一种医药学三维标本特色数据库的设计

朱 成

(桂林医学院，广西 桂林541004)

0 引 言

标本的实物教学是医药学专业学生学习的一项重要内容，其以直观、形象的特点成为实践教学中必不可少的一种教学手段。多年来，标本陈列室一直局限于标本柜加标本缸的简单模式，标本室的开放存在诸多时间和空间的限制，不能为学生提供更多的机会来学习和观摩［1］。随着网络技术、多媒体技术和三维图像技术的发展，网络三维实物标本数据库的建设将实现标本展示不受时间和空间的限制，教师的教学和学生学习将可通过网络来完成，将进一步提高了教学、科研和工作的效率和质量。

1 标本数据库建设需求分析

(1) 标本的基本信息建立电子档案。首先对每一个标本进行分类编号，详细准确的填写具体内容，并配上完整的标本讲解声音文字材料。

(2) 标本数字化资料的制作。运用数码像机对标本进行全方位的拍摄，图像序列要能达到形象生动地展示标本360 度的图像集［2］。局部特写，运用数码像机的放大功能，可将较小的标本或微小的畸形病变部位放大拍摄，得到清晰的影像，在标本中突出重点部位［3］。在教学过程中进行互动式教学。建立标本数字化数据库的优点:能真实、完整、详细地保存资料，避免标本保存不当等原因造成损失，教学中可生动、具体的讲解，使讲课内容清晰，重点突出。

(3) 掌握器官的形态和内部构造。医学生很难做到的就是对人体立体结构的学习，从空间三维结构上掌握器官体本的形态和内部构造。三维重建技术能实现标本在网络上的真实展示，具有强大的应用优势。运用计算机三维处理技术，使用拍摄的标本连续图像序列进行三维重建［4］。这样可以从任意角度剖析和观察标本的形态空间位置关系和清淅的实物三维图像，突破标本二维图像的模式局限性，为进一步研究标本提供数字化的三维图像，做到对标本的数字化储存。

(4) 传播和测量。三维标本图像应用范围广，使用简单。可通过网络或下载后，在通用的计算机上播放或浏览，解决了学生下课后看不到标本、不方便学习的问题。三维图像采集于教学标本，与教学模型相比更真实，不会出现失真等问题。三维标本图像和教学录像相比具有明显的优势，可实现教与学的互动，学生自己可以操作标本图像，从不同角度观察学习，能激发学生学习的积极性和主动性，提高学习效率。

2 系统平台的设计与实现

2.1 系统实现的关键技术

2.1.1 三维、全景图像处理技术

二维图像经过三维图像技术的处理后，如果图像的内容比较简单，可以不进行处理，直接显示成三维图像，三维图像效果就能达到应用的需求标准［5］。如果图像的内容比较复杂，会出现尖锐的凸起和凹陷，所以需要对图像做一些平滑处理，才能达到理想的三维图像显示效果，最主要的平滑处理有滤波、插值等处理。

OpenGL 提供了上百个库函数，可方便地绘制具有真实感的3D 图形。许多图形加速卡都支持OpenGL，并且由于OpenGL 遵循ARB 制定的统一标准，各图形卡厂商也都按照这个标准提供接口，使用OpenGL API开发的图形程序具有很好的跨平台和可移植性［6］。通过调用OpenGL 库函数，启用光照，设置材质属性等，显示的三维图像才具有真实感。使用OpenGL 绘制小三角形图面，多个小三角形图面组成曲面，达到二维图像的三维显示，并通过OpenGL 的模型视图变换从不同角度观看三维图像，除了用二维图像本身对生成的小三角形面片进行纹理映射外，还可以用其他的纹理对其进行映射，丰富三维图像的显示效果［7］。

三维全景虚拟现实技术是基于全景图像的真实场景虚拟现实技术。全景是在固定拍摄点用数码相机按照一均匀角度绕垂直轴向旋转360 度的方式拍摄的实景图片，根据实际要求和具体情况拍摄一序列照片，在计算机中对图像进行处理，按照实景实际要求合成真实全景图像，通过计算机和网络技术实现实景全方位互动式展示的真实场景应用方式［8］。

2.1.2 FLASH 技术

Flash 是美国Macromedia 公司开发基于矢量图形的交互式多媒体技术，可以非常方便地嵌入网页，并通过专用的插件来实现网页中的应用，由于其强大的动画、音频和视频应用功能，在互联网中现已实现广泛的应用［9］。Flash 是一种用于互联网的动画编程语言，与Ajax 技术相比，Flash 具有更安全、更好的浏览器兼容性，并且可以与JavaScript 交互。相比脚本语言的功能，ActionScript 要比JavaScript 脚本的功能更加强大［10］。

FLASH 还具有以下优点:①采用了网络流媒体技术，对网络带宽的要求不高，可以在网络上流畅的视频、动画的播放。②采用矢量技术制作和生成流媒体动画，需要的文件存储空间较小，和其他格式的多媒体文件相比，能节省大量的硬盘存储空间。同样内容的Flash 流媒体文件只需要几十千字节，而其他格式的文件可能需要几十兆字节。③Flash 具有较好的交互性和易用性。强大的多媒体表现能力。视频图像的缩放不会变形，嵌入和控制播放音视频比较方便快捷。绘画工具强大而齐全，可以控制时间轴，支持层编辑，自动生成动画。④强大的三维表现能力;通过三维生动的表现力和交互能力，可以更好的展示实物的立体效果，为实物标本提供一个非常好的网上三维展示平台［11］。

2.2 系统设计与实现

2.2.1 系统功能设计

三维教学标本特色数据库的建设包括:①实物标本资源的选取;②实物标本的三维FLASH 三维互动性文件的设计与制作;③数据库软件的设计;④三维标本数据库的建设和网上发布;⑤数据库学习模块。

三维标本软件系统平台主要功能模块有:

(1) 用户管理模块。不同的系统管理用户具有不同的管理权限，实现对系统的分极管理。用户分为读者用户、普通管理员和超级管理员三大类，具有不同的使用和管理权限。

(2) 系统三维标本的管理模块。可实现对三维标本文件的录入、增加、删除、修改和标注等功能。及时完成系统的三维标本数据库的建设和资源的更新和发布等工作。

(3) 系统和新建标本资源通知管理模块。实现系统的新闻通知的管理和发布，系统管理员录入新的三维标本后，系统在通知栏目自动发布新建资源的提示信息，读者可以及时使用和浏览。

(4) 读者用户模块。①用户管理:注册、查看和修改个人用户信息和登录密码;②浏览和学习数据库:可以系统或单独交互式学习三维标本数据库的学习内容;③留言或在线学习内容交流:可通过在线直接实现标本学习的问题咨询，也可以通过留言版给管理员或指导老师留言，通过留言实现学习问题的解决;④RSS 信息推送［12］。

2.2.2 系统硬件平台架构

根据系统的设计和应用需求，系统应用和数据库服务器采用美国微软公司的Windows 2003 Server 操作系统，后台数据库系统采用美国微软公司的SQL Server 2005，WEB 服务器为IIS5.0 以上的. NET 2.0版本，使用Visual Studio 2008 作为系统开发环境，在开发基于.NET 2.0 的动态网页时可以减少代码的输入，提高开发效率［13］，ADOBE 公司的Photoshop 软件完成标本图像的前期处理工作，Macromedia Flash 8.0 简体中文版来完成三维FLASH 标本的制作，结合Flash、Java、Javascript、OpenGL 和DHTML 等技术来实现。

3 数据库网络应用的实现

3.1 三维标本的数字化实现

(1) 标本数字化图片的采集。利用学校各教研室现在的实体标本，用数码照相机，在2 048 ×1 536 分辨率下拍摄。数码像机用三角架固定，标本置于固定的转盘中心，拍摄背景用蓝布，利于后期对标本图像的处理。拍摄过程中应避免照明光线强度发生变化。为了保证标本图像的质量，每个标本拍36 张(即转盘每旋转10°拍摄1 张)。图像文件按一定的命名规则，采用标本名拼音简写加1 ～36 数字构成，每个标本图像文件单独存放一个文件夹。

(2) 标本图像的前期处理。利用图片处理软件ADOBE 公司的Photoshop 软件来完成。将拍好的36张图片导入PhotoShop 中，首先对所有图片进行亮度调整、对比度调整等操作，保证每幅图处理后的效果要统一，统一图片分辨率、大小和背景等。

(3) 三维全景标本文件的制作。将第个标本的序列图片处理好后导入到Flash 中生成一个MC，在场景中，通过设置功能按扭和ActionScript 编程控制MC 的播放，达到使物体可以交互完成360°旋转的效果，并加上放缩和鼠标交互功能按钮，在Flash 中通过精确控制点的位移来达到模拟三维空间的真实效果［14］。

3.2 三维标本数据库的建设

三维标本数据库采用分类和分目录存储的方法，包括所有标本的具体数字化和实物存储的具体信息，标本信息数据库表如表1 所示。

3.3 网络应用的实现

三维立体标本浏览和学习可实现标本放大、缩小、旋转、移动，同时显示放大的病变的部位和病变描述等功能。可使用键盘的+、-进行放大缩小，用箭头←、→和y、z 键进行标本旋转，或直接用鼠标对标本进行移动。在网页中调用Flash 的SWF 文件也有两种方法:一种是插入的形式，把SWF 文件当作一种插件;一种是ActiveX 控件的形式，把ShockWave-Flash 控件导入网页文件中［15］。

表1 三维标本信息数据表

3.4 网络应用的效果

通过三维标本数据库系统的使用，真正实现了管理简单、维护方便、安全可靠、兼容性好等特点。系统后台管理系统为管理员提供了易于操作、实现动态系统更新与维护的三维标本数据库构建与资源管理平台。系统交互性能和功能强大，管理界面友好直观，操作方便。图1 是三维标本在网页中进行浏览的效果。

图1 三维标本浏览效果

4 结 语

医药学三维标本数据库适用于所有医学及与医学相关专业学习和利用，用于对所学各学科的标本进行自学或复习，也可用于课堂教师讲解和演示。青年医生还可利用三维标本对手术部位的人全结构进行深入学习，从而增加手术成功率，降低手术风险和医疗事故的发生率。本文建设了一个功能较为完整的三维标本的数据库系统，可完成三维标本的制作，网上标本的录入、修改和更新等功能。管理系统为管理员提供了易于操作、实现动态系统更新与维护的资源管理平台。系统功能强大，管理界面友好直观，操作方便。便于读者使用，为实物标本的利用拓展了网上空间，增加了标本的利用率。

［1］ 张 涛，乔从进，彭希平，等.数字化技术应用于胚胎标本陈列室管理的几点构想［J］. 山西医科大学学报(基础医学教育版)2006，8(2):192-194.

［2］ 张韶华，刘丽娟，国伦书等.病理大镜下标本数字化图像库的构建［J］.中国医学教育技术，2007(4):123-124.

［3］ 何耀光，陆培军，胡郁华.基于三维全景的可视化平台技术的研究与实践［J］.计算机与现代化，2010(12):145-148.

［4］ 黎杨梅.医学图像三维重建［J］.襄樊职业技术学院学，2012，11(1):43-45.

［5］ 叶加明，陈义仁.用OPENGL 实现二维图像的三维显示［J］.电脑编程技巧与维护，2007(6):58-60.

［6］ 唐 慧，杨 奎，鲍旭东.医学三维图像显示平台的开发与研究［J］.计算机工程与应用，2006(3):212-214.

［7］ 冯清秀，夏俊力. 基于OpenGL 的交互式PLC 虚拟实验系统［J］.实验室研究与探索，2011(2):47-50.

［8］ 秦国防，胡志英.基于图片序列的虚拟现实技术在三维校园中的应用［J］.南昌高专学报，2011(2):163-164.

［9］ 林清夫，李爱英.Flash 在网络课件三维动画设计中的开发应用［J］.机械制造与自动化，2006 ，35 (4 ):115-117.

［10］ 胡奇光，吴蓉晖.基于Flash ActionScript 3. 0 的动画设计的研究［J］.计算机与数字工程，2010(7):147-150.

［11］ 王述运，吕 明，郭建光.Flash 技术在航空仪表虚拟实习系统中的应用［J］.电脑知识与技术，2009，5(30):8530-8531.

［12］ 李 文.Web 2.0 在高校图书馆学科化服务中的应用研究［J］.高校图书情报论坛，2011，10(1):40-42.

［13］ 朱 成，朱开梅，蒋海萍，等. 基于. NET 的动态免费专业电子资源网站软件的构建［J］.图书馆学研究，2011(3):54-58.

［14］ 陈世红.基于FLASH 的多媒体课件开发探索［J］.电脑知识与技术，2011，7(20):4952-4953.

［15］ 梅 林，王利平，晁仕德.精品课程制作中技术难点及解决方法［J］.青海师范大学学报(自然科学版)，2011(1):27-29.