基于Unity3D的虛擬針灸教學實踐輔助系統(tǒng)

耿曉敏 胡芳睿 王正義 趙夢 王夢迪

摘 要：隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的崛起，虛擬現(xiàn)實已經(jīng)被越來越多的應用于各個領域，尤其在醫(yī)學領域更是用之甚廣，以針灸虛擬仿真為例，本教學實踐輔助系統(tǒng)利用HTC VIVE頭盔，通過Unity3D完成交互系統(tǒng)的設計制作，實現(xiàn)虛擬針灸識穴，辨穴等功能，使其更好的面向針灸推拿愛好者及在校醫(yī)學生。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實;Unity3D;3ds MAX;Rhino;HTC VIVE

中圖分類號 TP391.9

虛擬現(xiàn)實是新一代的信息和通信技術(shù)，如近眼顯示、感知交互、渲染處理、網(wǎng)絡傳輸和內(nèi)容制作等，以構(gòu)建新的業(yè)務類型、跨越云端、滿足用戶現(xiàn)場體驗需求，促進信息消費的擴大和升級以及傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的整合和創(chuàng)新。

針灸療法大約起源于新石器時期，經(jīng)歷數(shù)千年來長期的醫(yī)療實踐，歷代醫(yī)家不斷的總結(jié)創(chuàng)新，形成了完整的一門學科——針灸學。[1]早期的針灸教學主要通過銅鑄模型輔助教學，雖然模型立體感較強，但是不利于初學者對未知穴位的查找，于是發(fā)展成為主要依靠圖片訓練。現(xiàn)代新型科技發(fā)展背景下，針灸教學也實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，運用虛擬仿真輔助訓練解決了初學者的許多難點，顯然虛擬仿真教學是一個不錯的選擇。[2]

1 虛擬針灸教學實踐輔助系統(tǒng)設計

本項目采用Unity 3D為開發(fā)工具，并且基于HTC VIVE頭盔，開發(fā)虛擬針灸教學實踐輔助系統(tǒng)。

2 輔助系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 3D建模

系統(tǒng)開發(fā)過程中，采用3dsMAX進行模型建立，利用3ds MAX導入背景圖片并將圖片導出線稿圖，創(chuàng)建人體三維線框，利用線框進行人物低模的創(chuàng)建。建模過程中針對人體的四肢五官進行精細化修改，采用相對高模，通過貼圖使得模型更加逼真。利用Sphere模擬人體針灸穴位，導出.OBJ格式，再導入Rhino進行模型修改，使用Rhino中的Pipe命令建立人體經(jīng)絡模型并與Sphere模擬的穴位進行合并，連接，Text命令標注出最后導出.FBX格式，再導入Unity3D中進行組合。

2.2 實踐系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用多場景切換來實現(xiàn)交互，使用SteamVR與VRTK插件搭建MainScene，用全景圖做三維空間背景，用Button搭建UI交互界面。導入Dotween即差值動畫插件在代碼中引用，新建空物體命名Iteam用來掛載代碼，給Item新建子物體Quad增加Video Player組件用來動態(tài)加載視頻文件，具體實現(xiàn)代碼如圖2：

為更加高效率完成項目，將重復使用的模型，采用Prefab，提升系統(tǒng)運行流暢度。[3]對于人體各系統(tǒng)模型與十二經(jīng)絡本項目將進行多場景搭建，每一條經(jīng)絡循行路線使用一個場景來進行展示。但是這樣會嚴重占用內(nèi)存，于是本系統(tǒng)采用異步加載的方法加載場景。實現(xiàn)代碼如圖3：

后期會將多場景整合到同一個場景，利用Raycast檢測碰撞體，通過射線檢測按住手柄圓盤并扣動扳機實現(xiàn)場景切換。

2.3 ?Shader

貼圖和一些參數(shù)都是通過材質(zhì)球載入的，材質(zhì)球載入貼圖后就會傳給Shader處理。Shader是整個材質(zhì)球的核心，它里面有必要的功能和算法，通過功能和算法對貼圖及參數(shù)進行處理后就可以使貼圖的各種信息顯示出來，然后把材質(zhì)球賦予模型物體得到目標效果。

由于系統(tǒng)自帶著色器顏色過于單一，而我們又想渲染出更加逼真的模型，于是本項目使用Shader Forge插件如圖4。首先將插件導入Unity3D，將材質(zhì)球的Shader設置成插件對應效果，然后打開編輯模式對材質(zhì)球和貼圖進行組合并賦在模型上，將皮膚貼圖的Metallic的參數(shù)調(diào)整為0。

Shader Forge即基于節(jié)點的著色器編輯器，它可讓更輕松地創(chuàng)建自己的著色器，而不需要使用代碼，著色器用于繪制游戲中的物理資源。它們用于確定當前渲染物體的表面顏色，通過使用紋理、光源、光色、網(wǎng)格數(shù)據(jù)等信息計算該處的顏色。[4]

將ShaderForge直接拖入到Unity的項目視圖面板或者通過菜單導入，打開Shader Forge操作面板，添加節(jié)點。

2.4 粒子系統(tǒng)

粒子系統(tǒng)用來對穴位美化，烘培光暈特效即使得穴位更加可視化，更加美觀，給體驗者一定的視覺沖擊，令其加強記憶。新建Particle System修改里面的各項參數(shù)并給經(jīng)絡模型加上Collider使粒子能夠被束縛在Pipe中并沿經(jīng)絡的路徑進行移動，用來模擬人體生物電的效果。

2.5 交互

本系統(tǒng)對于單個穴位創(chuàng)建Animation添加狀態(tài)機，用Preview錄制關(guān)鍵幀，為每一個穴位添加動畫。模擬穴位的小球初始顏色設置為紅色，當手柄射線點擊到時穴位以動畫的形式最終Sphere變成綠色，效果如圖5：

將調(diào)用粒子系統(tǒng)優(yōu)化穴位的代碼掛載在GameObject上，動態(tài)優(yōu)化各個穴位增加特效，使之更加可視化。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)實現(xiàn)了用戶自由點擊每個穴位來模擬針刺，使得用戶能更好的識辨穴位的具體位置以及經(jīng)絡走向，沉浸于該系統(tǒng)的虛擬環(huán)境中。[5]用戶戴著HTC VIVE頭盔使用手柄即可完成實踐操作練習。

參考文獻：

[1]袁芳，李彬，張帆，劉璐，郭靜.科學記憶方法在針灸腧穴教學中的應用[J].繼續(xù)醫(yī)學教育，2019，33（02）：60-62.

[2]劉振波.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的針灸醫(yī)療訓練系統(tǒng)研究[D].浙江大學，2008.

[3]易巧玲，何家勇.基于Unity3D的虛擬校園漫游系統(tǒng)設計[J].計算機產(chǎn)品與流通，2019（01）：246+250.

[4]那遠遠的云端.博客：“ShaderForge插件介紹詳解”.https：//blog.csdn.net/wwlcsdn000/article/details/78847745，2017.12.

[5]蔡曉雯，黃泳，曲姍姍，鐘正.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在中醫(yī)針灸教學中的運用[J].河北中醫(yī)，2017，39（11）：1758-1760.

作者簡介：耿曉敏（1997-），女，漢族，山東濱州人，本科，主要研究方向為醫(yī)學虛擬現(xiàn)實。