家畜解剖学三维互动APP的开发研究

尹可欣，李 哲，刘嘉明，王梓瑶，胡 悦，黄埕铭，白志坤,*

(1.东北农业大学动物医学学院实验动物与比较医学重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150030；2.东北农业大学电气与信息学院；3.东北农业大学现代教育技术中心)

家畜解剖学是最重要的基础学科之一，作为兽医教育的一个重要课程，与后续所有临床实践相关。因此，学生需要掌握必要的动物解剖学知识，为将来的临床和合格的实习打下坚实的基础。现代教学工具法对推动兽医解剖教学起到了积极作用。虚拟仿真技术辅助教学成为研究热点，它的沉浸性、交互性、构想性可以有效弥补传统教育方式形式单一、缺乏生动代入的不足。当前市面上的人体3D解剖类APP在一定程度上方便人医学生的基础科目学习，但有关动物解剖教学类APP处于一种缺乏状态。

本文以Unity3D为主要开发平台，将虚拟仿真技术与家畜解剖学的学科相结合，制作一款家畜解剖学三维互动APP，现将主要过程报道如下。

1 材料与方法

研究以Unity3D作为开发的核心软件，并运用Visual Studio编写C#脚本来实现交互功能。为更好展现骨骼的形状细节，物体旋转全方位展示及细节放大必不可少，在Unity3D中可将代码挂载于Main Camera来实现此功能。构建好的工程需要在Unity3D中不断调试，改进存在的问题，而后选择导出相应平台上的apk，具体流程见图1所示。经过反复调试后导出适用于安卓手机的安装包文件分享给一部分同学和老师测试，通过其反馈结果，发现问题、提出建议后再进行软件的改进，最终将程序打包申请软件著作权。

图1 开发流程

其中动物标本来自东北农业大学动物医学学院家畜解剖学教研室。三维数据采集采用的是与iPAD连接的Structure Sensor 3D扫描仪，配合相适配的软件Itseez3D。手持该设备慢慢环绕标本获取三维数据。扫描后的模型导入放入3DMax中进一步修缮。

利用Bodypaint 3D绘制贴图，根据专业知识对单块骨骼的重要部位进行颜色区分，帮助学生辨认理解。最后将制作完成的模型轴居中到对象，坐标轴归零，将材质、纹理和对象同时导出为fbx格式备用，如图2所示。

图2 骨骼构建过程A.3DMax中绘制构建 B.3DMax中设置材质与贴图

2 结果

通过一系列的搭建过程，制作出了骨骼标本的三维模型。利用编写脚本实现了互动功能，包括了三维观察、单独显示、知识点介绍、搜索导航、拆分、画笔、隐藏图标等。以教学模式为例，用户可对各模型结构进行放缩、各角度旋转、查看详细知识点，并

进行标注涂鸦；基础结构功能支持对骨骼结构的更深一步观察，对同一结构中需掌握的各个部位均配以颜色区分、并以指针指示，最大程度辅助用户学习；拆分和重置功能可以帮助用户直观理解各结构间的位置关系、连接方式，并在拖拽过乱时回归原始状态；搜索导航帮助用户快速定位到想观察的结构，如图3所示。

图3 功能演示界面

不同于教学模式，自主模式不会将全部知识点放入，而是鼓励用户充分利用画笔标记的功能。用户可以根据自身情况在3D模型上做笔记和标注，存档导出，作为自己的学习材料。以往大部分学生想做细致笔记需花大量时间绘制立体图，此模式既能节省绘图时间，又有良好的学习效果。自主模式中主要加入了对比功能，能将容易混淆、需要对比记忆的结构进行分屏同页面展示，帮助学生整合学习，如图4所示。

图4 对比及测试模式界面

3 讨论

本研究获得了牛骨骼等器官的三维数据，实现了器官的三维重建，利用Unity3D开发平台建立了家畜解剖学3D互动手机软件，弥补了实际教学中易出现的标本不齐、课时不足等难题，使学生能够脱离实体标本在移动设备上随时随地自主学习，提供了专业学科的移动学习新方式。

此前的研究表明，国内可用的相似软件或是只有小动物部分无法满足北方兽医教学“家畜”内容的教学需求，或是操作困难、卡顿。国外引进的相似软件大部分无法切换到中文语言，下载途径不统一，并且在试用中发现与实际需求偏差较大。本研究的应用程序按照学校的实际教学，旨在重点导入牛、马、猪等家畜家禽的内容，而且本着实用、专业、便捷等理念，在具备市面上已存在的功能的基础上，着重调查了用户真实需求，设计出如“单独显示骨骼特殊部位”、“对比模式”等具有极强实用性的功能，旨在用户“所想即所得”，更大程度满足大众需求。

家畜解剖学作为具代表性的兽医基础学科，对学生后续专业学习至关重要。通过收集试用体验反馈，本研究提供的移动教学模式有利于帮助学生及时将知识与实物相对应，从而形成体系，助于此形态学课程的教与学。但作为初代APP，此应用程序还有很大的开发空间，我们期待未来在不断丰富模型的同时，以软件的个性化为突破方向，进一步完善APP功能。例如通过使用SQLite数据库，将数据在后端进行保存，让用户可以设定老师或学生等不同权限级别的账号，使教师可以实时上传资料，同时了解学生的学习进程，增强交互体验；又如通过搭建Vuforia开发环境，以实现增强现实(Augmented Reality，简称 AR)，基于某种介质并经过仿真后再叠加到真实世界，让动物模型更立体化，在移动端实现虚拟现实应用，为基础兽医的教学提供更加优质的数字资源。