家畜解剖學(xué)三維互動APP的開發(fā)研究

尹可欣，李 哲，劉嘉明，王梓瑤，胡 悅，黃埕銘，白志坤,*

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)動物醫(yī)學(xué)學(xué)院實驗動物與比較醫(yī)學(xué)重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心)

家畜解剖學(xué)是最重要的基礎(chǔ)學(xué)科之一，作為獸醫(yī)教育的一個重要課程，與后續(xù)所有臨床實踐相關(guān)。因此，學(xué)生需要掌握必要的動物解剖學(xué)知識，為將來的臨床和合格的實習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)?，F(xiàn)代教學(xué)工具法對推動獸醫(yī)解剖教學(xué)起到了積極作用。虛擬仿真技術(shù)輔助教學(xué)成為研究熱點，它的沉浸性、交互性、構(gòu)想性可以有效彌補傳統(tǒng)教育方式形式單一、缺乏生動代入的不足。當(dāng)前市面上的人體3D解剖類APP在一定程度上方便人醫(yī)學(xué)生的基礎(chǔ)科目學(xué)習(xí)，但有關(guān)動物解剖教學(xué)類APP處于一種缺乏狀態(tài)。

本文以Unity3D為主要開發(fā)平臺，將虛擬仿真技術(shù)與家畜解剖學(xué)的學(xué)科相結(jié)合，制作一款家畜解剖學(xué)三維互動APP，現(xiàn)將主要過程報道如下。

1 材料與方法

研究以Unity3D作為開發(fā)的核心軟件，并運用Visual Studio編寫C#腳本來實現(xiàn)交互功能。為更好展現(xiàn)骨骼的形狀細節(jié)，物體旋轉(zhuǎn)全方位展示及細節(jié)放大必不可少，在Unity3D中可將代碼掛載于Main Camera來實現(xiàn)此功能。構(gòu)建好的工程需要在Unity3D中不斷調(diào)試，改進存在的問題，而后選擇導(dǎo)出相應(yīng)平臺上的apk，具體流程見圖1所示。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試后導(dǎo)出適用于安卓手機的安裝包文件分享給一部分同學(xué)和老師測試，通過其反饋結(jié)果，發(fā)現(xiàn)問題、提出建議后再進行軟件的改進，最終將程序打包申請軟件著作權(quán)。

圖1 開發(fā)流程

其中動物標本來自東北農(nóng)業(yè)大學(xué)動物醫(yī)學(xué)學(xué)院家畜解剖學(xué)教研室。三維數(shù)據(jù)采集采用的是與iPAD連接的Structure Sensor 3D掃描儀，配合相適配的軟件Itseez3D。手持該設(shè)備慢慢環(huán)繞標本獲取三維數(shù)據(jù)。掃描后的模型導(dǎo)入放入3DMax中進一步修繕。

利用Bodypaint 3D繪制貼圖，根據(jù)專業(yè)知識對單塊骨骼的重要部位進行顏色區(qū)分，幫助學(xué)生辨認理解。最后將制作完成的模型軸居中到對象，坐標軸歸零，將材質(zhì)、紋理和對象同時導(dǎo)出為fbx格式備用，如圖2所示。

圖2 骨骼構(gòu)建過程A.3DMax中繪制構(gòu)建 B.3DMax中設(shè)置材質(zhì)與貼圖

2 結(jié)果

通過一系列的搭建過程，制作出了骨骼標本的三維模型。利用編寫腳本實現(xiàn)了互動功能，包括了三維觀察、單獨顯示、知識點介紹、搜索導(dǎo)航、拆分、畫筆、隱藏圖標等。以教學(xué)模式為例，用戶可對各模型結(jié)構(gòu)進行放縮、各角度旋轉(zhuǎn)、查看詳細知識點，并

進行標注涂鴉；基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)功能支持對骨骼結(jié)構(gòu)的更深一步觀察，對同一結(jié)構(gòu)中需掌握的各個部位均配以顏色區(qū)分、并以指針指示，最大程度輔助用戶學(xué)習(xí)；拆分和重置功能可以幫助用戶直觀理解各結(jié)構(gòu)間的位置關(guān)系、連接方式，并在拖拽過亂時回歸原始狀態(tài)；搜索導(dǎo)航幫助用戶快速定位到想觀察的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 功能演示界面

不同于教學(xué)模式，自主模式不會將全部知識點放入，而是鼓勵用戶充分利用畫筆標記的功能。用戶可以根據(jù)自身情況在3D模型上做筆記和標注，存檔導(dǎo)出，作為自己的學(xué)習(xí)材料。以往大部分學(xué)生想做細致筆記需花大量時間繪制立體圖，此模式既能節(jié)省繪圖時間，又有良好的學(xué)習(xí)效果。自主模式中主要加入了對比功能，能將容易混淆、需要對比記憶的結(jié)構(gòu)進行分屏同頁面展示，幫助學(xué)生整合學(xué)習(xí)，如圖4所示。

圖4 對比及測試模式界面

3 討論

本研究獲得了牛骨骼等器官的三維數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了器官的三維重建，利用Unity3D開發(fā)平臺建立了家畜解剖學(xué)3D互動手機軟件，彌補了實際教學(xué)中易出現(xiàn)的標本不齊、課時不足等難題，使學(xué)生能夠脫離實體標本在移動設(shè)備上隨時隨地自主學(xué)習(xí)，提供了專業(yè)學(xué)科的移動學(xué)習(xí)新方式。

此前的研究表明，國內(nèi)可用的相似軟件或是只有小動物部分無法滿足北方獸醫(yī)教學(xué)“家畜”內(nèi)容的教學(xué)需求，或是操作困難、卡頓。國外引進的相似軟件大部分無法切換到中文語言，下載途徑不統(tǒng)一，并且在試用中發(fā)現(xiàn)與實際需求偏差較大。本研究的應(yīng)用程序按照學(xué)校的實際教學(xué)，旨在重點導(dǎo)入牛、馬、豬等家畜家禽的內(nèi)容，而且本著實用、專業(yè)、便捷等理念，在具備市面上已存在的功能的基礎(chǔ)上，著重調(diào)查了用戶真實需求，設(shè)計出如“單獨顯示骨骼特殊部位”、“對比模式”等具有極強實用性的功能，旨在用戶“所想即所得”，更大程度滿足大眾需求。

家畜解剖學(xué)作為具代表性的獸醫(yī)基礎(chǔ)學(xué)科，對學(xué)生后續(xù)專業(yè)學(xué)習(xí)至關(guān)重要。通過收集試用體驗反饋，本研究提供的移動教學(xué)模式有利于幫助學(xué)生及時將知識與實物相對應(yīng)，從而形成體系，助于此形態(tài)學(xué)課程的教與學(xué)。但作為初代APP，此應(yīng)用程序還有很大的開發(fā)空間，我們期待未來在不斷豐富模型的同時，以軟件的個性化為突破方向，進一步完善APP功能。例如通過使用SQLite數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)在后端進行保存，讓用戶可以設(shè)定老師或?qū)W生等不同權(quán)限級別的賬號，使教師可以實時上傳資料，同時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)進程，增強交互體驗；又如通過搭建Vuforia開發(fā)環(huán)境，以實現(xiàn)增強現(xiàn)實(Augmented Reality，簡稱 AR)，基于某種介質(zhì)并經(jīng)過仿真后再疊加到真實世界，讓動物模型更立體化，在移動端實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實應(yīng)用，為基礎(chǔ)獸醫(yī)的教學(xué)提供更加優(yōu)質(zhì)的數(shù)字資源。