桌面虚拟现实技术在医学多媒体课件中的设计与应用

孙项洁，卞亚红，张 力

(第二军医大学教育技术中心，上海 200433)

桌面虚拟现实技术在医学多媒体课件中的设计与应用

孙项洁，卞亚红，张 力

(第二军医大学教育技术中心，上海 200433)

介绍了桌面虚拟现实技术在课件制作中的设计思路及实现方法。指出将虚拟现实技术与课件教学内容的知识点相整合，可强化课件的学习自主性和知识交互性，从而提高学习效率和教学质量。

虚拟现实技术;桌面虚拟现实;医学多媒体课件;Cult 3D;QuickTime VR

Cult 3D;QuickTime VR

人体器官的形态及其发生过程是医学教学中教师讲解的重点，也是学生理解的难点。传统教学以挂图和模型为辅助手段，学生难以从时间和空间的连续性上理解人体解剖结构以及发生过程。采用虚拟现实技术，一方面可以提高可视化和学习自主性，另一方面可以将若干知识点串联起来，使学生能够更好地理解和掌握相关知识。

1 虚拟现实技术的内涵、作用与分类

1.1 虚拟现实技术

虚拟现实技术(virtual reality，VR)，又称灵境技术，是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。它综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术模拟人的视觉、听觉、触觉等器官功能，使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中，并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互，创建一种适人化的多维信息空间［1］。根据用户参与VR的不同形式、“沉浸”程度和交互程度，虚拟现实技术主要划分为四类:沉浸的虚拟现实、增强现实性的虚拟现实、分布式虚拟现实以及桌面虚拟现实技术。该文重点探讨桌面虚拟现实技术。

1.2 桌面虚拟现实技术

桌面虚拟现实技术是指利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口，通过各种输入设备实现与虚拟现实世界的充分交互［2］。输入设备包括鼠标、追踪球、力矩球等。由于成本较低，课件制作常选用桌面虚拟现实技术。常见桌面虚拟现实技术有:基于静态图像合成的QuickTime VR、基于实时渲染的Cult 3D、基于虚拟现实造型语言的VRML等［3］。

1.3 多媒体课件开发中虚拟现实技术的选用原则

虚拟现实技术的应用首先要考虑是否适合使用该技术，而后再考虑课件中什么教学内容适合这个技术，在教学上能否起到提高教学质量和学习效率的作用，最后考虑用哪种虚拟现实技术实现教学功能(如图1所示)。

图1 多媒体课件开发中虚拟现实技术的选用原则

2 桌面虚拟现实技术在课件中的实现方法

2.1 设计流程

桌面式虚拟现实教学课件的制作，其主要思路是以虚拟场景建模为基础，用AutoCAD或3DS Max作为主要建模工具、用 Cult 3D、QuickTime VR、VRML语言作为VR交互设计工具，构建一个用于多媒体课件的桌面虚拟现实数据文件，其制作流程如图2所示。

图2 桌面式虚拟现实教学课件快速制作流程图

2.2 制作方法

2.2.1 课件素材准备 素材的准备是根据课件中虚拟现实技术要表达的内容而制作相应的材料。①基于静态图像合成的QuickTime VR素材的准备。基于静态图像的素材就是要求图片的质量好、清晰度高，以课件《人体胚胎学概论》为例，虚拟现实技术的实现需要用畸形胎儿标本作为素材，所以在素材准备时，要考虑当时标本缸的透明程度，标本液是否浑浊，如果没有达到下一步拍摄的要求，都要重新对标本进行加工，满足在后期照片处理时达到高清晰度、高质量;②基于实时渲染的Cult 3D素材的准备。以构建三维立体心脏模型为例，在素材的准备中，利用Photoshop绘制心脏时，心脏各部位的材质，包括心脏外部的血管，肌肉的走向，以及主动脉的纹理等都必须与实际一致，这样制作的三维心脏模型才能形象直观，接近解剖学中的真实心脏。

图3 QuickTime VR制作的虚拟现实技术截屏图

2.2.2 二维、三维建模与场景的建立 ①基于静态图像合成的QuickTime VR技术的二维场景的建立:基于静态图像处理(Image Based VR)的虚拟现实技术具有三个基本特征:从三维空间造型的原理上看，它是一种基于图像的三维建模与动态显示技术;从功能特点上看，它有视线切换、推拉镜头、超媒体链接三个基本功能;从性能上看，它不需要昂贵的硬设备就可以产生相当程度的VR体验。《人体胚胎学概论》课件中的标本(如图3所示)是从360°视野的观看对象，通过全景标本照片直接输入计算机并被转换成QuickTime VR格式，通过简单的拖放操作，进行快速场景制作。QuickTime VR需要360°连续旋转照片来显示标本的3D旋转，全景标本照片的拍摄使用的设备是360°全景环摄台和单反相机，根据标本360°显示视野自动计算拍摄角度，每10°1张，拍摄36张，从而制作全景照片;②基于实时渲染的Cult 3D三维场景的建立。课件《心血管系统的演变》中的心脏模型是通过3DS Max网格建模制作，同时为三维模型赋予材质、设定灯光和摄像机角度。在制作模型时要尽量优化模型，这样能缩小文件量，置入课件中可以快速调用浏览。建立三维虚拟心脏后，在3DS Max中选择为Cult3D输出文件类型*.c3d。然后在Cult3D Designer程序中对心脏模型进行旋转、放大、缩小等基本功能的设定以及对心脏的主要解剖结构设置交互功能。最后导出为*.co的文件格式。在编制课件软件Authorware中通过ActiveX组件来调用控制Cult3D对象，在课件实现虚拟心脏的展示与交互(如图4所示)。

图4 在Cult3D Designer程序中对心脏模型设置交互功能的截屏图

2.2.3 虚拟现实展示技巧 ①随时调用与打开:上述课件中的虚拟心脏解剖模型可以在课件中任何地方、任何时候打开，方便学生在学习过程中随时利用心脏模型对比学习，提高学生对心脏构造的认知;②任意放大与缩小:如上述畸形标本的虚拟现实展示，通过鼠标，可以控制标本的放大、缩小，甚至可以放大到标本的某一个局部(如图5所示);③控制旋转与打开:为了清楚地再现心脏内部的结构，设计虚拟心脏时，可使用交互方法，通过鼠标控制其360°旋转，从任意角度观看模型;通过鼠标点击打开心脏模型的关键部位，显示心脏内部结构，并且注明名称(如图6所示)。这种展示技术，可以让学生在学习过程中加深心脏各相关知识点的联系。

图5 通过鼠标控制标本的放大或放大到标本的一个局部图

图6 虚拟心脏模型的交互功能

3 在Authorware中调用虚拟现实数据文件的方法

在多媒体可视化编程工具Authorware中调用Cult 3D以及Quicktime VR制作的对象，将虚拟现实技术与课件教学内容的知识点相整合，可以强化课件的学习自主性和知识交互性。

3.1 Quicktime VR在Authorware中的调用

Authorware 5.1之后的版本可以通过Quicktime Xtra支持Quicktime 3以上版本。只要在放置Quicktime播放数据文件位置的流程线上插入一个Sprite图标，并且在Xtra属性对话框中设置相关设置［4］。

由于Quicktime所播放的文件是外部文件，所以要拖入一个计算图标建立搜索路径，并在其中输入:

SetIconProperty(IconID@"Quicktime..."，#filen ame，FileLocation^"D.mov")

这是用SetIconProperty函数制定数据文件的搜索路径及文件名，并把数据文件放置在与程序相同的文件夹中。

3.2 Cult 3D在Authorware中的调用

Authorware通过ActiveX控件对Cult 3D进行支持。将Cuh3D所发布的三维演示文件.co加入到Authorware中，并可利用控件所提供的各种属性、方法、事件等对演示做进一步的交互。首先，必须在计算机中首先安装Cuh3D ActiveX Player控件［5］。根据课件设计需要，在编辑界面的流程线上插入ActiveX控件，在弹出的控件选择对话框的控件列表框中选择Cult3D ActiveX Player，在出现的控件属性对话框中可进行初始属性的设置。并且在弹出的Cult 3D ActiveX Player的属性窗口中设置。这样虚拟模型就可以被Authorware调用。我们还可以按需要调整虚拟模型显示窗口的大小。

将一计算图标拖到流程线上，并在其中输入以下语句:

CallSprite(@"Cult3D ActiveX"，#loadcult3d，File Location^"heart3d.co")

在此我们调用控件所提供的方法Loadcult3d载入播放文件，heart3d.co为欲播放的Cult 3D文件，在此例中将其放在主程序所在的文件夹中。

4 虚拟现实技术在多媒体课件中的应用展望

随着计算机技术的发展，虚拟现实技术的应用也越发广泛。未来虚拟现实技术在医学上的应用大致有:一是虚拟人体，也就是数字化人体。利用虚拟人，医师更容易准确、直观地把握人体的构造和功能;二是虚拟手术系统，可用于指导手术的进行［6］。而沉浸式虚拟现实技术将成为主导技术，利用数字头盔、数字手套等复杂的传感器设备，通过三维交互技术与语音识别、语音输入技术等人机交互手段，使学习者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉，从而更好地激发学习兴趣，达到主动构建知识、提高教学质量的目的［7］。

［1］陆北善.虚拟现实技术［EB/OL］.http://baike.baidu.com/view/95269.html?wtp=tt，2006-05-03

［2］三维仿真.桌面虚拟现实［EB/OL］.http://baike.baidu.com/view/1530335.htm，2008-04-16

［3］牛永胜，刘慧.桌面式虚拟现实教学课件的快速制作［J］.华北科技学院学报，2007，3(4):87-91

［4］张力.深入使用Authorware制作多媒体课件［M］.北京:高等教育出版社，2001:153-180

［5］苏威洲，童仲豪，叶翰鸿.实现网络三维互动-Cult3D应用指南［M］.北京:清华大学出版社，2001:257

［6］王东玲，谢百治，冯潇.虚拟现实技术在组胚学教学中的应用［J］.中国医学教育技术，2010，24(1):59-60

［7］张婕.课件开发中虚拟现实技术的应用［J］.高等函授学报:自然科学版，2007，10，(5):19-20

Design and application of desktop-based
virtual reality technology in medical multimedia courseware

Sun Xiangjie，Bian Yahong，Zhang Li
(Center of Educational Technology，Second Military Medical University，Shanghai 200433，China)

The paper introduces the design ideas and implementation of desktop-based virtual reality technology in courseware making.Combination of virtual reality technology with courseware teaching materials can reinforce independent learning of courseware and knowledge interactivity，which leads to a significant improvement in learning efficiency and teaching quality.

virtual reality;desktop-based virtual reality;medical multimedia courseware;

G434

A

1004-5287(2011)02-0164-03

2010-10-12

孙项洁(1972-)，女，上海人，工程师，学士，主要研究方向:多媒体课件设计制作。