基于VRML的医学物理实验环境的搭建

2021-11-25陈昭喜

大学物理实验 2021年5期

陈昭喜

(广州中医药大学医学信息工程学院，广东广州 510006)

目前，医学物理课程已逐步建立和完善在线开放课程和配套学习资源，为学生提供在线实验视频浏览，展现实验内容，重现实验流程一体化学习环境。只能让学生了解实验过程，无法呈现实验细节，学生动手能力并未得到有效提高。此外，在线实验过程固化，只能机械地重复既定过程，无法满足学生自主实验需求。

虚拟现实(Virtual Reality)使用计算资源运行并模拟三维环境，可以对系统中对象进行操作和交互，让体验者感受实验的真实性、完整性和细节性。

VRML(Virtual Reality Modeling Language，虚拟现实建模语言)是第二代Web交互技术[1]，可以实行三维场景搭建及虚拟现实交互[2，3]。与传统Web站点相同，在数据量不大情况下实现三维虚拟场景模拟功能，无需额外安装客户端软件和虚拟终端，具有开发效率高，多组件，生态圈完善等优点。

VRML建模简洁方便，只需在浏览器中安装相应插件，就可以在客户端解释成三维场景，开展相应仿真实验。建立VRML医学物理实验环境，学生可以自主设计不同实验，包括从实验原理到公式推导，从仪器选择到实验流程设计等，图1为VRML实现技术架构图。

图1 VRML实现技术架构图

1 VRML虚拟实验室总体设计

1.1 需求分析与设计

虚拟实验能满足学习者自主学习需求，沉浸式体验实验步骤，熟悉仪器设备使用方法和参数调节，虚拟环境应满足以下条件：

(1)实验仪器的一致性。虚拟环境中的实验仪器必须与真实环境一致，包括参数调整，基本功能及实验流程等，让学习者体验到真实设备功能，自主控制实验过程。

(2)实验视角的多元化。虚拟实验环境需要保证多视角、全方位、立体化观察视角，能实现对环境的拖动、缩放和旋转等操作，调整参数配置，干预实验过程，让学生真实体验物理实验流程。

(3)实验场景与结果展现。提供实验流程与回放演示，计算自主实验中各种参数下实验结果与数据。

1.2 编译工具

VRML编译文件属于ASCⅡ码格式文本文件[4,5]，在计算机中可以采用任意文本编译器进行编译操作，文件后缀名为*.wrl。当前最常用的VRML编译器为VrmlPad编辑器，能实现关键字提示、节点名称定义提示，支持交互预览会话、语法自动检测、特殊节点关键字提示等便捷功能[6]。

2 VRML虚拟实验室场景建模

2.1 素材收集

实验素材设计是VRML三维建模的前提。文章采用3DMAX建立实验仪器模型，将制作好的素材导入Cult3d和Flash环境中，导出格式分别为*.c3d和*.png。为保证模型视角的一致性及多元化，在设计素材时需对所有实验设备拍摄以实现模型贴图。

2.2 几何建模

几何建模是设计虚拟设备的形状和几何外观。根据实验对象模型复杂程度，可以分为规则形体建模和不规则形体建模两种。

(1)规则形体建模。Shape节点是组建VRML场景基本单元，有两个基本类，分别是appearance和geometry[7]。Geometry用于描述模型形体特征，有box、cone、cylinder、sphere和text基本形体。Appearance用于描述模型外表特征，并反映造型属性，如物体颜色属性，材质是否反光，材质材料等。在虚拟场景中，实验对象可能处于不同位置，可以通过设定Transform属性的translation、rotation和scale域，以达到实验对象平移、旋转和缩放效果。

(2)不规则形体建模。对于所有不规则形体建模，VRML采用“点线面”方法，即由点构造线，由线构造面。通过设定点指定三角面或多边形面，组合成不规则形体。

2.3 物理建模

虚拟实验的物理建模包含模型对象的灯光、材质、质量、重量、硬度属性等，这些对象共同描述和构建成实验仪器的三维模型。物理建模涉及计算机图形学、物理学和力学，如在重量建模上，需要考虑物体变形，软硬度等物理本质属性。物理建模设计是让VRML更为贴切反映真实实验，符合客观世界规律及真实场景逻辑。

2.4 行为建模

虚拟实验设计目的是让学习者通过沉浸式学习感受真实、完整实验流程。在虚拟实验中，学生能通过鼠标动手操作及调节相关参数，系统如何感知用户操作，并对这些操作做出响应，交互性实验涉及行为建模。虚拟现实是对客观世界地真实映射，客观事物在外观特征上具有外形及质感，同样具有行为或动作，并遵循客观规律。从行为角度理解，行为建模是在虚拟环境下所有实体必须遵循的行为规则。例如，物体在无支撑物时会出现自由落体运动，自由落体运动则属于行为建模范畴。

2.5 VRML性能与优化

VRML将描述的三维建模文件(*.wrl)以及其他媒体文件，如贴图、声音和视频文件一次性下载到客户端上，通过浏览器插件解释、执行并渲染成虚拟场景。为提高用户访问流畅性和沉浸感，需要考虑以下三个性能因素：

(1)应尽量减小文件大小，文件过大将影响客户端加载三维场景等待时常；

(2)减少不必要的场景描述复杂度以加快动画渲染速度；

(3)为提高性能，动作脚本控制需进行优化设计，如相同动作采用重复加载和调用方式，减少脚本代码。

为提高渲染效率，提升性能，一般可通过降低贴图采样率，缩减VRML文件及动画渲染效果，提高VRML传输速度。文章采用如下解决方式：

(1)采用模型优化器

建模复杂程度一般采用多边形(polygons)数量衡量[8,9]。3DMAX中模型复杂度与生成的VRML文件大小关系为：

1000polygons≈100k bytes。渲染效果越逼真，多边形数量越多，场景生成的VRML文件则越大，不能同时兼顾渲染效果和性能。在构建物理实验建模场景中，采用模型优化器插件(Optimize helper)合并相邻平面算法，将区间夹角小于某一指定阈值的平面合并，从而减少多边形数量，在不影响视角观感下能达到80%以上优化效果。

(2)贴图优化

为达到更为逼真渲染效果，通常采用多纹理替代多边形[10]。由于实验仪器设备贴图文件相对较大，影响传输性能。同时，视角变化时场景渲染必须考虑贴图计算，因此，贴图文件过大会严重影响VRML执行效率。文章对贴图采用MipMaps插件处理，根据视角变化将单一贴图以多种分辨率图像输出以替代纹理，有效减小贴图文件大小，提高传输和渲染性能[11]。

(3)采用LOD细节层次技术

在开发物理实验场景时，同一模型根据复杂度分别制作不同副本，浏览器根据用户视距自动匹配副本模型。如远景观看时只能观看大致轮廓，近景观看时才能浏览设备细节。采用LOD细节层次技术能有效加快客户端场景渲染性能。

3 虚拟实验项目设计与开发

以医学物理课程“光的单缝衍射实验”为例讲述虚拟实验项目与VRML人机交互设计。在虚拟实验中，学生通过改变光波波长参数，观察光束穿越狭缝或小孔时产生的偏转和条纹，从而掌握衍射现象与原理。

3.1 建模流程

首先，在实验场景建模之前明确建模需求，了解实验目标和内容，搜集相关实验设备和参数，熟悉公式推导和实验步骤，通过现场拍摄获得实验场景相关视频录像和贴图照片；其次，确定虚拟实验场景基本布局和基本元素，依照实验流程建立三维场景；最后，对实验导轨、仪器底座、示波器、狭缝挡板、成像屏幕等主体实验对象建模贴图，依据真实场景缩放、合并与组装实验对象，完成实验模型和场景渲染，图2为实验场景图。