利用虚拟现实技术构建虚拟人体科学馆❋

杨懿农 向长和 饶利兵 谭 风

(湖南医药学院, 1 医学形态中心, 2 医学口腔实验中心, 怀化 418000)

随着计算机软件水平的发展,人们利用碎片化的时间发布信息和获得信息,已成为了一种全新的生活方式和学习方式。如何运用这个新的移动媒体更好地为解剖学服务?如何让枯燥的人体形态知识在新的移动媒体中占有一席之地?这些都摆在教师面前一个新的问题。本中心技术组意在通过虚拟现实技术将人体科学馆虚拟数字化、网络化,将科学馆展厅中的标本进行720°图像数字化,使其能在互联网上生动地展现出来,方便医学生使用计算机、手机等便携式移动终端学习观察及社会科普推广达到及时性、互动性、受众多、传播高效等特点。

1 技术方法

1.1 人体科学馆各展区的取景及其坐标设置

湖南医药学院人体科学馆具有包含了“系统大体解剖标本、铸型标本、生物塑化、断层标本、局部解剖学标本、病理标本”等8个展厅。

首先在取景的视角上要有所选择。通常在展厅中央设置一个观察点作为中心点辐射整个展厅,也可以根据参观者步数设置多个观察点(图1)。其次设置坐标是为了图片拍摄出来后方便进行全景图像拼接。本技术组选择设置5点(5层)的方式进行拍摄。取景拍摄完成后将5层多角度的图片拼接在一起进行处理,最终形成整个展厅的全景平面图[1](图2)。

1.2 全景漫游的生成和图片处理工作

将获得的全景平面图导入全景观察软件,通过对齐、补充缺失点等方式生成全景漫游模式图(图3)。

1.3 实物标本720°观察模式的拍摄和取材、建模

将标本从中心线开始自上至下建立5层拍摄面,每层旋转拍摄1周。设置好相机自动拍摄间隔时间和圆盘旋转1周时间后将标本放置自动旋转的圆盘中进行拍摄。通常以拍摄1周72张图片效果较好。将拍摄出的图片通过PS抠图、去噪、设置大小后进行球形图片拼接形成720°标本三维图,导出所需要格式保存。(图4)。

1.4 建立虚拟仿真人体科学馆(全景)

在网络平台上把之前获得的人体科学馆各展厅全景图片按照观察者顺序进行连结,设置好视线观察角度。并将单体实物标本720°三维图嵌入全景漫游中,以达到使用者观察单个标本时的触摸翻转标本互动目的。

2 结果

通过2年的建设,按系统将湖南医药学院人体科学馆内外的场景实现了虚拟化。科学馆全景化及实物标本的真实和直观,使用者身临其境,可直接从中获取知识,开阔视野。

2.1 科普教育方面

使参观者避免了一定的恐惧感,且方便快捷,随时随地想看就看,受到社会人士大量好评。

2.2 教学方面

利用观察虚拟环视标本作为学生课前预习、课后复习的内容,极大的提高了学生的积极性。由于虚拟标本的真实还原,并可多角度观察,学生在学习过程中能更清晰的明白人体结构的细节,在后期理论学习和实验教学中效果极好。

3 讨论

3.1 建立虚拟现实交互式人体科学馆的意义

国内虚拟现实技术研究起步较晚,受限于人体标本缘故,各高校对于人体科学馆的虚拟化研究较少,且投入成本高。在临床上对于疾病治疗的虚拟化展示较多,但均为3D建模后展示,缺乏了人体结构的真实性及周围结构的细节。

3.2 虚拟现实交互式人体科学馆的特点

(1) 将解剖学与网络媒介、三维景像构建有机结合在一起[2],把人体科学馆装进了口袋,优化了传统模式,使学习超越了时间性和地域性,达到快捷、高效,辅助临床教学、服务临床、服务科研；(2) 实物构建的数字人体科学馆全景视图比二维平面视图更加真实和直观,使用者身临其境,从中获取知识,开阔视野[3]；(3) 将代表性标本单独制作出环视效果,方便观察者多角度立体原位的观察；(4) 本项目中的数字人体科技馆以实物为镜像,改良了虚拟数字人体图像与实物图像之间存在较大差别的缺点[4]；(5) 提升了人体科学馆中标本的利用价值,做到珍惜资源利用的最大化而又极大地减少了对标本的损耗。

3.3 经验与反思

本中心组在研究建立过程中发现一些自身不足的问题与获得一些经验,以供同仁参考： (1) 人体科学馆的设计布局： 本中心组以本校人体科学馆为模版建立出虚拟人体科学馆。由于本校房屋条件有限、原人体科学馆标本过多,所以在建成虚拟科学馆后,会觉得虚拟展馆太小、展品太多、让人眼花缭乱,不便参观。预期在新建成的科学馆进行重新布局规划,展示出精品；(2) 大件标本环视拍摄困难： 本中心组在采集大件标本数据时(全身、四肢),由于标本过高过长,旋转拍摄十分困难,标本中心轴几乎无法固定,造成后期球形图片拼接错位,达不到预期效果；(3) 各类标本数据采集工作量大,建议组织学生兴趣小组自发参与图像采集、整理工作；(4) 此方法建设虚拟人体科学馆简单便捷,可利用学校原有网络平台展示,极大的节约了资源。

图1 拍摄坐标的设置. 图2 全景平面图.

图3 生成全景漫游模式图. 图4 标本的旋转拍摄及获得图像.

在医学教育领域里人体标本是学习的基石,即使精确度高的模型在一定程度上仍然不能取代标本的地位。而虚拟现实的交互式人体科学馆与3D交互解剖教育软件最大的区别在于使用(真实)人体标本集成三维图,它在同样环境下以最大的程度还原真实人体器官的形态结构,与原标本几乎无差别[5]。这使学习者能够更加客观地学习和研究人体结构,同时也为他们提供了相对权威的学习资料。在网络环境中,可通过移动设备,随时随地从不同的角度对馆内任一人体结构标本进行灵活的推近、拉远、旋转、观察学习等操作,使学习者和参观者在漫游人体科学馆时不仅可以领略人体科学馆的风貌,还可以与实物图像虚拟环境直接进行自然的交互操作,直接观察人体结构,学习人体科学的知识,犹如身临其境,从中获取知识,开阔视野,感受人体的灵巧结构、精美与神秘,激发探索医学科学的兴趣和动力。