◆曹瀝之 石連栓

1 引言

早在2000多年前，中國(guó)便誕生了一部關(guān)于針灸經(jīng)絡(luò)理論的醫(yī)學(xué)巨著《靈樞》，在不斷的實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)針灸是一種操作簡(jiǎn)便、費(fèi)用低、專病療效顯著的方法，為中國(guó)老百姓解決了很多疾苦[1]。然而，由于訓(xùn)練方式受到很多條件的制約,現(xiàn)如今培養(yǎng)一名合格的針灸醫(yī)療師卻不是一件簡(jiǎn)單的事情。傳統(tǒng)的訓(xùn)練方式大多采用二維掛圖或?qū)嶓w模型，所呈現(xiàn)出來的信息往往是直觀的不夠具體，具體的不夠直觀，大大影響了學(xué)習(xí)者的訓(xùn)練效率。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維針灸虛擬教學(xué)系統(tǒng)將3Ds Max軟件的建模技術(shù)和Virtools軟件的交互技術(shù)巧妙結(jié)合，在彌補(bǔ)了傳統(tǒng)訓(xùn)練方式不足的情況下，為學(xué)習(xí)者搭建一個(gè)逼真的虛擬訓(xùn)練環(huán)境，并且將枯燥的不易理解的理論知識(shí)宏觀化，在一定程度上提高了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣。

2 三維針灸虛擬教學(xué)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

三維針灸虛擬教學(xué)系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可以分為虛擬實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)和虛擬針灸訓(xùn)練兩大部分。學(xué)習(xí)者先在虛擬實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)針灸相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，當(dāng)學(xué)習(xí)完畢后進(jìn)入到虛擬針灸訓(xùn)練模塊進(jìn)行扎針訓(xùn)練。為了更加符合學(xué)習(xí)者的認(rèn)知過程，在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)過程中將理論知識(shí)設(shè)計(jì)成由簡(jiǎn)入深、由淺到深的結(jié)構(gòu)，設(shè)置為不同的功能模塊，教授不同深度的知識(shí)，進(jìn)而幫助學(xué)習(xí)者形成一個(gè)完整的經(jīng)絡(luò)知識(shí)體系，以達(dá)到增強(qiáng)訓(xùn)練效果的目的。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 三維針灸虛擬教學(xué)系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可以分為兩大部分：虛擬實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)和虛擬針灸訓(xùn)練。為了給學(xué)習(xí)者提供一個(gè)逼真的訓(xùn)練環(huán)境，三維針灸虛擬教學(xué)系統(tǒng)利用3Ds Max軟件建模技術(shù)為學(xué)習(xí)者搭建虛擬實(shí)驗(yàn)室。虛擬場(chǎng)景是模擬真實(shí)的教學(xué)環(huán)境，學(xué)習(xí)者可以通過鼠標(biāo)或鍵盤的操作控制虛擬場(chǎng)景中人物角色，從而讓學(xué)習(xí)者在虛擬場(chǎng)景中完成針灸理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。這不僅體現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)沉浸性的特點(diǎn)，為學(xué)習(xí)者創(chuàng)造了一個(gè)逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，還增強(qiáng)了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣。虛擬針灸訓(xùn)練模塊則是系統(tǒng)的核心部分，主要包括虛擬訓(xùn)練和鞏固訓(xùn)練兩部分。該模塊將人體以三維的形式呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者，并且將人體的經(jīng)絡(luò)穴位信息宏觀化，幫助學(xué)習(xí)者進(jìn)一步掌握經(jīng)絡(luò)知識(shí)。此外，學(xué)習(xí)者可以對(duì)三維人體模型進(jìn)行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等操作，以幫助學(xué)習(xí)者將不容易理解的枯燥的知識(shí)化微觀為宏觀，以便學(xué)習(xí)者更好地掌握人體經(jīng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖1為系統(tǒng)功能圖。

系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1）虛擬實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)的功能設(shè)計(jì)。虛擬實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景是模擬真實(shí)的教學(xué)環(huán)境，讓學(xué)習(xí)者在虛擬場(chǎng)景中完成針灸理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。系統(tǒng)借助于投影儀幕布將針灸理論知識(shí)以幻燈片的形式呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者，模擬真實(shí)的教學(xué)情境。學(xué)習(xí)者通過鍵盤或者鼠標(biāo)控制場(chǎng)景中的人物角色，進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)室的漫游，并完成針灸理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。在虛擬實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景中，學(xué)習(xí)者在通過鼠標(biāo)或鍵盤控制人物角色過程中，可能會(huì)無(wú)意識(shí)地觸發(fā)一些事件，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不同的操作做出相應(yīng)的反饋信息。比如，當(dāng)人物角色靠近投影儀的遙控器時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示學(xué)習(xí)者點(diǎn)擊遙控器開啟投影儀。為了使漫游效果更真實(shí)，系統(tǒng)添加了數(shù)個(gè)攝像機(jī)，通過攝像機(jī)的切換呈現(xiàn)不同視野的場(chǎng)景。

2）虛擬針灸訓(xùn)練功能設(shè)計(jì)。虛擬針灸訓(xùn)練包括兩部分：虛擬訓(xùn)練和鞏固訓(xùn)練。這部分都是以三維人體模型為基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)者可控制人體模型旋轉(zhuǎn)、放大、平移等以使得觀察更清晰。此模塊包括十四經(jīng)穴、經(jīng)外奇穴、要害穴位和五臟六腑四部分。當(dāng)點(diǎn)擊不同選項(xiàng)時(shí)，系統(tǒng)將所點(diǎn)選項(xiàng)的子菜單內(nèi)容在系統(tǒng)的右側(cè)邊緣彈出，若所點(diǎn)選項(xiàng)中無(wú)子菜單，則將信息直接呈現(xiàn)在三維人體模型上。圖2為系統(tǒng)虛擬針灸訓(xùn)練功能設(shè)計(jì)框架，即：當(dāng)點(diǎn)擊“十四經(jīng)穴”下的“十二正經(jīng)”選項(xiàng)時(shí)，系統(tǒng)將人體十二正經(jīng)的經(jīng)絡(luò)名稱在系統(tǒng)右側(cè)的彈出菜單窗口呈現(xiàn)；當(dāng)學(xué)習(xí)者選擇其中一條經(jīng)絡(luò)名稱時(shí)，在三維人體模型上顯示該經(jīng)絡(luò)上的所有穴位；當(dāng)點(diǎn)擊下一條經(jīng)絡(luò)名稱時(shí)，將上一條經(jīng)絡(luò)上所有穴位隱藏，顯示當(dāng)前經(jīng)絡(luò)上所有穴位；當(dāng)點(diǎn)擊經(jīng)絡(luò)上穴位時(shí)，所點(diǎn)穴位變大，并且顯示該穴位的信息；當(dāng)點(diǎn)擊下一穴位時(shí)，之前所點(diǎn)的穴位恢復(fù)正常大小，并且將此次所點(diǎn)穴位放大，同時(shí)顯示其信息，以此類推。

系統(tǒng)的鞏固訓(xùn)練部分則是當(dāng)學(xué)習(xí)者掌握了一定的理論之后，為了鞏固其所學(xué)知識(shí)而設(shè)置的模塊。該模塊的功能是給學(xué)習(xí)者設(shè)置一定的情境，讓學(xué)習(xí)者結(jié)合病例點(diǎn)合適的穴位進(jìn)行醫(yī)治，幫助學(xué)生更好地將理論與實(shí)際相結(jié)合。

3 三維針灸虛擬教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

三維針灸虛擬教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)模塊主要由虛擬場(chǎng)景和交互設(shè)置兩部分組成。虛擬場(chǎng)景就是利用3Ds Max軟件根據(jù)真實(shí)的教學(xué)環(huán)境進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)室的搭建，然后將制作好的場(chǎng)景導(dǎo)出為.nmo格式的文件，進(jìn)而導(dǎo)入到Virtools軟件中進(jìn)行交互設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)不同功能的交互。

虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建 由于每一種建模方式都具有各自的優(yōu)勢(shì)，故在虛擬場(chǎng)景模型的搭建過程中采用多種建模方式，主要包括放樣、布爾運(yùn)算、倒角、擠壓等。將制作完的模型進(jìn)行貼圖，以增強(qiáng)模型的真實(shí)感。圖3為虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。

交互設(shè)置 三維針灸虛擬教學(xué)系統(tǒng)中交互的設(shè)置是一個(gè)重難點(diǎn)，系統(tǒng)中包含多種觸發(fā)事件，下面以該系統(tǒng)中部分交互功能的設(shè)置為例進(jìn)行說明。

1）角色控制及碰撞檢測(cè)。在虛擬場(chǎng)景中，用戶通過控制鼠標(biāo)鍵盤控制虛擬的人物角色進(jìn)行相應(yīng)的操作，使用Unlimited Controller模塊設(shè)置人物角色的動(dòng)作，并且結(jié)合Keyboard Mapper模塊實(shí)現(xiàn)通過操控鍵盤上的↑、↓、←、→四個(gè)箭頭，控制前進(jìn)、后退、旋轉(zhuǎn)的操作。為了保證人物角色是站立在地板上，使用Enhanced Character Keep On Floor模塊將人物鎖定在地板上，并添加Object Slider模塊和Prevent Collision模塊為角色添加碰撞效果。

2）設(shè)置提示信息。在虛擬場(chǎng)景中存在多種觸發(fā)事件，當(dāng)角色靠近某一物體，如靠近場(chǎng)景中的遙控器時(shí)，系統(tǒng)提示用戶“點(diǎn)擊遙控器，實(shí)現(xiàn)視頻的播放”的信息，來告訴學(xué)習(xí)者該物體的作用。在實(shí)現(xiàn)此交互功能時(shí)，需將場(chǎng)景中會(huì)與角色發(fā)生碰撞的物體放到一個(gè)組中，使用Get Nearest In Group模塊判定角色與哪個(gè)碰撞物體的距離最近，然后利用Test模塊判斷距離。Set Position模塊設(shè)置提示信息的位置，實(shí)現(xiàn)當(dāng)人物角色與碰撞物體的距離小于等于10時(shí)，利用Show模塊顯示所提示的信息。

3）彈出選項(xiàng)內(nèi)容。以學(xué)習(xí)者選擇“十四經(jīng)穴”下的“十二正經(jīng)”按鈕為例來說明，當(dāng)學(xué)習(xí)者選擇“十二正經(jīng)”按鈕時(shí)，從系統(tǒng)的右側(cè)彈出“十二正經(jīng)”菜單下所包含的十二條經(jīng)絡(luò)的名稱。使用2D Picking模塊和Test模塊判定選定的是否是“十二正經(jīng)”按鈕，如果點(diǎn)選的是此按鈕，則彈出此按鈕下所包含的內(nèi)容，并且使用Set Position模塊設(shè)置所在位置。為了使彈出效果不那么生硬，采用插補(bǔ)器Interpolator模塊和貝茲曲線Bezier Progression模塊將彈出效果平滑化。

4）穴位信息的顯示及縮放。當(dāng)用戶選擇某一穴位時(shí)，將所點(diǎn)穴位的名稱及穴位所在位置顯示出來，并且當(dāng)用戶點(diǎn)擊該穴位時(shí)，穴位放大，再次點(diǎn)擊穴位恢復(fù)原狀。在進(jìn)行交互之前首先建立一個(gè)存儲(chǔ)穴位信息的陣列，然后利用Mouser Waiter模塊和2D Picking模塊判定點(diǎn)選物體，使用Row Search模塊在穴位陣列中搜尋穴位信息，利用Get Row模塊取出穴位名稱的信息，并且利用Text Display模塊將信息顯示，使用Sequence模塊和Scale模塊完成放大還原的效果，如圖4所示。

4 小結(jié)

針灸這門學(xué)科不僅需要學(xué)習(xí)者具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，還要求學(xué)習(xí)者具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)給學(xué)習(xí)者創(chuàng)造一種新的針灸訓(xùn)練環(huán)境，即虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，給學(xué)習(xí)者創(chuàng)造一個(gè)不受時(shí)間、空間限制，并且可重復(fù)操作的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，將新技術(shù)與中醫(yī)知識(shí)有機(jī)結(jié)合，在很大程度上提高了學(xué)習(xí)者的積極性，增強(qiáng)了訓(xùn)練效果。

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