基于VR技术的人体科学馆虚拟场景模型构建

葛建霞，王永波

新乡医学院现代教育技术中心，河南 新乡 453003

基于VR技术的人体科学馆虚拟场景模型构建

葛建霞，王永波

新乡医学院现代教育技术中心，河南 新乡 453003

以虚拟现实技术为基础，以新乡医学院人体科学馆为研究对象，分析、设计、构建了人体科学馆虚拟场景三维模型，并通过实例为读者提供实现虚拟场景构建的思路与方法。同时，分析了三维模型的优劣对虚拟场景交互系统的影响。

VR;人体科学馆;虚拟场景;构建

人体科学馆是新乡医学院人体结构实验教学、科学研究的重要场所，也是广大师生参观、学习了解人体奥妙，增强对人体构造各部位理解的地方。为了充分发挥学校现有资源，降低实验教学成本，缓解实验教学资源紧张状况，提高学习者兴趣和实验效果，研究开发了虚拟人体科学馆交互漫游系统。该系统是将现实中的人体科学馆以三维形式呈现在互联网上，让更多的人有机会参观浏览，并与之进行交互，以激发学习者的兴趣及探索医学的奥妙。现将虚拟场景三维模型的构建，以及模型优劣对整个交互系统的影响做一探讨。

1 虚拟现实

虚拟现实(virtual reality，VR，又译作灵境、幻真)是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境一般，可以及时、没有限制地观察三维空间内的事物［1］。

虚拟现实不仅仅是一个演示媒体，而且还是一个设计工具，它以视觉可视化的形式产生一个适人化的多维信息空间，为我们体验虚拟世界提供了有力的支持［2］。

人体科学馆虚拟场景模型的构建，是虚拟人体科学馆交互漫游系统开发的关键内容，是虚拟现实技术的具体应用。因此，我们以系统的观点，按照软件工程的思想，从用户需求出发，分析研究对象特点，设计实现的内容，采取合适的建模方法，依据设计内容，构建人体科学馆虚拟场景的三维模型。为了达到身临其境与之交互的效果，还需利用交互工具编辑实现。

2 人体科学馆的结构分析

新乡医学院人体科学馆分东西两个展厅，收藏展品千余件，包括胚胎发育、器官系统、管道铸型、塑化人体、人体断层和木乃伊等，采用传统解剖学技术和塑化、透明、铸型、断层等特殊技术方法，从不同角度将复杂的人体结构展示给参观者。东展厅是断层解剖标本，西展厅是系统解剖、胚胎、应用解剖及特殊技术标本，我们以西展厅为例介绍。西展厅室内布局结构如图1所示。

图1 人体科学馆的室内布局结构图

3 人体科学馆虚拟场景的设计

该虚拟场景的设计是利用软件工程思想及渐进式软件开发模式对虚拟现实人体科学馆室内场景进行需求分析、设计和编码［3］，该设计采用模块化、组建化、层次化的设计思想。虚拟场景设计主要由房屋结构、室内环境(包括人体结构标本)、房屋装饰组成(如图2所示)。

图2 虚拟人体科学馆室内场景设计层次结构图

4 虚拟人体科学馆的建模方法

建模方法是虚拟现实技术中的关键技术之一，为了使这个虚拟世界看起来真实、动起来真实、听起来真实、摸起来真实［4］，我们选取了3Ds Max 9建模工具，根据建模对象特征的不同，主要采取了以下三种基本建模方法:

4.1 几何多边形建模

这种方法是利用3Ds Max中的几何体和多边形直接建模，描述虚拟对象的形状以及它们的外表。适合有较规则的物体建模，通过简单的变形编辑操作构建其基础模型。

对人体科学馆房屋结构、门、窗、室内标本柜、展板、电器等有较规则的实体，采用几何体建模。对不规则的实体，选取一种或多种几何体混合建模。建模时这些对象的形状由多边形、三角形和顶点等来确定，对象外表由表面纹理、光照系数、颜色等来确定，通常通过纹理映射和烘焙贴图来实现。

通常在3Ds Max创建面板中，选择“几何体”项，创建一个长方体模型，进入修改面板将“Box”转化为“可编辑多边形”，增加多边形横截线段，调整修改点、线、面［5］，必要时在修改面板中对模型进行“网格平滑”操作，使模型得到细化，制作出基础模型，利用获得的人体馆环境基础数据、图片等制作材质和贴图，进行纹理映射和烘焙贴图，完成模型构建。

4.2 图像建模

这种方法是基于图像或视频重建三维模型，适合馆内人体结构标本的建模。具体做法是利用数码相机对物体的前、后、左、右不同侧面进行十字交叉等高拍摄，由于拍照的图片信息并非只有标本本身，因而需要对所得的图片用Photoshop进行抠图处理;将标本各个面的图像进行抠图，保留标本图像区域，删除标本之外的其他区域，保存漫反射颜色贴图和不透明贴图。再进入3DsMax 9，在材质编辑器中导入制作好的标本贴图，前、后、左、右标本贴图进行对准拼接，创建十字交叉面并为其编辑、指定材质，制作出基于图像的三维标本模型。在建模过程中，抠图工作繁琐又重要，关系到三维模型真实感的构建［6］。

于试验鹅14、42、70日龄清晨8:00，以重复为单位，空腹称重。从每个重复中随机选取2只接近平均体重的试验鹅，称重、记录。

4.3 模型库建模

这种方法是利用已购买的“DOSCH 3D人体解剖模型”材质图库重构模型。对于较标准的人体结构标本采用此方法，可缩短模型构建的时间。具体做法是使用3Ds Max 9打开人体模型，分析MAX模型文件的结构，进行文件的读取，根据读取的三坐标信息在3Ds Max 9中进行分组筛选，将使用到的模型挑选出来，然后进行分割编辑、调整，导出选择的模型，即导出.3Ds后缀的文件格式，然后再根据实体标本进行编辑。为了提高人体科学馆网上运行速度，还需要尽量减少模型面数，选择要编辑的模型，为它添加“编辑多边形”修改器。将不需要的边删除减少面数，再指定材质，完成模型建立，借助实体图片、图像、制作表面材质，采用贴图烘焙、纹理映射等辅助手段实现真实模型的构建。

5 人体科学馆虚拟场景的构建

虚拟场景［7］是指计算机通过数字通讯技术勾勒出的数字化场景，是人们进行网上漫游和交互的基础。该虚拟场景模型的构建主要包括:房屋结构、室内场景、室内标本、室内物品等，它们的建模方法不完全相同，但建模步骤基本相同，当各单一模型建成后，还需要对这些模型进行归位和集成，以达到现实环境的重现。

5.1 人体科学馆虚拟场景三维模型的建立

根据虚拟场景设计内容，对各实体对象采取不同的建模方法逐一建模，步骤如下［8］:

第一步，获取数据和制作模型。人体科学馆真实环境数据的获取，主要有室内房屋结构数据、装修图纸数据、实地测量数据，并对场景中标本模型进行多角度的数码照片采样，这些数据经过预处理后作为模型制作的基础数据。

制作模型，是利用获取到的人体科学馆室内信息数据，通过3Ds Max中几何体、多边形按全尺寸对人体科学馆室内房屋结构、门、窗、室内物体以及室内装饰物等进行基础建模，然后通过修改器调整其基础模型，构建符合实体环境的几何模型;对于人体标本大多是采用图像和模型库建模方法。

第二步，制作材质。完成几何模型的创建后，需要使用材质编辑器制作材质，主要包括人体馆场景模型的漫反射、高光、环境反射、反射折射、凸凹等纹理贴图及高光参数设置;由于各模型的纹理不相同，需要根据不同的多边形模型进行相应的纹理“UVW贴图”。UVW贴图是3Ds Max的纹理坐标修改器，在这里需要实地拍摄若干室内场景图片，将这些图片用Photoshop处理，作为虚拟人体科学馆场景的贴图，通过纹理映射到几何模型上。

第三步，布置灯光和摄像机。场景是否真实，场景中的灯光是必不可少的元素之一，通过灯光来决定场景的基调或感觉，烘托场景气氛。该虚拟场景灯光的设置是根据人体馆实际光照状况来确定，利用3Ds Max中的目标射灯、自由射灯、泛光灯等，创建所需要的灯光系统。然后为场景添加摄像机，在虚拟场景中摄像机相当于用户的眼睛，它以模拟在虚拟三维空间中观察模型的方式，从而获得真实的视觉效果。

第四步，渲染和烘焙贴图［9］。完成上述步骤后，还需要对场景进行渲染，为场景添加颜色或环境效果，以达到逼真的效果。然后采用烘焙贴图技术，使光照信息变成贴图，提高了计算速度。这种技术对于静帧意义不大，但对于游戏和建筑漫游动画实现了把渲染费时的光能传递计算应用到动画中，也能省去光能传递时动画抖动的麻烦。

5.2 虚拟场景模型的合成

当室内虚拟环境、各人体结构标本等三维模型建成后，还需要对其进行整合，最终形成虚拟场景的整体模型;按照层次建模的思想，每个实体模型(如展柜、人体结构标本、电器、展板、盆景等)单独创建，并存储为不同的文件，将单独构建的实体模型按照人体科学馆的室内布局，确定好位置，逐一添加到虚拟场景中指定位置，将人体结构标本模型逐一放入相应的展柜中(人体科学馆虚拟场景效果如图3所示)。

图3 人体科学馆虚拟场景图(含标本)

虚拟场景三维模型建好后，还需要为其添加交互行为，使其有行为与反应能力，让用户真正体会到虚拟现实魅力。利用Virtools交互工具对场景中对象行为进行控制，实现系统的自主漫游、视点切换和标本交互［10］，最后将虚拟场景输出为适合网络传输的.vmo文件格式，嵌入到网页中，网上发布。这样用户就可以在互联网上通过鼠标和键盘漫游人体科学馆，与人体结构标本进行交互。

6 讨论

目前，该虚拟场景的开发已基本完成，正在校园网上测试，这是我们第一次尝试将虚拟现实技术应用于学校教学中。通过系统的开发与测试，我们认识到在提高虚拟场景的保真性和实时性方面还有待提高，是今后努力的方向。虚拟现实的目的重在表达一个视觉效果展示，其文件相对于软件来说高出几个数量级。它里面有太多的材质、贴图、动画、声效等多媒体文件，这样对贴图、模型等文件的精细度要求很高，增加了文件的体积;另外引入了用户交互，需要动态计算和动态生成新的图形，不得不降低图形的逼真度以减少处理时间。然而，三维模型的优劣直接影响到虚拟场景的逼真性，文件的大小又会影响其显示速度，对于网络发布的文件，在保证其质量效果的同时，网络带宽对其速度也有很大影响，因此对于模型的文件大小和网速两个问题，笔者认为要从以下三个方面来控制:①严格控制三维模型的面数，以此来减少3D文件的大小，同时保证显示效果;②处理贴图和视频文件的大小，贴图尽量使用.jpg格式的文件，可以借助一些免费图片压缩工具软件;视频文件一般使用.rm格式，不一定是最优化的，因为Virtools平台的问题，对于某些格式的视频文件暂时还是不支持的;③在Virtools平台下进行优化。在全局变量设置中贴图使用.jpg格式，并且视情况将其压缩控制在35%～75%;如果遇到的贴图文件太大，其质量要求又较高，那么将其存储为外部文件配合使用Virtools自带BB模块:Texture Load将图片动态加载;将大场景cmo文件分块保存，实现动态download和加载，动态加载需要两个模块:Web Down-load＆Object Load。

［1］百度百科.虚拟现实［EB/OL］.http://baike.baidu.com/ view/7299.htm，2010-08-10

［2］王琳琳，刘洪利.虚拟现实下的颐和园［J］.首都师范大学学报:自然科学版，2009，30(1):76-81，87

［3］张金钊，张金锐，张金镝，等.VRML编程实训教程［M］.1版.北京:清华大学出版社，北京交通大学出版社，2008: 26-27

［4］张栋梁.虚拟现实系统中虚拟生物建模技术的研究［D］.哈尔滨:哈尔滨理工大学出版社，2009:6-7

［5］火星时代.火星人-3dsmax 9大风暴［M］.1版.北京:人民邮电出版社，2007:38-40

［6］都利霞，黄杨.基于图像或者视频的三维建模技术研究［J］.测绘与空间地理信息，2010，33(6):170-175

［7］百度百科.虚拟场景［EB/OL］.http://baike.baidu.com/ view/306452.htm，2010-08-16

［8］陈阿林，胡朝晖，祁相志.校园虚拟现实三维场景建模技术及实现方法研究［J］.重庆师范大学学报:自然科学版，2007，24(4):37-40

［9］火星时代.网络游戏场景烘焙贴图制作［EB/OL］.http:// www.hxsd.com/tutorial/caizhizhuanlan/3ds_max/201004 27/25921.html，2010-09-12

［10］何武，许杰，李斌勇.基于Virtools的虚拟场景漫游系统设计与实现［J］.电脑知识与技术，2010，6(19):5323-5329

M odel construction of a human sciencemuseum in the virtual scene based on VR technology

Ge Jianxia，Wang Yongbo
Center of Modern Education Technology，Xinxiang Medical College，Xinxiang 453003，China

Based on virtual reality(VR)technology and using the Human Science Museum of Xinxiang Medical College as the research object，this paper analyzes，designs and constructs a 3Dmodel of virtual scene of themuseum.Then through examples，it provides readerswith thoughts and methods of constructing the virtual scene and analyzes the effects of strengths and weaknesses of the 3Dmodel on the virtual scene interactive system.

virtual reality(VR);human sciencemuseum;virtual scene;construction

G434

:A

:1004-5287(2012)04-0438-03

2009年河南省教育厅教育教学改革课题(2009-XYJG-79);2010年河南省社科联、省经团联调研课题(SKL-2010-1609)

2012-02-10

葛建霞(1964-)，女，河南卫辉人，硕士，高级实验师，主要研究方向:网络管理与教育技术教学研究。