基于VRML+JavaScript的交互式《人体解剖学》3D虚拟实验室的构建及应用

韩中保，韩扣兰，周 羽

盐城卫生职业技术学院，江苏 盐城 224005

基于VRML+JavaScript的交互式《人体解剖学》3D虚拟实验室的构建及应用

韩中保，韩扣兰，周 羽

盐城卫生职业技术学院，江苏 盐城 224005

《人体解剖学》3D虚拟实验室是以VRML实现虚拟情境呈现，运用ImageModeler、Poser、Mayamuscle等快捷建模工具构建人体器官3D模型，通过ASP和JavaScript搭建人机交互操作，整合相关图片和学习卡片构建而成的在线学习平台。该平台极大地激发了学生的学习兴趣，培养了学生的立体思维能力，提高了学习效率，推动了教学改革。

虚拟实验室;虚拟实现建模语言;Java脚本语言;学习卡片

《人体解剖学》是一门实践性很强的学科，在以往的教学中，多借助于图谱图片、模型和标本等进行教学。然而，对于学生来讲，图片缺少立体感，且标签指示范围不清;由于模型无提示功能，经常需要教师讲解，学生自学或复习时很难充分利用;标本更是稀少，实验室资源紧张。因此，《人体解剖学》的理论或实验教学必需开创一种新的方法，以解决目前存在的不足。

利用现代计算机技术进行虚拟实验室研究，是近年来国内外研究的一个热点。虚拟现实技术可为学习者提供一个直观、逼真、形象、方便和可重复操作的实验环境，为解剖学实验教学开辟了一个崭新的教学模式及途径［1］。

1 虚拟实验室开发的集成工具

《人体解剖学》虚拟实验室的构建有许多方法，但大多数都存在技术难度较大、开发周期长、成本较高等诸多因素。综合而言，三维虚拟实验室采用VRML开发综合性能较好，二维的虚拟实验室利用Flash技术开发综合性能较好［2］。例如:《组织学》虚拟实验室主要是模拟显微镜使用，视野下均为二维图像，故采用Flash技术开发［3］;《人体解剖学》重点主要是讲解各系统器官的大体形态特点、毗邻关系等，着重于三维的训练，需要采用VRML技术开发。

2 人体器官的建模

2.1 常用的建模方法

近年来，随着计算机三维模拟和立体成像技术的发展，在医学科学领域中已出现许多三维重建的方法。一般是采用人体组织器官切片的方法，将标本分多重切片，通过专业扫描仪或相机将切片断面(CT、MRI)转换为多幅二维图像，然后使用SGI图形工作站或高速计算机处理成三维图像。但这种方法投资巨大，要求自主编写图形处理软件，需要多个领域的专业人员合作完成，难以普及［4］。

3Ds Max是世界上应用最广泛的三维建模、动画、渲染软件［5］，应用极为广泛，在医疗、辅助教学中发挥了重要的作用［6］。3Ds Max制作的效果图具有准确、真实、便于修改等特征，可充分展示人体器官结构的大小、形态、空间位置及其毗邻关系，使教师及学生对人体器官的形态结构、位置、血供、神经支配等有准确的了解。

生物体器官形状不规则，建模过程也相对比较复杂［7］。利用3Ds Max多边形建模功能，根据参考图案并结合器官实际形态在各视图中调整多边形各顶点位置，完成器官模型重建［8］。Maya软件有着完整的NURBS、细分建模、Polygon建模工具及无缝隙建模技术，为人体模型构建提供了良好的平台，可以细腻地构建医学虚拟实验中所需的各种模型，创建逼真的三维影像 。

2.2 快捷的建模方法

2.2.1 ImageModeler基于图片建模 ImageModeler

是由REALVIZ公司开发的一个特殊类型的独立建模软件，它可以根据几张不同角度的照片创建三维立体模型，同时自动根据照片创建贴图材质，产生的模型可以直接输出给3DsMax、Maya、LightWave3D和Softimage|3D等三维软件使用［10］。

2.2.2 Poser资源模型库建模 Poser是Metacreations公司推出的一款三维动物、人体造型和三维人体动画制作的极品软件。利用Poser进行角色创作的过程较简单，主要为选择模型、姿态、体态设计三个步骤，内置了丰富的模型。在辅助教学上，使用Poser 5.0制作多个部位的模拟损伤动画，形成运动损伤多媒体课件库，从而有效地保证了运动损伤防治实验课的教学质量［11］，在研究虚拟人运动上也有很大应用［12-13］。在Poser的资料板中有男、女性骨骼模型，可以直接加载到工作区面板中，输入文件到3Ds Max中进行进一步加工。

另外，Poser资源库是一个开放性，Metacreations公司和第三方公司(如DAZStudio)开发了许多角色对象，可供免费下载或购买，其中就有肌肉模型和内脏模型，同样也可以拿来进一步加以使用［14-15］。

2.2.3 Maya muscle骨骼肌建模 Maya muscle插件自2012版已整合到了菜单、工具栏。对于角色装配可以在骨骼的基础上建立肌肉，这样当骨骼运动时也会带动肌肉拉伸和压缩，从而驱动角色模型生产形变［16］。

3 模型高仿真处理

为了体现其高度仿真性，需要对用各种方法获得的人体器官模型进行材质或贴图处理。如利用ImageModeler创建模型时，则可以取部分照片用Photoshop制作贴图;Poser输出的骨模型在3Ds Max是光滑灰色的，因此也要加贴图。在Poser安装的目录下:如C:program filese frontierposer 2010Runtime下找到相应的模型文件夹，在其中就有该模型的贴图，可以直接复制并应用到3Ds Max中，使骨模型具有高仿真。骨骼肌的模型直接用Maya构建，至于血管、神经是用颜色进行区分的。另外，有些器官模型是免费下载或是购买的，均自带有贴图。当然，《人体解剖学》在教学过程中，重点是对外形、结构及毗邻关系的认识，学生在学习的过程中，对部分贴图处理和没有贴图处理的接受度几乎是相同的，其实是可以对部分模型进行简单的颜色区分处理。

为了在VRML中交互，需要对每个器官模型所要表现的各结构进行分离独立处理，在3Ds Max的修改器中可进行网格化、平滑等处理。选中所需部分进行分离和命名(取英文缩写，并与中文对应)，以便在以后的交互操作中使用。

4 VRML集成

4.1 VRML格式的转换和建模

部分模型文件需要利用3D objector converter进行3D格式转换，输出为.vrl文件。利用Vrm lPad进行编辑，包括色彩、材质、贴图、位置等，这些操作绝大部已在3Ds Max完成，只有少部分需要调整。由于在3Ds Max中已对器官中相关结构进行了分离和命名，因此，在VrmlPad代码编辑中，只需在相应结构命名下定义对应的节点属性名称，如下文HTML文件部分代码中出现的自定义“recntncc_color”节点名称为中切牙冠部的颜色节点的名称。

4.2 VRML文件与HTML整合

将VRML文件与HTML进行整合的方法较多，一般使用对象插入的方法。其中，CLASSID指定注册的ActiveX控件的类ID，value的参数指定VRML文件［17］。“.VRML”文件在整合到网页中时，需要有支持IE浏览器的播放插件，该虚拟实验室选用Cosmo Player

2.1.1 插件。利用Cosmo Player插件可以对三维场景进行放大、缩小、旋转、多种角度等操作。其插件本身、具体操作说明在网页中均有下载。

4.3 建立VRML+JavaScript交互操作控制

虚拟场景的控制方法主要有以下三种:一是通过VRML内部的Script节点与其他高级语言编写的脚本程序、VRML事件以及各种感应器配合进行交互;另一种是通过HTML语言中的JavaScript脚本直接改变VRML中节点属性值从而达到交互的目的;三是通过利用JAVA APPLET调用EAI进行交互，这种方法应用比较普遍。为了便于VRML与HTML、ASP(JavaScript)之间的通信，在Web《人体解剖学》虚拟实验室的构建中，常利用ASP(JavaScript)与VRML之间通信［18］(如图1和图2所示)。

图1 牙的三维模型

图2 交互反应

HTML文件部分代码:

5 学习卡片的建立

5.1 知识点整理，存储为XML文件

学习卡片就是以一个小知识点为中心，整合相关资源所构建起的知识片段。在《解剖学》教学中，以某个解剖结构名词为中心，列出解释、解剖学意义、临床应用、相关图片等，这样就构成了一个学习卡片，并以XML形式组织，最终形成一个有条理的原始数据库，便于查询阅读，同时可进行跨系统、跨环境应用，从而开发不同的学习环境系统。具体如下:

＜Knowledge point＞

＜Chapter name="运动系统"＞

……

＜Sections name="骨"＞

……

＜structure name="髂前上棘"Notes="髂棘前外侧突出部，称髂前上棘"Significance of anatomy="髂前上棘是重要的体表标志，是腹部分区、阑尾根部体表投影定位的参照点。"Application of clinical="是成人骨髓穿刺点……"pictures_1="/pic/麦氏点.jpg"pictures_2="/pic/成人骨髓穿刺点.jpg"/＞

＜/Sections＞

＜/Chapter＞

＜/Knowledge point＞

5.2 运用ASP(JavaScript)调用XML文件，并相应呈现

运用ASP(JavaScript)从数据库服务器中调用XML文件，并呈现相应结构的知识点，显示相应的图片，构成这一结构的知识点，便于教学或学习［19］。

6 应用研究及推广前景

《人体解剖学》虚拟实验室的建设仍处在一个初级阶段，最突出的问题是工作量大、开发周期长。该研究通过快速的建模方法、简捷灵活的交互方式，缩短了开发周期，已成功试运行在运动系统和呼吸系统两个章节的虚拟实验室，受到了教师和学生的肯定。通过将文字、图片和三维模型的有机结合，培养了学生的立体思维能力，增强了学生识别模型的能力，从而提高了学生学习兴趣及学习效率。因此，构建虚拟实验室为《人体解剖学》教学开辟了一条新的教学模式及途径。由于不受时间、地点、场地等因素的限制，应用极为广泛，在一定程度上影响着传统教学模式，推动着教学改革。

然而，技术上的成熟也并不代表就能运用，在开发的过程中受缺少计算机和医学复合型人才，投入较少等诸多因素影响，在一定程度上阻碍了虚拟实验室的发展。因此，加大解剖学教学投入、加强多学科合作、校校联合，培养教师和学生的综合素质将是虚拟解剖实验教学推广过程中的必然要求。

［1］张云龙，陶伟，尚波，等.虚拟解剖学实验室在高等医学院校的应用现状与分析［J］.解剖学研究，2011，33(4): 310-311

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［3］韩中保.应用Flash AS技术设计《组织学》网络化虚拟实验［J］.解剖学杂志，2008，31(1):95-110

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［5］王琦.3Ds Max 9大风暴［M］.北京:人民邮电出版社，2007:1-2

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［7］李方正，刘春英，姜忠玲，等.3Ds Max在动物解剖学中的应用［J］.农业网络信息，2007，(2):26-28

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Construction and application of interactive 3D virtual laboratory for Human Anatom y based on VRM L+JavaScript

Han Zhongbao，Han Koulan，Zhou Yu
Yancheng Health Vocational and Technical School，Yancheng 224005，China

The 3D virtual laboratory for Human Anatomy is presented with the virtual reality modeling language(VRML)environment and constructed with models of human organs with rapid modeling tools including ImageModeler，Poser and Maya muscle.This online learning platform builds human-computer interactive operations by using ASP and JavaScript and integrates relevant pictures and learning cards.This platform can greatly stimulate students＇interest in learning，cultivate their 3D thinking ability，improve their learning efficiency，and promote the teaching reform.

virtual laboratory;virtual realitymodeling language;JavaScript;learning card

G434

:A

:1004-5287(2012)05-0556-04

江苏省卫生厅医学科技发展基金科研课题“构建《正常人体学》网络课程”(J200605)

2012-05-18

韩中保(1966-)，男，江苏盐城人，学士，副教授，主要研究方向:医学与现代教育技术。