譚 風(fēng)，田 清，李 震，楊小庚，饒利兵，蔣 帥，李 青，楊懿農(nóng)，張 君

(湖南醫(yī)藥學(xué)院：1.口腔醫(yī)學(xué)院；2.醫(yī)學(xué)院；3.護(hù)理學(xué)院，湖南 懷化 418000)

人體科學(xué)館是醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)人體解剖學(xué)、科學(xué)研究和社會(huì)科普教育的重要場(chǎng)地[1-3]。然而人體科學(xué)館的開放時(shí)間有限、社會(huì)人士對(duì)人體標(biāo)本的恐懼心理，并且科學(xué)館的容納量和運(yùn)行過程中維護(hù)成本，導(dǎo)致場(chǎng)館的使用效率不高。為改善這些局限性條件，擴(kuò)展人體科學(xué)館的輻射面和教育教學(xué)效果，本課題組利用桌面型虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和三維全景建模技術(shù)，以湖南醫(yī)藥學(xué)院人體科學(xué)館實(shí)景實(shí)物為基礎(chǔ)，通過圖像采集拼接、全景投影、交互熱點(diǎn)設(shè)置、全景發(fā)布等環(huán)節(jié)建立人體科學(xué)館的實(shí)物場(chǎng)景漫游，使其實(shí)現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)上生動(dòng)的展示和良好的交互。

1 虛擬人體科學(xué)館的總體設(shè)計(jì)

湖南醫(yī)藥學(xué)院虛擬人體科學(xué)館是一個(gè)面向具體展館的實(shí)景再現(xiàn)系統(tǒng)。從功能上不僅要真實(shí)地反映場(chǎng)館的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)基本場(chǎng)景的瀏覽，而且要提供必要的導(dǎo)航以及操作手段，支持用戶自主選擇游覽路徑，實(shí)現(xiàn)交互式漫游[4-6]。為此，在Pano2VR軟件皮膚編輯器中為漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作了以下功能(圖1)。

圖1 界面交互操作控件、導(dǎo)航圖、縮略圖

1.1 界面交互操作設(shè)計(jì)

界面交互操作控件包括方向轉(zhuǎn)動(dòng)按鈕：圖像收縮按鈕、開始/停止旋轉(zhuǎn)按鈕、恢復(fù)默認(rèn)視角按鈕、改

變控制方式(正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn))按鈕、全屏開關(guān)和展館場(chǎng)景簡(jiǎn)介信息開關(guān)按鈕。展館場(chǎng)景信息簡(jiǎn)介以小窗口的形式在漫游中顯示，主要包括：場(chǎng)景名稱、描述、作者、作品制作時(shí)間以及版權(quán)信息等。交互操作控件與鼠標(biāo)、鍵盤結(jié)合使用，增加用戶在漫游虛擬人體科學(xué)館時(shí)的沉浸感和交互的流暢性。

1.2 導(dǎo)航設(shè)計(jì)

導(dǎo)航由導(dǎo)航地圖和視角提示圖標(biāo)組成。導(dǎo)航地圖的設(shè)置主要是為避免復(fù)雜環(huán)境中的漫游迷失，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的快速定位。由于地圖一般所占窗口面積較大，導(dǎo)航地圖需要隱藏在虛擬人體科學(xué)館界面?zhèn)葯?，其顯示由相應(yīng)動(dòng)作觸發(fā)，反之隱藏。視角提示圖標(biāo)主要是通過雷達(dá)指針獲取當(dāng)前的視角方向和視野范圍，從而使用戶可以辨別自己的方位。并且用戶還可以通過點(diǎn)擊導(dǎo)航圖內(nèi)的節(jié)點(diǎn)快速到達(dá)虛擬人體科學(xué)館內(nèi)的任意場(chǎng)景，為學(xué)習(xí)者提供便利。

1.3 場(chǎng)景縮略圖

人體科學(xué)館共有60個(gè)場(chǎng)景，為了實(shí)現(xiàn)在漫游過程中快速跳轉(zhuǎn)，設(shè)置了場(chǎng)景縮略圖，縮略圖是每一個(gè)場(chǎng)景最具有代表性的視角，其下方有對(duì)應(yīng)的名稱，通過點(diǎn)擊即可進(jìn)入相應(yīng)的場(chǎng)景。

圖2 交互控件按鈕、簡(jiǎn)介信息窗口參數(shù)設(shè)置

1.4 采用HTML5前端開發(fā)

HTML5是由萬維網(wǎng)聯(lián)盟W3C(Word Wide Web Consortium)推出的新一代的Web標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)有效地提高了Web的交互能力和本地支持能力，讓W(xué)eb應(yīng)用擺脫插件限制，其目的是在移動(dòng)設(shè)備上支持多媒體并進(jìn)行跨平臺(tái)使用[7-8]。由于基于Flash的網(wǎng)頁技術(shù)的全景漫游不能支持移動(dòng)設(shè)備(如手機(jī)、平板和Apple設(shè)備)上的交互，并且交互時(shí)作為外掛的Flash插件影響穩(wěn)定性和流暢性，同時(shí)為了更好地打破實(shí)體人體科學(xué)館的時(shí)空性限制，所以選用此標(biāo)準(zhǔn)。

2 人體科學(xué)館網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)

為構(gòu)建一個(gè)畫質(zhì)高、場(chǎng)景逼真、便于操作的全景漫游系統(tǒng)，本課題組采用桌面型虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),只以計(jì)算機(jī)或其他移動(dòng)終端屏幕作為用戶觀察虛擬世界的一個(gè)窗口而沒有其他的復(fù)雜的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備如頭盔等，通過屏幕上的三維圖像和與用戶交互給用戶一種身臨其境的感覺[9]。

2.1 虛擬人體科學(xué)館展區(qū)場(chǎng)景全景數(shù)據(jù)采集

虛擬人體科學(xué)館包含了三大功能區(qū)：即演播室、榮譽(yù)室和實(shí)物標(biāo)本陳列，其中實(shí)物標(biāo)本陳列分為濕標(biāo)本(展廳1)、斷層解剖標(biāo)本(展廳2；3)、鑄型標(biāo)本(展區(qū)5)、生物塑化標(biāo)本(展區(qū)6)、大體解剖標(biāo)本(展區(qū)7)。按照展區(qū)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)位置和漫游路線，并依據(jù)節(jié)點(diǎn)布置三腳架、云臺(tái)以及相機(jī)等全景拍攝工具進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，后期處理主要包括:篩選和整理圖像；調(diào)整圖像的色彩度與明亮度；拼接全景平面圖。

2.1.1 設(shè)置節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)并取景

根據(jù)觀察者步數(shù)設(shè)置若干個(gè)觀察點(diǎn)，在觀察點(diǎn)合適的視角和視野范圍處作為中心節(jié)點(diǎn)輻射該點(diǎn)的整個(gè)范圍(圖3)，在節(jié)點(diǎn)處布置三腳架、云臺(tái)、相機(jī)等全景拍攝工具，以單反相機(jī)鏡頭水平環(huán)視(0°)、斜向上45°(+45°)、垂直向上90°(+90°)、斜向下45°(-45°)、垂直向下90°(-90°)，共5層的方式進(jìn)行拍攝[10]。

圖3 節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)圖

2.1.2 二維全景圖的合成

常用拼接軟件有PT-GUI、Panorama Studio、Photoshop等。課題組經(jīng)過測(cè)試后，其中PT-GUI操作簡(jiǎn)單、功能齊全，能夠根據(jù)圖片特征自動(dòng)進(jìn)行預(yù)處理、特征點(diǎn)配準(zhǔn)、融合以及邊界平滑等，是一款較為適用的輕量級(jí)軟件。將取景拍攝所得的5層多角度的圖片導(dǎo)入PT-GUI，通過對(duì)準(zhǔn)圖像，形成粗略的全景圖，再使用PT-GUI內(nèi)置的全景編輯器，根據(jù)場(chǎng)景視角和視野的特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行蒙版、曝光度和中心點(diǎn)設(shè)定等處理，最后生成觀察點(diǎn)二維全景平面圖(矩形球面圖)的JPG格式文件(圖4)。

圖4 二維全景平面圖

2.2 虛擬人體科學(xué)館展區(qū)場(chǎng)景漫游系統(tǒng)建設(shè)

單個(gè)全景圖片只是單視點(diǎn)的二維靜態(tài)圖，并不能稱之為真正的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，因此，必須對(duì)全景圖進(jìn)行合理的空間編輯和組織。這種空間編輯和組織實(shí)質(zhì)上是根據(jù)視角方向顯示并渲染預(yù)先存儲(chǔ)全景圖的一部分，從而實(shí)現(xiàn)在固定節(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)、縮放以及節(jié)點(diǎn)漫游等實(shí)時(shí)交互效果[11-12]。在常用的全景建設(shè)平臺(tái)中，Pano2VR軟件具有操作簡(jiǎn)單、功能齊全、便于開發(fā)等特點(diǎn)，可以將展示文件導(dǎo)出HTML5、FLASH、QUICKTIME等格式，快速實(shí)現(xiàn)漫游。它還可以在虛擬人體科學(xué)館中，對(duì)相應(yīng)標(biāo)本以熱點(diǎn)形式嵌入其環(huán)視文件的鏈接(url)以及添加語音解說音頻、人體科學(xué)相關(guān)的視頻等。因此選用Pano2VR，在得到初步導(dǎo)出的HTML5文件后，利用網(wǎng)站腳本語言對(duì)人體標(biāo)本展示、教學(xué)、科研、科普等功能進(jìn)行拓展。

2.2.1 創(chuàng)建虛擬人體科學(xué)館全景漫游工程

使用Pano2VR軟件，將全景圖導(dǎo)入，完成了虛擬人體科學(xué)館全景漫游工程文件的創(chuàng)建。

2.2.2 全景漫游各種參數(shù)設(shè)置

①對(duì)虛擬人體科學(xué)館初始場(chǎng)景的設(shè)定(瀏覽漫游時(shí)會(huì)最先顯示這張全景圖所展示的場(chǎng)景)；②各展區(qū)場(chǎng)景的全景圖進(jìn)行默認(rèn)視角的設(shè)定、視場(chǎng)的限制、開場(chǎng)效果的設(shè)置、方向的設(shè)定、用戶數(shù)據(jù)的編寫(如作者、場(chǎng)景簡(jiǎn)介、版權(quán)編寫等)；③在輸出窗口設(shè)置場(chǎng)景交互的特效、熱點(diǎn)提示文本框顯示參數(shù)、網(wǎng)頁參數(shù)、控制參數(shù)、圖像參數(shù)和HTML5顯示的高級(jí)參數(shù)以及其他參數(shù)的設(shè)置。

2.2.3 場(chǎng)景交互的實(shí)現(xiàn)

在Pano2VR工程文件[13-14]中，通過預(yù)覽窗口設(shè)立交互熱點(diǎn)、選擇需要跳轉(zhuǎn)的場(chǎng)景，還可以改變鏈接場(chǎng)景的查看視角。通過創(chuàng)建交互熱點(diǎn)將虛擬人體科學(xué)館不同場(chǎng)景進(jìn)行鏈接，使用戶漫游時(shí)身臨其境。

2.3 虛擬人體科學(xué)館場(chǎng)景與標(biāo)本的交互實(shí)現(xiàn)

湖南醫(yī)藥學(xué)院人體科學(xué)館內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，人體標(biāo)本陳列品擺放較為緊湊，部分標(biāo)本受視角等因素的限制難以全方位的對(duì)其進(jìn)行觀察學(xué)習(xí)，因此本課題組將科學(xué)館內(nèi)具有代表性的標(biāo)本根據(jù)其自身特點(diǎn)進(jìn)行多視角360°圖像數(shù)字化，制作成標(biāo)本環(huán)視HTML5文件，然后以網(wǎng)址鏈接的形式生成熱點(diǎn)嵌入虛擬人體科學(xué)館場(chǎng)景漫游工程中，在虛擬人體科學(xué)館中點(diǎn)擊該環(huán)視的熱點(diǎn)，在瀏覽器的窗口就會(huì)跳轉(zhuǎn)到標(biāo)本環(huán)視文件并自動(dòng)打開(圖5)，然后即可對(duì)標(biāo)本進(jìn)行任意地觀察和學(xué)習(xí)。

圖5 單體標(biāo)本觀察

2.3.1 標(biāo)本環(huán)視制作的前期準(zhǔn)備

為了最大程度還原標(biāo)本的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)單個(gè)標(biāo)本的圖像采集需要在攝影棚內(nèi)進(jìn)行，所以在建設(shè)初期，要搭建攝影棚、購置勻速自動(dòng)轉(zhuǎn)盤靜物拍攝臺(tái)和安裝Object2VR環(huán)視制作軟件。

2.3.2 標(biāo)本的拍攝和取材建模

①對(duì)于具有多角度觀察價(jià)值的標(biāo)本，將標(biāo)本從中心線開始從上自下建立1～2層拍攝面，每層拍一周。設(shè)置好相機(jī)自動(dòng)拍攝間隔時(shí)間和圓盤旋轉(zhuǎn)一周時(shí)間后將標(biāo)本放置自動(dòng)旋轉(zhuǎn)的圓盤中進(jìn)行拍攝。通常以拍攝一周72張圖片效果較好。將拍攝出的圖片通過PS摳圖、去噪、設(shè)置大小后，通過Object2VR軟件進(jìn)行球形拼接生成標(biāo)本環(huán)視三維圖，為保持文件格式一致性，導(dǎo)出HTML5格式保存并生成統(tǒng)一資源定位符鏈接(URL)嵌入到場(chǎng)景的熱點(diǎn)中[10]；②對(duì)于只有單視角觀察價(jià)值的標(biāo)本，只需對(duì)其觀察面進(jìn)行拍攝，然后通過Photoshop調(diào)節(jié)色彩、摳圖、降噪和對(duì)結(jié)構(gòu)添加標(biāo)注等處理保存JPG格式的文件，將該圖片文件直接置入虛擬人體科學(xué)館場(chǎng)景中，Pano2VR會(huì)自動(dòng)生成熱點(diǎn)，漫游時(shí)點(diǎn)擊熱點(diǎn)即可在瀏覽器窗口查看。

2.4 生成虛擬人體科學(xué)館實(shí)物全景漫游

在虛擬人體科學(xué)館實(shí)物全景漫游工程文件中輸出HTML5文件[15],保存資料，建立數(shù)據(jù)庫。

2.5 網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

上傳數(shù)據(jù)庫到服務(wù)器，為了提高漫游虛擬人體科學(xué)館的流暢性、加載速度和保護(hù)我校特有標(biāo)本素材的版權(quán)，課題組決定使用Windows系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)(IIS)功能，在校內(nèi)局域網(wǎng)下發(fā)布湖南醫(yī)藥學(xué)院虛擬人體科學(xué)館全景漫游。

3 結(jié)果

采用本文討論的思路和技術(shù)方法可以實(shí)現(xiàn)湖南醫(yī)藥學(xué)院虛擬人體科學(xué)館的構(gòu)建，用戶在我校局域網(wǎng)內(nèi)可隨時(shí)隨地漫游人體科學(xué)館，對(duì)場(chǎng)景和人體標(biāo)本進(jìn)行放大、縮小和多視角觀察，并與之交互，提高了學(xué)習(xí)者對(duì)人體科學(xué)的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果，放大了實(shí)物人體科學(xué)館的功效，已在我校2017、2018級(jí)臨床專業(yè)部分學(xué)生的人體解剖學(xué)課程課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)中推廣。

4 討論

4.1 現(xiàn)存問題與不足

目前國內(nèi)外虛擬人體科學(xué)館的相關(guān)報(bào)道較少，在設(shè)計(jì)制作時(shí)缺乏一定的參考和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在推廣應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)我校虛擬人體科學(xué)館存在以下幾個(gè)問題：①虛擬人體科學(xué)館的操作控件在屏幕尺寸較小的終端偶爾會(huì)顯示不全，影響漫游效果；②由于圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間龐大，故采用局域網(wǎng)內(nèi)發(fā)布，在一定程度上也限制了虛擬人體科學(xué)館的使用空間和輻射范圍；③標(biāo)本環(huán)視并不是真正的三維模型，在環(huán)視操作時(shí)未能實(shí)現(xiàn)無縫旋轉(zhuǎn)觀察。

4.2 經(jīng)驗(yàn)體會(huì)

本課題組成員均為醫(yī)學(xué)專業(yè)教師、學(xué)生，對(duì)于虛擬人體科學(xué)館的設(shè)計(jì)制作所需的大部分技術(shù)需要自行查找教程邊學(xué)邊做，很大程度上降低了工作效率并影響其質(zhì)量，因此在下一步研究時(shí)我們會(huì)考慮與其他相關(guān)學(xué)科的人員進(jìn)行合作。學(xué)生在參與制作的過程中，既學(xué)習(xí)了解剖知識(shí)，又可提高其自身綜合能力，為以后就業(yè)打下夯實(shí)的基礎(chǔ)并提供新方向。