犬头骨模型的三维数字化建立

刘桐希，王宏坤，邓 彪，宋德光，李 颖，宋斯伟

吉林大学动物医学学院，吉林长春 130062

有赖于成像技术与打印技术的进步，3D技术取得了长足的发展并已成为现今的热门技术，在广告制作、影视宣教、交通规划、医疗卫生、教育教学、游戏生产、建筑规划、工业设计、军事军工等领域。3D（立体）技术特指基于电脑/互联网的数字化3D/三维/立体技术，即三维数字化。

犬解剖学是研究犬体各器官的正常形态构造、位置关系及其发生发展规律的科学，属于家畜解剖学的范畴，是研究犬生理、繁殖、饲养、外科、诊断、治疗和其他临床科学的基础。传统的解剖教学方式是借助文字讲解、图片展示、标本观摩和尸体解剖等方式进行教学。对于利用这种传统的教学方式进行实验教学，对于帮助学生理解动物解剖结构的三维形态方面有局限性。现代计算机技术的发展使利用虚拟的三维数字化展示动物的立体解剖结构成为现实，极大的提高学生对动物组织器官形态和结构的理解与认知。利用新兴的三维数字化技术进行解剖教学可以避免传统教学方式中尸体腐败、防腐药品使用等因素对人体健康的损坏，增加使用的便利性，提高教学效率。我们想要通过3D建模技术，使得书本上的平面图（以头骨为例）能够以立体的形式展现出来，并且可以将其组成部分自由拆解与还原，以满足授课时先整体后局部的教学需求。最终可以通过3D打印技术获得模型，增加实践教学中的可操作性。同时随着线上教育需求的日益增加，教学中对于标本数字化及立体全方位展示的需求大幅提高，这与提高教学效率、促进教育公平、最大限度使用现有存量教学资源的需求相一致。

3ds Max的建模对象主要有多边形(Polygon)建模、非均匀有理B样条曲线(NURBS)建模、细分曲面(Subdivision Surfase)建模。

1 模型制作

犬头骨模型图片的制作是将模型三维数字化的第一个步骤也是最重要的步骤。制作过程用到Adobe Photoshop、Mari、3ds Max等软件。主要步骤包括首先对实物模型全面、立体的精确摄影，并利用Adobe Photoshop对图片进行处理，去除无关画面。其后使用3ds Max软件依据实物标本比例精确构建头骨整体及各部分的模型。之后，利用Mari软件将拍摄的图片填充于构建的模型之上。

1.1 选取参考标本

选取吉林大学动物医学学院标本馆内的犬头骨模型，使用单反相机对标本进行立体化、全方位的拍摄。确保将标本真实还原。

1.2 制作参考图

拍摄标本后使用Adobe Photoshop软件对拍摄所得图片进行处理，去除图片中与模型构建无关的画面。并确保修改后图片正侧面细节位于图片相同位置，利于位置匹配。

1.3 导入参考图

启动软件3ds Max，使用位图贴图功能（相应位置为：软件菜单-材质编辑器-位图贴图功能），将相应图片导入至场景内，调整相对位置，调整完成后，将图片进行冻结，获得所需的参考图。

1.4 建立模型

依据实物标本及参考图拍摄所得数据，规范设定3ds Max软件中的单位，使之符合实际情况。同时根据头骨各部分的结构特点，选取不同的初始构建模型。建模过程中尽量使用四边面，必要的时候也可以使用三角面。因头骨左右两侧基本完全对称，因此可在建立单边模型后图层整体通过旋转复制得到双边模型。

1.5 模型保存

制作完成后将模型保存为“.max”格式。

2 模型贴图

2.1 UVW展开

启动软件3ds Max，向已经完成制作的犬头骨模型中添加UVW展开修改器，选择“.obj”格式，将已经完成调整位置与大小的模型进行导出。

2.2 贴图绘制

启动软件Mari，导入贴图文件至已经展开UV的模型中，随后使用splinewarper工具绘制相应贴图，对头骨模型的大小方向及位置的进行调整，进行烘培合并操作后导出。

2.3 模型导出

启动软件3ds Max，打开材质球，选择“.fbx”格式将贴图赋予已进行UVW展开的模型进行导出。

3 模型交互

Unity 3D软件是由Unity Technologies公司开发的用于建筑可视化、实时三维动画等内容交互的多平台综合型开发工具，是目前较为常用的动画、游戏交互引擎。在本项目中，使用Unity 3D软件进行点击-拖拽交互功能的实现。使得项目使用者可使用鼠标等输入设备对制作完成的项目全方位、立体无死角的观看与学习。

3.1 新建工程

打开Unity 3D软件，新建一份新工程。

3.2 模型导入

3Ds Max软件是当前最为流行的一款3D建模软件，直观且操作易于上手。打开3ds Max软件，将已完成的“.max”文件中的物体在X、Y、Z轴的坐标归零，以确保物体位于坐标原点。使用3Ds Max软件的导出选项，将项目保存为“.fbx”通用格式文件。使用Unity 3D软件导入相应“.fbx”文件。

3.3 交互关系制作

将导入的模型置于软件项目位置中央，新建对象，将对象的位置移动至相应模型中央，随后使用Hierarchy对模型和对象的关系进行调整，将对象调整为先前模型的对象。同时于新建的“相机”初添加脚本以控制“相机”的旋转。新建脚本，编写相应控制脚本，赋予对象。同时将对象Cube指定至Pivot。

3.4 软件编译与测试

使用Unity 3D软件File菜单Build settings选项，将相应项目编译发布至PC平台。在发布后的文件中，找到相应发布时命名，且文件名后缀为“.exe”的文件，打开后测试效果。

4 讨论

本项目利用目前三维数字化主流软件，将犬头骨各部位立体、全面的展现于数字化平台，且可根据使用者需求便捷高效的拖动学习与观察。受2020年新冠疫情影响至今，新课的教授以线上教育形式开展，在以往的教学过程中，标本的线上教学仅能以图片或视频形式开展，无法满足教学质量要求，效果较为不理想。本项目的建立与完成，方便学生对犬的头骨进行整体与局部的观察学习，更好的掌握犬的头骨解剖结构，以“互联网+”的思维满足了线上标本教学过程中便捷、直观、准确的要求，也有力于日后教学与实践环节的结合，大大提高了教学的效率。同时此项目可用于整合重点高校内优势学科的现有存量教学资源，促进知识的传播，提升教育资源的可获取性，有力于维护教育公平、促进优势资源互补、提高知识流通效率及准确性。

近年来，政府对虚拟现实技术发展越来越重视，国家发布多个政策引导支持教育信息化建设。由于3D虚拟现实技术可以模仿创造出接近真实的感官环境，非常适合解剖学习的形象化思维模式，3D虚拟现实技术在教育领域，有着不可估量的影响。计算机技术的发展衍生出VR、AR、三维数字化、人机交互等多种技术手段，可以将解剖标本、尸体解剖等场景进行虚拟仿真化，将动物的组织器官虚拟现实化展现在学生面前，无需接触标本和尸体就可以体验沉浸式课堂体验，使得实验教学更加优质高效。

本项目方便快捷的同时，也存在一定的不足之处，集中体现在头骨在分散复位的过程中会因为位置变化出现不够流畅的问题，这是因为在建模过程中需要大量的顶点来支撑，若设备硬件条件不达标，运行偶有困难。虚拟仿真的数字化模型虽然逼真直观，但与真实的标本或实际尸体解剖操作仍有差别，新的教学模式不能完全替代传统的教学方式。所以，在实际的教学活动中虚拟模型要与传统现实标本等教学方式相结合，各取所长，提高解剖学教学活动的效率。

综上，下一步需要突破的重点在于如何让模型在标准配置而非高等配置的设备上流畅运行，这对于未来三维模型的建立是一个挑战。

参考文献：略