基于Maya与Virtools技术的骨构造虚拟实验的设计与实现

基于Maya与Virtools技术的骨构造虚拟实验的设计与实现摘要：maya作为世界顶级的三维软件，拥有完整的建模工具及高效的材质、纹理程序，为灵活、细腻的构建医学虚拟实验中的三维模型提供了强大的技术支持；而virtools作为一种新兴的三维交互构建技术，可以做到与maya无缝结合，为实现医学虚拟实验的交互设计开发提供了一个完整的技术平台，从而提高医学虚拟实验的沉浸感和交互性。

通过以maya和virtools为核心技术对人体骨的构造，提出了进行医学虚拟实验开发的具体流程，并详细描述了具体的应用开发过程。

关键词：maya；virtools；骨的构造；医学虚拟实验中图分类号：tp311 文献标识码：a 文章编号：1007-9599 （2013） 04-0000-021 引言骨科学是医学的一个学科，在外科系统教学中占有重要的地位。

骨的构造是骨科学的理论基础，骨是一种结缔组织，由特殊的细胞和蛋白纤维构成，是重要的矿物质贮藏库，特别是钙，同时还能制造新鲜的血细胞[1]。

但在现有的医学教育中主要采用解剖教学、观看模型以及多媒体等方式进行知识的传授，学习者很难对骨的构造有一个真实的整体把握。

虚拟实验的运用为这些问题的解决提供了良好的手段。

利用maya与virtools技术的结合，设计开发骨构造这一医学虚拟实验，突破时间、场地、人员等客观条件的限制，使学习者在没有任何外界干扰的情况下自由地观察、移动和了解骨的结构，为学生提供直观的整体感，帮助学生掌握总体概念、周边结构和空间立体感，更快捷地学习骨构造这一基础医学知识。

2 骨构造虚拟医学实验的设计2.1 技术的选择maya是美国autodesk公司出品的世界顶级的三维动画软件，有着完整的nurbs、细分建模、polygon建模工具及无缝隙建模技术，可以灵活的构建医学虚拟实验对流线性方面有着极高的要求的各种模型，同时，maya这一强大的工具平台所提供的材质、纹理可以表现医学虚拟实验模型所需要的细微细节，创建逼真的三维影像。

dassault systemes所开发的virtools技术具备丰富的互动行为模块，可以进行3d虚拟环境编辑，在三维场景的渲染以及非线性实时交互的设计方面有着强大的优势，而且无需编写代码，灵活运用自带模块即可完成强大功能，因此，目前它已经成为开发网络三维虚拟实验的最佳解决方案之一[3]。

为医学实验的开发提供了强有力的技术支持，以提高医学虚拟实验的沉浸感和交互性。

同时virtools提供了各个版本的支持maya转换的插件，使两种软件可以无缝结合，便于团队合作开发。

2.2 开发方案基于maya与virtools技术的医学虚拟实验的开发主要经历四个阶段，其流程如图1所示：准备阶段主要包括学习者分析、学习内容分析、3d模型的分析确定、交互功能的分析确定以及素材的准备等五个方面。

学习者分析，其目的是强调以人为本，使人机界面符合学习者的生理和心理特征，以使虚拟实验适应学习者的视觉理解和操作过程，据此以确定在虚拟实验中所需要的三维模型及应具备的交互功能。

在本虚拟实验中，学习者通过模型的形状、结构、色彩、纹理等来达到对骨结构知识的理解和掌握。

在对虚拟实验的操作过程中，学习者主要通过点击，拖拉，旋转等达到对骨结构的进一步认识与了解。

建模阶段主要包括模型的构建、材质纹理的赋予及渲染输出三个方面。

3d模型是负载与传递信息的工具，首先它必须是准确、客观的，所以在模型的构建方面应该具备科学准确的尺寸与结构；另外3d模型也是有情感的，应该使其符合学习者的情感体验，以被学习者认知和接纳，在模型的材质纹理处理方面要形象、逼真。

控制阶段主要包括对象的建立和初始化、交互功能的实现以及测试、优化。

虚拟实验的目的是要让学习者达到对知识的了解、熟悉与掌握，所以交互功能的实现要符合学习者的认知方式，以及习惯性的操作方式。

3 骨结构的模型构建骨结构虚拟实验模型采用maya技术进行制作，主要包括模型制作；材质、纹理制作；优化、输出等三个主要的方面。

3.1 模型制作虚拟实验最重要的任务是如实的呈现实验现象，精确的虚拟模型能给学习者真实的、立体化的感受[4]。

模型的构造实际上就是点、线、面的各种组合。

无论自然物还是人造物的形态多么复杂，在几何意义上都可以归纳为点、线、面、体四个最基本的单位，但是人的参与却使得这些在几何意义上没有任何感情色彩的基本单位表达了“不同的性格和丰富的内涵，它抽象的形态赋予了艺术内在的本质和超凡的精神”（康定斯基语）。

本实验中包括长骨和骨单位两个主要的三维模型。

对这两个模型的构建主要采用多边形建模方式。

在建模的过程中尽量的使用四边形，这样可以得到一个较为平滑真实的模型，也应注意模型的拓扑结构以为后期的优化提供方便。

如图2所示，为所构建的长骨模型。

3.2 材质纹理的赋予骨及骨单位需要采用lambert材质，因为这种材质可以得到外观比较平直且光滑的纹理效果。

在maya中，在一个多边形物体上应用uv贴图数据主要有四种方式：平面贴图、圆柱贴图、球形贴图和自动贴图。

所有这些方法都是直接在物体的表面上投影数据。

在本实验中我们主要为柱状部分添加圆柱贴图，对于横截面部分添加平面贴图。

通过调整image center、image rotation、image scale 来调整投影的位置、方向和大小，以得到形象、逼真的三维模型。

如图3、4所示的长骨效果图及骨单位效果图。

3.3 优化、输出模型制作完成后，需要优化模型来获得低细节水平的模型，以尽可能的节省系统资源和内存。

首先，找出可以删除的部分，例如被骨膜覆盖住的骨密质部分。

另外找出那些生成尖边区域的多边形和没用的多边形，将其删除掉，可以选择一条边执行edit pologons>collapse命令；或者选择edit pologons>merge vertices 焊接顶点命令；也可以按delete删除边命令。

为了使maya中的模型可以导入virtools，首先必须安装virtools maya exporter插件，导出设置根据需求进行勾选，设置存储名称与路径，将模型导出为*.nmo格式的文件。

4 交互功能的实现骨结构虚拟实验的交互设计采用virtools技术实现，主要包括对象的建立与初始化；交互制作；测试、发布等三个主要的方面。

4.1 对象的建立与初始设定在virtools中实现主体对象的建立和初始设定对后续的交互设计起着重要的总用，在进行交互设计前要组织资源，以免在后续的开发过程中出现资料的遗漏和丢失。

打开virtools，选择[resources]-[create new data resources]，创建一个后缀名为*.rsc的文件资源。

打开创设的文件夹，将从maya中导出的模型文件拷贝到3d entities文件夹中，将贴图、背景图片以及按钮等拷贝到textures文件夹中，完成资源的组织。

在3d layout视窗中拖入“gudanwei.nmo”文件，调整其在视窗中的显示比例，添加灯光使骨单位正常显示，完成后，到层级管理器窗口的global目录下找到主要对象及灯光对象，点击set ic for selected标签，完成初始设定。

由于virtools对自发光的级别要求高，所以在maya中设置的材质并没有体现出来。

在3d layout视窗中点选主对象几何体，在选中状态下点击右键，在弹出的快捷菜单中选择material setup，打开material setup面板，选择emissive，把系统默认的黑色调整为r、g、b全为255的白色，从而调整了主对象的自发光程度。

如图5所示为virtools中调整后的骨单位效果。

4.2 交互制作本实验的交互制作主要包括摄相机的设定、模型的交互制作及界面、菜单的制作。

（1）摄影机的设定摄影机的设定，不仅可以确定进入场景时的观察位置，同时也可以实现从不同的角度来观察主对象，这一功能主要是由virtools 提供的mouse waiter与mouse camera orbit bb实现的。

在本实验中涉及通过鼠标左键实现观察角度的变化，鼠标滚轮实现视景的缩放。

首先需要新建一个new 3d frame三维帧作为摄影机视点的参考对象并选择合适的位置并设定初始状态。

其次就是创建摄影机、设置初始状态并创建三维帧这一参考对象的脚本。

如图6所示为左键实现观察角度变化的脚本：（2）模型的交互制作在虚拟实验中，我们希望可以通过点击长骨横截面上的骨单位，以得到一个独立的骨单位模型，以使学习者可以观察具体的骨单位结构。

在本实验中，设置骨单位的初始状态是隐藏的，当单击骨的横截面时为可见，之后学习者可以通过鼠标对骨单位进行旋转缩放从而达到对骨单位有一个全面的认识。

（3）界面、菜单的交互制作通过界面和菜单的制作，可以充分体现虚拟实验的交互功能，也提高了虚拟实验的视觉效果。

在实验中首先展现出来的应该是主界面及主界面的操作菜单，主界面是通过创建二维帧来实现，操作菜单是由交互按钮构成，主要通过创建二维帧、创建对应的材质并对其进行设置，最后为二维帧添加pushbutton bb行为交互模块来实现。

4.3 测试、发布骨构造虚拟实验测试完成后，即可进行发布。

virtools提供了两种的基本发布方式：可执行播放方式、网页播放方式。

本实验所采用的为网页播放方式，通过执行file/create web page在弹出的对话面板中选择要存储的路径，设置window size的数值就可以实现。

但需要注意的是在存放网页形式的执行文件的路径及文件名称中不能出现中文，否则会无法正常播放。

5 结束语虚拟实验在教学中的应用已经取得了长足的进步，但在由于医学学科的特殊性和复杂性以及虚拟实验开发技术的庞杂性，使得医学虚拟实验的发展受到了一定的局限。

骨构造虚拟实验的设计与开发使得学习者的学习更加直观、深入，同时也为maya与virtools 技术在医学虚拟实验领域的应用提供参考。

坚信更多的探索与实践一定会使得虚拟实验在医学领域的应用前景更加广阔。

参考文献：[1]左焕琛译.steve parker.人体[m].上海：上海科学技术出版社，2008.10.[2]王洪旭，杨雪.virtools在开发网络三维虚拟实验中的应用[j].实验室研究与探索，2009，2：75-78.[3]李爽，杨雪.关于虚拟实验三维模型真实度的思考[j].实验技术与管理，2007，4：93-96.[4]余鹏，王继军.基于3d和virtools技术的农业系统仿真系统[j].计算机与信息技术，2008（z1）：15-18.[作者简介]李兆锋（1978-），男，河南南阳人，河南科技学院，讲师，硕士，研究方向：计算机教育应用。