基于Unity3D的針灸手法教學(xué)仿真系統(tǒng)研究

闞紅星 高勇 牛淑萍 胡繼禮 金力 譚紅春

摘 ? 要：針對(duì)現(xiàn)在針灸手法教學(xué)或訓(xùn)練中的不足，文章利用建模軟件對(duì)人體、銀針模型進(jìn)行建模，同時(shí)利用Unity3D軟件建立3D場(chǎng)景，通過(guò)C#語(yǔ)言編寫腳步代碼，開(kāi)發(fā)出針灸手法教學(xué)仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)彌補(bǔ)了當(dāng)前針灸手法教學(xué)的不足，極大地提高了針灸教學(xué)的效率。

關(guān)鍵詞：針灸;教學(xué);Unity3D;虛擬交互

針灸教學(xué)在中醫(yī)學(xué)中占有很重要的地位，一直以來(lái)都為中華民族的健康和發(fā)展作出了極大的貢獻(xiàn)。促進(jìn)針灸學(xué)的使用、推廣和發(fā)展，是中醫(yī)針灸造福全人類的關(guān)鍵突破口[1]。隨著中醫(yī)針灸的不斷進(jìn)步，針灸醫(yī)療師的需求也在不斷地增加?，F(xiàn)在的針灸教學(xué)及研究主要通過(guò)人體經(jīng)絡(luò)腧穴模型、現(xiàn)代仿鑄針灸銅人、臨床或真實(shí)人體操作。通過(guò)人體針灸模型可以很好地進(jìn)行針灸的取穴訓(xùn)練，但是不能體現(xiàn)出用針的深度、力度、針刺效果等其他結(jié)果。通過(guò)臨床或真實(shí)人體操作會(huì)有視覺(jué)上的約束性，而且穴位的誤取或不準(zhǔn)確的針灸手法會(huì)導(dǎo)致疼痛、內(nèi)出血或其他不好的結(jié)果，有一定的危險(xiǎn)性。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)為針灸教學(xué)提供了新的教學(xué)思路和方式，直觀、形象的教學(xué)模式大大提高了教學(xué)效率，同時(shí)提升了學(xué)生們的積極性和訓(xùn)練效果。

1 ? ?針灸手法教學(xué)仿真系統(tǒng)概述

1.1 ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用現(xiàn)在比較流行的開(kāi)發(fā)模式，首先，在3Ds Max建模軟件中建立比較完整的人體和銀針模型。3Ds Max是一個(gè)基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫渲染和制作軟件，通過(guò)FBX插件，將建立好的模型導(dǎo)入多平臺(tái)綜合型游戲開(kāi)發(fā)工具Unity3D中。在Unity3D平臺(tái)中，通過(guò)C#語(yǔ)言編寫腳本代碼，實(shí)現(xiàn)相關(guān)的功能。

系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)3D人體的自由旋轉(zhuǎn)觀察、銀針的自由移動(dòng)、角度的旋轉(zhuǎn)、UI界面顯示取穴名稱、用針深度、角度等功能，如圖1所示。

1.2 ?系統(tǒng)流程

當(dāng)使用者在操作本系統(tǒng)時(shí)，針對(duì)不同病癥和穴位，選擇不同的針型和針刺方法，系統(tǒng)會(huì)對(duì)使用者的操作進(jìn)行判斷和考核，當(dāng)操作出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即做出一些回應(yīng)，以提醒使用者及時(shí)訂正。使用者完成整個(gè)操作時(shí)，系統(tǒng)將做出正確的反饋，根據(jù)使用者操作的穴位數(shù)和準(zhǔn)確度給出相應(yīng)的成績(jī)，以充分發(fā)揮人機(jī)的交互功能。

2 ? ?系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 ?導(dǎo)入使用的素材模型

在本系統(tǒng)中，只需要導(dǎo)入兩個(gè)模型，一個(gè)是人體3D模型，另一個(gè)是銀針模型，直接將模型文件拖入之前在Unity3D軟件中設(shè)置好的文件夾中，即可完成模型的導(dǎo)入工作。

Main Camera組件是主攝像機(jī)組件，為場(chǎng)景提供攝像機(jī)視角，也就是在頁(yè)面中觀察的視野范圍。

Directional Light組件是方向光組件，為整個(gè)場(chǎng)景提供燈光照明，也可以渲染具體場(chǎng)景，常見(jiàn)的有太陽(yáng)的光線照射、陰影、氛圍的渲染等。

以上兩個(gè)組件是場(chǎng)景的默認(rèn)組件，且缺一不可，少了攝像機(jī)組件，運(yùn)行程序無(wú)法顯示場(chǎng)景;少了燈光組件，場(chǎng)景就會(huì)變得黑暗，模糊不清。

2.2 ?系統(tǒng)腳步代碼設(shè)計(jì)

在Unit3D軟件中，通過(guò)編寫腳本代碼來(lái)控制物體模型，用以完成相關(guān)的動(dòng)作控制。Unity3D支持的編程語(yǔ)言除了C#之外，還有Boo和JavaScript，這3種程序語(yǔ)言都有不同的優(yōu)點(diǎn)，且都能達(dá)到同樣的目的。C#語(yǔ)言更能體現(xiàn)Unity3D軟件的編程思想，因此，本系統(tǒng)采用C#語(yǔ)言來(lái)編寫腳本代碼。

整個(gè)系統(tǒng)中需要腳本代碼控制的功能有：3D人體模型的360°上下左右的全方位查看、銀針的自由移動(dòng)控制、角度的自由轉(zhuǎn)動(dòng)、針灸穴位的定位等，及取穴的深度、角度、穴位的名稱等具體信息的UI界面顯示。

針對(duì)本系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，建立了3個(gè)腳本程序：GUI Show，Camera Control和Needle Control，其中，GUI Show腳本負(fù)責(zé)取穴的深度、角度、穴位的名稱等具體信息的UI界面顯示;Camera Control腳本負(fù)責(zé)3D人體模型的360°上下左右的全方位查看;Needle Control腳本負(fù)責(zé)銀針的自由移動(dòng)控制、角度的自由轉(zhuǎn)動(dòng)、針灸穴位的定位等。

2.2.1 ?交互界面設(shè)計(jì)

GUI Show腳本文件負(fù)責(zé)取穴的深度、角度和穴位的名稱等具體信息的UI界面顯示。交互界面是使用者和本系統(tǒng)進(jìn)行信息交換的通道，使用者可以進(jìn)行穴位信息的查看等操作，系統(tǒng)則提供用戶所需要的信息。本系統(tǒng)的交互界面只是簡(jiǎn)單展示一些信息和模型等，對(duì)界面設(shè)計(jì)沒(méi)有過(guò)高的要求，所以直接采用Unity3D自帶的GUI組件即可滿足預(yù)定目標(biāo)要求[2]。

2.2.2 ?3D人體模型的全方位的查看實(shí)現(xiàn)

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，腳本代碼執(zhí)行后可以完成對(duì)人體模型的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的全方位查看。Camera Control腳本文件需要掛載在Main Camera組件上才能控制攝像機(jī)組件，具體操作是使用鼠標(biāo)的右鍵拖動(dòng)場(chǎng)景進(jìn)行上下左右旋轉(zhuǎn)，通過(guò)鼠標(biāo)的滾輪實(shí)現(xiàn)放大和縮小場(chǎng)景的功能。因?yàn)槟M的穴位模型很小，所以整個(gè)人體模型就需要放大，導(dǎo)致整個(gè)屏幕無(wú)法顯示完全。為解決這個(gè)問(wèn)題，應(yīng)使用組合鍵Q+鼠標(biāo)左鍵，選擇攝像機(jī)顯示的中心點(diǎn)，以滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，設(shè)置攝像機(jī)顯示的最小和最大顯示距離、鼠標(biāo)控制的靈敏度等，提高使用者對(duì)人體模型查看時(shí)的舒適度。

2.2.3 ?銀針功能控制的實(shí)現(xiàn)

Needle Control腳本文件負(fù)責(zé)銀針的自由移動(dòng)控制、角度的自由轉(zhuǎn)動(dòng)、針灸穴位的定位等。項(xiàng)目要求銀針能隨著鼠標(biāo)的移動(dòng)而改變位置，針刺的角度是指進(jìn)針時(shí)針身與穴位所在表面的夾角。常見(jiàn)的針刺角度：平、直、斜刺[3]。針刺深度是以針本身刺入腧穴皮膚的深淺來(lái)作為量度，針刺的角度、深度都是在這個(gè)腳本代碼中控制和計(jì)算的，由于篇幅的原因，不再展示具體的代碼。

3 ? ?系統(tǒng)測(cè)試評(píng)估

為了測(cè)試本系統(tǒng)每個(gè)模塊的功能，專門請(qǐng)來(lái)兩位針灸老師和20位學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)試，在測(cè)試的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，輕輕左右移動(dòng)鼠標(biāo)時(shí)，人體模型旋轉(zhuǎn)的角度過(guò)大，不利于對(duì)穴位的精確查找定位。在銀針的移動(dòng)及旋轉(zhuǎn)的模塊中也發(fā)現(xiàn)了類似問(wèn)題，所以在腳本代碼程序中增加靈敏度參數(shù)，從而調(diào)整對(duì)人體模型、銀針模型的控制。在進(jìn)針的角度和深度計(jì)算中，涉及角度值Sin和Cos值的切換，利用Unity3D內(nèi)置的腳本API即可完成角度的計(jì)算[4]。系統(tǒng)進(jìn)行完善后測(cè)試的結(jié)果良好，基本實(shí)現(xiàn)了所設(shè)計(jì)的所有功能，但是系統(tǒng)還存在一些不足，有待進(jìn)一步測(cè)試與研究。

4 ? ?結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)基于針灸醫(yī)學(xué)知識(shí)，結(jié)合先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，具有很大的實(shí)用性，可用于針灸教學(xué)。本系統(tǒng)可以讓同學(xué)們?cè)诟鼮楸普娴奶摂M環(huán)境中對(duì)腧穴進(jìn)行更直觀的認(rèn)識(shí)及操作訓(xùn)練，使同學(xué)們體驗(yàn)清晰的針刺操作，進(jìn)而提高學(xué)生的動(dòng)手和探索能力，彌補(bǔ)了當(dāng)前針灸手法教學(xué)的不足，極大地提高了針灸教學(xué)的效率。目前系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能還比較有限，使用者在使用的過(guò)程中，交互界面稍顯簡(jiǎn)單，還需要進(jìn)一步完善。在以后的改進(jìn)中可以嘗試和VR硬件設(shè)備相結(jié)合，增強(qiáng)系統(tǒng)的真實(shí)性和沉浸感[5]，為更多的老師、學(xué)生、廣大醫(yī)務(wù)人員和針灸愛(ài)好者等提供服務(wù)。

[參考文獻(xiàn)]

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[2]李兵川.基于Unity 3D游戲開(kāi)發(fā)流程分析[J].山東工業(yè)技術(shù)，2018（7）：148.

[3]蔡曉雯，黃泳，曲姍姍，等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中醫(yī)針灸教學(xué)中的運(yùn)用[J].河北中醫(yī)，2017（11）：1758-1760.

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[5]何玲玲，陳采益，林棟，等.基于VR技術(shù)的經(jīng)絡(luò)腧穴學(xué)教學(xué)應(yīng)用初探[J].中醫(yī)教育，2018（3）：38-40，46.

Abstract：In view of the deficiencies in the teaching or training of acupuncture manipulation， this paper uses the modeling software to model the human body and the silver needle model， and uses Unity3D software to establish the 3D scene， and develops the simulation system of acupuncture manipulation teaching by C# language. The system makes up for the deficiency of the current teaching of acupuncture techniques， and greatly improves the efficiency of acupuncture teaching.

Key words：acupuncture; teaching; Unity3D; virtual interaction