三维建模技术在家畜器官建模中的应用

李方正　刘春英

【摘 要】家畜解剖学是一门形态学课程，实践性强是本课的特点，理论授课与实验和实践相结合才能达到较好的教学效果。在教学中为了补充家畜标本的不足，我们采用三维建模技术建立家畜的三维模型，通过三维模型展示家畜器官的结构，不仅能提高学生学习的积极性，还能加深其对器官结构的理解程度，激发学习的兴趣。本文分析了家畜器官建模的方式及其优缺点。

【关键词】三维建模；家畜解剖学；器官结构

0 引言

家畜解剖学是一门形态学课程，具有很强的实践性，理论授课与实验和实践相结合才能达到较好的教学效果。解剖标本是解剖实验和实践教学中必不可少的实验材料。在实验过程中不可避免的存在标本的损耗，以及某些标本不容易得到，采用计算机技术建立解剖标本的三维模型可以弥补以上不足。随着计算机图形技术的发展，基于真实人体数据的“虚拟中国人”数据集早在2003年就已经建立完成，根据这些数据集对人的各种器官进行了三维重建，这些来源于真实人体数据三维模型在人体解剖学教学中得到广泛应用[1-2]。但目前还没有家畜的虚拟解剖数据集，家畜的三维数据还非常少。为了增加家畜解剖学的虚拟模型资源和弥补教学标本的不足，我们采用三维建模技术创建了多种家畜的三维模型，这些模型结构清晰、真实度高，能够方便学生学习和记忆。本文对目前常用的三维建模技术进行探讨。

1 常用三维建模方式

计算机三维模型是通过点和边来描述物体的几何形状，其数据结构简单、信息量较少，不仅能够描述物体的几何信息，能够实现外形、剖面、实体着色、光照及纹理等各种处理和操作[3]。

1.1 三维建模软件建模

常用的三维建模软件有3ds Max、Maya、Silo、PRO-E、Rhino 3D、Solidworks等。其中PRO-E、Rhino 3D、Solidworks常用于建筑和工程模型制作，其它几种多用于人物、生物体、日常用品等物体建模。3ds Max软件简洁高效，容易上手，适合场景建模和室内设计方面。Maya是世界顶级的三维动画软件，应用于影视广告、人物角色动画和电影特技等。Maya的功能完善，工作灵活，制作效率高，渲染真实感极强，但是初学者难以上手。Silo是一款专注于建模的三维软件，既适合生物建模也适合规则物体建模。Silo是非常方便的角色多边形建模工具，可以制作精细的多边形物体，能全快捷键操作，效率较高。

三维模型生成方法一般先建立几何图形，对几何图形的点、多边形、面等进行调整，使其变成需要的形状。这种方法对于形状规则物体较为方便，但是动物器官的形状不规则（见图1、图2），采用几何图形直接建模则比较困难，要求操作人员能够熟练使用三维建模软件和具有较好的立体结构的空间造型能力，此方法操作复杂，周期较长，而且建立的三维模型真实感不强。

1.2 基于图像的三维建模

基于图像的建模是通过照片生成物体精确的三维几何模型。此方法先用数码相机等设备采集物体不同角度的照片，然后采用计算机软件进行图形图像处理以及三维计算，生成被拍摄物体的三维模型。此方法是获得具有照片真实感三维模型的一种最简单的方式。采用此技术建模变得更方便、快捷，能够获得高度的真实感。由于图像本身包含着丰富的场景信息，所以非常容易从图像获得照片般逼真的场景模型。常用的基于图像的三维模型软件有Autodesk 123D、3D Cloud、PhotoScan等多种。我们采用PhotoScan软件建立了牛头骨、椎骨的三维模型（见图3、图4），由图3、图4可以看出PhotoScan生成的模型真实度非常高。将这些模型用于教学能够提高学生学习的兴趣和积极性。

1.3 应用三维激光扫描仪建模

三维激光扫描仪利用激光测距的原理，通过扫描被测物体的表面，将被测物体转变成大量的密集点和纹理等信息，可快速复建出被测物体的三维模型。该技术被用在建筑、土木工程、文物保护、室内设计、建筑监测、数字城市、工业设计、军事等领域。三维扫描仪的扫描精度可达到0.1mm以内，能够全自动扫描和还原物体的真实物理特征，非常适合用于动物的骨骼建模，但是三维扫描仪一般售价比较昂贵，而且其生成模型网格精度非常高，需要采用专用的高性能计算机进行处理，投资比较大，难以推广应用。

2 基于图像建模在家畜解剖学的应用前景

三维模型用于家畜解剖学教学具有极大的优势。学生可以直观的观察家畜 的器官结构、相互位置关系等，很好的弥补了课堂理论讲授中的不足，在实际教学中难以用语言描述的结构，可以借助三维模型，从不同的角度进行展示，能帮助学生在头脑中形成完整的家畜结构[4]，而这正是以往教学中的难点，而且通过三维模型进行学习不受时间和空间的限制，方便学生自学。

与利用建模软件直接建模和三维扫描仪扫描得到立体模型的方法相比，基于图像建模的方法成本低廉、真实感强、自动化程度高，适合家畜的器官建模，尤其是骨骼的建模。各高校的家畜解剖学实验室都有大量的骨骼和内脏等器官的标本，以这些标本作为材料，通过数码照片拍摄多角度的标本照片，然后采用软件进行三维模型制作，可以得到真实度比较高的三维模型。此方法成本低，简单实用，具有广泛的应用前景和推广价值。

【参考文献】

[1]文敏，周波，李宏伟，等.三维重建技术在局部解剖学教学中的运用[J].贵阳医学院学报，2008（05）：542-543.

[2]季达峰.虚拟现实模型在人体解剖教学中的应用：第四届全国解剖学技术学术会议，中国吉林延边，2013[C].

[3]田茵.基于虚拟现实的三维产品展示[J].计算机教育，2009.06：119-123.

[4]李方正.3ds max在动物解剖学中的应用.农业网络信息[J].2007，02：26-28.

[责任编辑：杨玉洁]