采用123D Catch基于照片全自动构建人体器官三维模型

韩中保，韩扣兰

盐城卫生职业技术学院医学院，江苏 盐城 224006

虚拟实验室是一种基于Web技术、VR虚拟现实技术构建的开放式、网络化的虚拟实验教学系统，是现有各种教学实验室的数字化和虚拟化［1］。《人体解剖学》虚拟实验室以其独特的立体性、生动性、交互性等优势为解剖学教学开辟了广阔的空间［2］。三维模型库的构建是实现《人体解剖学》虚拟实验室的关键，由于人体器官形态的复杂性，传统的手工建模技术专业性强、投入大、周期长，是开发虚拟实验室过程中最困难的问题之一［3］。

基于二维图像的建模研究从单一图像、图像序列或视频中，通过识读图像中的物体或场景的三维几何信息实现建模。因其成本低、操作简单、逼真性高等优势，逐渐得到研究者的重视［4］。基于真实数码照片的三维建模技术，是其中的一种类型，主要是通过不同视角的二维图像识别和计算得到三维信息。随着模型识别和人工智能等技术的发展，以Autodesk 123D Catch为代表，集各类优点，实现了基于真实照片的全自动化三维建模方式，值得进一步关注和研究［5］。

1 常用的人体器官建模方法

1．1 手工建模

3Ds Max及Maya强大的三维建模、动画制作功能在医学教育中发挥着重要的作用［6-7］。由于人体器官形态的复杂性，在制作的过程中需要对器官熟悉了解、多边形放样、局部修改、帖图制作等多道工序，因此，首先对于创建者的技能要求很高;其次也无法达到与原模型的一致性，如果要制作出高仿真模型，则需要花费大量的时间和精力。

1．2 虚拟全景技术

基于静态图像的互动虚拟全景技术是运用相关工具软件，如 VR OjectWorx、PixMaker Pro，等，将物体或空间方位的静态实景照片按照片相互关系有机连接起来，在视觉上形成对物体或空间的整体认识［8-9］。虚拟全景技术具有真实感、沉浸感，使得它在立体空间的展示、立体物体的展示和虚拟场景的构造等方面有着独特的优势(如构建人体标本虚拟展示室)。然而，虚拟全景技术注重的是场景或物体整体观察，严格意义上场景或物体还不是一个独立的三维模型对象。因此，不能导入到其他三维建模软件进行进一步的加工处理。

1．3 基于医学图像的三维器官重构

随着计算机科学和信息技术的发展，以及影像学设备(CT、MRI)的进步，基于医学图像的三维器官重构技术得到了迅猛发展。其主要是采用人体组织器官切片的方法，将标本分多层切片，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，从而获取原始数据，再进行分割、提取、配准等计算，实现临床医学的数字化和可视化，推动了临床诊疗工作、虚拟手术训练和临床科研。基于医学图像的三维器官重构所需硬件多、系统环境复杂;且涉及多学科、多领域，需要相关人员通力合作;相关软件均为商业性质，价格昂贵，且大部分操作复杂，需具备专业的计算机知识方能熟练操作，这限制了它们的应

用［10］。

2 基于真实照片的三维建模

2．1 摄影测绘软件

EOS公司研发的PhotoModeler和REALVIZ公司开发的ImageModeler(现在被AutoDesk收购)是功能相似的基于摄影测量的建模软件。它们可以通过几张不同角度的照片来创建三维模型，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3Ds Max、Maya、LightWave 3D 和Softimage|3D 等三维软件使用。但在建模前，要进行“自动编码目标点”(也称参照点或是参照线)的设计，一个一个地对齐物体的顶点位置［11-12］。该两种软件较适合于几何体的建模，如建筑、工程机械、几何物品，等，但对于人体器官不规则物体的建模能力还相对较弱。

2．2 云计算全自动化建模

123D Catch是Autodesk公司开发的一款实验性的免费工具，利用云计算的强大能力，实现基于照片的全自动化建模功能。使用者不需要复杂的专业知识，只需一架傻瓜相机、手机或高级数码单反相机，即可迅速、轻松地从任何环境中捕捉三维物体不同角度的照片，通过网络上传至123D Catch后台，便可得到三维模型［13］。该建模技术集中了各类优点，代表了一种先进且高效的建模方式，值得进一步关注和研究。

3 123D Catch建模流程、注意事项及在虚拟实验室中的应用

3．1 建模流程

3．1．1 下载安装 Autodesk 123D Catch是免费的，无需注册。

3．1．2 环境设计 无论是在 Windows 7、Windows Vista、Windows® XPProfessional(home)或Windows Server操作系统中，都要进行图形支持设计，安装Direct3D®9或10;网络服务设计，则要安装．NETFrame Work 3．5或以上版本。

在以上操作过程中都要确保Internet连接。

3．1．3 物体及环境的拍摄 为了得到理想的三维模型，拍摄照片是非常重要的环节。123D Catch利用云计算，自动查找和匹配照片中物体的共同特征，并以这些特征为基点，把不同照片中物体特征整合在一起，从而产生三维场景效果。

拍摄环境:环境光不能太强也不能太暗，拍摄时关闭闪光灯。物体表面反光的照片，将造成软件识别困难，总之能有专业的环境最好。

图1 拍摄路径

图2 修改后的三维模型

拍摄路径:由于人体器官形态的复杂性，一般转10°围绕医用模型拍一张，一圈360°拍得36张。当然也可以每转5°拍一张，使得三维模型更加精细。在整个拍摄过程中，不要移动物体，相机与物体的高度保持平行［14］(如图1 所示)。级模型)三个等级，可通过点击Generate Mesh图标按钮得到Mesh Quality对话框进行选择。由于分辨率越高，所需计算量就越大，因此，在调校阶段先使用低质量等级构成草图级模型，当模型修改完善后，再进行精细化处理［15］。

拍摄物体:选择制作较精确的人体器官医用教学模型，其表面有不同色彩区分不同结构。对于真实的人体器官，主要是选择单个的，易于固定的器官标本，去除瓶状，在其表面不同部位贴上不同颜色的小标记点，便于软件的计算识别。

3．1．4 照片上传 运行123D Catch，将拍摄好的照片上传到软件后台。上传前注册创作者的信息，包括你的邮箱、姓名，等。上传文件和所在文件夹(从根目录开始)全部改成英文，否则会在上传时中断。上传的所有图片格式和大小要一致，一般来说，单个图片大小不要超过400 K。

3．1．5 三维模型修改、保存、导出以及动画输出

上传照片结束后，等上一段时间，三维模型产生，点取选择(矩形和不规则形)工具，选取不需要的部分，按Delete键删除;对于细节部分，可对照照片再做进一步的修改，最终得到所需要的三维模型，保存场景文件．3dp(如图2、图3所示)。

123D Catch中所生成的模型质量有Mobile(草图级模型)、Standard(标准级模型)和Maximum(最优

图3 不同视角的照片与模型的对比动画路径的设置

三维模型导出的格式主要有．fbx、．obj、．dwg 和 ipm等，软件在输出三维模型时，同时也自动生成三维模型的帖图文件，格式为．jpg。到3Ds Max、Maya可以用．fbx格式，到zbrush等可以用．obj格式。Autodesk FBX是Autodesk公司出品的一款用于跨平台的免费三维创作与交换格式的软件，通过FBX用户能访问大多数三维供应商的三维文件。．fbx文件格式支持所有主要的三维数据元素以及二维、音频和视频媒体元素。当安装了FBX for QuickTime工具后，三维模型可直接在QuickTime上进行缩放、旋转、平移等操作(如图4所示)。

123D Catch可以通过动画路径、关键帧的设定，输出．avi格式的三维模型动画。

3．2 三维模型在虚拟实验室中的应用

将格式为．fbx的三维模型文件导入3Ds Max或Maya中，可对其进行进一步的编辑，在模型渲染时，导入帖图文件，直接利用3Ds Max或Maya自带的．vml格式导出三维模型文件。

图4 三维模型在QuickTime中的操作

运行VrmlPad，打开．vml格文件，在代码视窗中重新定义帖图文件路径(使用绝对路)，运行代码，则在vml浏览器可对三维模型进行缩放、平移、旋转等操作(如图5所示)，最终应用到虚拟实验室平台。

图5 三维模型在VRML浏览器中的操作

4 结语

基于照片的全自动三维建模技术，尤其是Autodesk 123D Catch，无需大型专业设备，无需很强的专业知识，创建者只需短时的学习或培训，就能构建高仿真的人体器官三维模型，使得《人体解剖学》虚拟室的模型库创建极大地缩短了开发时间。Autodesk 123D Catch无疑是先进且高效的建模方式，值得大力推广使用。

［1］百度百科．虚拟实验室［EB/OL］．http://baike．baidu．com/view/1515402．htm

［2］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

［3］常艳．基于二维图片三维器官重构方法研究［J］．计算机仿真，2012，29(1):221-223

［4］束搏，邱显杰，王兆其，等．基于图像的几何建模技术综述［J］．计算机研究与发展，2010，47(3):549-560

［5］徐正刚．基于真实照片自动创建三维模型在影视动画制作中的应用［J］．现代电影技术，2012，(10):36-40

［6］王威，孙圣坤，张磊，等．3Ds Max 9多边形建模在肾脏局部解剖教学中的应用［J］．中国医学教育技术，2011，25(1):39-41

［7］刘文苗，杨雪，王丽，等．基于Maya技术的医学虚拟实验模型构建［J］．实验技术与管理，2011，28(4):76-79

［8］刘俊英，李光仲．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［J］．中国医学教育技术，2011，25(6):620-622

［9］金立军．虚拟人体示本陈列室的建立及效果［J］．解剖学杂志，2010，33(1):135-136

［10］方驰华，李晓锋．医学三维可视化仿真系统研究进展［J］．中国数字医学，2009，4(7):25-29

［11］苏毅，曾坚．PhotoModeler软件在复杂曲面形建筑设计中的应用［EB/OL］．中国科技论文在线，http://www．paper．edu．cn/releasepaper/content/200807-599，2008-07-31

［12］木木的博客．ImageModeler(照片建模)简单教程［EB/OL］．http://blog．sina．com．cn/s/blog_5af21f690100npd6．html，2011-01-18

［13］eNet硅谷动力．Autodesk 123D系列扩展产品［EB/OL］．http://www．enet．com．cn/article/2011/1226/A20111226 951375．shtml，2011-12-26

［14］3D打印时代．Autodesk 123D Catch学习笔记［EB/OL］．http://3dprintime．com/autodesk-123d-catch-study-notes．html，2013-02-03

［15］自我的空间．Autodesk 123D Catch云端照片建模工具［EB/OL］．http://weiliang-blog．163．com/blog/static/654 0566720121292659196/，2012-02-03