牛骨三维模型建立及交互演示的开发

张巧灵，吴素芳，马 涛，李健宇，宋斯伟，宋德光，李建平，李 赫

(1.吉林大学动物医学学院，吉林长春130062 ; 2.吉林农业科技学院动物科技学院，吉林吉林132101)

《动物解剖学》是动物科学专业、动物医学专业及生物技术专业的专业基础课，其内容繁杂庞大。传统的解剖学教学模式是理论课上教师利用PPT或挂图讲解，实验课上观察实体标本和活体剖解去理解晦涩的文字描述，从而使所学知识在脑海里形成立体图像，这种层次分割式的教学费时、费力[1]，且往往因经费问题，全班同学只能在课程结束时剖解1只大型动物，使最直观形象的活体解剖受到限制。三维模型作为一项虚拟现实技术，其通过相机对被拍摄物体进行等距离的360度环绕拍摄，再通过图像序列将拍摄得到的照片进行缝合，最终生成一个可以360度全方位观察的三维动画[2]。它通过模拟真实物体的方式弥补了普通教学中的不足，使枯燥的内容形象、生动，因而被广泛运用于教学领域。三维动画的应用使学生学习《动物解剖学》就好像看电影一样，给学生创造了轻松愉快的学习氛围。

1 研究方法

1.1 三维模型的构建 三维动画是整个动漫系统的基础，模型的好坏直接影响运行效果和场景的逼真度。项目组挑选完整的牛骨骼标本，测量其长、宽、高等，同时进行360°拍照后存档；采用3DSMAX提供的点、线、面等的创建和修改操作对骨骼模型进行修改，对于部分骨骼，如滋养孔等细节进行特殊的处理；然后比对实际需要的颜色进行材质的建立；对于构建好的模型，根据实际需求使用FFD、镜像、对称性等操作对其进行修改和仿制，并用NURMS进行转换，根据实际情况进行细微调整，使模型更加细腻与真实，提高骨骼模型的逼真度。

1.2 交互演示的设计与开发 模型的构建只是基础，交互演示的开发才是该辅助系统的核心。利用VIRTOOLS软件提供的功能模块和参数对每块骨骼进行交互演示、分类，同时进行功能设计，即根据演示需求设计两种功能，即鼠标控制的视角转换和固定视角的物体旋转展示。鼠标控制的视角转换主要通过VIRTOOLS BBs中的Mouse Camera Orbit 函数对场景中的Camera构建脚本，修改其中的Target Referential等参数来实现；固定视角的物体旋转展示主要利用VIRTOOLS BBs中的OP 旋转等函数对物体进行脚本构建来实现。

1.3 后期的调试与修改 根据实际需求和细节要求对模型或程序进行进一步修改，使之能更好得演示及辅助教学。

2 研究结果

2.1 骨骼确定、拍照、修改 项目组成员挑选完整的牛全身骨骼标本，测量其长、宽、高等，同时进行360°拍照后存档，并在3DSMAX中建立模型(如图1)后导出(如图2)。

图1 在3DSMAX中建立模型

图2 3D MAX导出

2.2 交互演示的设计、开发及调试 项目组成员通过VIRTOOLS软件提供的功能模块和参数对每块骨骼进行导入、添光，设定摄影机视角和VIRTOOLS函数参数，最后进行重新比对和修改后导入，获得与实际标本形状一致的图形(图3)。

图3 比对和修改

3 讨论

3.1 在解剖教学中应用三维模型的优势 动物解剖学是研究动物体各器官的形态结构和位置关系的科学，该课程的特点是专业术语多，信息量大，难于培养趣味性，教与学都比较枯燥[3]。我们传统的教学主要采用图片和实体标本来向学生展示动物体的形态结构，这些工具在使用方式和展现效果上的局限，使该学科的教学效果大打折扣[4]。而三维模型的建立及交互演示的开发在解剖学中的应用，具有以下特点：(1)使动物机体各器官以卡通片的形式精彩呈现，从而在一开始就给人耳目一新的感觉，使枯燥无味的解剖学知识活灵活现地展现在学生面前，极大地提高了学生的学习兴趣和教学效果[1];(2)三维动画可以进行放大、缩小、旋转等操作，帮助教师从不同角度，不同视点进行清晰、准确的展示动物各器官的结构，使学生更容易建立起各种结构的空间定位[1]，加深了同学们对动物各个器官的认知，使后期的实验观察及知识掌握事半功倍;(3)三维动画的使用也减轻了任课教师的负担，教师不再需要为提高教学效果而在上理论课时将不易携带的标本或模型带入课堂。尤其是在讲解一些内部结构复杂、立体感比较强(如脑室)、行程跨度大(如迷走神经)和关联性强(如膝跳反射)的器官结构时，能使学生直观、 形象地观察和记忆该器官并理解其原理[2]。

3.2 在解剖教学中应用三维模型的注意事项 尽管该方法可形象立体地展示动物器官的形态结构，大大激发学生的学习兴趣，活跃课堂氛围，提高学生学习的主动性，并节约大量的人力、物力，弥补传统教学的不足。但作为教师不能为片面追求课堂氛围而过度依赖于三维动画，一定要合理利用。因此，还必须明确以下几点：(1)三维模型只能给人以虚拟的图像，它毕竟不是真实的，因此它代替不了实际器官教学，尤其是最后的活体解剖，该项综合实验不仅是学生对所学知识的一个系统复习，同时又锻炼了学生的动手能力,且能使学生真真切切感受各个器官，能观察各个器官在体内的具体位置、形态结构以及与周围器官的关系；(2)作为教师，若片面追求多媒体课件的生动性和全面性，而集文字、图片、图像、声音、动画于一体，会分散学生的注意力，使学生忽视了教学的主要内容[1]。因此，教师作为学生学习的指导者和教学活动的组织者，要目的明确，重点突出，难点强化，有针对性和适度性[5];(3)心理学研究表明：视听的形象直观也会给学生带来消极影响，在教学过程中，当学生持续注视屏幕画面时，思维受屏幕内容的限制，头脑活动会减慢[6]。因此，教师应做好角色定位，不能过于依赖三维动画，而应同时结合新老技术，做到图文并茂，声像并举，为学生获取信息和知识提供最佳途径。