病房虚拟场景构建*

王昊炜，王 淋，焦跃军

(1.徐州医科大学 医学信息与工程学院，江苏 徐州 221004；2.新乡学院 计算机与信息工程学院，河南 新乡 453003)

0 引言

随着三维建模技术的不断发展，虚拟现实在医学领域得到了广泛应用[1,2]。病房作为医疗设施体系的关键部分，其结构设计、室内布局等备受关注[3]。当病房的设计与医院需求相差较大时便会引起难以调解的矛盾。为了方便给出合理的病房设计方案，采用三维建模技术构建三维场景不失为一种有效方法。目前，市场上常见的三维建模软件有3ds Max、Auto CAD、VRay、Sketch Up等。其中，Discreet公司开发的3ds Max[4]，作为一款基于PC系统的三维动画渲染和制作软件，相较其他软件有不可比拟的优越性，已经广泛应用于工业设计[5,6]、建筑设计[7]、辅助教学[8,9]等领域。

本文参考现代化医院病房结构，融合“舒适宜人”“理性实用”的设计理念[10]，结合计算机、医学和建筑学等领域知识，基于3ds Max软件构建病房三维场景，将现代医院的双人间病房作为模拟对象，采用室内漫游动画的形式，全方位展示虚拟病房场景，拓展虚拟病房功能。

1 基本框架

本文先通过数据采集、数据优化、模型创建、材质添加等步骤构建病房三维场景，之后通过摄影机布置、渲染、动画导出等步骤完成虚拟病房的场景漫游，具体设计流程如图1所示。

图1 病房虚拟场景构建流程

2 虚拟病房场景构建

2.1 数据采集与优化

病房场景的构建立足于现代化医院普通病房的基本构造，部分场景建模数据来源于建模前对建模对象的图像采集，例如病床、座椅、呼吸机、储物柜、绿植等。通过图像采集获取数据后，可以根据场景中其他建模数据调整相应的建模对象数据。整体场景建模过程中，在不失真的前提下可以对采集到的数据做适当修改，以此达到模拟现实病房的逼真效果。在采集并优化处理数据后，即可利用获取的数据进行虚拟病房场景建模。

2.2 三维模型创建

常见的建模方法包括几何建模法、二维图形建模法、放样建模法、布尔建模法、多边形建模法和NURBS建模法等[11,12]。为方便模型的后续设计及优化，在创建虚拟病房三维模型时遵循“精简数据量”的原则，在节约计算机资源的同时可以保持良好的流畅性。如图2所示，本文创建的三维模型主要包括病床模型、座椅模型、电视机模型、储物柜模型、呼吸机模型、植物盆栽模型、隔帘模型等。部分模型构建如下：

图2 病房的部分线框模型

(1)病床模型。病床由床头、枕头、铝合金护栏、床垫、万向刹车轮、餐桌、刚性支架和床尾组成。采用“组”命令将多个基本模型组合成复杂的病床模型。

(2)座椅模型。在虚拟病房场景中，座椅模型、储物柜模型和隔帘模型等各有多个相同模型。3ds Max支持导入素材模型，具有兼容性强、素材多样等特点，极大方便了模型的构建。本文的座椅模型采用了通用素材。此外，运用3ds Max提供的克隆功能及功能齐全的插件，大大减少了场景创建工作量，提高了容错率。

(3)呼吸机模型。呼吸机模型组成性质与病床模型相似，均由多个基本模型组合而成，如供氧管、氧气泵、密封橡胶圈、仪器底座等。同样采用“组”命令将多个基本模型组合成复杂的呼吸机模型。

2.3 材质与贴图

材质是三维世界的重要概念之一，是对真实世界中各种材质视觉效果的模拟，如颜色、感官特性、漫反射、粗糙度、反折射、透明度、粗糙程度等。贴图为材质表面的纹理样式，不同贴图会使材质表面呈现不同效果。在3ds Max的精简材质编辑器中，可以在材质球中添加贴图。贴图通过贴图通道的方式被添加到精简材质编辑器中，之后通过精简材质编辑器将材质添加到物体建模表面。本文构建的病房场景所采用的部分材质贴图如图3所示。图4和图5分别为呼吸机和储物柜的贴图前、后效果。其中，呼吸机在贴图时经历“解组”到“贴图”再到“组”的过程，其关键是氧气泵和仪器底座部位的贴图。氧气泵贴图需要为呼吸机氧气泵提供标尺效果，而仪器底座贴图需要为仪器底座部分提供旋钮效果。

图3 本文用到的部分材质贴图

图4 呼吸机的贴图效果

图5 储物柜的贴图效果

2.4 场景构建

虚拟病房整体场景如图6所示。场景搭建过程遵循“自下而上，自左向右”的原则，由病房地板到天花板，由病房门到病房内部组合墙壁及其附带模型。虚拟病房场景室内灯光使用了目标聚光灯与目标平行光，并以主光源为主，辅以点缀光源。

图6 虚拟病房场景效果(正视图)

3 虚拟病房动画设计

动画一般包括关键帧动画、约束动画和高级动画。关键帧动画指一定时间内对象状态发生变化的过程。约束动画则通过曲面约束、路径约束等使对象产生约束效果[13]。高级动画主要应用于角色设计。本文采用约束动画的形式，通过添加摄像机、设置渲染参数等，以第一人称视角游览病房场景，以病房房门为起点，由外向内，通过路径约束摄影机实现漫游的效果。

3.1 摄影机布置

通过移动摄影机并使用不同焦距的镜头可以达到漫游动画的效果。将自由摄影机绑定在设计好的轨迹上进行渲染即可得到路径动画。在此过程中，摄影机轨迹设置尤为关键，具体设置步骤如下：①设置符合虚拟漫游动画设计的曲线轨迹；②将摄像机设置为自由视角摄影机；③将摄影机移动到曲线轨迹中；④将摄影机旋转到与线性方向一致的位置；⑤为了获得较大的浏览空间，将摄影机“镜头”设置为25°至30°。

3.2 渲染

前文中提到的“精简数据量”原则正是基于渲染速度这一因素考虑。为了得到较好的渲染效果，动画采用NTSC制式，帧速率设定为30帧/秒。此外，将虚拟病房的渲染设置为“产品级渲染模式”，渲染器为“默认扫描线渲染器”。部分模型的渲染效果如图7所示。3ds Max的渲染帧窗口的渲染方法为逐帧渲染，模型的贴图数据量和动画帧数的多少或直接影响渲染的速度。

图7 渲染窗口及部分模型渲染效果

本文实验的软件环境为3ds Max 2016，Windows 10；硬件环境为Intel i7-9750H，2.60 GHz CPU，渲染动画共900帧，部分关键帧画面如图8所示。漫游动画可以直观地观察到虚拟病房内部结构，通过调整自由摄影机镜头角度、设定自由摄影机运动轨迹等，能够较好地实现小规模场景的漫游效果。与渲染动画之前的场景相比，渲染后的动画场景光照充足，贴图清晰完整，能够不同角度展现设计方案。

图8 部分关键帧画面

4 总结

本文基于3ds Max，通过三维场景构建、摄影机布置、渲染设置、动画导出等步骤构建虚拟病房。所构建的虚拟病房可作为对医院设计模式的有益补充，为模块化医院设计方案提供初步经验，对提高设计效率有较高应用价值。不足之处是本文漫游动画采用3ds Max动画制作功能以及镜头移动采用手动设置摄影机轨迹的方式缺乏交互性。后续工作将实现三维场景的实时漫游。