论文部分内容阅读
摘 要：随着虚拟现实技术的崛起，虚拟现实已经被越来越多的应用于各个领域，尤其在医学领域更是用之甚广，以针灸虚拟仿真为例，本教学实践辅助系统利用HTC VIVE头盔，通过Unity3D完成交互系统的设计制作，实现虚拟针灸识穴，辨穴等功能，使其更好的面向针灸推拿爱好者及在校医学生。
关键词：虚拟现实;Unity3D;3ds MAX;Rhino;HTC VIVE
中图分类号 TP391.9
虚拟现实是新一代的信息和通信技术，如近眼显示、感知交互、渲染处理、网络传输和内容制作等，以构建新的业务类型、跨越云端、满足用户现场体验需求，促进信息消费的扩大和升级以及传统产业的整合和创新。
针灸疗法大约起源于新石器时期，经历数千年来长期的医疗实践，历代医家不断的总结创新，形成了完整的一门学科——针灸学。[1]早期的针灸教学主要通过铜铸模型辅助教学，虽然模型立体感较强，但是不利于初学者对未知穴位的查找，于是发展成为主要依靠图片训练。现代新型科技发展背景下，针灸教学也实现了质的飞跃，运用虚拟仿真辅助训练解决了初学者的许多难点，显然虚拟仿真教学是一个不错的选择。[2]
1 虚拟针灸教学实践辅助系统设计
本项目采用Unity 3D为开发工具，并且基于HTC VIVE头盔，开发虚拟针灸教学实践辅助系统。
2 辅助系统实现
2.1 3D建模
系统开发过程中，采用3dsMAX进行模型建立，利用3ds MAX导入背景图片并将图片导出线稿图，创建人体三维线框，利用线框进行人物低模的创建。建模过程中针对人体的四肢五官进行精细化修改，采用相对高模，通过贴图使得模型更加逼真。利用Sphere模拟人体针灸穴位，导出.OBJ格式，再导入Rhino进行模型修改，使用Rhino中的Pipe命令建立人体经络模型并与Sphere模拟的穴位进行合并，连接，Text命令标注出最后导出.FBX格式，再导入Unity3D中进行组合。
2.2 实践系统
本系统采用多场景切换来实现交互，使用SteamVR与VRTK插件搭建MainScene，用全景图做三维空间背景，用Button搭建UI交互界面。导入Dotween即差值动画插件在代码中引用，新建空物体命名Iteam用来挂载代码，给Item新建子物体Quad增加Video Player组件用来动态加载视频文件，具体实现代码如图2：
为更加高效率完成项目，将重复使用的模型，采用Prefab，提升系統运行流畅度。[3]对于人体各系统模型与十二经络本项目将进行多场景搭建，每一条经络循行路线使用一个场景来进行展示。但是这样会严重占用内存，于是本系统采用异步加载的方法加载场景。实现代码如图3：
后期会将多场景整合到同一个场景，利用Raycast检测碰撞体，通过射线检测按住手柄圆盘并扣动扳机实现场景切换。
2.3 Shader
贴图和一些参数都是通过材质球载入的，材质球载入贴图后就会传给Shader处理。Shader是整个材质球的核心，它里面有必要的功能和算法，通过功能和算法对贴图及参数进行处理后就可以使贴图的各种信息显示出来，然后把材质球赋予模型物体得到目标效果。
由于系统自带着色器颜色过于单一，而我们又想渲染出更加逼真的模型，于是本项目使用Shader Forge插件如图4。首先将插件导入Unity3D，将材质球的Shader设置成插件对应效果，然后打开编辑模式对材质球和贴图进行组合并赋在模型上，将皮肤贴图的Metallic的参数调整为0。
Shader Forge即基于节点的着色器编辑器，它可让更轻松地创建自己的着色器，而不需要使用代码，着色器用于绘制游戏中的物理资源。它们用于确定当前渲染物体的表面颜色，通过使用纹理、光源、光色、网格数据等信息计算该处的颜色。[4]
将ShaderForge直接拖入到Unity的项目视图面板或者通过菜单导入，打开Shader Forge操作面板，添加节点。
2.4 粒子系统
粒子系统用来对穴位美化，烘培光晕特效即使得穴位更加可视化，更加美观，给体验者一定的视觉冲击，令其加强记忆。新建Particle System修改里面的各项参数并给经络模型加上Collider使粒子能够被束缚在Pipe中并沿经络的路径进行移动，用来模拟人体生物电的效果。
2.5 交互
本系统对于单个穴位创建Animation添加状态机，用Preview录制关键帧，为每一个穴位添加动画。模拟穴位的小球初始颜色设置为红色，当手柄射线点击到时穴位以动画的形式最终Sphere变成绿色，效果如图5：
将调用粒子系统优化穴位的代码挂载在GameObject上，动态优化各个穴位增加特效，使之更加可视化。
3 结语
本系统实现了用户自由点击每个穴位来模拟针刺，使得用户能更好的识辨穴位的具体位置以及经络走向，沉浸于该系统的虚拟环境中。[5]用户戴着HTC VIVE头盔使用手柄即可完成实践操作练习。
参考文献：
[1]袁芳，李彬，张帆，刘璐，郭静.科学记忆方法在针灸腧穴教学中的应用[J].继续医学教育，2019，33（02）：60-62.
[2]刘振波.基于虚拟现实技术的针灸医疗训练系统研究[D].浙江大学，2008.
[3]易巧玲，何家勇.基于Unity3D的虚拟校园漫游系统设计[J].计算机产品与流通，2019（01）：246+250.
[4]那远远的云端.博客：“ShaderForge插件介绍详解”.https：//blog.csdn.net/wwlcsdn000/article/details/78847745，2017.12.
[5]蔡晓雯，黄泳，曲姗姗，钟正.虚拟现实技术在中医针灸教学中的运用[J].河北中医，2017，39（11）：1758-1760.
作者简介：耿晓敏（1997-），女，汉族，山东滨州人，本科，主要研究方向为医学虚拟现实。
关键词：虚拟现实;Unity3D;3ds MAX;Rhino;HTC VIVE
中图分类号 TP391.9
虚拟现实是新一代的信息和通信技术，如近眼显示、感知交互、渲染处理、网络传输和内容制作等，以构建新的业务类型、跨越云端、满足用户现场体验需求，促进信息消费的扩大和升级以及传统产业的整合和创新。
针灸疗法大约起源于新石器时期，经历数千年来长期的医疗实践，历代医家不断的总结创新，形成了完整的一门学科——针灸学。[1]早期的针灸教学主要通过铜铸模型辅助教学，虽然模型立体感较强，但是不利于初学者对未知穴位的查找，于是发展成为主要依靠图片训练。现代新型科技发展背景下，针灸教学也实现了质的飞跃，运用虚拟仿真辅助训练解决了初学者的许多难点，显然虚拟仿真教学是一个不错的选择。[2]
1 虚拟针灸教学实践辅助系统设计
本项目采用Unity 3D为开发工具，并且基于HTC VIVE头盔，开发虚拟针灸教学实践辅助系统。
2 辅助系统实现
2.1 3D建模
系统开发过程中，采用3dsMAX进行模型建立，利用3ds MAX导入背景图片并将图片导出线稿图，创建人体三维线框，利用线框进行人物低模的创建。建模过程中针对人体的四肢五官进行精细化修改，采用相对高模，通过贴图使得模型更加逼真。利用Sphere模拟人体针灸穴位，导出.OBJ格式，再导入Rhino进行模型修改，使用Rhino中的Pipe命令建立人体经络模型并与Sphere模拟的穴位进行合并，连接，Text命令标注出最后导出.FBX格式，再导入Unity3D中进行组合。
2.2 实践系统
本系统采用多场景切换来实现交互，使用SteamVR与VRTK插件搭建MainScene，用全景图做三维空间背景，用Button搭建UI交互界面。导入Dotween即差值动画插件在代码中引用，新建空物体命名Iteam用来挂载代码，给Item新建子物体Quad增加Video Player组件用来动态加载视频文件，具体实现代码如图2：
为更加高效率完成项目，将重复使用的模型，采用Prefab，提升系統运行流畅度。[3]对于人体各系统模型与十二经络本项目将进行多场景搭建，每一条经络循行路线使用一个场景来进行展示。但是这样会严重占用内存，于是本系统采用异步加载的方法加载场景。实现代码如图3：
后期会将多场景整合到同一个场景，利用Raycast检测碰撞体，通过射线检测按住手柄圆盘并扣动扳机实现场景切换。
2.3 Shader
贴图和一些参数都是通过材质球载入的，材质球载入贴图后就会传给Shader处理。Shader是整个材质球的核心，它里面有必要的功能和算法，通过功能和算法对贴图及参数进行处理后就可以使贴图的各种信息显示出来，然后把材质球赋予模型物体得到目标效果。
由于系统自带着色器颜色过于单一，而我们又想渲染出更加逼真的模型，于是本项目使用Shader Forge插件如图4。首先将插件导入Unity3D，将材质球的Shader设置成插件对应效果，然后打开编辑模式对材质球和贴图进行组合并赋在模型上，将皮肤贴图的Metallic的参数调整为0。
Shader Forge即基于节点的着色器编辑器，它可让更轻松地创建自己的着色器，而不需要使用代码，着色器用于绘制游戏中的物理资源。它们用于确定当前渲染物体的表面颜色，通过使用纹理、光源、光色、网格数据等信息计算该处的颜色。[4]
将ShaderForge直接拖入到Unity的项目视图面板或者通过菜单导入，打开Shader Forge操作面板，添加节点。
2.4 粒子系统
粒子系统用来对穴位美化，烘培光晕特效即使得穴位更加可视化，更加美观，给体验者一定的视觉冲击，令其加强记忆。新建Particle System修改里面的各项参数并给经络模型加上Collider使粒子能够被束缚在Pipe中并沿经络的路径进行移动，用来模拟人体生物电的效果。
2.5 交互
本系统对于单个穴位创建Animation添加状态机，用Preview录制关键帧，为每一个穴位添加动画。模拟穴位的小球初始颜色设置为红色，当手柄射线点击到时穴位以动画的形式最终Sphere变成绿色，效果如图5：
将调用粒子系统优化穴位的代码挂载在GameObject上，动态优化各个穴位增加特效，使之更加可视化。
3 结语
本系统实现了用户自由点击每个穴位来模拟针刺，使得用户能更好的识辨穴位的具体位置以及经络走向，沉浸于该系统的虚拟环境中。[5]用户戴着HTC VIVE头盔使用手柄即可完成实践操作练习。
参考文献：
[1]袁芳，李彬，张帆，刘璐，郭静.科学记忆方法在针灸腧穴教学中的应用[J].继续医学教育，2019，33（02）：60-62.
[2]刘振波.基于虚拟现实技术的针灸医疗训练系统研究[D].浙江大学，2008.
[3]易巧玲，何家勇.基于Unity3D的虚拟校园漫游系统设计[J].计算机产品与流通，2019（01）：246+250.
[4]那远远的云端.博客：“ShaderForge插件介绍详解”.https：//blog.csdn.net/wwlcsdn000/article/details/78847745，2017.12.
[5]蔡晓雯，黄泳，曲姗姗，钟正.虚拟现实技术在中医针灸教学中的运用[J].河北中医，2017，39（11）：1758-1760.
作者简介：耿晓敏（1997-），女，汉族，山东滨州人，本科，主要研究方向为医学虚拟现实。