牛骨三維模型建立及交互演示的開發

張巧靈，吳素芳，馬 濤，李健宇，宋斯偉，宋德光，李建平，李 赫

(1.吉林大學動物醫學學院，吉林長春130062 ; 2.吉林農業科技學院動物科技學院，吉林吉林132101)

《動物解剖學》是動物科學專業、動物醫學專業及生物技術專業的專業基礎課，其內容繁雜龐大。傳統的解剖學教學模式是理論課上教師利用PPT或掛圖講解，實驗課上觀察實體標本和活體剖解去理解晦澀的文字描述，從而使所學知識在腦海里形成立體圖像，這種層次分割式的教學費時、費力[1]，且往往因經費問題，全班同學只能在課程結束時剖解1只大型動物，使最直觀形象的活體解剖受到限制。三維模型作為一項虛擬現實技術，其通過相機對被拍攝物體進行等距離的360度環繞拍攝，再通過圖像序列將拍攝得到的照片進行縫合，最終生成一個可以360度全方位觀察的三維動畫[2]。它通過模擬真實物體的方式彌補了普通教學中的不足，使枯燥的內容形象、生動，因而被廣泛運用于教學領域。三維動畫的應用使學生學習《動物解剖學》就好像看電影一樣，給學生創造了輕松愉快的學習氛圍。

1 研究方法

1.1 三維模型的構建 三維動畫是整個動漫系統的基礎，模型的好壞直接影響運行效果和場景的逼真度。項目組挑選完整的牛骨骼標本，測量其長、寬、高等，同時進行360°拍照后存檔；采用3DSMAX提供的點、線、面等的創建和修改操作對骨骼模型進行修改，對于部分骨骼，如滋養孔等細節進行特殊的處理；然后比對實際需要的顏色進行材質的建立；對于構建好的模型，根據實際需求使用FFD、鏡像、對稱性等操作對其進行修改和仿制，并用NURMS進行轉換，根據實際情況進行細微調整，使模型更加細膩與真實，提高骨骼模型的逼真度。

1.2 交互演示的設計與開發 模型的構建只是基礎，交互演示的開發才是該輔助系統的核心。利用VIRTOOLS軟件提供的功能模塊和參數對每塊骨骼進行交互演示、分類，同時進行功能設計，即根據演示需求設計兩種功能，即鼠標控制的視角轉換和固定視角的物體旋轉展示。鼠標控制的視角轉換主要通過VIRTOOLS BBs中的Mouse Camera Orbit 函數對場景中的Camera構建腳本，修改其中的Target Referential等參數來實現；固定視角的物體旋轉展示主要利用VIRTOOLS BBs中的OP 旋轉等函數對物體進行腳本構建來實現。

1.3 后期的調試與修改 根據實際需求和細節要求對模型或程序進行進一步修改，使之能更好得演示及輔助教學。

2 研究結果

2.1 骨骼確定、拍照、修改 項目組成員挑選完整的牛全身骨骼標本，測量其長、寬、高等，同時進行360°拍照后存檔，并在3DSMAX中建立模型(如圖1)后導出(如圖2)。

圖1 在3DSMAX中建立模型

圖2 3D MAX導出

2.2 交互演示的設計、開發及調試 項目組成員通過VIRTOOLS軟件提供的功能模塊和參數對每塊骨骼進行導入、添光，設定攝影機視角和VIRTOOLS函數參數，最后進行重新比對和修改后導入，獲得與實際標本形狀一致的圖形(圖3)。

圖3 比對和修改

3 討論

3.1 在解剖教學中應用三維模型的優勢 動物解剖學是研究動物體各器官的形態結構和位置關系的科學，該課程的特點是專業術語多，信息量大，難于培養趣味性，教與學都比較枯燥[3]。我們傳統的教學主要采用圖片和實體標本來向學生展示動物體的形態結構，這些工具在使用方式和展現效果上的局限，使該學科的教學效果大打折扣[4]。而三維模型的建立及交互演示的開發在解剖學中的應用，具有以下特點：(1)使動物機體各器官以卡通片的形式精彩呈現，從而在一開始就給人耳目一新的感覺，使枯燥無味的解剖學知識活靈活現地展現在學生面前，極大地提高了學生的學習興趣和教學效果[1];(2)三維動畫可以進行放大、縮小、旋轉等操作，幫助教師從不同角度，不同視點進行清晰、準確的展示動物各器官的結構，使學生更容易建立起各種結構的空間定位[1]，加深了同學們對動物各個器官的認知，使后期的實驗觀察及知識掌握事半功倍;(3)三維動畫的使用也減輕了任課教師的負擔，教師不再需要為提高教學效果而在上理論課時將不易攜帶的標本或模型帶入課堂。尤其是在講解一些內部結構復雜、立體感比較強(如腦室)、行程跨度大(如迷走神經)和關聯性強(如膝跳反射)的器官結構時，能使學生直觀、 形象地觀察和記憶該器官并理解其原理[2]。

3.2 在解剖教學中應用三維模型的注意事項 盡管該方法可形象立體地展示動物器官的形態結構，大大激發學生的學習興趣，活躍課堂氛圍，提高學生學習的主動性，并節約大量的人力、物力，彌補傳統教學的不足。但作為教師不能為片面追求課堂氛圍而過度依賴于三維動畫，一定要合理利用。因此，還必須明確以下幾點：(1)三維模型只能給人以虛擬的圖像，它畢竟不是真實的，因此它代替不了實際器官教學，尤其是最后的活體解剖，該項綜合實驗不僅是學生對所學知識的一個系統復習，同時又鍛煉了學生的動手能力,且能使學生真真切切感受各個器官，能觀察各個器官在體內的具體位置、形態結構以及與周圍器官的關系；(2)作為教師，若片面追求多媒體課件的生動性和全面性，而集文字、圖片、圖像、聲音、動畫于一體，會分散學生的注意力，使學生忽視了教學的主要內容[1]。因此，教師作為學生學習的指導者和教學活動的組織者，要目的明確，重點突出，難點強化，有針對性和適度性[5];(3)心理學研究表明：視聽的形象直觀也會給學生帶來消極影響，在教學過程中，當學生持續注視屏幕畫面時，思維受屏幕內容的限制，頭腦活動會減慢[6]。因此，教師應做好角色定位，不能過于依賴三維動畫，而應同時結合新老技術，做到圖文并茂，聲像并舉，為學生獲取信息和知識提供最佳途徑。