应用于网络教学的老年护理动画仿真

雷敏蕊 齐琦

摘要：我国老年护理服务普及教育发展滞后。对于此方向的虚拟数字化设计方法体系在国内较少有相关的理论研究，虚拟仿真技术的出现为传统护理培训模式带来了新的血液，同时新的动画技术也为老年护理培训带来了一场前所未有的变革。本文探讨了用于网络培训的动画仿真养老护理道具设计与开发，在模型表现方式上引入游戏美术行业的较为成熟的PBR模型流程的创新融合手法，实现其视觉需求。

关键词：动画仿真;老年护理;道具设计

虚拟仿真技术近年来多应用于医疗相关领域，在护理领域方面也有所涉猎，国内外均取得了一定成果。由于养老护理领域有其专业性与特殊性，挖掘动画仿真在该领域的应用，目前还处在起步阶段，值得开发并形成经验理论。老年护理道具主要是帮助患者开展被动活动或协助患者进行主动运动及日常活动，提升老年人生存质量的工具，是完成老年护理教学不可或缺的重要组成部分。项目参与者采用市场调查、设计实践、案例分析及跨学科合作等研究手段来进行养老护理仿真道具设计。本研究主要以老年护理仿真道具设计为例，研究基于3ds Max，老年护理道具模型在虚拟护理环境中的科学表达。

为了还原护理道具的真实性及客观性，项目参与者前往医院进行了实地考察，结合医院提供的大量图片及视频等资料，对护理道具的形体结构有了大致认识。

同时，在模型贴图制作的过程中，尽可能地呈现出模型的真实感。如在助行器的制作上，手握部分采用不易脱手的防滑材质贴图，脚部底座采用橡胶材质贴图，以及助行架采用铝合金材质贴图。

护理道具的设计相较于常规道具来说，对专业性与科学性提出了更加严谨的要求，护理道具的设计结合了大量对人体的研究分析，用科学的数据来确定人在具体环境中的舒适状况和安全限度。在动画仿真道具制作过程中，则严格按照护理医学规范道具的比例及尺寸来进行模型制作。

根据动画需求，以偏瘫病人为例，在拐杖的选择上，一般来说，应当考虑到患者的平衡能力以及使用安全，因此，项目参与者选择了帮助患者增加稳定性，减少下肢承重的腋拐，腋拐的长度为患者身长减去41CM。患者站立时，腋拐手握部分应平行于患者股骨大转子，腋拐高度约在腋窝下3横指处，腋拐脚部底座应在小趾前外侧15CM处，减少患者在行走过程中肩膀和背部产生的压力，满足仿真动画角色与道具之间运动的合理性。

通过虚拟仿真技术来实现对护理道具的写实还原，能够有效地降低护理道具在临床实践教学使用过程中的损坏和消耗等问题，进而节约在制作护理道具上耗费的成本与时间。

模型制作基于三维软件，在创建模型的过程中，为了使后期进入引擎后三维演示动画正常流畅的运作，在充分保证模型剪影形态的情况下需统筹精简模型的面数。根据医院提供的图片、视频等资料，结合实地考察收集的数据和相关信息，整体把握护理道具的结构和轮廓，细部结构通过贴图对其进行完善。

在模型制作的过程中，应当注重布线。引擎只能识别三角面或四边面，并且引擎难以识别长条形的三角面，因此应当尽量保证布线合理规范，且尽量避免面的拉伸。

3ds Max计算模型默认是以原点为基准。将模型坐标轴归零有助于减少软件运行内存，且在引擎中若坐标轴未归零，三维演示动画可能会出现错误。

动画仿真道具种类多且数量大，为了便于文件整理、后期修改以及任务交接，提升团队合作效率，应当通过科学的规范命名来进行管理，建立有序的仿真模型库。

PBR流程是近年来游戏行业领域写实表现最为优秀的技术，然而医疗护理具有其特殊性和专业性，因此在引入PBR流程中，将护理诉求与之有机融合，是该课题研究的关键之处。

护理道具主要分为两个板块，一方面是辅助患者进行日常活动的工具，例如勺子、碗、筷子、病床桌，另一方面是促进患者逐步恢复正常运动功能的工具，例如助行器、纠正器、拐杖。

以助行架为例，助行架的稳定性与助行架本身与地面的接触面积成正比，与助行架本身重量成正比，与地面左右下肢与助行器支点间的面积成正比。为了保证助行架的稳定性及患者的使用安全，通过ZBrush创建高模时，严格按照医院提供的科学数据以及图片影像资料来进行模型的制作，确保建模的真实性。助行架手握部分则采用防滑材质外包，通过ZBrush创建高模时，利用噪波工具生成表面细小的凹痕。

为了节省运行内存，进行低模拓扑。将制作完成的助行架高模导入3ds Max中，借助3ds Max测量工具，结合缩放工具将助行器高模修改为正确的比例，一般来说，助行架的高度需调整至平齐与患者股骨大转子。将助行架高模转换为可编辑多边形，拖拽复制出一个面片，弹出对话框选择克隆到对象。选中拖拽复制出的面，进入石墨工具的自由形式，选择绘制于曲面，拾取助行架高模进行步骤构建，拓扑出剪影关系与助行架高模匹配的低模模型。为了避免面的浪费，将三角形面数控制在300面以内。

使用3ds Max与Headus UVLayout展开低模。由于3ds Max自动计算拆分UV难以得到理想的效果，因此，选择Headus UVLayout进行配合可以更有效直观地拆分UV。打开Headus UVLayout导入OBJ格式的助行架低模模型文件，在三维窗口里断开UV，由于UV断线造成的贴图接缝是难以修补的，因此断线一般选择在观察角度看不见的位置，完成操作后切换到二维视窗对UV进行自动展开和摆放，进入3ds Max对UV进行适当调整，留出溢出间距。根据贴图需求，调整UV大小控制贴图精度，一般来说，同一个场景的模型贴图精度的差距在2倍以内。在3ds Max中，选中所有道具模型赋予同一个材质球。

通过拾取助行架高模的细节制作贴图，对低模模型缺少的细部结构进行精细刻画和还原。在3ds Max中选择低模模型以FBX格式进行导出，助行架模型加载进Substance Painter，法线贴图格式选择DirectX，在工具栏打开环境设置，调整其参数。为了便于更直观地观察，将场景中的光线调整为所需光线，取消勾选投影选项。打开纹理设置，纹理级勾选为将低模作为高模进行烘焙，烘焙得到ID贴图、法线贴图、位置贴图，世界空间法线贴图，AO贴图，曲率贴图，厚度贴图。助行架的手握部分采用防滑材质，脚部底座采用橡胶材质，以及架身采用铝合金材料，在制作材质的时候，基于Substance Painter中默认的材质进行调节。为了使贴图呈现更加真實，应用Generators创建污垢、灰尘材质。为了提高运算效率，将五张贴图通过图像处理减少为两张贴图。最后，进入3ds Max测试贴图的展示效果。

在庞大的老年护理教育视域下，虚拟护理道具设计仅仅是演示仿真视觉体系中小小的一环。未来以此作为切入和尝试，研究开发出更多系统化的适用于护理教学领域的设备仿真模型，结合网络进行远程教育展示，脱离现实的设备限制，为养老服务专业知识的普及带来极大便利。在后续的研究当中，本课题成员将创想出更完善的有利于老年护理教育发展的新手段，进一步探索艺术设计专业服务社会的深度与广度。

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大学生创新训练计划项目阶段性成果，项目编号：S201910621001。