常形态结构的一门学科。在解剖学教学实践中,特别是在局部解剖学学习中,人体一些解剖部位结构细小、复杂,难以将解剖结构暴露清楚,细微结构不易辨认,给教师教学及学生学习带来很大不便。用3dx max构建人体结构三维模型可以对建立的数字解剖模型进行虚拟仿真操作,模拟解剖学的标本观察,虚拟解剖操作等,克服了以往传统解剖学教材和图谱的缺点,可以成为传统教材和解剖学图谱的有力补充。近年来随着计算机三维模拟和立体成像技术的发展,在医学科学领域已出现许多三维重建的方法,一般是采用人体组织器官切片的方法,将标本分多重切片,通过专业扫描仪或相机将切片断面转换为多幅二维图像,然后使用SGI图形工作站或高速计算机处理成三维图像。但这种方法投资巨大,要求自主编写图形处理软件,需要多个领域的专业人员合作完成,难以普及。

3dsmax是世界上应用最广泛的三维建模、动画、渲染软件[1]。由于其强大的功能,被广泛的应用于工业、农业、服务业、军事、医疗、科学研究、辅助教学以及工程可视化等领域。3dsmax制作出的效果图具有准确、真实、便于修改等特征。3dsmax可对数字解剖标本进行任意组合显示、隐藏、透明、放大、缩小、旋转等操作,可充分展示人体器官结构的大小、形态、空间位置及其毗邻关系。可以使教师及学生对人体每个器官、结构的形态、位置、相互关系、血供、神经支配等有准确的了解[2]。

1 材料与方法

1.1 建模 建模是把人体局部结构的外貌用 3D软件给真实的在软件中还原出来。在3dsmax中建模的方式有几何体建模、NURBS建模、网格建模、面片建模、多边形建模等。制作的骨骼模型主要采用多边形建模的方式[3]。多边形建模是3dsmax最强的建模方法,在三维软件中居于绝对优势,适合构建人体器官结构。建立组织器官的过程一般先创建一个几何体,以长方体最为常用,把长、宽、高根据组织器官的外形分成若干段,再将这个几何体塌陷成可编辑网格或可编辑多边形,然后不断修改,最后得到想要的模型。医学中的模型要求按实际比例制作而且面数应尽量少。模型的建造是动画制作的第一步,而且是非常重要的一部分,建模需要对要制作的组织、器官十分熟悉,在制作时可以在视口背景中加载图像,以用作构建模型的图案。每个视口都可以有自己的背景,因此可以在“前”、“侧”和“顶”视口中加载相应的图像,这样就有了要构建物体的三面的图像参考,以便在构建模型时提供基准。模型的质量直接关系到最终的画面效果,并直接影响到下一步贴图的质量和效率。

1.2 材质的应用 材质就是指定物体的表面或数个面的特性,它决定这些平面在着色时以特定的方式出现,如颜色、光亮程度、自发光度及不透明度等。指定到材质上的图形称为贴图。用多种方法贴图能把最简单的模型变成丰富的场景画面。材质与贴图的建立和编辑,都是通过材质编辑器Material Editor来完成的,并且通过最后的渲染把它们表现出来,使物体表面显示出不同的质地、色彩和纹理。材质在三维创建过程中是至关重要的一环。可以通过它来增加模型的细节,体现出模型的质感。在3dsmax中巧用贴图的技术能节省许多不必要的建模时间,以达到事半功倍的效果。良好的材质应用不仅可以使建造的模型表现得更为真实,而且还可以省去许多建模的细节[4]。

1.3 动画 动画是基于人的视觉原理创建运动图像,在一定时间内连续快速观看一系列相关联的静止画面时,会感觉是连续的动作,每个单幅画面被称为帧。在3dsmax中,只需要创建记录每个动画序列的起始、结束和关键点。关键帧之间的插值则会由3dsmax自动计算完成。建好模型后,根据需要制作动画来提高教学效果。可以在把一个模型在空间内自由旋转,并且不同的部位可以制作成不同的颜色,这样学生可以自己观察,利于记忆。人体的一些运动、变化的过程是难以用语言描述的,也不容易被学生接受。简单的动画通过手动调整关键帧来实现,复杂的动画可以用运动控制器来完成。三维动画可以模拟出一些难以用语言描述的运动和过程,比如说胃、肠的蠕动及心脏的跳动和微观上的一些变化过程,这些过程通过三维动画来演示是形象、直观的,非常容易理解和记忆。这也是3dmax三维动画的优势所在。

1.4 渲染 创建三维模型并为它们编辑仿真的材质,就可以创建出静态或者动态的三维动画效果。通过渲染可以达到这个目的。渲染就是给场景着色,将场景中的灯光及对象的材质处理成图像的形式。图片可以以BMP、PNG、JPEG、TGA等格式输出,动画可以以AVI、MOV、MPEG等格式输出。它极大地弥补了解剖教学中实物标本不足的问题,也丰富了解剖多媒体教学的内容。

2 结果

图1显示的是颅骨眼眶周围的侧面观,图 2显示的是颅骨眼眶周围的正面观。从3dsmax图上可以观察出3ds max制作的图像比一般图像层次清晰、有立体感。同时在3ds max中可以拖动画面全方位的观察器官的结构,这样有利于学生观察理解颅骨的立体解剖结构。

3 讨论

3dsmax在解剖学的课件制作中有着很好的应用前景。三维模型、动画有着图谱和标本不可比拟的优点,三维模型可以用不同的颜色表示出不同的结构,比标本更加直观、形象。三维动画改变了传统的表现手法,将肉眼无法看见、摄像机无法拍摄的动物体内部世界、细胞的微观世界呈现在大家的面前。相信随着计算机仿真和虚拟现实技术的不断发展, 3dsmax在解剖学教学中的应用将会更加全面。三维动画复杂的部分是在建模,由于人体的组织、器官的形状不规则,3dsmax在组织、器官的建模过程相对比较复杂,需要细心的调整,最好建模时能够对着标本操作,这样可以更加真实地再现组织器官。建模完成后制作动画,在动画中可使模型旋转多个角度展示相应的解剖部位,并可加入解说词和背景音乐。人体的组织、器官的运动和变化过程用三维动画来演示是最直观、最生动、最形象的。例如,在讲授循环系统时,可以用动画演示血液在心脏各腔中的流动情况以及血液在动脉、毛细血管、静脉中的循环情况,使学生对循环系统有了直观而形象的认识;在讲授脑的外形及内部构造时,可以利用三维动画技术生动地、形象地模拟脑的外形及构造,以使学生对脑的构造有个立体的、系统的概念。而这些正是以往教学中的难点。计算机多媒体技术为教学提供了先进的教学手段,在解决教学难点、开发学生智力、实现教育技术现代化等方面具有创新的实用价值。它形象生动而且直观的教学方式,不仅有利于拓宽学生的知识面,激发和丰富了学生的想象力,还有利于加深学生对知识的理解和记忆。这种教学方式在一定程度上突破了客观教学条件的限制,强化了实践,从而使学生对事物的认识遵循了由表及里、由此及彼、循序渐进的认识规律,提高了学习效率,有利于开发学生的创造能力,提高学生的综合素质[5]。

[1] 赵 健.3D StudioMAX人体与生物建模宝典[M].北京:清华大学出版社,2001.

[2] 王 琦,董 慧,赵 伟.新火星人-3dsmax7大风暴[M].北京:兵器工业出版社,2005.

[3] 郑 超,余上斌,黄肖丹,等.利用3dsmax和数码摄像头技术实现颅骨的三维重建[J].华中科技大学学报(医学版),2003, 32(3):34.

[4] 罗述谦.虚拟人体研究与医学图像处理方法学[J].神经信息学通讯,2002,9:25-29.

[5] 林支付,卢烘煊,沈 宏,等.丘脑的计算机三维重建及其临床意义[J].中国临床解剖学杂志,2000,18(1):39-41.