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医学论文

解剖学实验仿真教学软件

来源:职称阁分类:医学论文 时间:2019-09-28 10:57热度:

  当前,虚拟现实技术在不断发展,在医学教育领域广泛应用,很多医学课程的实验都由原来的简单动画演示向虚拟仿真实验形式发展。文章以解剖学实验中胃部器官教学交互式虚拟仿真实验为例,讲述先使用3Dsmax软件建立胃部模型的方法,以及在Unity3D中制作使用鼠标对胃部三维模型进行漫游动画。

解剖学实验仿真教学软件

  关键词仿真;虚拟;交互

  早在20世纪80年代美国的JaronLanier就提出了虚拟现实技术(也称为VR),这是一种综合的信息技术,它结合了多媒体技术,数字图像处理技术,计算机图形学,并在人工智能领域也在逐步应用。当前,虚拟现实技术广泛应用到医学领域,从合成药物的分子建模,到解剖学及外科手术教学的医学虚拟现实系统。虚拟现实技术也应用在医学教育领域,尤其是在医学课程教学中,应用了虚拟现实技术开发的实验课程虚拟仿真软件,大大提高了课程的可视性。

  1设计开发思路

  在解剖学实验课程教学中,对于器官的讲解,胃部解剖的教学一直是教学的重点和难点。由于胃部解剖结构抽象复杂、专业性强,再加上很多知识点需要通过实物进行讲授,因此,传统的胃部教学方式是以教师在课堂上口述讲解、挂图及使用实物模型示范为主,但学生的理解力有限,再加上教室空间有限,学生全凭借想象而没有直观的认识,有的学生甚至在老师讲过一遍后,还不能完全理解老师讲授的内容,影响了学生的学习效果。当前,但伴随着日新月异的现代计算机技术,先进的多媒体辅助教学都在逐步的引入课堂,使得原本抽象复杂的专业术语、概念或者某些意识领域内的、微观的事物都可以通过逼真的视频和栩栩如生的3D动画演示出来,让学生更加容易理解和掌握。这些逼真的视频和栩栩如生的3D动画功能的实现很大程度上依赖于虚拟现实技术的发展。一般情况下,用于解剖学实验课的虚拟仿真软件是按照这样的流程进行开发的:首先,开发者对软件功能进行深入分析,通过对实验对象(主要是采集器官的各项数据)建模,利用三维软件生成对象模型,用于后期制作;之后,再将对象模型具有写真实物品相匹配的属性;最后,再利用虚拟现实制作软件生成对象模型的交互式控制。再加上利用各种多媒体信息对场景的美化,制作出所需要的效果,提供给用户使用。这样一来,学生就可以有真实的学习体验。

  2实验虚拟仿真软件建模方法

  2.1建模软件介绍

  3dsMax是一款基于个人计算机系统开发和制作3D动画的软件。在进行开发时,设计者可以通过软件提供的各种基本元素构建三维模型,并在此基础上利用多个摄像机镜头、使用材质进行贴图、关键帧动画制作及动态或静态物体渲染等功能,最终将产品导出某种类型的文件供其它软件使用。3dsMax还有一个重要的功能,它可以使用一些基本的几何类型(如立方体和球体)来构建相应的几何场景,例如场景的平移,旋转和复合操作。

  2.2建立模型的基本方法

  三维模型的建立是通过点、线和面这3个基本要素完成的。对象构建模型的设计是对设计师造型能力和整体把握的考验,又能够将对象的模型进行整体优化设计。在3D建模中,基本应用多边形建模Nurbs建模和细分曲面建模等方式。下面以解剖学实验仿真软件中构建胃部主体模型为例,介绍3dsMax建模的方法。启动3dsMax软件后会自动创建一个工程文件,在4个视图中,选择前视图绘制所需要的球体。然后,单击“菜单栏”|“创建”命令,在面板“标准基本体”中,选择“球体”,修改命令面板球体参数,在“分段值”一项输入32。这里要注意,参数“半径”自定,分段数值不得小于20。单击“修改栏”∣“弯曲”命令,沿Y轴将“球体”进行弯曲,弯曲轴选择“Y轴”,设定“弯曲”参数值,角度为60,方向为20。单击“修改栏”∣“FFD圆柱体”命令,按键盘上数字“1”键激活锚点,框选锚点或按住Ctrl键,点选相应锚点,参照采集的胃部形态数据,对各个锚点进行移动、旋转或缩放进行调整,,挤压该球形来塑造胃部三维模,使其更加形似胃部。最后再给胃部模型贴上相应的图片,使其更加逼真。建模完成后,渲染场景中的胃部模型,如果效果不理想,再对其进行调整,直到满足要求,再将此场景导出一个名为wei.fbx的项目文件。下一步是将其导入到Unity3D软件中,进行编辑、开发,来完成交互式漫游控制。设计者也可以在软件开发过程中根据需要适当添加文本和音频等多媒体信息。

  3交互漫游设计

  3.1Unity3D软件介绍Unity3D由美国一家软件公司UnityTechnologies开发,这个软件开发的产品,可使设计者轻松创建3D视频游戏。这个软件问世以来,多用于开发交互式内容的多平台、实时3D动画集成的游戏开发,现已成为一个全面整合的专业游戏引擎。它是一种利用交互的图型化开发环境,被广泛应用于虚拟仿真软件开发,已成为医学实验虚拟仿真教学软件的最佳工具。

  3.2交互漫游设计方法

  漫游动画的重点是交互设计,它实现了在虚拟场景中完成对象的移动,旋转,缩放等功能。漫游操作一般情况下常由使用键盘或鼠标操作的用户操作和控制。设计者构建的三维虚拟环境中,是通过不断移动视点,以及改变视线方向而实现交互漫游过程。也就是说,用户的视点的位置就是视线的方向,即系统通过不断改变视点的位置来实现不同的动画效果。这种效果主要是根据在虚拟环境中,被操控者(用户),在位置上的坐标移动来改变控制参数,例如向前、向后,所有方向上旋转,向下看、向上看等。设计者也可以通过鼠标的移动来替换视点方向的变化。当系统接收到用户鼠标位置数据或者得到用户键盘输入命令后,系统将及时进行反馈运算,根据获得的相关数据对场景进行重新布置。漫游的观点就好像是人的眼睛,其功能类似于相机。它似乎提供了一个虚拟摄像头,可以在视觉环境中自动选择路径和计算。在这样的交互环境中,不需要预处理,只需要在漫游过程期间执行场景分析和实时的路径计算。

  3.3胃部漫游交互式动画制作

  胃部漫游交互式动画是利用鼠标进行控制,主要包括:1)拖动鼠标控制胃部旋转;2)鼠标靠近胃部时放大,远离时恢复;3)通过鼠标滚轮调整摄像机位置的远近,实现对胃部细节进行观察。具体步骤如下:启动Unity3D软件,创建一个新的项目文件,然后将上文创建好的文件“wei.fbx”,也就是胃部三维模型导入到场景。然后,选择“scripts”文件夹,新建一个脚本文件“control.c#”,在场景中选择胃部模型,将下面的脚本插入其中“Inspector”面板添加脚本组件,完成漫游对象(即胃部模型)与程序代码的绑定。当软件进行时,就用户就可以通过鼠标完成对胃部模型的交互式控制。3.3.1胃部模型控制旋转通过拖动鼠标来旋转胃部模型,变量rotate_Speed定义旋转速度,Input.GetMouseButton(0)为按下鼠标左键时触发操作,主要代码如下。3.3.3使用滚轮调整摄像机远近当用户使用滚轮调整摄像机与胃部模型距离远近时,鼠标滚轮向上滚动为拉近摄像机,鼠标滚轮向下滚动为推远摄像机。其中,摄像机远近值由变量Camera.main.fieldofview决定摄像机视野,另外一个变量Camera.main.orthographicsSize决定摄像机镜头大小,主要代码如下。

  4总结

  目前,虚拟现实技术在医学教育软件的应用前景广阔,而且优势突出,这种方式突破了时空限制,创造了一个生动逼真的实验环境。在项目开发过程中,用于创建胃的三维模型的软件是3dsMax,用于创建胃的交互式漫游部分软件是Unity3D。通过类似的方法,可以举一反三,制作相应的人体器官模型进行交互漫游,从而增加学生学习的趣味性,调动学习主动性的同时,还可以在一定程度上培养学生的实践技能。

  参考文献

  [1]赵健.3DStudioMAXR4人体与生物建模宝典[M].北京:清华大学出版社,2001:256.

  [2]郑超,余上斌,黄肖丹,等.利用3DMAX和数码摄像头技术实现颅骨的三维重建[J].华中科技大学学报:医学版,2003,32(3):346-348.

  [3]娄岩.虚拟现实与增强现实应用指南[M].北京:科学出版社,2017:111-132.

  作者:蔡洪涛 王巧玲 黄和

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文章名称:解剖学实验仿真教学软件

文章地址:http://www.zhichengg.com/yxlw/13840.html

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