基于静态图像的互动虚拟全景技术在医学教育中的应用研究

刘俊英，李光仲

滨州医学院:1附属医院内分泌科;2基础学院，山东 滨州 256603

虚拟全景技术是基于建构主义理论基础之上的一种辅助教学手段，是一种以学生为中心的教学模式。在医学教育中引入基于静态图像的互动虚拟全景技术，对一些不易想象和难以描述的诊疗过程、医学标本、阳性体征、医疗设备及医疗设施等教学内容建立互动虚拟影视(场景影视、物体影视)，向学生全方位展示相关内容的整体概况、空间结构和颜色变化等，提供让学生操作和模拟的情境，可激发学生的学习兴趣，充分调动学生的学习主动性和积极性，使学生主动地接受教学内容［1］。

1 基于静态图像的互动虚拟全景技术的特点及其在医学教育中的应用优势

基于静态图像的互动虚拟全景技术是新一代以平面静态图像或照片为基础的初级虚拟全景技术。其基本功能是将物体或空间不同方位的静态实景照片按照相互的关系有机连接起来，在视觉上形成对物体或空间的整体认识。由于其独特的技术特色，使得它在立体空间的展示、立体物体的展示、虚拟场景的构造等方面有着独特的优势。

1．1 实景建模，具有较强的真实感

由于采用实景建模的虚拟全景技术，使它较之传统的虚拟全景技术有着更高的真实感、更丰富的图像和更鲜明的细节特征。

1．2 三维操纵，具有较强的交互性和沉浸感

学生可以通过普通鼠标或键盘控制体验的进程和顺序，也可以对虚拟物体进行放大、缩小和360°旋转等操作，如身临其境对物体进行全方位的交互观察和学习［2］，以达到了解实体形状、结构和特征的目的。

1．3 制作简单，制作周期较短

工具软件使用简单，应用系统制作的可控性较强，非计算机专业人员比较容易掌握其开发技术，易于普及推广，非常适用于个性化教学，有较好的应用前景。

2 医学标本或阳性体征虚拟全景(物体影视)的制作

常用的基于静态图像的虚拟全景制作工具软件有 VR ObjectWorx、PixMaker Pro、Spin PhotoObject等，其中较易使用的是PixMaker Pro，下面我们就以Pix Maker虚拟全景制作软件为开发工具，介绍医学标本展示实例(物体影视)的制作过程。

2．1 标本图像的采集和处理

使用数码相机拍摄标本顺时针方向环视自转的照片。将照相机固定在三脚架上，以保证所有拍摄图像中的标本大小一致。同时将标本固定于转盘中心，并保持转盘转动时标本中心到照相机镜头间的距离不发生变化;对于不对称的标本，可以把标本的最高点直接定位在转台的中轴上以获得满意的效果。拍摄时每拍一张照片，就将放置标本的转盘顺时针旋转一定的角度，相邻照片的边界要有30%左右的重叠区域。这样直到拍完环视范围的所有照片。对于大型的仪器设备或典型阳性体征，可以采用赤道仪或环绕拍摄的方法，即以被拍摄体的中轴线为中心，使三脚架环绕被拍摄体转动拍摄［3］。

将所有拍摄的图片按顺序编号后放在同一目录下，然后对照片的亮度、对比度、色调、锐化等进行调整，并保证处理后每幅图的效果统一、大小一致。

2．2 物体影视的制作

应用PixMaker制作物体影视需要经过相互间具有递进关系的图片抓取(snap)、图片拼接(stitch)和结果发布(publish)三个步骤。启动PixMaker程序，可以看到程序窗口上方有三个大图标，分别标记有“①Snap”、“②Stitch”和“③Publish”，如图1所示。

图1 PixMaker界面图

2．2．1 图片抓取(Snap)用鼠标点击“①Snap”(图片抓取)大图标按钮，在出现的指定图片获取位置的对话框中选择“My computer”并按“OK”按钮，在打开的文件输入对话框中找到保存文件的目录。用鼠标选择相应的图片文件，然后单击Open按钮，所选择的图片文件就排列在“Stitcher”标签板下方的图片处理窗口内。利用图片处理窗口上方工具条中的命令图标，可以实现图片的插入、删除、移动、旋转、重新排列等操作，同时可选择展示类型(type)，其中包括柱形展示(cylindrical)、平面展示(flat)和物体展示(object view)等。

2．2．2 图片拼接(Stitch)

①图片拼接。单击“②Stitch”(图片拼接)大图标按钮，PixMkaer将自动处理图片的边界对齐，将前面所抓取的多幅图片无缝地连接在一起，使之生成环视物体影视。

②预览。完成拼接后，所生成的物体影视将在演示栏中展示。此时可以用鼠标指针或场景窗口左下方的工具条操纵物体影像的放大、缩小或使物体自动旋转，对生成的物体影视进行预览。

③增加热点链接和文本说明。在物体影视制作完成后，点击“Hot Spot”标签，在出现的提示对话框中选择图像的质量和图片的尺寸，单击“Next”按钮，则将物体影视图片保存到指定的目录下。在接着出现的提示框中指定目前编辑文件的保存目录，完成以上的操作后就会出现一个带工具栏的热点编辑窗口(如图2所示)。单击热点编辑窗口工具条上相应命令图标，即可在物体影视图片上增加指向另一场景、指向网页、指向音频文件或指向视频文件等的链接，在出现的对话框内填入相应的链接地址和热点提示内容。可以在物体影视图片上添加多个链接或文本说明，每一个热点在物体影视图片上显示为一个小图框，以提示学生点击的位置。

图2 增加热点链接和文本说明界面

2．2．3 结果发布(Publish)点击窗口上方的“③Publish”(结果发布)大图标，则可以根据实际教学需要在对话框中选择制作结果的输出格式为“Scene(．jpg)”全景图片、“web page(．html)”网页或“Post-card(．exe)”可以单独播放的明信片等［4］。

3 互动虚拟全景技术在医学教育中的应用

3．1 医学标本或阳性体征的展示

在传统教学模式中，对于各种医学标本或阳性体征等具有立体结构的教学内容，大多采用图片、挂图、幻灯片或视频等方法进行呈现。但它们展示的均是二维平面图，只能提供立体物体的某一个视角或者某几个视角，且学生是被动选择视角进行观察。若通过计算机三维造型及动画软件，建立一个与实物基本相同的模型，是一种比较理想的方法，但其制作难度和工作量都较大，一般教师不易独立完成。而且有许多需要展示的对象是畸形标本，其整体形状极不规则，也不宜采用基于几何模型的虚拟全景技术进行虚拟。

而基于静态图像的互动虚拟全景制作系统则可以容易地完成医学标本或阳性体征的互动虚拟，以物体影视的形式逼真地显示出医学标本或阳性体征等具有立体结构的教学内容，从而满足教学设计的要求。在物体影视中，学生可以对虚拟医学标本进行旋转、对于局部结构可以进行放大，便于直观地观察和认识相关内容的实体形状和结构［5］，为以后的学习及工作打下坚实的基础。

3．2 诊疗过程的展示

诊疗过程的展示是互动虚拟全景技术在医学教育中的重要应用。如在胃镜、支气管镜、腹腔镜、鼻内窥镜和子宫镜等内窥镜诊疗过程的教学中，内窥镜在相应部位环绕观察的情形，传统教学中相关内容只能依靠讲解、图示或影视播放进行呈现，学生不能进行互动控制，无法自主选择观察进度和视角等。而互动虚拟全景技术使这一工作变得简单易行。通过互动虚拟全景技术，利用已有的图像或视频，能够虚拟出“真实的诊疗环境”，可为学生提供一个极具真实感和沉浸感的虚拟环境，可以使学生沉浸于虚拟的场景内，任意选择观察视点，全方位的交互观察和学习［6］，以了解相关诊疗部位实体形状、颜色等特征。

3．3 实验仪器和医疗设备的展示

利用互动虚拟全景技术可以为实验仪器和医疗设备创作相应的展示系统(物体影视)，学生在虚拟全景中可以对虚拟仪器进行随意旋转、对于局部结构可以进行放大，从各个角度观察、研究实验仪器，便于详尽了解仪器的实体形状、结构和使用方法，加速和巩固学生学习相关知识的过程［7］。

应用互动虚拟全景技术可以彻底打破空间、时间的限制，为学生营造生动、逼真的仪器设备学习环境和气氛，既具有真实感，又具有科学性和趣味性，提高了教学的直观性。更重要的是，学生可以沉浸虚拟全景环境中，提高学习的积极性与学习效率［8］。

3．4 医疗设施立体空间的构建与展示

对于一些我们不易直接深入其中进行观察和体验的立体空间，如医学高压氧治疗室、重症监护室、仪器室或实验中心等，这些内容在以往的教学过程中，只能通过教师的言语或文字描述，用图片或录像进行平面展示，学生大多只能被动地接受，对于一些特殊情境，相关描述与学生理解的可能相去甚远［9］。

而上述内容可以通过虚拟场景复现，学生可以在虚拟全景图像中漫游，进行全方位的环视和学习。采用互动虚拟全景技术，可以使学生完全沉浸到教学所需要的环境中，这对提高学生的综合能力无疑是一个很大的突破，这是传统描述所无法给予的。

在未来医学教育中，虚拟教学与传统教学将并驾齐驱并进一步有机融合，有利于构建一种全新的、多变的教学环境和教学手段，以其强大的沉浸度、交互性以及多感知的人性化特性，极大地改变传统教学观念和思维方式，为学生提供了一种可以进行交互的、直观的、自主探索的学习环境和学习方法［10］，进而可以激发学生的学习积极性、提高医学教育的教学质量。

［1］周树海．让虚拟全景技术进入网络课程［J］．中国远程教育，2007，(5):65-67

［2］陈敏，刘晓秋，伍胜男．QTVR技术及其在教育教学中的应用［J］．中国现代教育装备，2006，(11):36-38

［3］和剑．打造 QTVR 360°环绕影像［J］．微型计算机，2003，(15):64-66

［4］杨景武．基于平面图像的虚拟全景技术(PixMaker)在解剖实验教学中的应用［J］．现代教育技术，2004，14(5):59-61

［5］张力．应用虚拟全景技术提高网络教学质量的研究［J］．电化教育研究，2003，122(6):56-60

［6］范立冬，李曙光，张治刚．虚拟现实技术在医学训练中的应用［J］．创伤外科杂志，2008，10(6):568-570

［7］李光仲，刘俊英，王云创，等．计算机模拟技术在医学物理学教学中的应用研究［J］．中国医学物理学杂志，2009，26(4):1352-1360

［8］余胜泉，古素梅．基于静态图像的虚拟现实技术及其在教育中的应用［J］．现代教育技术，2000，(3):47-51

［9］李光仲，刘俊英．基于静态图像的互动虚拟现实技术在医学物理学教学中的应用研究［J］．中国医学物理学杂志，2010，27(5):2196-2200

［10］史志国，田秋艳，艾婷．基于虚拟全景技术的教学应用研究［J］．现代教育科学，2008，(1):127