三维虚拟“标志肌”学习软件的开发和制作

王 燕,王 省,王永波,王 涵

(新乡医学院:1现代教育技术中心;2解剖学教研室,河南 新乡 453003)

人体解剖学是医学教育的基础学科。人体结构复杂、概念抽象,旧的教学模式和抽象思维不能达到良好的教学效果[1]。传统的人体解剖学教学方法是以课堂教学为主,再结合挂图、模型、标本、人体等辅助教学工具进行教学,并配以尸体解剖来加深学生的理解。目前,国内医学院校的教学用人体标本来源匮乏,尽管社会舆论也不断提倡遗体捐献,但由于我国缺乏规范的遗体捐赠法,遗体捐献远远滞后于社会需求[2]。虚拟现实技术的产生能使学生在虚拟的人体标本上进行解剖学观察和学习,可缓解尸体标本缺乏的状态,降低教学成本,提高教学质量,弥补教学条件的不足[3]。

虚拟现实技术(virtual reality,VR)是一种由计算机全部或部分生成多种感觉环境,使参与者产生身临其境的感觉,分为沉浸式和非沉浸式两种。沉浸式虚拟现实技术由于其价格昂贵,且一次只能供一人使用,很少在教学中得到推广和应用。而非沉浸式虚拟现实技术,主要依赖软件技术来实现,其特点是经济、方便,便于广大学习者使用,而且其功能全面,人机交互性强[4]。

因此,我们主要采用3DSMax和Virtools技术开发制作出三维虚拟“标志肌”学习软件,供医学院校教师和学生使用,也可应用在其他领域。

1 设备和方法

1.1 设备

1.1.1 硬件配置 尼康D1X相机1部,索尼DSR-250P摄像机1台,佳能CanoScan 8800F扫描仪1台,强氧-氟4508工作站1台,联想图形工作站5台,专业录音设备。

1.1.2 软件配置 3DSMax(8.0,英文版;Discreet公司);Photoshop CS3(Adobe公司);VirtoolsDev 3.5。

1.2 方法

1.2.1 三维人体模型的制作 2006年,我校以人体解剖学教研室为基地建成了“人体科学馆”,馆内标本丰富,姿态各异,是难得的教学资源。其中“全身肌”标本最为醒目,肌肉色泽鲜艳,起止点完整,形态栩栩如生,是“肌学”部分教学的难得资源。为了充分利用“人体科学馆”标本资源,本研究利用已有的“全身肌肉标本”进行了如下工作:①使用单反相机、摄像机采集标本六面图像及视频资料,为后期的软件制作做好前期准备;②三维“标志肌”的制作。使用3D MAX软件制作标志肌中的人体骨骼、肌肉三维模型,并使用骨骼链将其串连,为后期制作动画做准备,此工作较为费时费事;③使用Photoshop软件绘制模型所需要的材质;④使用Virtools软件将模型、声音、文字、图像等素材串连,形成交互平台,该软件包含30个三维动画,并实现鼠标拖动物体旋转、缩放、平移的功能;⑤声音的录制。用专业话筒和专业调音台录入电脑备用。

1.2.2 三维动画的制作 以全国高等学校医学规划教材《系统解剖学》(第2版)为基础,再结合别的有关文献以界定其内容,确定人体肌肉的分布。

①三维人体模型的处理。启动3DS Max 8.0软件,使用网格建模方法,创建骨骼、肌肉模型(如图1所示)。首先,进入“创建”面板创建长方体,然后,进入“修改”面板,将“长方体”转化为“可编辑多边形”,进行线段及顶点的调节,创建骨骼、肌肉的模型,最后,在“修改”面板中给网格物体添加“UVW贴图”命令,设置贴图坐标(如图1所示)。

②动画的制作。使用3DS Max 8.0软件中的Biped功能来创建两足物体,并调整两足物体和人体模型完全对位(如图2所示),然后给人体的骨骼、肌肉模型添加physique命令,并调整其中的封套值,确定影响区域,使两足物体和人体模型绑定。调节Biped创建动画,设置关键帧,并输出动画(如图2所示)。

图1 创建骨骼、肌肉模型图

图2 创建两足物体图

③物体材质的指定。单击工具栏上的Material Editor按钮,弹出材质编辑器,即为需要材质的物体贴图。

1.2.3 NMO文件的生成 3DSMax软件三维建模后,必须通过安装Virtools forMax插件才能将三维模型及动画转换成Virtools所识别的NMO文件格式[5]。

1.2.4 三维虚拟“标志肌”学习软件系统的制作启动VirtoolsDev 3.5,把导出的人体虚拟角色NMO文件添加进来。在3D Layout窗口中为场景添加灯光、摄像机,并调整他们的位置。给人体虚拟角色、摄像机、肌肉三维物体创建脚本添加所使用的BB模块,使之达到交互效果;创建二维帧制作软件界面及其按钮,具体事件触发设置在此不予详述。最后,把文件保存成能在网页上使用的COM文件类型。

2 功能与作用

2.1 该系统的界面

该系统打开后,显示主界面,主界面的左边有“进入”“习题”“帮助”“退出”四个按钮,右边是一个全身肌肉暴露的三维虚拟人体(如图3所示)。

图3 主界面图

鼠标点击按钮可进入相应的子界面,子界面的中间为三维虚拟“标志肌”:身体直立,两眼平视前方;双足微开,约与肩宽,足尖朝前;两臂下垂,手掌心向前的裸体成年男性,全身肌肉暴露于体外。左侧可显示面部动画窗口,左下方还有“恢复”、“声音”两个按钮,鼠标点击按钮可进行相应的操作;右侧可显示文本和习题,右下方有“返回”按钮(如图4所示)。

图4 子界面图

2.2 有关鼠标的操作

单击鼠标左键并在页面上拖曳,可以旋转三维人体模型,并从任何角度观看;滚动鼠标中间滚轮,整个三维人体模型被缩放;单击鼠标中间滚轮并拖曳,整个三维人体模型被移动。当鼠标划过每一块肌肉时,将在鼠标箭头右侧出现相应肌肉的名称,在此位置单击鼠标左键,将会自动播放动画,并对此内容进行解说,同时在界面的右侧显示肌肉说明文本。

2.3 三维虚拟“标志肌”学习软件的功能

该软件在设计时,重点增强了软件的学习功能。使用者可任意点击感兴趣的肌肉进行学习,这是该软件功能设计的独到之处:①实现鼠标拖动物体旋转、缩放、平移,鼠标放在肌肉上显示该肌肉名称;②鼠标点击每块肌肉时,播放对应的动画、声音,显示肌肉说明文本等功能;③软件可进行人机交互,每块肌肉的起止点、功能作用和产生的运动一应俱全,解决“肌学”学习枯燥乏味的难题。

2.4 三维虚拟“标志肌”在多媒体辅助教学方面的作用

三维虚拟“标志肌”标志明显,形象逼真,可全方位转动标本,可以用鼠标随意控制,缩小和放大均不失真,界面友好,操作便利,可随时局部观看,又可整体观看。在教学过程中,教师可以把此软件作为教学课件在课堂上使用,可增强教学的直观性、形象性、趣味性,从而提高学生的学习兴趣。另外,还可以解决学生的课下自学问题,以及教学中标本不可重复使用的缺陷。尤其是和现代教学中的多媒体网络教学相结合,可实现网络自学、远程教学、资源共享、构建数字化人体解剖教学系统的目的。该软件已用于我校《人体解剖学》课程的辅助教学中,起到了提高教学效率、增强教学效果、提高教学质量的作用。

该学习软件是计算机三维建模与虚拟现实技术在人体解剖学教学与科研中的一次有益尝试。它集文本、声音、动画、三维交互于一体,给用户以三维空间的虚拟境界,直观性强、信息量大、交互性好、界面友好、操作简单,具有一定的先进性、科学性、实用性、创新性。该软件可广泛应用于医学、体育、美术、中医和康复医学等专业的本科和专科学生的学习,实现学生远程网上互动式自主学习,可减轻教师的教学负担,同时也适合研究生和执业医生的自我学习,有极为广阔的市场前景。

[1] 高秀来.人体解剖学[M].2版.北京:北京大学医学出版社,2009

[2] 祈晓民,马朋丽.浅议人体解剖学教学中的人文关怀问题[J].医学与哲学:人文社会医学版,2006,27(4):60-60

[3] 单锦露,张绍祥,谭力文.虚拟现实技术在人体解剖学教学中的应用[J].局解手术学杂志,2008,17(1):45-45

[4] 罗虹,王士勇.基于Virtools技术的虚拟教学系统的设计与实现[J].现代教育技术,2007,17(10):57-60

[5] 李君笙,徐平.三维虚拟经络人模型的构建和制作研究[J].河南中医学院学报,2006,21(3):28-29