三維建模技術(shù)在家畜器官建模中的應(yīng)用

李方正　劉春英

【摘 要】家畜解剖學(xué)是一門(mén)形態(tài)學(xué)課程，實(shí)踐性強(qiáng)是本課的特點(diǎn)，理論授課與實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐相結(jié)合才能達(dá)到較好的教學(xué)效果。在教學(xué)中為了補(bǔ)充家畜標(biāo)本的不足，我們采用三維建模技術(shù)建立家畜的三維模型，通過(guò)三維模型展示家畜器官的結(jié)構(gòu)，不僅能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，還能加深其對(duì)器官結(jié)構(gòu)的理解程度，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣。本文分析了家畜器官建模的方式及其優(yōu)缺點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】三維建模；家畜解剖學(xué)；器官結(jié)構(gòu)

0 引言

家畜解剖學(xué)是一門(mén)形態(tài)學(xué)課程，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，理論授課與實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐相結(jié)合才能達(dá)到較好的教學(xué)效果。解剖標(biāo)本是解剖實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)中必不可少的實(shí)驗(yàn)材料。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不可避免的存在標(biāo)本的損耗，以及某些標(biāo)本不容易得到，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立解剖標(biāo)本的三維模型可以彌補(bǔ)以上不足。隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的發(fā)展，基于真實(shí)人體數(shù)據(jù)的“虛擬中國(guó)人”數(shù)據(jù)集早在2003年就已經(jīng)建立完成，根據(jù)這些數(shù)據(jù)集對(duì)人的各種器官進(jìn)行了三維重建，這些來(lái)源于真實(shí)人體數(shù)據(jù)三維模型在人體解剖學(xué)教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。但目前還沒(méi)有家畜的虛擬解剖數(shù)據(jù)集，家畜的三維數(shù)據(jù)還非常少。為了增加家畜解剖學(xué)的虛擬模型資源和彌補(bǔ)教學(xué)標(biāo)本的不足，我們采用三維建模技術(shù)創(chuàng)建了多種家畜的三維模型，這些模型結(jié)構(gòu)清晰、真實(shí)度高，能夠方便學(xué)生學(xué)習(xí)和記憶。本文對(duì)目前常用的三維建模技術(shù)進(jìn)行探討。

1 常用三維建模方式

計(jì)算機(jī)三維模型是通過(guò)點(diǎn)和邊來(lái)描述物體的幾何形狀，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、信息量較少，不僅能夠描述物體的幾何信息，能夠?qū)崿F(xiàn)外形、剖面、實(shí)體著色、光照及紋理等各種處理和操作[3]。

1.1 三維建模軟件建模

常用的三維建模軟件有3ds Max、Maya、Silo、PRO-E、Rhino 3D、Solidworks等。其中PRO-E、Rhino 3D、Solidworks常用于建筑和工程模型制作，其它幾種多用于人物、生物體、日常用品等物體建模。3ds Max軟件簡(jiǎn)潔高效，容易上手，適合場(chǎng)景建模和室內(nèi)設(shè)計(jì)方面。Maya是世界頂級(jí)的三維動(dòng)畫(huà)軟件，應(yīng)用于影視廣告、人物角色動(dòng)畫(huà)和電影特技等。Maya的功能完善，工作靈活，制作效率高，渲染真實(shí)感極強(qiáng)，但是初學(xué)者難以上手。Silo是一款專注于建模的三維軟件，既適合生物建模也適合規(guī)則物體建模。Silo是非常方便的角色多邊形建模工具，可以制作精細(xì)的多邊形物體，能全快捷鍵操作，效率較高。

三維模型生成方法一般先建立幾何圖形，對(duì)幾何圖形的點(diǎn)、多邊形、面等進(jìn)行調(diào)整，使其變成需要的形狀。這種方法對(duì)于形狀規(guī)則物體較為方便，但是動(dòng)物器官的形狀不規(guī)則（見(jiàn)圖1、圖2），采用幾何圖形直接建模則比較困難，要求操作人員能夠熟練使用三維建模軟件和具有較好的立體結(jié)構(gòu)的空間造型能力，此方法操作復(fù)雜，周期較長(zhǎng)，而且建立的三維模型真實(shí)感不強(qiáng)。

1.2 基于圖像的三維建模

基于圖像的建模是通過(guò)照片生成物體精確的三維幾何模型。此方法先用數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備采集物體不同角度的照片，然后采用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行圖形圖像處理以及三維計(jì)算，生成被拍攝物體的三維模型。此方法是獲得具有照片真實(shí)感三維模型的一種最簡(jiǎn)單的方式。采用此技術(shù)建模變得更方便、快捷，能夠獲得高度的真實(shí)感。由于圖像本身包含著豐富的場(chǎng)景信息，所以非常容易從圖像獲得照片般逼真的場(chǎng)景模型。常用的基于圖像的三維模型軟件有Autodesk 123D、3D Cloud、PhotoScan等多種。我們采用PhotoScan軟件建立了牛頭骨、椎骨的三維模型（見(jiàn)圖3、圖4），由圖3、圖4可以看出PhotoScan生成的模型真實(shí)度非常高。將這些模型用于教學(xué)能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性。

1.3 應(yīng)用三維激光掃描儀建模

三維激光掃描儀利用激光測(cè)距的原理，通過(guò)掃描被測(cè)物體的表面，將被測(cè)物體轉(zhuǎn)變成大量的密集點(diǎn)和紋理等信息，可快速?gòu)?fù)建出被測(cè)物體的三維模型。該技術(shù)被用在建筑、土木工程、文物保護(hù)、室內(nèi)設(shè)計(jì)、建筑監(jiān)測(cè)、數(shù)字城市、工業(yè)設(shè)計(jì)、軍事等領(lǐng)域。三維掃描儀的掃描精度可達(dá)到0.1mm以內(nèi)，能夠全自動(dòng)掃描和還原物體的真實(shí)物理特征，非常適合用于動(dòng)物的骨骼建模，但是三維掃描儀一般售價(jià)比較昂貴，而且其生成模型網(wǎng)格精度非常高，需要采用專用的高性能計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，投資比較大，難以推廣應(yīng)用。

2 基于圖像建模在家畜解剖學(xué)的應(yīng)用前景

三維模型用于家畜解剖學(xué)教學(xué)具有極大的優(yōu)勢(shì)。學(xué)生可以直觀的觀察家畜 的器官結(jié)構(gòu)、相互位置關(guān)系等，很好的彌補(bǔ)了課堂理論講授中的不足，在實(shí)際教學(xué)中難以用語(yǔ)言描述的結(jié)構(gòu)，可以借助三維模型，從不同的角度進(jìn)行展示，能幫助學(xué)生在頭腦中形成完整的家畜結(jié)構(gòu)[4]，而這正是以往教學(xué)中的難點(diǎn)，而且通過(guò)三維模型進(jìn)行學(xué)習(xí)不受時(shí)間和空間的限制，方便學(xué)生自學(xué)。

與利用建模軟件直接建模和三維掃描儀掃描得到立體模型的方法相比，基于圖像建模的方法成本低廉、真實(shí)感強(qiáng)、自動(dòng)化程度高，適合家畜的器官建模，尤其是骨骼的建模。各高校的家畜解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)室都有大量的骨骼和內(nèi)臟等器官的標(biāo)本，以這些標(biāo)本作為材料，通過(guò)數(shù)碼照片拍攝多角度的標(biāo)本照片，然后采用軟件進(jìn)行三維模型制作，可以得到真實(shí)度比較高的三維模型。此方法成本低，簡(jiǎn)單實(shí)用，具有廣泛的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

[1]文敏，周波，李宏偉，等.三維重建技術(shù)在局部解剖學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用[J].貴陽(yáng)醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（05）：542-543.

[2]季達(dá)峰.虛擬現(xiàn)實(shí)模型在人體解剖教學(xué)中的應(yīng)用：第四屆全國(guó)解剖學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議，中國(guó)吉林延邊，2013[C].

[3]田茵.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的三維產(chǎn)品展示[J].計(jì)算機(jī)教育，2009.06：119-123.

[4]李方正.3ds max在動(dòng)物解剖學(xué)中的應(yīng)用.農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息[J].2007，02：26-28.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]