基于VRML+JavaScript的交互式《人體解剖學》3D虛擬實驗室的構建及應用

韓中保，韓扣蘭，周 羽

鹽城衛生職業技術學院，江蘇 鹽城 224005

基于VRML+JavaScript的交互式《人體解剖學》3D虛擬實驗室的構建及應用

韓中保，韓扣蘭，周 羽

鹽城衛生職業技術學院，江蘇 鹽城 224005

《人體解剖學》3D虛擬實驗室是以VRML實現虛擬情境呈現，運用ImageModeler、Poser、Mayamuscle等快捷建模工具構建人體器官3D模型，通過ASP和JavaScript搭建人機交互操作，整合相關圖片和學習卡片構建而成的在線學習平臺。該平臺極大地激發了學生的學習興趣，培養了學生的立體思維能力，提高了學習效率，推動了教學改革。

虛擬實驗室;虛擬實現建模語言;Java腳本語言;學習卡片

《人體解剖學》是一門實踐性很強的學科，在以往的教學中，多借助于圖譜圖片、模型和標本等進行教學。然而，對于學生來講，圖片缺少立體感，且標簽指示范圍不清;由于模型無提示功能，經常需要教師講解，學生自學或復習時很難充分利用;標本更是稀少，實驗室資源緊張。因此，《人體解剖學》的理論或實驗教學必需開創一種新的方法，以解決目前存在的不足。

利用現代計算機技術進行虛擬實驗室研究，是近年來國內外研究的一個熱點。虛擬現實技術可為學習者提供一個直觀、逼真、形象、方便和可重復操作的實驗環境，為解剖學實驗教學開辟了一個嶄新的教學模式及途徑［1］。

1 虛擬實驗室開發的集成工具

《人體解剖學》虛擬實驗室的構建有許多方法，但大多數都存在技術難度較大、開發周期長、成本較高等諸多因素。綜合而言，三維虛擬實驗室采用VRML開發綜合性能較好，二維的虛擬實驗室利用Flash技術開發綜合性能較好［2］。例如:《組織學》虛擬實驗室主要是模擬顯微鏡使用，視野下均為二維圖像，故采用Flash技術開發［3］;《人體解剖學》重點主要是講解各系統器官的大體形態特點、毗鄰關系等，著重于三維的訓練，需要采用VRML技術開發。

2 人體器官的建模

2.1 常用的建模方法

近年來，隨著計算機三維模擬和立體成像技術的發展，在醫學科學領域中已出現許多三維重建的方法。一般是采用人體組織器官切片的方法，將標本分多重切片，通過專業掃描儀或相機將切片斷面(CT、MRI)轉換為多幅二維圖像，然后使用SGI圖形工作站或高速計算機處理成三維圖像。但這種方法投資巨大，要求自主編寫圖形處理軟件，需要多個領域的專業人員合作完成，難以普及［4］。

3Ds Max是世界上應用最廣泛的三維建模、動畫、渲染軟件［5］，應用極為廣泛，在醫療、輔助教學中發揮了重要的作用［6］。3Ds Max制作的效果圖具有準確、真實、便于修改等特征，可充分展示人體器官結構的大小、形態、空間位置及其毗鄰關系，使教師及學生對人體器官的形態結構、位置、血供、神經支配等有準確的了解。

生物體器官形狀不規則，建模過程也相對比較復雜［7］。利用3Ds Max多邊形建模功能，根據參考圖案并結合器官實際形態在各視圖中調整多邊形各頂點位置，完成器官模型重建［8］。Maya軟件有著完整的NURBS、細分建模、Polygon建模工具及無縫隙建模技術，為人體模型構建提供了良好的平臺，可以細膩地構建醫學虛擬實驗中所需的各種模型，創建逼真的三維影像 。

2.2 快捷的建模方法

2.2.1 ImageModeler基于圖片建模 ImageModeler

是由REALVIZ公司開發的一個特殊類型的獨立建模軟件，它可以根據幾張不同角度的照片創建三維立體模型，同時自動根據照片創建貼圖材質，產生的模型可以直接輸出給3DsMax、Maya、LightWave3D和Softimage|3D等三維軟件使用［10］。

2.2.2 Poser資源模型庫建模 Poser是Metacreations公司推出的一款三維動物、人體造型和三維人體動畫制作的極品軟件。利用Poser進行角色創作的過程較簡單，主要為選擇模型、姿態、體態設計三個步驟，內置了豐富的模型。在輔助教學上，使用Poser 5.0制作多個部位的模擬損傷動畫，形成運動損傷多媒體課件庫，從而有效地保證了運動損傷防治實驗課的教學質量［11］，在研究虛擬人運動上也有很大應用［12-13］。在Poser的資料板中有男、女性骨骼模型，可以直接加載到工作區面板中，輸入文件到3Ds Max中進行進一步加工。

另外，Poser資源庫是一個開放性，Metacreations公司和第三方公司(如DAZStudio)開發了許多角色對象，可供免費下載或購買，其中就有肌肉模型和內臟模型，同樣也可以拿來進一步加以使用［14-15］。

2.2.3 Maya muscle骨骼肌建模 Maya muscle插件自2012版已整合到了菜單、工具欄。對于角色裝配可以在骨骼的基礎上建立肌肉，這樣當骨骼運動時也會帶動肌肉拉伸和壓縮，從而驅動角色模型生產形變［16］。

3 模型高仿真處理

為了體現其高度仿真性，需要對用各種方法獲得的人體器官模型進行材質或貼圖處理。如利用ImageModeler創建模型時，則可以取部分照片用Photoshop制作貼圖;Poser輸出的骨模型在3Ds Max是光滑灰色的，因此也要加貼圖。在Poser安裝的目錄下:如C:program filese frontierposer 2010Runtime下找到相應的模型文件夾，在其中就有該模型的貼圖，可以直接復制并應用到3Ds Max中，使骨模型具有高仿真。骨骼肌的模型直接用Maya構建，至于血管、神經是用顏色進行區分的。另外，有些器官模型是免費下載或是購買的，均自帶有貼圖。當然，《人體解剖學》在教學過程中，重點是對外形、結構及毗鄰關系的認識，學生在學習的過程中，對部分貼圖處理和沒有貼圖處理的接受度幾乎是相同的，其實是可以對部分模型進行簡單的顏色區分處理。

為了在VRML中交互，需要對每個器官模型所要表現的各結構進行分離獨立處理，在3Ds Max的修改器中可進行網格化、平滑等處理。選中所需部分進行分離和命名(取英文縮寫，并與中文對應)，以便在以后的交互操作中使用。

4 VRML集成

4.1 VRML格式的轉換和建模

部分模型文件需要利用3D objector converter進行3D格式轉換，輸出為.vrl文件。利用Vrm lPad進行編輯，包括色彩、材質、貼圖、位置等，這些操作絕大部已在3Ds Max完成，只有少部分需要調整。由于在3Ds Max中已對器官中相關結構進行了分離和命名，因此，在VrmlPad代碼編輯中，只需在相應結構命名下定義對應的節點屬性名稱，如下文HTML文件部分代碼中出現的自定義“recntncc_color”節點名稱為中切牙冠部的顏色節點的名稱。

4.2 VRML文件與HTML整合

將VRML文件與HTML進行整合的方法較多，一般使用對象插入的方法。其中，CLASSID指定注冊的ActiveX控件的類ID，value的參數指定VRML文件［17］。“.VRML”文件在整合到網頁中時，需要有支持IE瀏覽器的播放插件，該虛擬實驗室選用Cosmo Player

2.1.1 插件。利用Cosmo Player插件可以對三維場景進行放大、縮小、旋轉、多種角度等操作。其插件本身、具體操作說明在網頁中均有下載。

4.3 建立VRML+JavaScript交互操作控制

虛擬場景的控制方法主要有以下三種:一是通過VRML內部的Script節點與其他高級語言編寫的腳本程序、VRML事件以及各種感應器配合進行交互;另一種是通過HTML語言中的JavaScript腳本直接改變VRML中節點屬性值從而達到交互的目的;三是通過利用JAVA APPLET調用EAI進行交互，這種方法應用比較普遍。為了便于VRML與HTML、ASP(JavaScript)之間的通信，在Web《人體解剖學》虛擬實驗室的構建中，常利用ASP(JavaScript)與VRML之間通信［18］(如圖1和圖2所示)。

圖1 牙的三維模型

圖2 交互反應

HTML文件部分代碼:

5 學習卡片的建立

5.1 知識點整理，存儲為XML文件

學習卡片就是以一個小知識點為中心，整合相關資源所構建起的知識片段。在《解剖學》教學中，以某個解剖結構名詞為中心，列出解釋、解剖學意義、臨床應用、相關圖片等，這樣就構成了一個學習卡片，并以XML形式組織，最終形成一個有條理的原始數據庫，便于查詢閱讀，同時可進行跨系統、跨環境應用，從而開發不同的學習環境系統。具體如下:

＜Knowledge point＞

＜Chapter name="運動系統"＞

……

＜Sections name="骨"＞

……

＜structure name="髂前上棘"Notes="髂棘前外側突出部，稱髂前上棘"Significance of anatomy="髂前上棘是重要的體表標志，是腹部分區、闌尾根部體表投影定位的參照點。"Application of clinical="是成人骨髓穿刺點……"pictures_1="/pic/麥氏點.jpg"pictures_2="/pic/成人骨髓穿刺點.jpg"/＞

＜/Sections＞

＜/Chapter＞

＜/Knowledge point＞

5.2 運用ASP(JavaScript)調用XML文件，并相應呈現

運用ASP(JavaScript)從數據庫服務器中調用XML文件，并呈現相應結構的知識點，顯示相應的圖片，構成這一結構的知識點，便于教學或學習［19］。

6 應用研究及推廣前景

《人體解剖學》虛擬實驗室的建設仍處在一個初級階段，最突出的問題是工作量大、開發周期長。該研究通過快速的建模方法、簡捷靈活的交互方式，縮短了開發周期，已成功試運行在運動系統和呼吸系統兩個章節的虛擬實驗室，受到了教師和學生的肯定。通過將文字、圖片和三維模型的有機結合，培養了學生的立體思維能力，增強了學生識別模型的能力，從而提高了學生學習興趣及學習效率。因此，構建虛擬實驗室為《人體解剖學》教學開辟了一條新的教學模式及途徑。由于不受時間、地點、場地等因素的限制，應用極為廣泛，在一定程度上影響著傳統教學模式，推動著教學改革。

然而，技術上的成熟也并不代表就能運用，在開發的過程中受缺少計算機和醫學復合型人才，投入較少等諸多因素影響，在一定程度上阻礙了虛擬實驗室的發展。因此，加大解剖學教學投入、加強多學科合作、校校聯合，培養教師和學生的綜合素質將是虛擬解剖實驗教學推廣過程中的必然要求。

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Construction and application of interactive 3D virtual laboratory for Human Anatom y based on VRM L+JavaScript

Han Zhongbao，Han Koulan，Zhou Yu
Yancheng Health Vocational and Technical School，Yancheng 224005，China

The 3D virtual laboratory for Human Anatomy is presented with the virtual reality modeling language(VRML)environment and constructed with models of human organs with rapid modeling tools including ImageModeler，Poser and Maya muscle.This online learning platform builds human-computer interactive operations by using ASP and JavaScript and integrates relevant pictures and learning cards.This platform can greatly stimulate students＇interest in learning，cultivate their 3D thinking ability，improve their learning efficiency，and promote the teaching reform.

virtual laboratory;virtual realitymodeling language;JavaScript;learning card

G434

:A

:1004-5287(2012)05-0556-04

江蘇省衛生廳醫學科技發展基金科研課題“構建《正常人體學》網絡課程”(J200605)

2012-05-18

韓中保(1966-)，男，江蘇鹽城人，學士，副教授，主要研究方向:醫學與現代教育技術。