CT设备结构拆装与故障维修示教系统的设计与应用
——基于Unity 3D &3Ds Max建模技术

顾 珑,芮延川

(南京医科大学附属常州第二人民医院医学装备科,江苏 常州 213161)

1 Unity 3D和3Ds Max建模技术概念

Unity 3D具有虚拟三维物体、虚拟场景等功能,可快速导入3D建模软件构建的模型,具有强大的交互性,可以让用户在短时间内感知到现实环境中的事物。Unity 3D技术可应用于PC(personal computer)端和移动平台中,Unity功能强大,具有易学的编辑界面,包含场景视图、游戏视图、层次面板、工程面板和检视面板5组视图。

3Ds Max建模技术可以渲染相似的真实物体和场景画面。渲染出的场景画面由顶视图、左视图、右视图、透视图组成,可以通过材质设置、灯光设置和特效处理,在建模时完成可视化处理。自带有标准基本体、NURBS曲面、粒子系统等建模工具,具有强大的动画演示功能,可以灵活操作,能够在软件中建立虚拟实验室以及实验器材等。

本文对基于Unity 3D和3Ds Max技术的电子计算机断层扫描(computed tomography,CT)设备模型构建步骤进行分析,在此基础上从软硬件方面完成CT设备结构拆装和故障示教系统设计。

2 Unity 3D和3Ds Max建模技术基本思路

2.1 构建基本几何模型

场景设计的基础是模型设计,3Ds Max技术可以在FBX格式下[1],将设计的模型直接导入Unity 3D中,使得模型与3Ds Max能够快速交互。在几何模型导出前,对单位进行自定义设置,将英制单位改为公制单位。在Unity 3D中设置碰撞体,在模型导出前选中对象,通过“仅影响轴”和“对齐-居中到对象”两个操作,自动对齐轴心,并对导入的模型进行碰撞检查,减少物体旋转的后续影响。对贴图进行渲染,渲染工作直接在Unity 3D中完成,无需额外对贴图进行协调,从根本上杜绝贴图丢失现象。3Ds Max模型导出时,将转换轴选定为Y轴向上选项,保证3Ds Max和Unity 3D的坐标一致。

2.2 修改模型细节

本文主要目的是对CT设备结构的拆装和维修进行演示教学,因此模型需要包含CT机的主要部件和工作示意流程[2]。通过部件的组装对细节部分进行修改,表1为CT设备的球管细节示例。

由表1可知,模型需要经过部件处理形成后续虚拟物件。模型部件细节和尺寸的比例要求可由数据库和时间推演得到,在模型初次构建完毕后,应从数据库中寻找已有模型资源,查询当前时间节点下的所有数据,参照已经投入应用的模型进行修改,并根据用户主要诉求,适当调整模型的细节和具体参数,实现模型重塑。

2.3 选择并创建场景光源

光源在Unity 3D场景中是不可或缺的,一旦缺少光源,设计出来的场景将会一片漆黑,在用户视角中不能看到任何东西。良好的光源可以提升画质,Unity 3D中有3种比较常见的光源:1)平行光,模拟自然界的阳光,达到平行光效果;2)点光源,模拟日常生活中的灯源;3)聚光灯,模拟手电筒和探照灯等工具灯源。

在光源属性面板中,可以通过光源类型、颜色及阴影类型模块完成对光源的创建[3]。但在 Unity 3D中,光源会消耗极大的资源储备,尤其是使用复合光源构造模型,在整个渲染过程中会消耗大量资源,这会对场景运行的流畅性产生影响。考虑到这一情况,本文只采用平行光来模拟。完成对光源的创建之后,可以利用Transform插件更改光源的朝向。

2.4 设定模型参数并渲染出图

Unity 3D模型渲染包括两方面内容:1)材质选择,由于CT设备结构为医用级别,在选择渲染材料时需要具备反光特性;2)贴图设置,要对纹理文件的输入和输出进行控制,保证其拉伸与收缩的合理性,在选好贴图材料和颜色后,直接利用Unity 3D中的着色器添加贴图效果。

Unity 3D中包括一个标准着色器和一个高级着色器,它们共同组成一个物理着色的光照模型,可实现事物着色的统一渲染。标准着色器通常用于设置物体表面的颜色和贴图,并处理光照强度以及贴图在物体上的位置。高级着色器可以对贴片的纹理进行调整,设定贴图的复杂程度和可容许偏移量。

在基本几何模型构建、模型细节修改、场景光源创建的基础上,进一步对具体的模型参数进行设定,此时便能达到渲染出图的目的,3D建模需求得以满足。

3 CT设备结构拆装与故障维修示教系统

3.1 基于Unity 3D &3Ds Max构建示教系统框架

CT设备结构拆装与故障维修示教系统包括硬件和软件两个部分,硬件部分主要设置故障信号、监测前置模块,当发生故障时发出信号,并对故障进行定位,为后续拆装和维修提供依据[4]。根据一般的CT检测设备要求以及示教需求,采用LabVIEW语言,构建Unity 3D &3Ds Max示教系统框架,如图1所示。

图1 示教系统总体框图

根据应用要求,示教系统采用模块化的设计理念,将整个系统划分为检测模块、数据管理模块以及示教显示和训练模块,并以数据库为中心模块,建立各个模块之间的联系[5]。

当CT设备运行信号触发检测板卡时,驱动程序能够调取数据库中的数据进行分析,判断其是否出现故障,以此建立多种故障问题演示模板,如图2所示。

图2 CT设备驱动装置结构图

系统采用NI公司生产的PCI-65425E作为监测设备,直接与该公司的虚拟编程软件配套使用,减少不同设备之间的接入矛盾[6]。当CT设备出现故障时,系统会触发DAQ板卡,并利用PC机控制DAQ板卡采集CT设备故障信号,利用Unity 3D和3Ds Max软件构建模型,直接通过访问程序并经由驱动装置达到控制CT设备的目的,提高系统的运行效率和稳定性。

3.2 齐次坐标下变换CT设备结构三维图形

Unity 3D和3Ds Max建模技术最主要的环节之一即几何模型构建,通过构建的模型将现实中的事物转化为虚拟实例[7]。

利用齐次坐标变换对图形进行三维变换,假设物体中含有一点Q(X,Y,Z),将其平移至点Q″(X″,Y″,Z″),则有:

(1)

式中:WX、WY、WZ为平移量。构建平移变换矩阵W:

(2)

各点的平移坐标变换为:

[X″Y″Z″ 1]=W[XYZ1]

(3)

通过齐次坐标获取图像的三维变化比例,设置等比例参数A、B、C,将Q(X,Y,Z)作为CT设备需要拆卸的部件中心,分别按照A、B、C等比例变化[8],则有:

[X″Y″Z″ 1]=[XYZ1]·

(4)

对应到CT设备,设备部件模型在导入Unity 3D时会产生轴旋转现象,需要针对不同的坐标系进行变换矩阵求解。由此,以X、Y、Z轴为轴线,对Q(X,Y,Z)进行转换的变换矩阵为:

(5)

(6)

(7)

式中:δ为旋转角度。示教系统不仅要保证画面清晰度,更要保证画面连贯性,通过碰撞理论检查示教交互图面。

3.3 基于碰撞理论的示教交互画面检测

CT设备应用场景具有较高的严谨性,为了保证本文示教系统在对设备拆装和维修时示教画面的连贯性[9],对CT设备结构拆装与故障维修示教交互画面碰撞进行检测。

针对CT设备的应用需求,依据时间顺序按照连续、离散和静态3种类型进行检测,如图3所示。

图3 碰撞检测分类

静态检测是在CT设备静止条件下进行的,即系统示教准备阶段,验证CT设备中的组件是否放置在正确的位置。离散和连续碰撞检测基本应用于示教过程中,验证部件是否在拆分中出现碰撞现象[10]。如果在多次检测和碰撞实验后,整个示教过程均没有发生部件重叠的问题,即可保证设计的三维模型能够完成示教工作,至此完成示教系统设计。

4 测试结果分析

为验证本文设计的示教系统具有应用效果,分3个阶段进行论证。以某技术股份公司生产的CT设备为建模原型,其内部构造为X线摄影系统、高压发生器、探测器等,外部构造为外壳、扫描床、信号源。采用本文示教系统,以贴图和渲染为主,分别模拟设备模型和放置场景,展示CT设备的工作原理以及设备的拆装过程。

4.1 场景及部件展示

CT设备包括滑环、螺旋CT、双源CT、能谱CT等,对操作技术要求较高,医护人员或实习生很难在短时间内熟练其操作步骤。另外,CT设备在实际操作中会产生高压,用户只能观摩各部件的装配和工作,这种观摩学习的方式很难达到较好的学习效果。

为保证用户的学习效果,通过本文系统进行模型构建,展示CT机模型和应用场景,模型展示如图4所示。

图4 模型展示

根据图4,利用本文系统对所选CT设备进行建模。建模过程中,从外壳和机床两个方面分别完成了整体CT机的建模处理,并实现了应用场景的设计,可以实现示教工作。

4.2 拆装与维修示教展示

在构建的虚拟模型中进一步测试系统示教效果,由于CT设备故障一般为内部部件的损坏,因此在设备维修时需要对其外壳进行拆解,外壳拆解展示如图5所示。

图5 外壳拆解展示

根据图5,系统完成了CT机的外壳拆解,观察CT机内部的配件并进行维修,维修完毕后对CT机的各个组件进行装配。图6所示为示教系统自动生成的探测器部件示例。

图6 系统自动生成探测器部件

由图6可知,示教系统能够自动生成CT设备部件,并给出部件名称和提示装配的正确方位,进一步完成CT设备的示教工作。

4.3 响应速度对比

通过构建展示和拆解展示,证明本文系统可以完成示教工作。为进一步验证系统的实用性,引入录播示教系统和CMM示教系统作为本文系统的对照组,选择某省高校医学专业学生进行测试。

在MATLAB上初始化3种系统的运行环境,分别测试500、1 000、1 500、2 000名医学生同时访问3种系统,进入CT设备结构拆装与故障维修示教系统主界面,并点击“开始上课”,以此比较分析3种系统的响应速度。响应速度对比结果如图7所示。

图7 响应速度对比结果

由图7可知,随着学生数量的增加,各系统响应时间增加,当学生数量为2 000名时,本文系统响应时间仍可在0.2 s内,说明本文系统可以快速启动,应用效果均较录播示教系统和CMM示教系统更好。

4.3 CT机外壳生成面片数对比

分别利用3种系统对CT机外壳进行建模,以面片数为指标,分析3种系统的建模性能。面片数越多,系统越容易发生卡顿,测试结果如图8所示。

图8 CT机外壳生成面片数对比结果

由图8可知,在CT机外壳建模过程中,随着旋转角度增加各系统面片数增加。但从整体来看,本文系统的面片数少于两种对比系统,最高面片数为120个。由此可知,本文系统性能更优,建模过程中不易卡顿。

5 结束语

Unity 3D能够通过程序脚本对实例化的事物进行模型展示,实现虚拟部件的构建和应用。虚拟教学作为现代化教学资源,颠覆了传统教学方式,为学生和教师提供了更为广阔的学习空间,其摆脱了时间和环境的限制,能够提升学生的学习自主性。由于研究时间所限,本文系统在实验测试中还存在一定的不足,如模型展示有限、系统对比分析数量相对较少等,后续应通过对虚拟技术的进一步研究,弥补实验中的缺陷,为教学提供更精确的理论支持。