CT檢測(cè)室的3D模型設(shè)計(jì)

陳紅　謝勤嵐

摘 要 結(jié)合CT機(jī)和CT室的相關(guān)知識(shí)，介紹了一種對(duì)CT機(jī)和簡(jiǎn)易CT室的3DS MAX模型設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)步驟為：安裝軟件和插件、準(zhǔn)備建模的工作、制作3D數(shù)據(jù)模型、渲染并得到結(jié)果。論文簡(jiǎn)介了3DS MAX的基本內(nèi)容和工作步驟，3D建模技術(shù)的定義和原理。最終獲得的模型可用于醫(yī)學(xué)影像學(xué)和醫(yī)療器械專(zhuān)業(yè)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，或用于放射科或影像科的實(shí)習(xí)教學(xué)中，也可用于醫(yī)學(xué)工程師的業(yè)務(wù)培訓(xùn)中，提高實(shí)踐教學(xué)或?qū)I(yè)培訓(xùn)效果。

關(guān)鍵詞 三維建模建設(shè) 3DS MAX CT室 數(shù)據(jù)模型 VR渲染器

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.08.018

3DS MAX Model Design of Simply Constructed CT Room

CHEN Hong[1]， XIE Qinlan[2]

（[1] Experimental teaching center， South-Central University for Nationalities， Wuhan， Hubei 430074；

[2] School of Biomedical Engineering， South-Central University for Nationalities， Wuhan， Hubei 430074）

Abstract A method of designing model of CT and simple CT room with 3DS MAX is introduced. Combining with of CT and CT room. The design steps include installing the software and plug-ins， preparing the modeling work， making the 3D data model， rendering and getting results. In the paper some related knowledge such as the basic contents and designing steps of 3DS MAX， the definition and principle of 3D modeling technology， the feature and requirement of the CT and CT room are also introduced. The final results obtained from the design can be used for the virtual teaching of medical imaging and medical device professionals， practice teaching of interns in radiology or radiology departments， and business training of hospital equipment department and medical worker.

Keywords 3D modeling technique； 3DS MAX； CT room； data model； VR renderer

隨著科學(xué)技術(shù)與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的不斷發(fā)展，三維建模技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛和深入。在數(shù)字城市、工程設(shè)計(jì)、國(guó)防軍事、科技教育和文化娛樂(lè)等領(lǐng)域，3D（Three Dimensional三維）建模技術(shù)都起到了關(guān)鍵的作用。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，以智能手機(jī)和三維掃描儀為代表的場(chǎng)景采集設(shè)備性能的快速提升，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、色彩學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)和立體視覺(jué)等學(xué)科領(lǐng)域得到了蓬勃發(fā)展，這使得數(shù)據(jù)模型的獲取更加便捷，為計(jì)算機(jī)的快速構(gòu)建和工作站的實(shí)景渲染提供了強(qiáng)有力的支持，極大地推動(dòng)了三維模型設(shè)計(jì)軟件在相關(guān)領(lǐng)域的深入應(yīng)用。

在眾多建模軟件中，3DS MAX（3D Studio Max）是一個(gè)廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、游戲開(kāi)發(fā)、機(jī)械設(shè)計(jì)及影視特效領(lǐng)域的三維設(shè)計(jì)軟件。作為主流的設(shè)計(jì)軟件，它功能強(qiáng)大，能夠提供建模、渲染、動(dòng)畫(huà)一體的三維解決方案，有著卓越的表現(xiàn)力和強(qiáng)大的功能。

1 3D建模介紹

3D建模就是使用三維制作軟件，通過(guò)虛擬三維空間構(gòu)建出三維數(shù)據(jù)表達(dá)的模型。在現(xiàn)實(shí)世界里，真正的三維空間有真實(shí)的距離和方向，計(jì)算機(jī)軟件中的操作空間只是看起來(lái)像真實(shí)世界。因此計(jì)算機(jī)上顯示的3D圖形，只能讓人眼看上去像真的一樣，而人眼有一個(gè)特性，就是近大遠(yuǎn)小，因此才能形成立體感。計(jì)算機(jī)的屏幕是平面二維的，之所以能夠欣賞到真實(shí)的三維建模圖像，是因?yàn)橛?jì)算機(jī)屏幕上所顯示的色彩灰度的不同，而使人的眼睛產(chǎn)生視覺(jué)上的錯(cuò)覺(jué)，從而將二維的計(jì)算機(jī)畫(huà)面感知化為大腦可接受的三維圖像。

一直以來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)的形態(tài)都是2D模式，但是隨著3D建模技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，在未來(lái)時(shí)間里，會(huì)有越來(lái)越多的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用以3D影像的方式呈現(xiàn)給用戶(hù)，包括網(wǎng)絡(luò)游戲、虛擬社區(qū)、電子商務(wù)、網(wǎng)絡(luò)視訊、電子閱讀、遠(yuǎn)程教育等。甚至對(duì)于旅游業(yè)和娛樂(lè)業(yè)，3D互聯(lián)網(wǎng)及其附屬產(chǎn)業(yè)也能夠起到大大地推動(dòng)作用，一些世界名勝、雕塑、古董、明星將以3D的形式來(lái)讓用戶(hù)知曉和體驗(yàn)，這種體驗(yàn)的真實(shí)與震撼程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)2D。

雖然3D建模技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)的各個(gè)方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是實(shí)際生產(chǎn)中仍然出現(xiàn)了許多問(wèn)題亟待解決。在許多并非可視的建模過(guò)程中，如虛擬冶金、虛擬電磁環(huán)境等，工程師們無(wú)法獲得具體數(shù)據(jù)，又缺乏相應(yīng)數(shù)據(jù)包而出現(xiàn)工作困難。而在許多超大型建模工作中，如3D城市規(guī)劃、3D礦山模型等，建模時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和成本過(guò)高導(dǎo)致的各種問(wèn)題也讓使用者們?yōu)殡y不已。這些都是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。

2 3DS MAX軟件介紹

3DS MAX是Discreet公司所開(kāi)發(fā)的基于PC的三維動(dòng)畫(huà)渲染制作軟件，其前身是基于DOS系統(tǒng)的3D Studio系列軟件（現(xiàn)為Autodesk公司所有）。在Windows 系統(tǒng)出現(xiàn)以前，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（Computer Graphics，CG）技術(shù)被SGI圖形工作站壟斷。3DS MAX + Windows 的組合的出現(xiàn)，立刻就降低了CG和計(jì)算機(jī)建模的門(mén)檻。它首先被運(yùn)用在電腦游戲的動(dòng)畫(huà)制作中，不久之后開(kāi)始參與影視片的特效制作，例如星球大戰(zhàn)系列，最后的武士等等。

2.1 3DS MAX軟件的特點(diǎn)

3DS MAX的界面由幾部分組成：標(biāo)題欄、工具欄、菜單欄、命令面板、視圖控制區(qū)、繪圖區(qū)域、動(dòng)畫(huà)控制區(qū)。該軟件有幾個(gè)突出特點(diǎn)：基于Window系統(tǒng)的低配置要求；非常強(qiáng)大而細(xì)膩的角色動(dòng)畫(huà)制作能力；安裝插件可以提供3DS MAX所沒(méi)有的功能并增強(qiáng)原本的功能；可堆疊的建模步驟以使制作模型獲得非常大的彈性。另外該軟件還有幾個(gè)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：學(xué)習(xí)和上手容易；使用的工程師多，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)交流；性?xún)r(jià)比高；智能化；多元化。該軟件應(yīng)用范圍：廣告、影視、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、三維動(dòng)畫(huà)、多媒體制作、游戲、輔助教學(xué)和工程可視化等。

3DS MAX 軟件提供了基本造型和高級(jí)造型工具?；驹煨凸ぞ呖梢灾圃靾A柱、圓管、圓環(huán)、（非）切角立方體、（半）球體、椎體和多邊形。高級(jí)造型工具可以制作出波紋、波浪、山、水、顆粒以及非規(guī)則形體。三維形體的模型可以通過(guò)非常簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)和快捷鍵操作進(jìn)行縮放、搖擺、扭曲、彎曲、角度變形、雕刻和錐孔。3DS MAX及其渲染插件能提供豐富的材質(zhì)和質(zhì)感數(shù)據(jù)包，能夠?qū)φ麄€(gè)或部分實(shí)體模型進(jìn)行色裹、反射、顏色、明暗、凹凸和透明度等編輯操作，并通過(guò)設(shè)定合適的光源、相機(jī)、物體和路徑來(lái)制作簡(jiǎn)單動(dòng)畫(huà)。

2.2 3DS MAX軟件的應(yīng)用

3DS MAX軟件在現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)中占有相當(dāng)重要的地位。在各型網(wǎng)絡(luò)游戲、城市規(guī)劃項(xiàng)目、房地產(chǎn)建設(shè)規(guī)劃項(xiàng)目中，3DS MAX優(yōu)秀的虛擬效果也都已成為工程師的首選。3D虛擬技術(shù)能使用戶(hù)在虛擬場(chǎng)景中自由地走動(dòng)，并且以360€骯劭錘鞣較蟶先媲蟻肝⒌某【叭畔ⅲ鄹懈又憊郟畔⒏油暾δ芤哺臃岣唬筇岣吡聳褂謎叩畝鑰占淅斫廡剩蚨還惴河糜詬鞲魴幸島筒棵牛紓航煌?、农翈环保、沽自嚨A(chǔ)⑺?。?/p>

作為時(shí)下各種虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)，3DS MAX建模越來(lái)越受到人們的關(guān)注。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（virtual reality，VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented reality，AR）也在航空航天、旅游、游戲、醫(yī)學(xué)等多種行業(yè)都得到了快速發(fā)展與技術(shù)突破。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，現(xiàn)實(shí)生活中的所有可見(jiàn)信息，都有望能在虛擬系統(tǒng)中完全再現(xiàn)，從而突破時(shí)間與空間的限制。

2.3 3DS MAX VRay3.0渲染器

由Chaos group和Asgvis公司出品并由曼恒公司負(fù)責(zé)推廣的V-Ray渲染器是一款質(zhì)量非常高的渲染軟件，也是業(yè)界目前最受歡迎，使用人數(shù)最多的渲染引擎。Maya、Sketchup、3DS MAX、Rhino等諸多版本都是基于V-Ray內(nèi)核開(kāi)發(fā)的，這些插件為不同領(lǐng)域、不同功能的各種3D建模軟件，提供了高質(zhì)量和大數(shù)量的圖片和動(dòng)畫(huà)數(shù)據(jù)包。

V-Ray同樣可以提供單獨(dú)的渲染程序，方便使用者渲染各種圖片并顯示其效果。該渲染器提供了特殊的材質(zhì)——VRayMt，它能讓場(chǎng)景中獲得更加準(zhǔn)確的光能分布效果（物理照明），并且獲得更快的渲染速度，更方便的反射和折射參數(shù)調(diào)節(jié)功能。VR渲染器用不同的紋理貼圖，來(lái)控制光線(xiàn)的反射和折射，增加置換貼圖與凹凸貼圖的效果，強(qiáng)制而直接地進(jìn)行全局照明和數(shù)據(jù)計(jì)算。

2.4 3DS MAX建模的設(shè)計(jì)步驟

使用3DS MAX軟件構(gòu)建模型的主要工作步驟為：（1）3D建模前，建立一個(gè)空文件，每個(gè).max文件都用這個(gè)文件為開(kāi)始。（2）調(diào)試各種參數(shù)，劃分場(chǎng)景單元。（3）建立地形、遠(yuǎn)景和單獨(dú)特寫(xiě)鏡頭。（4）建立主要物體和次要物體模型。（5）使用VR渲染器進(jìn)行渲染工作。

3 CT及CT室簡(jiǎn)介

3.1 CT介紹

CT（Computed Tomography中文名：計(jì)算機(jī)斷層掃描）的工作原理是根據(jù)不同人體組織對(duì)X線(xiàn)的吸收、透過(guò)率的不同，使用X線(xiàn)管向病人發(fā)射適合劑量的射線(xiàn)，用靈敏度極高的傳感器測(cè)量透過(guò)人體后的射線(xiàn)情況，獲得測(cè)量所獲取的數(shù)據(jù)。在將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)后，專(zhuān)業(yè)的醫(yī)學(xué)軟件會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立出被檢查部位的斷面圖像或立體圖像。顯示在屏幕上的圖像就能幫助醫(yī)生發(fā)現(xiàn)體內(nèi)部位的細(xì)小病變。它可以利用的射線(xiàn)有：精確準(zhǔn)直的X線(xiàn)束、 射線(xiàn)、超聲波等，具有掃描時(shí)間快，圖像清晰準(zhǔn)確的特點(diǎn)，能用于許多種疾病的檢查。它的缺點(diǎn)是輻射劑量較普通X線(xiàn)機(jī)大，成本較高，需謹(jǐn)慎使用。

3.2 CT室介紹

CT室是醫(yī)院科室的重要組成部分它需要滿(mǎn)足以下幾個(gè)條件：振動(dòng)小、無(wú)嚴(yán)重電磁場(chǎng)、干擾、噪聲低、空氣凈度較高的機(jī)房環(huán)境；兼顧機(jī)器運(yùn)行安全、維修留有空間、病員進(jìn)出通暢、醫(yī)生操作方便和通風(fēng)換氣良好等幾個(gè)方面的CT機(jī)部件位置；抗靜電、防火、防塵、耐壓和耐磨擦的地面設(shè)計(jì)和線(xiàn)纜鋪設(shè)；掃描室和控制室的安全緊急裝置；掃描室、控制室、計(jì)算機(jī)室的溫度、濕度應(yīng)符合規(guī)定要求，一般掃描室、控制室室溫控制在18€癈-26€癈，相對(duì)濕度為65%以下。

這里建立的3DS MAX模型由CT機(jī)數(shù)據(jù)模型，簡(jiǎn)易CT室（包括三面墻壁，天花板和地板，以及室內(nèi)燈光和攝影機(jī)）的模型構(gòu)成。

4 簡(jiǎn)易CT室3DS MAX模型設(shè)計(jì)

4.1 單元模型設(shè)計(jì)及渲染

4.1.1 建立CT機(jī)和CT室模型

根據(jù)CT機(jī)的結(jié)構(gòu)原理，完成了CT機(jī)的數(shù)據(jù)模型。完成的一組3D視圖如圖1所示。模型包括外形、三個(gè)視面的模型等，每個(gè)模型都可以靈活旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、縮放。

4.1.2 設(shè)計(jì)CT室的數(shù)據(jù)模型

如圖2所示的CT室圖，是此次設(shè)計(jì)工作的模板。

打開(kāi)圖2的小圖，建立地面和墻壁模型（平面建模），制作模型的框架。在墻壁弧形連接處建立坐標(biāo)系，進(jìn)行合適的分段，并編輯穹頂、地面和墻壁模型的材質(zhì)和顏色。調(diào)整后方墻壁背景及CT機(jī)模型的位置，進(jìn)行合適的分段，并與CT室模板圖進(jìn)行對(duì)比。進(jìn)行多邊形建模，完成后進(jìn)行環(huán)繞觀(guān)察，完成內(nèi)容如圖3所示。

4.1.3 模型渲染

開(kāi)始進(jìn)行初步渲染，選擇墻壁的不同分段所使用的渲染材質(zhì)和顏色，結(jié)果如圖4所示。

在墻壁上添加立柱，并選擇渲染材質(zhì)，初步渲染結(jié)果如圖5所示。

對(duì)模型的其他部分（如天花板和地板）進(jìn)行渲染，按照模板圖選擇渲染材質(zhì)，結(jié)果如圖6所示。

4.2 最終的模型結(jié)果

CT室模型結(jié)果如圖7、8，最終渲染效果圖如圖9。

5 結(jié)論

通過(guò)簡(jiǎn)易CT室的3D MAX 模型設(shè)計(jì)來(lái)介紹3D MAX的模型設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易CT室3D MAX模型和最終效果可以用作教學(xué)素材，以提高課堂教學(xué)效果；或者作為實(shí)踐教學(xué)材料，以豐富實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)手段。本設(shè)計(jì)還只是一個(gè)初步的設(shè)計(jì)，下一步將模型引入到Unity 3D等開(kāi)發(fā)軟件，來(lái)設(shè)計(jì)相應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件。

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