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医学毕业论文3

来源:互联网 作者:118期刊网 本文地址:http://www.118qikan.com/bylw/5911.html 发布时间:2018-09-23 14:51:00

第 1 章 绪论

 

1.1 研究背景及问题的提出

医学是一门十分严谨的学科,关系人类健康和生存发展,这门学科实践性比较强,通过实验可以增强医学生对相关知识的感性认识,达到理论联系实际的目的,巩固所学的理论知识,使学生掌握基本操作技能,培养医学生理解知识和运用知识的能力[1]。然而近年来医学生源在不断增加,传统教学由于缺乏实验素材很难满足让每个学生都能亲自动手实验。虚拟实验以其较强的真实感、立体感、多媒体性和多通道性,操作者可以获得身临其境的真实立体感觉,并可以使用自然技能,对虚拟世界进行交互考察,使人完全沉浸到计算机创造的图形世界里,犹如感受真实世界[2],从而成为传统教学的有力补充手段。然而三维模型的构建一向是开发虚拟实验的基础和前提,是制约虚拟实验开发的瓶颈,动画和交互都是以具体的“虚拟实体”为对象进行添加。人体三维模型的真实感和逼真度影响着医学虚拟实验开发的效果和质量,最终影响学习者的学习效能和效果。而三维人体模型的构建较之一般的机械和建筑模型来说构建起来难度较大,人体是形态结构非常复杂的整体,不仅有通过肉眼就可以观察到宏观状态的组织,还有需要在显微镜下放大很多倍才能看到的微观组织,这些微观组织结构复杂细小、空间位置十分毗邻[3]。如果仅仅采用一种技术对这些细小、错综复杂的组织结构进行构建,实现起来难度大、耗费时间长、效率低。每种技术都有优缺点,而根据适用技术理论的指导思想同时综合考虑教学目标、运行环境限制、经济性和科学性等多种因素采用跨技术的方法将多种技术“因地制宜”地结合,让每种技术都发挥各自优势,各种技术间相互配合相互协调,便于缩短开发周期,降低开发成本,提高开发的效率、效果,从而获取最佳的综合效益,并且这些技术之间留有接口,减少各种技术之间的兼容性障碍,更易实现跨平台运行,从而助推虚拟实验在医学教学中的应用和推广,使医学虚拟实验能够成为传统医学教学和实验的有力的辅助教学手段。

 

1.2 国内外研究现状

通过阅读文献和查阅相关书籍发现目前国内外医学三维模型实现的三种思路:第一种基于图形的建模技术即基于几何模型的建模技术,是一种以计算机图形学为基础的传统构建三维虚拟模型的方法[1],利用三维建模软件 Maya、ZBrush 、3ds Max、Mudbox、LightWave 3D、Rhino 和 AutoCAD 等构建模型;第二种采用 OpenGL和 Java3D 等计算机编程语言实现建模,这种方法对制作人员的编程能力要求较高,并且这种建模方式具有难学习掌握、不易控制的缺点;第三种基于图像的三维建模技术,这种技术不依赖三维几何建模的技术,而是利用照相机采集的离散图像或摄像机采集的连续视频作为基础数据,经过图像处理生成真实的全景图像,然后通过合适的空间模型把全景图像组织为虚拟实景空间,实现全方位观察三维立体的效果,采用这种建模技术可以实现普通计算机上的真实感图形绘制,这种技术主要用于建筑漫游等领域[1],在医学领域中通过二维 CT 片预处理、阈值分割、三维重建形成三维模型[2]。在这三种实现思路中第一种建模方式更直观,便于操作。

 

1.3 研究意义

本研究主要针对目前由于传统的医学实验无法满足每位医学学生都能直观、真切观察和亲自动手实验的问题,寻求一个合理的并且科学的解决方法——开发医学虚拟实验。三维人体模型的构建是医学虚拟实验开发的基础和前奏,影响着整个开发过程的效率、效果和质量,提高三维模型的开发效率,将会大大加快整个虚拟实验开发的进度,促进虚拟实验在医学教学中的应用和推广。在适用技术理论的指导下,综合考虑虚拟实验开发的实际性、经济性、可行性、技术性、科学性和教学适用性等方面的因素,采用跨技术的方法实现既直观、简单易行且经济高效又不影响效果,非常方便医学的教学人员掌握,教学人员不需要对每种技术都熟练掌握,而只需掌握常用的基本命令即可,医学教学人员是对医学学科最了解的人员,这样就大大促进医学虚拟实验在医学教学中的应用和推广。影响模型构建的四个关键因素:素材、模型、UV 和材质,在模型制作的过程中使用 Photoshop 强大的图片处理功能处理图片素材和制作贴图;利用 3ds Max强大的多边形建模功能构建模型,使用比较适合复杂生物模型构建软件 ZBrush 辅助建模。对于复杂的模型还要有合理的纹理贴图坐标,即对模型展开 UV 处理,虽然 3ds Max 也有展开模型 UV 的功能,但是利用 3ds Max 展开 UV 比较困难并且需要多次反复测试,而利用 UVLayout 可以快速高效,更科学地为模型设置合理的贴图方式,避免贴图在模型上面出现拉伸的现象,从而使模型和贴图更加吻合。总之,采用低成本、高效能、最适用的技术制作出科学、逼真的三维人体模型,从而为开发医学虚拟实验奠定良好的基础。

 

第 2 章 理论基础及开发原则

 

2.1 戴尔经验之塔理论

美国著名的视听教育家戴尔(E. Dale)于 1946 年在其著作《教学中的视听方法》一书中提出“经验之塔”理论,该理论将教学活动中的经验分为三大类(抽象的经验、观察的经验和做的经验)、十个层次(如图 2.1 所示)[1]。“做”的经验即有目的的直接经验、设计的经验以及参与活动的经验;“观察”的经验即观摩示范、见习旅行、参观展览、电视和电影以及广播、录音、照片和幻灯片;“抽象”的经验即视觉符号、言语符号[1]。该理论认为:“塔”最底层的经验最具体,越往上越抽象;有效的教学活动应从具体经验入手,但不能停留于具体经验,应逐步进入抽象经验;教学中媒体的运用对具体活动和抽象概括具有促进作用;视听媒体能够提供替代经验,突破时空限制,从而弥补直接经验的不足[1]。对医学学科来说,观察的经验是其中必不可少且至关重要的一环,由戴尔经验之塔理论可知,有效的学习应由具体经验逐步过渡为抽象经验,运用计算机软件呈现的真实立体的虚拟医学系统,能够利用跨技术方法进行人体模型的构建,实现高仿真效果,弥补由于缺乏实验素材导致的底层中动手经验和观察经验的不足,有利于学习者对信息的获取和保持。根据戴尔经验之塔理论,教学媒体在学习者获取具体经验和抽象概念的过程中具有重要作用,加涅在分析学习条件时提出不同学习结果对教学方式的具体要求,并将学习结果分为五类,即言语信息、智慧技能、认知策略、动作技能和态度[1]。

 

第 3 章 虚拟实验开发技术分析....11

3.1 虚拟实验的跨技术实现流程.... 11

3.2 素材文件的处理及保存 ...... 12

3.3 模型构建的技术选择分析........ 13

3.4 模型文件的导入导出与 3ds Max 构建模型... 15

第 4 章 虚拟人体神经系统模型的跨技术实现......21

4.1 神经分支模型的构建 ..... 21

4.2 神经髓梢模型的构建 ..... 26

4.3 神经内部结构模型的构建 ....... 29

4.4 颅脑部模型的构建 .... 31

4.4.1 利用 3ds Max 构建颅脑部模型 ..... 31

4.4.2 颅脑模型 UV 展开....... 32

4.4.3 材质和贴图的处理..... 35

第 5 章 总结和展望....36

 

结论

 

医学虚拟实验弥补了传统医学教学由于缺乏实验素材而导致的不能满足每位学生都能亲自动手实验的不足,成为传统医学教学的有力补充手段。对人体组织进行精确模拟是开发医学虚拟实验的开端,即模型的构建,然而人体是形态结构非常复杂的整体,不仅有通过肉眼就可以观察到宏观状态的组织,还有需要在显微镜下放大很多倍才能看到的微观组织,这些微观组织结构复杂细小、位置十分毗邻。因此亟需一种快速高效、简单易行、直观且科学的建模方法。根据适用技术为指导思想,使用跨技术的方法将 Photoshop、3ds Max、ZBrush 和 UVLayout等软件结合,将这些技术的优势功能综合,提高医学模型建构的效率、效果和质量。跨技术不是一味追求最新、最尖端、最前沿的技术,而是根据目前跨学科、跨行业和跨领域集中优势的思想综合多种技术的优势,让每种技术在实现功能相互补充在内容上相互衔接,同时各种技术之间留有接口,减少兼容性障碍,并根据适用技术的指导思想让每种技术功能的发挥都恰到好处,并且这种方法不需要制作人员对每一种技术都熟练掌握甚至精通,制作人员只需掌握需要用到的简单、基本的命令即可完成,并且易学易用易掌握,为医学教学人员构建人体复杂的组织模型提供一种新的思路,从而大大助推医学虚拟实验在医学教学领域的应用和推广。只有医学教学人员最了解医学教学特点,由他们制作的模型才更具有教学性,弥补计算机专业人员为了呈现而制作缺乏教学性的缺憾。对于组织结构比较简单且比较规则的模型可以使用 3ds Max 即可完成,而这时使用跨技术的方法会因为不必要的导入导出等操作浪费时间;对于组织结构复杂的模型,如果仅采用3ds Max 可能需要在建模的某个阶段需要反复调节,而借助其他技术可以非常轻松容易实现并且还能更好保证科学性和效果,这时可以使用跨技术方法。

 

参考文献

[1]何克抗,李文光.教育技术学论文范文[M].北京:北京师范大学出版,2005.

[2]汪崇渝,梁兴连.现代教育技术理论与应用[M].北京:北京师范大学出版,2011.

[3]李元龙.ZBRUSH 3.1 印象:高精角色建模专业技法[M].北京:人民邮电出版,2008,9.

[4]帕克.人体:人体结构、功能与疾病图解[M].左焕琛,译.上海:上海科学技术出版社,2008.

[5]秦卫明,杨霆.3ds Max+ZBrush 次时代游戏场景全案解密[M].北京:清华大学出版社,2009.

[6]黄海燕.模神:3ds Max 2009 http://www.51lunwen.org/yxlwfw/2013/1102/lw201311021457267860.html人体模型制作[M]北京:电子工业出版社,2009.

[7]蓝冰工作室.ZBrush 4.0 高手成长之路[M].北京:清华大学出版社,2011.

[8]史策.ZBrush 高精模型与静帧艺术渲染精粹[M].北京:清华大学出版社,2011.

[9]南国农,李运林.教育传播学[M].北京:高等教育出版社,2006,6.

[10]黄海林.虚拟实验三维建模研究[D].吉林大学硕士论文,2007,4.


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