蔡洪涛

1 虚拟仿真技术的概念及现状

虚拟仿真技术是融合了当今世界上的高、精、尖技术，它借助于计算机软件技术、多媒体技术，计算机图形学、仿真技术、视觉心理学、网络技术信息技术、立体显示技术、传感器技术、语音识别技术、人机接口技术及人工智能技术等多项技术，通过高速计算机的运算来构建一个虚拟的世界[1]。在这个虚拟的世界里可以将现实世界的事物重现，或者通过人的思维构想出另一个虚拟的环境，人们通过视觉、听觉及触觉等多种传感通道与虚拟世界进行交互。虚拟仿真的目的是通过构造对象的逼真模型来模仿现实世界中的各种事物及形态，让人们有置于身临其境的真实体验。

当前，虚拟仿真技术广泛应用到医学的各个领域，例如，在药物研制过程中的合成药物的分子建模，在医学教育领域中的解剖学课程及外科手术实践教学所使用的课程虚拟仿真教学系统。虚拟仿真技术在医学教育领域的应用给医学教育带来了变革，尤其是在解剖学课程教学中，解剖学有很强的实践性，学生需经多次实践，才能熟练掌握，在以往的教学中，学生过分流于表面形式，单纯依靠模仿教师在模拟人上的操作，未能有效的练习，应用了虚拟仿真技术开发的实验课程虚拟仿真软件，学生可以反复多次练习，直至熟练掌握。从而使学生在进行课程学习时有效的利用，提高了课程教学的可视性。

2 虚拟仿真实验软件中三维模型构建的基本方法

医学课程实验教学过程中，需要使用很多三维立体仿真模型，因此，虚拟仿真实验软件中的虚拟对象的建立，通常就使用三维建模软件来构建。目前，比较流行的三维模型构建软件是3DS Max2010。3DStudioMAX 正在成为PC 机三维动画制作软件的主流，在众多领域已经有了广泛的应用。虚拟仿真实验软件中的虚拟对象模型是在3DS Max2010 的建模。建模，就是建立模型，就是为了理解事物而对事物做出的一种抽象，是对事物的一种无歧义的书面描述。建立系统模型的过程，又称模型化。建模是研究系统的重要手段和前提。凡是用模型描述系统的因果关系或相互关系的过程都属于建模。使用3DS Max2010 建模时可以使用一些基本的几何类型（如立方体和球体）来构建相应的几何场景，并且在提供的各种基本元素构建三维模型的基础上利用摄像机镜头，及材质进行贴图，创作关键帧动画和对动态或静态对象模型进行渲染等[2]。

下面介绍在虚拟仿真实验软件中实物对象的三维模型建立的一般过程。首先，在三维场景中，模型的面片之间最小间距应该大于场景中最大模型规格的二千分之一。若两个模型中的面间距离小于此数值，则会出现这个两个面在渲染时的交替重叠现象[3]。其次，面片在3DS Max2010 软件经过三维建模和添加相关的材质后，每个模型的相同材质成为一个结合体，有利于后期制作过程中的处理。在建立三维模型时，参与建模的对象所使用的单位要保持一致。至此，一个实物对象基本的三维模型就可以构建完成了。三维模型的构建方法 因描述的关系各异，所以实现这一过程的手段和方法也是多种多样的。可以通过对系统本身运动规律的分析，根据事物的机理来建模;也可以通过对系统的实验或统计数据的处理，并根据关于系统的已有的知识和经验来建模。还可以同时使用几种方法。下面以DNA 螺旋结构三维模型为例，讲述通过矩阵的方式构建对象模型。在启动3DS Max 软件后，首先，要创建DNA 螺旋结构的基本体。这个基本体是由两个圆球和一个圆柱体构成。实现的具体方法：选择“顶视口”，点击“创建”菜单，选择“标准基本体”中的“球体”对象，球体参数为“半径45”，点击“编辑”菜单，选择“克隆”命令，复制这个球体。在横轴上以中心点为基准，将这复制出的球体移动到水平的另一侧。然后，再选择“标准基本体”中的“圆柱体”，其参数为“半径10，高500”。选择左视图，调整两个小球及圆柱体的位置，使圆柱体正好穿过两个球体的中心。之后，使用选择功能，将两个小球和圆柱体三个对象全部选中，再点击菜单栏中的“组”命令，选择“成组”，并命名为“DNA基本体”，这时，三个对象合并成一个整体。接下来，选择“透视视口”，在“工具”菜单中选择“阵列”命令，在弹出的“阵列变换”对话框中设置相应的参数：阵列维度1D 中数量设置为40，增量Z 轴分别设置为50，15，100，其他参数不作调整。最后，点击“确定”按钮，这时可以看到通过阵列的方式生成的DNA 螺旋结构三维模型。

3 三维模型的漫游设计

通过3DS Max2010 构建的三维模型的漫游设计是通过软件中的摄像机来实现的。摄影机设置场景的帧，提供可控制的观察点。摄影机可以模拟真实世界图片的某些方面，如景深和运动模糊。通过设置摄影机移动来产生动画效果，实现对三维模型的漫游[4]。3DS Max2010 中有两种形式的摄影机，一种是物理摄影机将场景框架与曝光控制以及对真实世界摄影机进行建模的其他效果相集成。另外一种是传统摄影机的界面更简单，在它其中只有较少控件。物理摄影机和传统摄影机可以是目标摄影机或自由摄影机。3DS Max2010 的摄影像在模拟人的视野时在个性面板中将摄影机视野设置为50即可。

下面以DNA 螺旋结构漫游过程为例，说明三维模型漫游设计的制作方法。

首先，选择“透视”视口，在“创建”面板中选择“图形”，之后选择“弧”，命名为“路径弧”，参数为半径：300，从100，到300，调整弧的位置，使其在DNA 螺旋结构的左侧中央。在完成上步之后，选择“摄影机”面板，“对象类型”选择“自由”，参数使用默认值，即可创建一个自由摄影机，在“透视”视口中选择一个位置放置此摄影机。接下来，就是要将这个自由摄影机绑定到弧形路径上，并沿此弧形路径对DNA 螺旋结构进行漫游。具体步骤如下：选择刚刚创建好的自由摄影机，之后，点击“动画”菜单，选择“约束”条目中的“路径约束”命令，这时，用鼠标点击“路径弧”，自由摄影机便被绑定到弧形路径上。调整自由摄影机镜头位置，使其对准DNA 螺旋结构三维模型上的任意位置。拨动3DS Max2010 屏幕底部的帧滑块，查看摄影机移动的路径。经过上面的操作，可以看到，在第0 帧时，自由摄影机在弧形的顶部，随着帧滑块数值的增加，自由摄影机沿着弧形路径匀速移动，直到第100 帧时，自由摄影机移动到弧形的底部。点击“播放”按钮，可将自由摄影机移动的过程连续播放。最后，切换到“摄影机”视口，点击“播放”按钮，查看自由摄影机漫游DNA 螺旋结构的过程。在进行三维模型漫游设计时要注意，当创建一个与活动视口中的视图匹配的物理摄影机，然后通过按Ctrl+C将视口设置为使用该摄影机。激活“摄影机”视口，并不自动选择摄影机。要通过同时使用其视口和“修改”面板调整摄影机，则选择该摄影机，然后激活“摄影机”视口。在其他视口中时，可以在“摄影机”视口选择查看安全框区域的显示以帮助构成最终渲染输出，“摄影机”视口的默认键盘快捷键为“C”键。

4 总结

虚拟仿真技术是高科技技术的产物，它应用到医学教育软件的开发前景广阔，优势明显。虚拟仿真实验软件提供给医学专业的学生一个内容丰富，形象直观的学习平台，又能够为医学专业学生提供更加丰富的专业知识[5-7]，进行创新性实验，同时，又增加了学习的趣味性，调动学生学习主动性的同时，还在一定程度上培养学生的实践技能。从教学应用过程中来看，虚拟仿真实验软件辅助教师完成教学任务，体现了虚实互补、以虚促实的教学理念，又在一定程度上有效提高了学生的解剖辨识能力、临床决策能力。使学生做到知其然并知其所以然，从而达到现实教学中无法达到的效果。