基于VR技術的人體科學館虛擬場景模型構建

葛建霞，王永波

新鄉醫學院現代教育技術中心，河南 新鄉 453003

基于VR技術的人體科學館虛擬場景模型構建

葛建霞，王永波

新鄉醫學院現代教育技術中心，河南 新鄉 453003

以虛擬現實技術為基礎，以新鄉醫學院人體科學館為研究對象，分析、設計、構建了人體科學館虛擬場景三維模型，并通過實例為讀者提供實現虛擬場景構建的思路與方法。同時，分析了三維模型的優劣對虛擬場景交互系統的影響。

VR;人體科學館;虛擬場景;構建

人體科學館是新鄉醫學院人體結構實驗教學、科學研究的重要場所，也是廣大師生參觀、學習了解人體奧妙，增強對人體構造各部位理解的地方。為了充分發揮學校現有資源，降低實驗教學成本，緩解實驗教學資源緊張狀況，提高學習者興趣和實驗效果，研究開發了虛擬人體科學館交互漫游系統。該系統是將現實中的人體科學館以三維形式呈現在互聯網上，讓更多的人有機會參觀瀏覽，并與之進行交互，以激發學習者的興趣及探索醫學的奧妙。現將虛擬場景三維模型的構建，以及模型優劣對整個交互系統的影響做一探討。

1 虛擬現實

虛擬現實(virtual reality，VR，又譯作靈境、幻真)是近年來出現的高新技術，也稱靈境技術或人工環境。虛擬現實是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身臨其境一般，可以及時、沒有限制地觀察三維空間內的事物［1］。

虛擬現實不僅僅是一個演示媒體，而且還是一個設計工具，它以視覺可視化的形式產生一個適人化的多維信息空間，為我們體驗虛擬世界提供了有力的支持［2］。

人體科學館虛擬場景模型的構建，是虛擬人體科學館交互漫游系統開發的關鍵內容，是虛擬現實技術的具體應用。因此，我們以系統的觀點，按照軟件工程的思想，從用戶需求出發，分析研究對象特點，設計實現的內容，采取合適的建模方法，依據設計內容，構建人體科學館虛擬場景的三維模型。為了達到身臨其境與之交互的效果，還需利用交互工具編輯實現。

2 人體科學館的結構分析

新鄉醫學院人體科學館分東西兩個展廳，收藏展品千余件，包括胚胎發育、器官系統、管道鑄型、塑化人體、人體斷層和木乃伊等，采用傳統解剖學技術和塑化、透明、鑄型、斷層等特殊技術方法，從不同角度將復雜的人體結構展示給參觀者。東展廳是斷層解剖標本，西展廳是系統解剖、胚胎、應用解剖及特殊技術標本，我們以西展廳為例介紹。西展廳室內布局結構如圖1所示。

圖1 人體科學館的室內布局結構圖

3 人體科學館虛擬場景的設計

該虛擬場景的設計是利用軟件工程思想及漸進式軟件開發模式對虛擬現實人體科學館室內場景進行需求分析、設計和編碼［3］，該設計采用模塊化、組建化、層次化的設計思想。虛擬場景設計主要由房屋結構、室內環境(包括人體結構標本)、房屋裝飾組成(如圖2所示)。

圖2 虛擬人體科學館室內場景設計層次結構圖

4 虛擬人體科學館的建模方法

建模方法是虛擬現實技術中的關鍵技術之一，為了使這個虛擬世界看起來真實、動起來真實、聽起來真實、摸起來真實［4］，我們選取了3Ds Max 9建模工具，根據建模對象特征的不同，主要采取了以下三種基本建模方法:

4.1 幾何多邊形建模

這種方法是利用3Ds Max中的幾何體和多邊形直接建模，描述虛擬對象的形狀以及它們的外表。適合有較規則的物體建模，通過簡單的變形編輯操作構建其基礎模型。

對人體科學館房屋結構、門、窗、室內標本柜、展板、電器等有較規則的實體，采用幾何體建模。對不規則的實體，選取一種或多種幾何體混合建模。建模時這些對象的形狀由多邊形、三角形和頂點等來確定，對象外表由表面紋理、光照系數、顏色等來確定，通常通過紋理映射和烘焙貼圖來實現。

通常在3Ds Max創建面板中，選擇“幾何體”項，創建一個長方體模型，進入修改面板將“Box”轉化為“可編輯多邊形”，增加多邊形橫截線段，調整修改點、線、面［5］，必要時在修改面板中對模型進行“網格平滑”操作，使模型得到細化，制作出基礎模型，利用獲得的人體館環境基礎數據、圖片等制作材質和貼圖，進行紋理映射和烘焙貼圖，完成模型構建。

4.2 圖像建模

這種方法是基于圖像或視頻重建三維模型，適合館內人體結構標本的建模。具體做法是利用數碼相機對物體的前、后、左、右不同側面進行十字交叉等高拍攝，由于拍照的圖片信息并非只有標本本身，因而需要對所得的圖片用Photoshop進行摳圖處理;將標本各個面的圖像進行摳圖，保留標本圖像區域，刪除標本之外的其他區域，保存漫反射顏色貼圖和不透明貼圖。再進入3DsMax 9，在材質編輯器中導入制作好的標本貼圖，前、后、左、右標本貼圖進行對準拼接，創建十字交叉面并為其編輯、指定材質，制作出基于圖像的三維標本模型。在建模過程中，摳圖工作繁瑣又重要，關系到三維模型真實感的構建［6］。

于試驗鵝14、42、70日齡清晨8:00，以重復為單位，空腹稱重。從每個重復中隨機選取2只接近平均體重的試驗鵝，稱重、記錄。

4.3 模型庫建模

這種方法是利用已購買的“DOSCH 3D人體解剖模型”材質圖庫重構模型。對于較標準的人體結構標本采用此方法，可縮短模型構建的時間。具體做法是使用3Ds Max 9打開人體模型，分析MAX模型文件的結構，進行文件的讀取，根據讀取的三坐標信息在3Ds Max 9中進行分組篩選，將使用到的模型挑選出來，然后進行分割編輯、調整，導出選擇的模型，即導出.3Ds后綴的文件格式，然后再根據實體標本進行編輯。為了提高人體科學館網上運行速度，還需要盡量減少模型面數，選擇要編輯的模型，為它添加“編輯多邊形”修改器。將不需要的邊刪除減少面數，再指定材質，完成模型建立，借助實體圖片、圖像、制作表面材質，采用貼圖烘焙、紋理映射等輔助手段實現真實模型的構建。

5 人體科學館虛擬場景的構建

虛擬場景［7］是指計算機通過數字通訊技術勾勒出的數字化場景，是人們進行網上漫游和交互的基礎。該虛擬場景模型的構建主要包括:房屋結構、室內場景、室內標本、室內物品等，它們的建模方法不完全相同，但建模步驟基本相同，當各單一模型建成后，還需要對這些模型進行歸位和集成，以達到現實環境的重現。

5.1 人體科學館虛擬場景三維模型的建立

根據虛擬場景設計內容，對各實體對象采取不同的建模方法逐一建模，步驟如下［8］:

第一步，獲取數據和制作模型。人體科學館真實環境數據的獲取，主要有室內房屋結構數據、裝修圖紙數據、實地測量數據，并對場景中標本模型進行多角度的數碼照片采樣，這些數據經過預處理后作為模型制作的基礎數據。

制作模型，是利用獲取到的人體科學館室內信息數據，通過3Ds Max中幾何體、多邊形按全尺寸對人體科學館室內房屋結構、門、窗、室內物體以及室內裝飾物等進行基礎建模，然后通過修改器調整其基礎模型，構建符合實體環境的幾何模型;對于人體標本大多是采用圖像和模型庫建模方法。

第二步，制作材質。完成幾何模型的創建后，需要使用材質編輯器制作材質，主要包括人體館場景模型的漫反射、高光、環境反射、反射折射、凸凹等紋理貼圖及高光參數設置;由于各模型的紋理不相同，需要根據不同的多邊形模型進行相應的紋理“UVW貼圖”。UVW貼圖是3Ds Max的紋理坐標修改器，在這里需要實地拍攝若干室內場景圖片，將這些圖片用Photoshop處理，作為虛擬人體科學館場景的貼圖，通過紋理映射到幾何模型上。

第三步，布置燈光和攝像機。場景是否真實，場景中的燈光是必不可少的元素之一，通過燈光來決定場景的基調或感覺，烘托場景氣氛。該虛擬場景燈光的設置是根據人體館實際光照狀況來確定，利用3Ds Max中的目標射燈、自由射燈、泛光燈等，創建所需要的燈光系統。然后為場景添加攝像機，在虛擬場景中攝像機相當于用戶的眼睛，它以模擬在虛擬三維空間中觀察模型的方式，從而獲得真實的視覺效果。

第四步，渲染和烘焙貼圖［9］。完成上述步驟后，還需要對場景進行渲染，為場景添加顏色或環境效果，以達到逼真的效果。然后采用烘焙貼圖技術，使光照信息變成貼圖，提高了計算速度。這種技術對于靜幀意義不大，但對于游戲和建筑漫游動畫實現了把渲染費時的光能傳遞計算應用到動畫中，也能省去光能傳遞時動畫抖動的麻煩。

5.2 虛擬場景模型的合成

當室內虛擬環境、各人體結構標本等三維模型建成后，還需要對其進行整合，最終形成虛擬場景的整體模型;按照層次建模的思想，每個實體模型(如展柜、人體結構標本、電器、展板、盆景等)單獨創建，并存儲為不同的文件，將單獨構建的實體模型按照人體科學館的室內布局，確定好位置，逐一添加到虛擬場景中指定位置，將人體結構標本模型逐一放入相應的展柜中(人體科學館虛擬場景效果如圖3所示)。

圖3 人體科學館虛擬場景圖(含標本)

虛擬場景三維模型建好后，還需要為其添加交互行為，使其有行為與反應能力，讓用戶真正體會到虛擬現實魅力。利用Virtools交互工具對場景中對象行為進行控制，實現系統的自主漫游、視點切換和標本交互［10］，最后將虛擬場景輸出為適合網絡傳輸的.vmo文件格式，嵌入到網頁中，網上發布。這樣用戶就可以在互聯網上通過鼠標和鍵盤漫游人體科學館，與人體結構標本進行交互。

6 討論

目前，該虛擬場景的開發已基本完成，正在校園網上測試，這是我們第一次嘗試將虛擬現實技術應用于學校教學中。通過系統的開發與測試，我們認識到在提高虛擬場景的保真性和實時性方面還有待提高，是今后努力的方向。虛擬現實的目的重在表達一個視覺效果展示，其文件相對于軟件來說高出幾個數量級。它里面有太多的材質、貼圖、動畫、聲效等多媒體文件，這樣對貼圖、模型等文件的精細度要求很高，增加了文件的體積;另外引入了用戶交互，需要動態計算和動態生成新的圖形，不得不降低圖形的逼真度以減少處理時間。然而，三維模型的優劣直接影響到虛擬場景的逼真性，文件的大小又會影響其顯示速度，對于網絡發布的文件，在保證其質量效果的同時，網絡帶寬對其速度也有很大影響，因此對于模型的文件大小和網速兩個問題，筆者認為要從以下三個方面來控制:①嚴格控制三維模型的面數，以此來減少3D文件的大小，同時保證顯示效果;②處理貼圖和視頻文件的大小，貼圖盡量使用.jpg格式的文件，可以借助一些免費圖片壓縮工具軟件;視頻文件一般使用.rm格式，不一定是最優化的，因為Virtools平臺的問題，對于某些格式的視頻文件暫時還是不支持的;③在Virtools平臺下進行優化。在全局變量設置中貼圖使用.jpg格式，并且視情況將其壓縮控制在35%～75%;如果遇到的貼圖文件太大，其質量要求又較高，那么將其存儲為外部文件配合使用Virtools自帶BB模塊:Texture Load將圖片動態加載;將大場景cmo文件分塊保存，實現動態download和加載，動態加載需要兩個模塊:Web Down-load＆Object Load。

［1］百度百科.虛擬現實［EB/OL］.http://baike.baidu.com/ view/7299.htm，2010-08-10

［2］王琳琳，劉洪利.虛擬現實下的頤和園［J］.首都師范大學學報:自然科學版，2009，30(1):76-81，87

［3］張金釗，張金銳，張金鏑，等.VRML編程實訓教程［M］.1版.北京:清華大學出版社，北京交通大學出版社，2008: 26-27

［4］張棟梁.虛擬現實系統中虛擬生物建模技術的研究［D］.哈爾濱:哈爾濱理工大學出版社，2009:6-7

［5］火星時代.火星人-3dsmax 9大風暴［M］.1版.北京:人民郵電出版社，2007:38-40

［6］都利霞，黃楊.基于圖像或者視頻的三維建模技術研究［J］.測繪與空間地理信息，2010，33(6):170-175

［7］百度百科.虛擬場景［EB/OL］.http://baike.baidu.com/ view/306452.htm，2010-08-16

［8］陳阿林，胡朝暉，祁相志.校園虛擬現實三維場景建模技術及實現方法研究［J］.重慶師范大學學報:自然科學版，2007，24(4):37-40

［9］火星時代.網絡游戲場景烘焙貼圖制作［EB/OL］.http:// www.hxsd.com/tutorial/caizhizhuanlan/3ds_max/201004 27/25921.html，2010-09-12

［10］何武，許杰，李斌勇.基于Virtools的虛擬場景漫游系統設計與實現［J］.電腦知識與技術，2010，6(19):5323-5329

M odel construction of a human sciencemuseum in the virtual scene based on VR technology

Ge Jianxia，Wang Yongbo
Center of Modern Education Technology，Xinxiang Medical College，Xinxiang 453003，China

Based on virtual reality(VR)technology and using the Human Science Museum of Xinxiang Medical College as the research object，this paper analyzes，designs and constructs a 3Dmodel of virtual scene of themuseum.Then through examples，it provides readerswith thoughts and methods of constructing the virtual scene and analyzes the effects of strengths and weaknesses of the 3Dmodel on the virtual scene interactive system.

virtual reality(VR);human sciencemuseum;virtual scene;construction

G434

:A

:1004-5287(2012)04-0438-03

2009年河南省教育廳教育教學改革課題(2009-XYJG-79);2010年河南省社科聯、省經團聯調研課題(SKL-2010-1609)

2012-02-10

葛建霞(1964-)，女，河南衛輝人，碩士，高級實驗師，主要研究方向:網絡管理與教育技術教學研究。