虚拟仿真解剖学实验的设计与制作

姜祯育 蔡洪涛 王杨

摘  要：本文首先描述了虚拟仿真实验在解剖学实验教学过程中的意义，并抽取解剖学实验教学中相关内容，以胃部形态动态漫游虚拟仿真为例，介绍虚拟仿真技术在解剖学实验教学过程中的制作方法，即虚拟仿真实验中的建模技术、动画设计、漫游功能实现的方法。

关键词：虚拟仿真;解剖学实验;胃部形态;漫游功能

中图分类号：TP391.9;      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）09-0084-04

0  引  言

虚拟现实技术和现代医学的飞速发展以及两者之间的融合使得虚拟现实技术已开始对生物医学领域产生重大影响，目前正处于应用虚拟现实技术的初级阶段，其应用范围包括从建立合成药物的分子结构模型到各种医学模拟，以及进行解剖和外科手术教育等医学中的虚拟现实系统。虚拟仿真实验是虚拟现实技术的一个重要应用领域。因此，将虚拟仿真实验在解剖学实验课上进行应用，对于医学课程的教学有着重要意义。

1  解剖学虚拟仿真实验的意义

1.1  节省实验成本

选取典型的解剖学实验进行项目开发，可以节省实验成本。通常我们由于设备、场地、经费等硬件的限制，无法进行的实验，可以利用虚拟现实技术制作成教育软件，让学生足不出户便可以观察实验，获得与真实实验一样的体会。在保证教学效果的前提下，极大地节省了成本。

1.2  规避风险

挑选一项风险比较大的解剖实验进行实验仿真技术研究，可以起到规避实现风险的作用。真实实验或操作往往会带来各种危险，利用虚拟现实技术进行虚拟实验，使学生在虚拟实验环境中，可以放心地去做各种危险的实验。

1.3  全方位展示教学内容

信息技术与虚拟现实技术结合，打破空间、时间的限制，能全方位展示教学内容。对于特定的实验内容，学生都可以进入这些物体的内部进行观察。实验课上，老师经常会在我们自己动手做实验之前对实验进行一个初步的演示，在这个过程中有的同学会由于各种因素影响到对演示实验的观看。这时，可以利用虚拟现实技术将实验进行一个立体化的演示，并且每一个同学都会看到一个清晰完整的实验演示，那么会大大提高上课的效率，减少在动手实验过程中进行的错误操作。

2  解剖学虚拟仿真实验模型设计

解剖学课程实验教学中涉及到的消化系统、神经系统、脉管系统、内脏、运动系统的肌肉和关节相关实验，选择适合使用虚拟现实技术来体现虚拟仿真实验内容的部分，作为开发虚拟仿真教学软件的核心内容。

2.1  确定构建目标

首先，确定将解剖学实验相关标本进行数字化处理，然后通过虚拟现实技术，利用三维软件建立实体模型，形成视觉上的仿真。因此，在进行虚拟仿真实验软件开发时，将真实场景与构建三维立体空间形成一个对照关系，并运用虚拟现实技术将实验过程中涉及的對象结构、形态等进行数字建模及必要的视频处理，通过利用相关软件技术或硬件（结合VR设备），制作成虚拟仿真解剖学实验教学软件，最终给用户一种真实的体验。本文以胃部形态动态漫游为例，来介绍开发此类虚拟仿真软件的各个过程。同时，利用互联网技术将实验内容上传到校园网上。在应用过程中，学生不受时空的限制，能够及时上网进行学习，并与真实的解剖学实验形成虚实结合、相互补充的作用，如图1所示。

2.2  构建模型的方式

构建实验物体模型是虚拟仿真实验的重点内容，也是核心内容。建立模型的方式有两种方式，一种是全景方式构建模型，另外一种方式是利用三维建模软件构建模型。

全景方式构建模型的方法，先利用360°广角摄像机对需要模拟的环境进行录制以实现仿真的应用。录制产生的视频利用计算机中的Ae，Pr等视频软件进行一个预处理，然后利用Kolor Autopano Video Pro及Autopano Video Pro对视频进行拼接。Kolor Autopano Video Pro是一款功能强大的全景视频拼接制作工具，可以缝合和创建360°全景图视频。Autopano Video Pro允许用户创建身临其境的360度环绕视频，能够将多个镜头组合到一起，对镜头进行渲染处理。利用这种方式开发制作的虚拟仿真实验，可以直接应用，但不利用后期继续开发。

利用三维建模软件构建模型，是利用3ds Max软件制作数字化模型。3ds Max是基于PC系统的三维动画制作及渲染软件，具有三维建模、摄像机使用、灯光设定、材质制作、动画设置及渲染等功能。3ds Max可以利用一些基本的几何元素，如立方体、球体、样条线等，通过一系列几何操作，如平移、旋转、拉伸及复合运算等来构建复杂的几何场景。

3  构建虚拟仿真实验三维模型

在本虚拟仿真实验中，胃部漫游过程是以胃部模型为基础，与连接胃部的上、下肠道共同构成整个实验的主要模型，如图2所示。具体制作过程如下。

3.1  素材准备

将准备的Stomach.JPG（此图片用于贴图）图片文件放入路径为“D：＼3d”的文件夹中。

3.2  构建胃部主体模型

首先，单击“菜单栏”中“创建”命令，在“标准基本体”中单击“球体”，打开修改命令面板，输入分段值32，如图3所示，在前视图中绘制球体。注意：参数“半径”自定。分段数值不得小于20。

然后，单击“修改栏”∣“弯曲”命令，沿Y轴将“球体”进行弯曲，之后在修改面板中，输入“弯曲”参数：角度60，方向20。单击“修改栏”∣“FFD圆柱体”命令，按键盘上数字“1”键激活（或隐藏）锚点，框选锚点或按住Ctrl键点选取相应锚点后移动、旋转或缩放调整、挤压该球形，使其更加形似胃部，如图4所示。

3.3  构建上、下部肠道模型

构建胃上部肠道，首先单击“菜单栏”中“创建”命令，在“标准几何体”中找到“管状体”选项并单击，参数设置：半径1：9，半径2：6，高度70，高度分段10，边数18。

然后，单击“修改栏”∣“Bend”弯曲命令，沿Z轴将“管状体”弯曲一定的角度，在修改面板中输入数值：角度90，方向0。单击“修改栏”∣“FFD圆柱体”命令，按键盘上数字“1”键激活（或隐藏）锚点，框选锚点或按住Ctrl键点选相应锚点后移动、旋转或缩放调整该管状体，使肠道口的上端较窄，与胃连接的下端口较宽，如图5所示。

最后，按照胃上部肠道建模方法，构建胃下部肠道模型。

3.4  形成胃部整体模型

此步骤将胃部主体与上、下两个肠道合为一体。首先，框选胃部主体、上部肠道及下部肠道三部分，单击“菜单栏”中“组”∣“成组”命令，命名为“胃部”。

3.5  胃部模型添加材质

胃部整体模型已经构造完毕，利用贴图功能给胃部模型添加材质。首先，单击“菜单栏”中渲染∣“材质编辑器”命令，单击选中材质球01-Default，勾选“漫反射颜色”，单击“漫反射颜色”后的“NONE”按钮，打开“材质贴图浏览器”，双击“位图”，在路径为“D：＼3d”的文件夹中选择“Stomach.JPG”文件，单击“打开”。回到材质编辑器中，鼠标放到材质球01-Default上，单击鼠标左键并拖拽到“胃部”组模型上，选择“指定给选择集”，单击“确定”，即完成贴图。

3.6  制作旋转动画

把关键点指针放置到0处，单击“自动关键点”。移动关键点指针到35处，把胃部延Z轴旋转90°。移动关键点指针到65处，把胃部延Y轴旋转90°。

3.7  渲染输出

将制作好的动画文件输出，单击“菜单栏”中“渲染”∣“渲染设置”命令。设置参数，时间输出为：范围0至70，输出大小PAL（视频）。单击文件，在对话框中设置参数，历史记录D：＼3d，保存在3d，文件名为：胃部旋转动画，保存類型为：AVI文件，单击“保存”。保存后自动回到渲染设置界面，单击“渲染”，生成“胃部旋转动画.AVI”的动画文件。

3.8  摄像机漫游动画

制作漫游动画，可以从多角度观察胃部模型。制作过程如下：首先，在创建面板中单击“摄像机”按钮，在对象类型栏中单击“目标”按钮，在前视图中按下鼠标左键并拖动，此时创建了摄像机，然后定义摄像机的“目标”点，如图6所示。

利用鼠标单击透视图并按快捷键C，把透视图切换到摄像机视图。把时间轴指针对准0，单击激活“设置关键点”，然后选择激活移动工具，单击记录关键点。移动关键点指针到40处，在左视图中，用移动工具沿X、Y轴把摄像机位置适当调整，单击记录关键点。按照40帧时设置关键点方式添加65帧时的关键点。

设置好关键点后，单击“设置关键点”取消激活。添加关键点及各个关键点处摄像机的移动位置，最终，将生成“胃部形态漫游.AVI”的文件。

4  结  论

虚拟仿真实验的开发不同其它应用软件在开发过程中注重数据存储及数据的处理过程，而强调在应用过程中虚拟物理的真实体验及漫游过程中的人机交互。解剖学实验中关于胃部形态的虚拟仿真实验设计的方法，并通过使用3ds max建立仿真模型，浏览胃部形态的动画，以及通过摄像机改变观察角度等方法，从而达到了教学目的。

参考文献：

[1] 曾爱林.计算机应用基础项目化教程 [M].北京：高等教育出版社，2019.

[2] 娄岩.虚拟现实与增强现实应用指南 [M].北京：科学出版社，2017.

[3] 谭雪松，李如超，袁云华.3ds Max 2010基础教程 [M].北京：人民邮电出版社，2010.

作者简介：姜祯育（1999-），男，汉族，辽宁营口人，本科在读，2015级临床医学专业;通讯作者：蔡洪涛（1975-），男，汉族，辽宁沈阳人，教研室主任，副教授，硕士，研究方向：虚拟仿真项目开发。