基于Unity3D技术的数字人体腧穴教学信息系统的设计与实现

张 季，张宏如，董海艳，王瑞娟

南京中医药大学:1信息技术学院;2第二临床学院，南京 210046

医学院校学生专业技能的培养，不仅关系到学校自身教育的成败，更为社会医疗水平的发展筑建基础。良好专业技能培养的主客观要素很多，其中同等主观条件下若能较好地运用教学辅助工具可取得事半功倍的教学效果。

针灸学作为中医药精髓的重要组成部分，是中医药教学领域的基础，其教学内容主要包括腧穴基础理论、实践操作技能及临床综合应用，等，知识点众多、实践性较强，尤其是腧穴的定位及其主治症候，枯燥乏味，极大程度地考验教师的教学方法设计能力及学生的记忆能力，成为针灸学教学重点中的难点。同时，传统的人体二维平面图腧穴定位不够直观，相关教学信息也无法直接从平面图上获取，教师上课教学效果受其约束，使学生所见与实际教学内容可能会产生偏差，不能满足学生的学习需求［1］。

随着虚拟现实技术在各个领域内应用的逐渐深入，以及科学技术的发展和课程改革的要求，高等教育专业课程教学中也越来越多地运用了可交互的三维模型［2］。三维立体模型本身是利用计算机进行设计、创作与制作，产生真实的立体场景，可以使人产生视觉上的冲击，给人一种身临其境的感觉，再通过良好的交互方式实现相关教学信息的展示，就可以更好地满足教师和学生教与学的需求，为课程的教学提供强有力的支持，同时也可方便学生课后自主操作学习。

1 Unity3D技术

目前，三维虚拟展示技术主要有OpenGL、DriectX、Unity3D、VRML、Quest3D、Virtools、VRP 以及 Cult3D，等。其中，近年来兴起的Unity3D技术以其优越的渲染效果和更高的扩展空间受到了众多三维可视化专业技术人员的青睐。

Unity3D是由Unity Technologies开发的一个强大的集成游戏引擎和编辑器，它可以通过简单的用户界面迅速高效地创建对象、导入外部资源，并通过简单的拖放动作实现为变量赋值，连接脚本等操作［3］。Unity3D以集成的脚本环境、内置的网络功能及跨平台的系统开发等强大的实用性功能而著称，全新版本的Unity4．0引擎能够发布支持Windows、MAC OSX、安卓、IOS等在内的十个系统平台软件，其操作环境简单、直观，且界面友好，近几年越来越多地受到3D相关行业软件开发人员的青睐。

Unity3D对DirectX和OpenGL拥有高度优化的图形渲染管道;为软投影和硬投影增加了自投影支持，可实现实时投影;支持所有主要文件格式，能和大部分相关应用程序协同工作;可以通过脚本直接访问Unity3D的资源流水线;可访问底层渲染，自由定制渲染技术，其灵活设置的特点使得它可以供一个独立爱好者或是一个大型开发团队使用，用户群日益广泛［4］。

2 数字人体腧穴教学系统功能分析与实现

自美国提出“可视化人体计划”(visible human project，VHP)以来，数字化虚拟人体研究发展迅速。其具体含义是指把人体形态学、物理学和生物学等信息，通过计算机处理而实现的数字化虚拟人体，可代替真实人体进行实验研究的技术平台。我国于2001年第174次香山科学会议上提出了中国数字化虚拟人体研究，数字化虚拟人体研究为医学及多学科的研究和应用提供一个崭新的技术研究平台［5］。

数字化人体模型按模型的虚拟化程度可分为以下几种:①可视人，是将数字人体模型建立在表面模型的基础上;②解剖人，是将数字人体模型建立在实体模型的基础上;③生理人，是在解剖人的基础上，加入人体的生理代谢活动;④虚拟人，是在生理人的基础上，加入智能化思维模式。

不同虚拟化程度的数字化人体模型将满足不同的学习阶段需求:可视人，即可基本满足针灸腧穴的初级学习情境的需要;解剖人则能更进一步地提升学生对针刺取穴准确性的深入理解;生理人可以为针刺的治疗效果提供更为逼真的生理描述;而虚拟人则可以以生动的交互性提升整个针刺过程的情境沉浸效果。总之，虚拟现实技术与传统的中医针灸学相交叉，以虚拟的三维场景为平台，为腧穴学者提供了一个灵活逼真的学习情境，可以使学生更为轻松、积极地投入到原本枯燥繁重的学习之中，并在一定程度上为针灸学普及推广构建良好的平台［6］。

2．1 数字人体腧穴教学系统功能分析

教学，即教与学的双重过程。针灸学的教学主要包括:课堂上教师讲解及课后学生自主学习，二者缺一不可。所以，软件设计应满足教师课堂上讲授过程中各教学环节的设计需求，以及课后学生自主学习操作灵活方便、界面友好的需求。

针灸学教师课堂讲授的传统教学方式是以教师讲解为主，通过平面挂图或文字叙述方式使学生了解腧穴的位置、取穴方法、所属经络、主治病症、针灸处方等相关信息，多为语言描述及平面展示，学生获取的信息受到信息载体形式的限制不具备直观、生动、形象的特点，所以针对课堂教学的内容可设计软件系统实现以下主要功能:

①以交互模式查看三维人体解剖模型，如缩放、旋转、平移，等，及三维人体解剖模型的部分组织结构与经络腧穴的三维位置关系。

②通过鼠标拾取等操作实现数字人体模型上14条经络和362个腧穴基本信息的查看［7］，包括腧穴的代号、名称、位置、取穴方法、所属经络、主治病症、针灸处方，等。

③通过交互式按键时控长短展现针刺的力度、深度等动画信息。

④系统界面友好、易操作，对于非计算机专业人员上手容易［8］。

借助于具备以上功能的教学软件，教师可以更好地设计教学流程，更为方便地向学生展现形象、直观的三维人体腧穴模型，极大程度地增加教学效果的生动性、灵活性。

学生自主学习过程需要软件，既具备通过三维模型上穴位点拾取，显示穴位相关信息的功能，又可以通过人机交互，输入腧穴名称或是代号，系统自动实现三维模型腧穴点定位的功能。所以综上所述，该系统设计实现的功能结构如图1所示。的操作系统，具备了腧穴教学软件前瞻性发展对数据库系统需求的基本特征。所以，该系统中使用SQLite作为后台数据库管理平台。

图1 系统功能结构图

系统实现的运行界面(实验数据:左手臂)如图2所示。

2．2 数字人体腧穴教学系统的设计与脚本实现

软件系统功能逻辑模块主要分三个部分:三维模型导入、三维场景渲染、腧穴数据库连接。

2．2．1 三维模型导入 在三维人体各组织模型已经准备好的基础上，设计符合用户操作习惯的交互方式，实现模型的导入与拾取操作:可选用树控件或下拉列表控件实现用户对场景内可视人体组织系统模型的设置;通过模型叠加状态的设定确定各组织与腧穴模型的显现关系。Unity3D系统开发平台识别多种格式的三维模型文件，如FBX、3DS、OBJ，等。在这一开发环境中实现三维模型导入，可避免采用复杂的程序设计，仅通过鼠标拖动即可实现。但模型类型设置、贴图数据的导出需使用三维模型制作软件，如3DSMAX等辅助实现。这一阶段工作量较大，需要耐心、细致的前期准备，并应遵循相关数据标准。2．2．2 三维场景渲染 根据软件系统功能分析，在三维场景渲染中主要实现图形用户交互(GUI)、模型鼠标拾取操作功能。在Unity3D平台上可通过两种方式实现图形用户交互:其一是使用Unity3DGUI脚本编辑函数，其二是使用NGUI(Next-Gen UI kit)，即下一代用户工具包。对比两种方式，前者需要开发人员具备较强的编程能力，但对控件实现设计都更为灵活;后者是在遵循KISS原则的基础上使用C#编写的Unity插件。NGUI提供强大的UI系统和事件通知框架，从而使得开发人员可以很容易地扩展NGUI的功能或仅通过简单的属性设置调节已有功能的组件进而实现用户交互界面。基于这一方式的UI功能实现虽然简单、快捷，但缺乏自主性、灵活性。在该系统中结合两种方式，取长补短，设计并实现易于拓展为跨平台工作的UI界面。

2．2．3 数据库连接 SQLite作为一款轻型的数据库，占用资源低，在嵌入式设备中，可能只需要几百K的内存就够了，并且支持Windows/Linux/Unix等主流

图2 系统运行界面图

3 数字人体腧穴教学系统知识库分析与建立

系统开发需要的数据主要包括:三维人体模型数据、腧穴教学相关信息数据。

3．1 三维人体数据模型

3D数字人体模型是系统中直接与教学双方进行知识信息传递的三维模型，该模型可以有选择地显示/隐藏人体皮肤、肌肉、经脉、血管、穴位等三维模型信息，并进一步提供相关教学信息，如:各位置点的生理特点、病理现象、常规疗法，等。

三维模型总体上可以分为线框模型、表面模型和实体模型。线框模型是由一系列的点、线组成，描述对象的轮廓外形;表面模型将模型由基本面素连接而成，描述对象的视觉外观;实体模型则是通过基本体素来创建三维对象，可提取描述对象的物理特性。人体模型旨在提供人体各部分组织结构与腧穴的三维对应关系，既无法仅用轮廓外形来勾勒这种对应关系，亦无须提取组织结构对象的物理特性，综合考虑软件的版本提升空间及其可运行硬件平台的普及度，选取表面模型较为适合。

可借助于3D建模软件，建立包括人体皮肤、肌肉、经脉、血管、骨骼在内的三维人体表面模型，分别导出。为保证人体模型及相关数据的准确性，该系统实验数据使用以人体CT扫描数据为基础建立的人体所有系统和器官的高精度三维数字解剖模型。

3．2 腧穴信息数据结构

根据腧穴教学难点及软件功能的分析，可确定系统使用的腧穴数据实体关系模型如图3所示。

图3 腧穴实体属性模型

并在实体模型腧穴(序号、腧穴代号、腧穴名称、经络部位、定位描述、取穴方法、主治病症、针灸处方)的基础上［9］，设计其存储结构如表1所示。

表1 腧穴数据存储结构表

4 系统应用与展望

系统原型以左手臂为实验数据进行开发，首次试用周期，涉及三门专业课“经络腧穴学”、“针灸治疗学”、“实验针灸学”。在课程的相关教学过程中进一步对软件的交互性、友好性进行测试，测试结果良好，试用教师4人，均对使用软件带来的教学效果给予肯定;试用班级学生人数共计190人，对软件的实用性认可度达到100%，视觉效果认可度95．5%，相关内容知识面覆盖认可度达到92．2%。这也正是该软件下一步工作的主要内容，即在完整试用周期结束后对软件使用效果反馈的数据进行整理，充实软件对针灸学知识面的覆盖程度，并进一步运用色彩设计实现界面美化效果。

三维人体腧穴教学信息系统是虚拟现实技术在专业领域教学中应用的软件产品。根据目前的教学需要发布为可在PC平台上运行的单机版和网页版，随着产品应用领域的需要，可进一步拓展为嵌入式应用设备。该系统融计算机技术、电子控制技术、多媒体技术、腧穴理论于一体;显示十二经脉循环流注，经脉络属表里对经关系，特定穴的分布;加上以动画形式展现表层、浅层、深层穴位解剖三维模型进针效果［10］，以及常见病的辨证施治及处方输出，等;可为教与学带来更加丰富的内容，使教学工作更加轻松，教学内容更加丰富、更加生动。

该系统具有一定的科学性、先进性、实用性，使针灸医学向虚拟现实信息化教学迈进一步，其完善的全套人体模型软件可为各中医院校、体育院校、针灸院系、康复理疗中心、国际国内针灸培训班等提供理想的教学手段，具有非常好的意义。

［1］黄芳，曹锐，董宝强．减轻记忆负担提高《针灸学》教学质量［J］．辽宁中医药大学学报，2009，11(12):221-222

［2］刘延祥，邵水金．数字化虚拟人体为针刺手法研究提供新的平台［J］．辽宁中医药大学学报，2009，(6):24-26

［3］宣雨松．Unity 3D游戏开发［M］．北京:人民邮电出版社，2012:1-2

［4］吴亚峰，于复兴．Unity 3D游戏开发技术详解与典型案例［M］．北京:人民邮电出版社，2010:3

［5］钟世镇．数字化虚拟人体的科学意义及应用前景［J］．第一军医大学学报，2003，23(3):193-195

［6］张季．数字人体模型在针灸教学领域内的应用［J］．医学信息，2011，24(12):28-29

［7］GB/T 12346-2006腧穴名称与定位［S］．北京:中国标准出版社，2006:1

［8］孟向文，刘建卫，潘建明，等．数字人体穴位系统在腧穴学教学中的应用研究［J］．针灸推拿，2008，40(12):72-73

［9］高学全，潘建明，刘建卫，等．数字化虚拟人体穴位三维重建数据库的建立与应用［J］．安徽中医学院学报，2009，28(6):39-42

［10］刘延祥，严振国，郭义，等．环跳穴进针角度和深度的三维可视化研究［J］．中国针灸，2012，32(10):897-900