三維網(wǎng)絡(luò)掃描電鏡虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建

楊雅靜， 劉志廣， 張永策， 趙麗妮

(大連理工大學(xué) 化工與環(huán)境生命學(xué)部， 遼寧 大連 116024)

0 引 言

虛擬實(shí)驗(yàn)室是基于計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一種新的科學(xué)研究方法以及新的學(xué)習(xí)模式[1]，其結(jié)合數(shù)學(xué)建模、數(shù)字圖像處理、多媒體、人工智能等技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)用軟件來模擬硬件設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、運(yùn)行在計(jì)算機(jī)上的、情景化、參數(shù)化實(shí)驗(yàn)室[2]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和教育信息化的深化，虛擬實(shí)驗(yàn)室向著網(wǎng)絡(luò)化、專業(yè)化、智能化以及高交互性、高沉浸感、高感知性等方向發(fā)展和優(yōu)化，用戶可在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開展高效、安全且經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)與學(xué)習(xí)[3]，尤其對于一些受空間和成本限制的大型精密儀器更有著重要的意義。

分析類儀器中，掃描電鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)是近年來使用越來越多的精密分析儀器之一，已被廣泛應(yīng)用于材料學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域。由于該儀器在實(shí)時(shí)微觀圖像處理的特殊性，所以以掃描電鏡為研究對象的虛擬實(shí)驗(yàn)室較為少見，特別是具有三維網(wǎng)絡(luò)、非線性交互操作、微觀圖像精細(xì)處理、實(shí)時(shí)跟蹤評價(jià)等多功能的掃描電鏡虛擬實(shí)驗(yàn)室，目前鮮有報(bào)道?；诖?，在三維精細(xì)建模的基礎(chǔ)上，通過三維情境下的交互設(shè)計(jì)，開發(fā)了具有三維操作、樣品拓展、實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化、微觀圖像實(shí)時(shí)處理及數(shù)據(jù)保存等多功能的新型掃描電鏡虛擬實(shí)驗(yàn)室。該虛擬實(shí)驗(yàn)室沉浸感強(qiáng)，功能完善，交互操作逼真，網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行，對各類院校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)及人員培訓(xùn)具有輔助和促進(jìn)作用[4]，另外其構(gòu)建模式及關(guān)鍵技術(shù)也將對其他類別儀器虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究與開發(fā)具有借鑒意義。

1 掃描電鏡虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

虛擬實(shí)驗(yàn)中試樣、儀器和工作站是主體，交互操作是核心，跟蹤評價(jià)為靈魂[5]，另外為了使掃描電鏡虛擬實(shí)驗(yàn)室的功能更強(qiáng)大、結(jié)構(gòu)更清晰[6]，對掃描電鏡虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)進(jìn)行了總體框架設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 掃描電鏡虛擬實(shí)驗(yàn)室總體框架

1.1 掃描電鏡虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)

在虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建中，秉持著儀器結(jié)構(gòu)的真實(shí)性、交互功能的多樣性、實(shí)驗(yàn)過程的完整性、模擬結(jié)果的可信性等原則[7]，并且考慮到虛擬實(shí)驗(yàn)室軟件運(yùn)行的穩(wěn)定性、操作的流暢性、內(nèi)容的可擴(kuò)展性等前提，參考規(guī)范化的真實(shí)掃描電鏡實(shí)驗(yàn)過程，設(shè)計(jì)制作出具有樣品固定室、儀器操作室及氣瓶間3個(gè)各具功能且相互分離的三維虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。采用普及度較廣的FEI公司的NovaNano 450型場發(fā)射掃描電鏡作為實(shí)驗(yàn)儀器構(gòu)建對象，結(jié)合真實(shí)樣品微觀形貌制作虛擬樣品模型，以及功能全面的虛擬工作站，使用Virtools軟件結(jié)合VSL編程語言與編譯交互腳本BB模塊完成以上4個(gè)模塊相互間的數(shù)據(jù)通信與交互操作，設(shè)計(jì)出依托在具有B/S架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)平臺運(yùn)行的符合虛擬現(xiàn)實(shí)3I特性的掃描電鏡虛擬實(shí)驗(yàn)室。所完成的掃描電鏡虛擬實(shí)驗(yàn)室如圖2所示。

1.2 掃描電鏡虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的核心功能設(shè)計(jì)

1.2.1樣品自主選擇功能

采用掃描電鏡分析測試樣品的種類繁多，性能差別較大，且制備方式也直接影響觀察結(jié)果。為了體現(xiàn)與實(shí)際掃描電鏡實(shí)驗(yàn)室的不同樣品微觀精細(xì)結(jié)構(gòu)，在所構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室中設(shè)置了樣品自主選擇功能，通過數(shù)據(jù)庫調(diào)入對應(yīng)的樣品信息，將數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)傳遞給相關(guān)聯(lián)模塊，則系統(tǒng)能夠根據(jù)樣品的導(dǎo)電性不同，設(shè)置完成不同實(shí)驗(yàn)操作步驟以及在工作站端呈現(xiàn)出實(shí)時(shí)圖像。自主選擇和動態(tài)載入的核心設(shè)計(jì)模式，不僅減少了虛擬實(shí)驗(yàn)的空間內(nèi)存占有率和提高了程序的穩(wěn)定性，也為健全掃描電鏡樣品數(shù)據(jù)庫奠定了基礎(chǔ)。

圖2 掃描電鏡情景化虛擬實(shí)驗(yàn)室

1.2.2實(shí)驗(yàn)操作深度交互功能

為實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)深度交互功能，通過技術(shù)優(yōu)化以及三維程序設(shè)計(jì)與算法的研究，實(shí)施了實(shí)驗(yàn)操作過程的全三維深度交互的模式，即實(shí)驗(yàn)室物體的點(diǎn)選、拖拽、碰撞等動作全部采用較為新穎的3D拾取算法完成物體的直接拾取，和實(shí)驗(yàn)過程中的非線性操作，極大地提升虛擬實(shí)驗(yàn)室的高沉浸感與全程可操控性，另外還增加了通過鼠標(biāo)拖動旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)從而達(dá)到連續(xù)、便捷、流暢地調(diào)節(jié)視野角度的功能，這在目前的虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建中較少采用。

1.2.3工作站操作

掃描電鏡是結(jié)合計(jì)算機(jī)的成像顯示與軟件分析的儀器，成像方式又類似于電視攝影的效果[8]，則實(shí)際掃描電鏡的操作部分主要集中在工作站中。在軟件構(gòu)建中，“工作站操作”模塊也將作為整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室的支撐部分而成為本文工作的重點(diǎn)。根據(jù)真實(shí)掃描電鏡工作站的功能，為虛擬實(shí)驗(yàn)室中的工作站設(shè)置了4個(gè)窗口，左上角的為實(shí)時(shí)視野觀察窗口，右上為臨時(shí)文件查看窗口，左下為樣品臺窗口，右下為樣品艙實(shí)時(shí)動態(tài)窗口(見圖3)，為了方便觀察可對左上角實(shí)時(shí)視野觀察窗口的大小進(jìn)行小窗口和全屏查看之間進(jìn)行切換。另外，本文為所構(gòu)建的虛擬工作站重點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了以下功能：條件自主選擇、視野連續(xù)可調(diào)、視野場景實(shí)時(shí)保存等功能。相關(guān)實(shí)現(xiàn)方法與技術(shù)將在下面有關(guān)部分進(jìn)一步討論。

圖3 工作站虛擬視窗

1.3 掃描電鏡虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的其他功能設(shè)計(jì)

為了提高軟件系統(tǒng)操作的人性化以及教學(xué)與培訓(xùn)的功能，設(shè)計(jì)了輔助系統(tǒng)。使用者登錄個(gè)人專屬賬號后，在完成虛擬實(shí)驗(yàn)操作過程中，系統(tǒng)可以提供以下功能：步驟提示、物體說明、實(shí)驗(yàn)計(jì)時(shí)、實(shí)驗(yàn)過程跟蹤及參數(shù)記錄、操作過程錯(cuò)誤提示并自動記錄評判等。另外在實(shí)驗(yàn)操作結(jié)束后，可將實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)得分及實(shí)驗(yàn)報(bào)告上傳到服務(wù)器，方便使用者和管理人員查看，并實(shí)現(xiàn)了兩者之間的網(wǎng)絡(luò)通信交流或問題提出與解答。

2 掃描電鏡虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)過程與關(guān)鍵

2.1 樣品功能的實(shí)現(xiàn)

2.1.1樣品模型的構(gòu)建

為了滿足不同使用者的需求，應(yīng)設(shè)計(jì)出開放式、多樣品選擇的虛擬實(shí)驗(yàn)室。本文選擇微觀視覺效果較有特點(diǎn)、辨識度較高且弱導(dǎo)電性的二氧化硅微球在掃描電鏡上的實(shí)際微觀形貌為樣本，并作為構(gòu)建虛擬樣品模型之一，開發(fā)了具有還原度高，數(shù)據(jù)可靠性好并可以后期不斷完善的掃描電鏡樣品庫，內(nèi)含多種樣品的微觀形貌、屬性等數(shù)據(jù)。

在構(gòu)建過程中，首先使用三維效果較好的3DsMax軟件制作微球模型，如果運(yùn)用粒子系統(tǒng)構(gòu)造微觀形貌，不利于后期的調(diào)整和控制，所以將微球參照真實(shí)樣品和文獻(xiàn)[9]中(見圖4(a))形貌進(jìn)行復(fù)制和堆疊。然后制作材質(zhì)并且添加和修改光感效果，營造出與真實(shí)影像相同的邊緣效應(yīng)與成像襯度。而掃描電鏡獨(dú)有的三維立體效果的呈現(xiàn)，需要調(diào)整攝像機(jī)的焦距渲染景深通道。微觀形貌制作完成后，通過放大倍數(shù)的不同計(jì)算出攝像機(jī)的相對位置然后分別渲染出不同倍數(shù)視野圖像，最后使用Photoshop軟件對圖像的放大倍數(shù)進(jìn)行測試和仿真效果進(jìn)一步提高，效果見圖4(b)，完成模型制作成nmo格式的文件存放在服務(wù)器的對應(yīng)位置。

(a)文獻(xiàn)[9]真實(shí)樣品(b)樣品效果圖

圖4 SiO2樣品模型

2.1.2樣品選擇與動態(tài)載入

為了使視野效果足夠清晰，所以樣品模型構(gòu)建時(shí)使用分辨率較高，這就導(dǎo)致了模型文件的占用內(nèi)存較大，影響了軟件運(yùn)行流暢性和穩(wěn)定性。本系統(tǒng)采用具有B/S架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)作為支撐軟件平臺，構(gòu)建一個(gè)存放在服務(wù)器上、方便升級維護(hù)的掃描電鏡的樣品數(shù)據(jù)庫，并通過php語言和BB模塊設(shè)計(jì)了樣品選擇和動態(tài)載入的功能。實(shí)現(xiàn)方法是首先通過程序的執(zhí)行，將數(shù)據(jù)庫中的樣品列表的信息通過Virtools中的Web Get Data模塊載入到虛擬實(shí)驗(yàn)室中，然后動態(tài)地列出對應(yīng)數(shù)量的虛擬樣品瓶。操作者可通過點(diǎn)選相應(yīng)的樣品瓶得到不同的ID，然后通過ID查找服務(wù)器中相應(yīng)的樣品數(shù)據(jù)nmo文件，再通過BB模塊Web Download和Object Load載入，其過程(見圖5)。將載入的模型傳遞到工作站，而屬性信息傳遞給實(shí)驗(yàn)操作模塊，針對不同屬性的樣品選擇對應(yīng)的預(yù)處理步驟。

圖5 樣品載入模塊

2.2 三維環(huán)境中虛擬實(shí)驗(yàn)操作過程的模擬與實(shí)現(xiàn)

2.2.1三維環(huán)境下物體的碰撞檢測與直接拾取

相對于以前Virtools制作的虛擬實(shí)驗(yàn)室中所采用的三維環(huán)境下的碰撞檢測與二維幀間接拾取模式[10-11]，構(gòu)建了一種新的碰撞方式，即通過三維物體跟隨鼠標(biāo)的全方位移動和物體與物體間的直接拾取，實(shí)現(xiàn)了全三維場景下的深層次操作交互，并擁有更強(qiáng)的沉浸感和立體感。該效果的具體實(shí)現(xiàn)方法是首先建立一個(gè)Group，存放所有可發(fā)生三維拾取的物體，然后使用VSL編寫的三維拾取算法，先得到鼠標(biāo)的屏幕坐標(biāo)值，通過投影矩陣和觀察矩陣把這個(gè)屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為以當(dāng)前活動攝像機(jī)為原點(diǎn)，沿鼠標(biāo)點(diǎn)擊點(diǎn)方向射入場景的一條射線，該射線如果與場景中3D物件相交，則獲取該相交物件的信息，部分代碼見表1。如果相交物處在這個(gè)Group中，則物件可隨著鼠標(biāo)的移動而移動，通過這條射線繼續(xù)進(jìn)行碰撞檢測，如果是與之有拾取或碰撞關(guān)系的物體，突出顯示物體的邊框，如拾取并移動鑷子去與樣品支架發(fā)生碰撞關(guān)系(見圖6)，然后松開鼠標(biāo)，即可觸發(fā)對應(yīng)的動作信息。

表1 三維拾取部分代碼

圖6 鑷子移取樣品支架的三維拾取

另外，該模塊的編寫還實(shí)現(xiàn)了對于可以拖拽并且能與桌面直接接觸的物體允許在桌面的任意位置來回拖拽和擺放的功能，包括雙層的實(shí)驗(yàn)桌。如果中途松開鼠標(biāo)或者沒有拾取到有關(guān)系的物體，則該物體回到原位或以最短的距離回到桌面上。

2.2.2非線性操作模擬

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，相較于單一流程的線性操作，非線性操作不僅可以使虛擬實(shí)驗(yàn)具有更大的靈活性，更產(chǎn)生多樣化的模擬結(jié)果，更有利于教學(xué)與培訓(xùn)。每個(gè)操作步驟中存在許多對應(yīng)的可任意變換操作順序的子步驟，以每個(gè)操作步驟建立一個(gè)Array，里面存放此步驟下的所有子步驟，將所有拖拽物體放入0列命名為Master，能與拖拽物體發(fā)生碰撞的物體放入1、3、5列分別命名為Slave1、Slave2、Slave3，而2、4、6列是物體碰撞后傳遞的對應(yīng)的消息指令。當(dāng)鼠標(biāo)點(diǎn)擊拖拽Master物體的時(shí)候，通過檢索相交物體名稱判斷是否為當(dāng)前步驟Array中所對應(yīng)Slave物體，部分代碼見表2，如果兩物體發(fā)生碰撞，就發(fā)出對應(yīng)的消息指令到Level層，觸發(fā)的相應(yīng)動作，如粘貼導(dǎo)電膠、移動和旋轉(zhuǎn)鑷子、氮?dú)獯祾邩悠分Ъ艿取Ｋ?，如果在每個(gè)步驟中有多個(gè)Master并且每個(gè)Master又有多個(gè)Slave，則代表了具有多個(gè)不同子步驟，而每個(gè)子步驟均不限定操作的前后順序，如可以先貼導(dǎo)電膠再將樣品臺放在泡沫上，也可以顛倒順序。本文將三維碰撞和非線性操作用VSL編程語言寫在了一個(gè)BB模塊當(dāng)中，使得程序更加完整和簡潔。

表2 非線性操作拾取部分代碼

2.2.3視角的移動與旋轉(zhuǎn)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了通過鼠標(biāo)的移動而非傳統(tǒng)上的通過鍵盤或者點(diǎn)選二維幀按鈕的方式來旋轉(zhuǎn)搭載在虛擬人物上的攝像機(jī)從而調(diào)節(jié)視野角度的功能，這在以往的虛擬實(shí)驗(yàn)室中較為少見，并且結(jié)合鍵盤控制虛擬人物的漫游，使虛擬實(shí)驗(yàn)獲得更強(qiáng)的操作感受并使漫游視覺效果更加流暢，以及方便和快捷地觀察實(shí)驗(yàn)室和物體，強(qiáng)化沉浸感，獲得了較好效果。具體攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)的交互腳本模塊如圖7所示。其實(shí)現(xiàn)過程是通過按下鼠標(biāo)右鍵時(shí)激活Get Mouse Displayment 得到鼠標(biāo)移動的x、y像素值，將像素值乘以攝像機(jī)移動速度的比例值設(shè)置為攝像機(jī)的歐拉角的章動角θ和進(jìn)動角ψ，而自轉(zhuǎn)角φ設(shè)為0，然后為了保持視野始終垂直于地面，使用SetOrientation模塊保持x、y、z的值為(0,1,0)。攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)后虛擬人物也要一同旋轉(zhuǎn)，所以同樣使用SetOrientation模塊但將旋轉(zhuǎn)方向的y值設(shè)為0，為了保持虛擬人物在y軸不會旋轉(zhuǎn)。

圖7 攝像機(jī)視角的旋轉(zhuǎn)

2.3 工作站操作的實(shí)現(xiàn)

2.3.1工作站視野連續(xù)移動

高品質(zhì)的掃描電鏡圖像除了細(xì)節(jié)清晰層次豐富等還要求主題突出和構(gòu)圖美觀[12]。在本文所構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室中，實(shí)現(xiàn)了工作站視野的連續(xù)移動功能，使操作人員可以任意的選擇適當(dāng)?shù)谋挥^察區(qū)域從而尋找有價(jià)值的圖像范圍。實(shí)現(xiàn)方法是首先將已選擇并導(dǎo)入到虛擬實(shí)驗(yàn)室中的樣品模型傳遞給工作站并顯示到觀察窗口，然后按照觀察窗口的二維幀的長寬比例設(shè)置UV Mapping值，顯示當(dāng)前放大倍數(shù)下模型的一部分視野。其次，使用2D Picking模塊識別鼠標(biāo)所在位置的二維幀名稱傳遞給用VSL編寫的Workstations menu模塊，如當(dāng)鼠標(biāo)按下時(shí)是“上”按鈕，觸發(fā)編寫的URLDMove模塊的第一個(gè)進(jìn)口，然后將UV移動值改成負(fù)值，傳遞并通過編寫的N_op模塊，將原來的UV Mapping的上和下的向量值加上移動值并再次賦給UV Mapping，使用Set Rectangles模塊設(shè)置觀察窗口當(dāng)前的UV。同樣，如果點(diǎn)擊按鈕為“右”，則UV Mapping的左右向量分別加上正的移動值，并自賦值。效果如下圖所示，經(jīng)過多次移動，將圖8中紅框所標(biāo)記的小球隨視野的移動而出現(xiàn)在圖9中右上的位置。

圖8 移動前的視野圖

2.3.2視野實(shí)時(shí)放大和縮小

掃描電鏡是介于透射電鏡和光學(xué)顯微鏡之間的物質(zhì)微觀形貌觀察儀器，可以放大10～20萬倍[13]。

圖9 移動后的視野圖

故視野實(shí)時(shí)放大和縮小不僅是衡量掃描電鏡儀器工作性能的指標(biāo)也是虛擬工作站的實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容之一。

在虛擬實(shí)驗(yàn)中模擬制作出多級放大倍數(shù)的樣品模型，每個(gè)放大倍數(shù)模型存為一個(gè)slot，通過VSL編寫的程序語言控制，每次點(diǎn)擊工作站的“+”或“-”按鈕使視野放大或縮小一倍，為了節(jié)約軟件運(yùn)行內(nèi)存，每個(gè)倍數(shù)的模型使用2次，既奇數(shù)次放大通過計(jì)算并改變UV Mapping的值改變視野效果，偶數(shù)次放大則通過更換slot中的模型改變視野效果，圖10為不同放大倍數(shù)下工作站中觀察到的二氧化硅微球視野圖像的模擬效果。

2.3.3保存攝像機(jī)截圖

掃描電鏡的主要功能為找到合適的目標(biāo)視野繼而拍照保存，虛擬實(shí)驗(yàn)室也重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)此了功能，首先創(chuàng)建一個(gè)使用這個(gè)觀察窗口UV Mapping的三維精靈(3D sprite)，然后用攝像機(jī)實(shí)時(shí)渲染出這個(gè)三維精靈的視野，并存放在命名為Foto的貼圖(Texture)中。通過VSL語言編寫的Setup Texture和Save Texture的模塊將未渲染前的2×2像素的Foto貼圖改成渲染時(shí)的窗口大小，并保存到相應(yīng)的路徑下，為了節(jié)約和釋放內(nèi)存，再將Virtools中的Foto設(shè)置成原始的2×2像素大小，Save Texture程序代碼如表3所示，圖像保存程序的模塊如圖11所示。保存的虛擬掃描電鏡像包含了當(dāng)前的放大倍數(shù)、電壓和光斑尺寸信息，如圖12所示。

(a) 1000×

(b) 10000×

(c) 16000×

圖10 不同放大倍率下的二氧化硅微球虛擬掃描電鏡像

表3 Save Texture模塊程序代碼

3 結(jié) 語

本文從虛擬實(shí)驗(yàn)室的總體設(shè)計(jì)和功能模塊出發(fā)，利用Virtools軟件平臺，成功構(gòu)建出具備高沉浸感的三維虛擬環(huán)境與儀器、深度交互且過程完整的實(shí)驗(yàn)操作、功能完善的工作站并且完全網(wǎng)絡(luò)化信息通信的掃描電鏡虛擬實(shí)驗(yàn)室。提出并實(shí)現(xiàn)了三維物體的直接碰撞和非線性操作的新穎交互形式。同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了多樣品選擇、模型的動態(tài)導(dǎo)入、微觀精細(xì)結(jié)構(gòu)多范圍多倍數(shù)的觀察與保存等功能。另外，用戶還可根據(jù)需要進(jìn)一步的添加和健全虛擬樣品庫，提高了軟件的靈活性與可擴(kuò)展性。本文所構(gòu)建的掃描電鏡虛擬實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)和人員培訓(xùn)方面有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，也為其他類型的虛擬實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)提供了借鑒。

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