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计算机虚拟仿真技术在医学教学中的应用
2011年11月11日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:王文军  李冰  安川林


    虚拟仿真技术(Virtual Reality,简称VR)是一种依靠计算机的图形处理,进行图像再现的一种方法,与传统的图像再现手段(如电影、电视、DV等)相比,VR技术有了本质的飞越,一是VR技术对于图像的再现,不仅仅局限于对实景物体的再现,它更多的被应用在超现实的画面的再现,比如近几年中在好莱坞特技影片中出现的蜘蛛人,盗墓迷城中的死神军队等,即是使用了VR技术中的预渲染(pre-render)技术得到的画面效果。这些画面是使用传统技术无法拍摄,或拍摄成本极高的。另一个VR技术带来的飞越,在于VR技术强大交互性,通过特殊的操作手段,观看者将和画面中的物体产生一定程度的互动,例如可以通过控制器,拿起或者放下画面中的物体。简单的说,VR技术在目前就是通过对视觉,听觉的模拟再现来使人产生处于实景当中的感觉。(目前报道已经有触觉模拟的系统,但相对来讲,离现实应用仍有很大的距离)。随着计算机硬件技术的飞速发展,VR技术从最早的纯画面展示,到娱乐领域的应用,已经发展到了现在各行各业中,特别是在建筑、军事、航空航天、工业设计、考古等方面,发展尤其迅速。如果将虚拟现实技术,成功的引进到医学教育的领域,将会有着非常广阔的前景。

    1.计算机虚拟仿真三维互动平台的基本组成和工作原理

    虚拟演播室系统(The Virtual Studio System,简称VSS)是近年来随着计算机技术飞速发展和色键技术不断改进而出现的一种新的电视教材制作系统。虚拟课堂采用了传统的色键合成系统,却突破了传统色键系统的限制,消除了摄象机不能与背景同步运动的致命弱点,做到真实的演员能深入到虚拟的三维场景中,并能与其中的虚拟对象实时交互。一般来说,一套典型的虚拟课堂系统一般由三个子系统组成:跟踪、图形绘制和合成。在虚拟课堂中教员在一间蓝色屏幕代替的真实背景里进行现场讲演,三维计算机图形发生器实时产生一个逼真的虚拟环境,并按以下程序工作:摄像机镜头的定位、测量、运动走向及视角、视野处理,摄像机采集前景视频信号,同时摄像机上的跟踪系统实时提供摄像机移动的信息,这些数据被送至一个实时图形计算机。从摄像机的镜头视角再生成一个虚拟环境。以蓝色屏幕为背景拍摄的摄像机图像,经延时后与选自计算机的虚拟背景以相同时码进行工作,并通过色度键控器“联合”在一起,实时产生一个组合的图像。也就是说把一组信息需要实时传给图像绘制系统,图像绘制系统根据当前摄像机的位置实时地绘制出相应的背景信号和遮挡信号,然后再由合成系统根据遮挡信号来合成前景视频信号与背景信号,形成一个为我所用的视频信号的过程。

    虚拟课堂除了传统演播室所具有的装置外,还必须有能获取摄像机运动参数的摄像机运动跟踪系统以及能实时生成与前景图像保持正确透视关系的背景图像。最后,来自摄像机的前景和生成的背景在色键合成器中合成并输出。

    1 摄像机运动参数的获取

    摄像机的运动参数包括镜头运动参数(变焦zoom;聚焦focus;光圈zris),机头运动参数(摇移pan;俯仰tilt),及空间位置参数(地面位置X、Y和高度Z)等。这些参数的获取对虚拟演播室系统来说是至关重要的,它可直接影响到虚拟背景的生成。目前常见的有两种方式可获得摄像机的这些运动参数,机械跟踪方式和图像分析识别方式。

    我们采用的是“机械跟踪方式”这种摄像机跟踪系统采集摄像机的位置及透视数据,它通常被安装在三角架或基座之上。为测量摄像机的镜头运动参数,需要在摄像机镜头上安装附加装置。这个装置中包含有传感器和有关电子装置,称为镜头运动参数编码器。这是一种精确的旋转编码器。镜头编码器通过托架与镜头上变焦环和聚焦环的齿轮紧密咬合。当变焦环或聚焦环发生位置变化时,编码器能够检测出上、下、左、右摆动的细微角度并将其编码输出。信息数据通常通过一些串行接口类型如RS-232或RS-422传送给计算机。摄像机的地面位置X、Y及高度Z也可用类似的编码器方式测量,即用相应的传感器检测摄像机的升降和云台脚的转动,并对其参数值进行编码。X、Y及Z 跟踪器允许传感摄像机上、下、左、右全方位的信息,可以装在滑轨或升降架上。

    1.2 背景的生成

    1.2.1虚拟场景的制作

   虚拟课堂准备的一个重要任务是建立三维场景。虚拟课堂的背景图像可以是来自录像机或摄像机的活动视频,也可以是静止图像等,但使用最多的是由计算机创作的二维或三维图形CG(Computer Graphics),即虚拟场景。这些场景用三维软件制作完成。教员可以用开放的三维平台及软件例如:Softimage、Maya、3Dmax或Bryce建立三维场景,并把它们直接送进系统,也可以在虚拟课堂系统自带的三维数据库中选用,同时还可使用标准动画软件工具对三维模型进行修改处理。

    1.2.2实时生成背景

    实时生成背景是指在摄像机运动参数控制下,背景生成装置对制作好的背景信号进行处理,实时生成与前景有正确透视关系的背景图像。所谓实时,是指生成速度可达到50场/秒。

    1.3 蓝室和光照

    1.3.1蓝室

    由于虚拟课堂系统允许摄像机运动,蓝室设计变得非常重要。虚拟课堂的拍摄环境一般是由一面或多面蓝墙和蓝色的地板组成的“蓝室”,对蓝色讲台没有实际的物理尺寸限制,真实蓝背景的大小可以决定有多少师生在虚拟场景中活动。教员背后的蓝色墙壁允许多种类型的摄象机进行尽可能的摇移。建立蓝色的边墙是另外一个得到更大视野范围的办法,可以因此得到最大的视角。有一点需注意,正面墙与邻墙的角度应大于90度,这将更容易打灯光,并且墙壁之间也不会互相反射。而且,当摄像机取远景时,不仅需要教员身后是蓝色,地板也要求是蓝色的。地板应该足够大能包括阴影,否则落在真实背景之外的阴影将被剪除。如果在真实布景中有折角,打光会非常困难,同时需要在键控器上进行额外的调整来均匀明暗差异,这将使保留阴影变得更困难。圆滑的角落可以帮助减少灯光的明暗差异。

    1.3.2灯光

    对虚拟课堂系统来说灯光是最重要的问题之一。在通常情况下,蓝色讲台需要被照得非常均匀。在虚拟课堂中通常用冷光。大多数经常使用的冷光类型是KINO FLO及VIDESSENCE。灯光应经常保持足够高的角度来使阴影落在地面上而不是背景墙上。

    2. VR技术在医学教育领域的应用现状及应有的探索

    VR技术,目前在国内,在教育领域的应用已经较为常见了,一些高危性的行业,如飞行员的教学,已经有了比较成熟的体系。民用的部分,如汽车驾驶的教学,也已经进入了商业化阶段,日本的一些厂商,甚至制作了教家庭主妇如何记忆菜谱的教学软件。

    目前在国内医学教育中的应用情况基本处于起步阶段。其中原因,一方面是应为医学领域有着极强的专业性,专业技术的壁垒比较高,另一方面,也和医学教学人员,对于VR技术的认识不够或理解存在偏差有一定的关系。

    VR技术作为一种新兴的技术,其在各个领域的应用,基本都属于摸索期,在医学上更是如此,目前已经有一些多媒体教学中已用到VR技术,但仍处于比较早期的纯画面展示类型,仅仅是将传统的图片、图谱,变成了3D动画,缺乏交互性。而且应用的学科比较集中,大部分都属于解剖学内容。在少量有一定交互性的使用中,也多限于多角度观看,这可以说是对VR技术的一种浪费,其教学的效果,与挂图和实物模型相比,并无过人之处。

    其实VR技术在医学中的应用是非常有前景的,例如,学员在进行手术学学习的之前,可以通过VR制作的模拟手术系统进行预习,这样,在进行实际操作的时侯,有的放矢,教学效果相比预习文字描述的步骤要深刻的多,将大大减少失误造成的实验动物和标本的浪费。(目前来看,因计算机硬件水平的限制,模拟手术仍无法完全取代实际的操作过程,但作为有益的补充,要强于传统的教学效果)。又比如,在学习诊断学时,心脏的心音听诊是个难点,这时可以让学员通过VR系统,在虚拟的病人身上,直接看到心脏内部的结构,将心音的录音,与心脏实际的工作过程相关联,使学员可以以三维的方式,从各个角度,观看心瓣膜工作状态与心音产生的关系,这种学习的直观程度,即使在真实病人的身上,配合彩色超声也很难达。自己在这方面有无实验探索呢?

    3   目前制约VR技术在医学教育方面应用的因素及可行性对策

    虽然VR技术在医学教育中有着极好的应用前景,但目前仍有以下几个因素对其发展有着制约。

    一是目前的计算机处理器的硬件水平的发展,虽然说计算机处理器速度在近十年来的发展已经是翻天覆地,但仍与医学的模拟要求有相当的差距。人体是一个非常复杂的系统,其数据量之大,即使是超大型的计算机也难以胜任。

    二是交互性解决方案的复杂性,医学与其它学科不同,针对的对像是人体而不是死板的机器。在飞行员的虚拟驾驶课程中,学员所作的操作及得到的回馈,比如操控驾驶控杆引起的体位变化,基本上与真实飞机一致,甚至于操作杆上会有力度的回馈。而对于人体的操作回馈,目前除去视觉之外还没有太好的解决方案。

    三是这种应用,即使在国外,亦没有多少可以借鉴的案例,要摸索的东西多,制作人员与教员之间的沟通不够,制作思路不够广泛,也是制约其发展的一个重要原因。

    针对这些问题,解决的方案一是立足现有条件,从实际使用的可能性出发,制作不必求全求大,针对教学中的问题,用VR系统实现作精、作透。对于能够模拟的,尽量模拟,无法模拟的,则想办法模仿,毕竟VR教学不是万能的,只要能加深学员的印象,促进学员理解、巩固记忆也为初步成效。例如日本任天堂公司生产的wii游戏机,可以用于网球的练习,虽然说其控制器在球拍打到球的一瞬间,手臂上并不会有撞击的感觉,但对于加强身体和眼力的协调,以及掌握挥拍的姿势,也不失是一种很好的尝试。另外,制作人员与教员之间要多多沟通,互相学习,通过交流,才能保证最终成品的质量。

    4  VR技术在医学教育中应用的重要意义

    医学教育与其它的基础学科的教学有所不同,它不但要传授医学理论、医学原理,更需要了解现代医学的发展,了解有关医学的最新动态。传统的挂图式讲解已远远跟不上知识的更新速度,教师常感到力不从心,也给学生留不下什么深刻印象。虚拟仿真技术的应用,将对传统的医学教学模式产生重要的影响。

    目前虚拟教学就是指利用计算机的虚拟仿真技术,对教学环境、教学内容进行教学仿真的一种模式。在这种模式下,课堂教学不在局限于有形的教室中,教学活动的空间和时间得到了无形扩展。“虚拟课堂”的实现为学生提供了可移动的电子教学场所,从而改善了教员和学员的互动关系,更好的加深了学员对所学知识内容的认知和理解。

    4.2 医学教育重要的是直观、形象、生动,但在教学中往往又难以直接展示人体的结构,疾病发生及发展过程等教学内容,教学不够生动,难以具体化;教学成本大,不可重复执行;这对学生更好的掌握医学知识极为不利。近年来随着计算机的高速发展,通过虚拟仿真三维软件技术建立的人体结构模型,可以使学生通过人机交互对人体模型进行浏览,在模型内部“漫游”让学生非常直观轻松的学习人体解剖结构。不仅调动了学生的学习兴趣,而且将抽象的内容具体化、形象化,给学生留下深刻的记忆,也给教员提供了方便,且大大提高了教学质量。

    医学是一门实践性很强的学科,实验和实习贯穿了整个教学过程。实验教学环境的好坏对学好这门课程更是至关重要。学生只有通过足够的验证性实验和一定数量的综合实验才能获得必要的综合技能,并初步具备一定的工作实际能力。三维虚拟互动软件“VRPlatform” 和虚拟课堂系统的问世,可对医学教育起到了很大的促进作用。

    三维虚拟仿真软件和虚拟课堂系统相结合,打破了时空局限性,为学生提供了真正的“开放性教学环境”,教学大纲没有要求的只要学生感兴趣同样可以在计算机上实现。

   4.3现代教学中的很多内容和技术需要情景化,实时化的教学手段来完成,通过亲身经历能加速这一过程和巩固所传授的知识。但是传统的教学模式很大程度上难以保证应有的教学质量,培养学生的创造能力。虚拟现实技术为教员、学生提供了一个无危险性、成本低的方式,以及与真实世界交互。学员操作模型元素,能改变模型的不同方位直观的学习。

    如创设和提供在现实学习中无法观察到的病毒生长及物理的变化过程,为学生提供生动逼真的感性学习材料,帮助学生解决学习中的知识难点。如在学习人体组肢结构时通过虚拟现实系统将学生直接带到人体内部了解人身体内部复杂的神经、血管各个组肢器官结构;在学习生物知识时,利用虚拟现实技术,向学生展示细胞分裂增值等复杂的生命活动,学习中计算机虚拟仿真技术与细胞结构结合。展示细胞的空间三维性,有机配合高倍显微镜的拍摄图像,较完美的表现细胞的生长增值过程。

    而且实现细胞的三维立体教学,使三维的细胞结构变得非常容易观察;而且在教员或学员的控制下可以观察任意形状的细胞,甚至可以进入到细胞的内部去观察。虚拟现实在生物学中通过计算机仿真出真实结构的交互式三维空间动态环境,让教员学员通过虚拟课堂系统去研究学习虚拟环境中的真实细胞结构,可解决过去在课堂中讲授抽象难理解的细胞结构而存在的费时费力费解的问题。

    总之,虚拟现实技术由于具有三维动画仿真能力,在知识学习中可把教学中的抽象概念原理的实验过程真实形象生动的表现出来,给学生创建真实学习情境,从而使学生真正参与到教学活动中,这是传统“黑板加粉笔”所不能比拟的。

    参考文献

    [1] 鲁利 郭宝华 等  多媒体医学形态教育中的优势.解剖科学进展[M] 2001.7

    [2] 张毅  石泽龙     MAYA6.0入门到精通[M] 中国青年出版社 2005

    [3] 张红           电视字幕•特技与动画[J]电视节目制作2000,18(8):6-8

    [4] 王爽  李柯     MAYA6.0材质与渲染[M] 中国青年出版社 2005第四军医大学教育技术中心     硕士    王文军   助理工程师

    作者简介:王文军(1981),男(汉族)陕西省西安市人

    地址:长乐西路 17号   陕西 西安市  710032

标签:虚拟仿真医学教学
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