CN116935005A - 眼眶及眼的解剖虚拟仿真教学实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了眼眶及眼的解剖虚拟仿真教学实验方法，属于眼眶及眼的解剖虚拟仿真教学技术领域，方法包括：采集正常人体头骨CT数据，基于采集的正常人体头骨CT数据建立对应能够操作的3D动态模型；进行肌肉拉伸效果的设置；基于矩阵变换算法进行视图摄像机控制；进行骨和肌肉的实时次表面散射效果展示；将虚拟仿真系统部署到局域网和5G云上，利用5G传输低延迟，解决晕动症问题，使视频传输更加清晰无卡顿，在终端显示高清的VR内容，摆脱昂贵的VR模拟训练器、外接设备；仅使用鼠标、键盘就能在PC端、Web端学习眼科解剖知识，为医学虚拟仿真系统推广开启了技术支持。
Description
技术领域
本发明属于眼眶及眼的解剖虚拟仿真教学技术领域，具体是眼眶及眼的解剖虚拟仿真教学实验方法。
背景技术
目前解剖数据的采集主要通过标本的拍摄和CT、MR影像获取。将收集的影像数据导入3DSlicer医学图像处理软件，实现DICOM信息的导出，标注信息的录入等。使用三维重建软件Mimics提取CT、MR的DICOM影像数据，形成中高精度模型。但是现有技术中具有以下几个问题：
1、需要高配置终端设备支持；传统医学虚拟仿真系统是pc电脑桌面版本的，达到流畅运行对于显卡是有较高的要求，这样的电脑配置有可能会限制部分想要学习的用户。
2、模型光照效果；传统的医学可视化软件中对于骨和肌肉的材质表现基本上是颜色和凹凸的高度变化表现，缺乏在特定光线下材质的次表面散射效果表现。
3、现有技术下解剖模型建立的精度较低。
因此，为了解决上述问题或部分问题，本发明提供了眼眶及眼的解剖虚拟仿真教学实验方法。
发明内容
针对目前VR在眼科解剖教学、培训中存在人数、场地受限，依赖高端设备等问题，提出了眼眶及眼的解剖虚拟仿真教学实验方法，填补了VR技术在眼科解剖教学培训应用中的空白。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
眼眶及眼的解剖虚拟仿真教学实验方法，方法包括：
采集正常人体头骨CT数据，基于采集的正常人体头骨CT数据建立对应能够操作的3D动态模型；进行肌肉拉伸效果的设置；
基于矩阵变换算法进行视图摄像机控制；
进行骨和肌肉的实时次表面散射效果展示；
整合建立虚拟仿真教学系统；
用户进行注册登录，根据预设功能进行眼眶及眼的解剖虚拟仿真实验。
具体的，根据上述描述，结合现有的系统、平台等建立方法进行虚拟仿真教学系统的建立，并根据上述功能设置相应的功能操作步骤，如放大、旋转、恢复视角等功能，对应设置相应的操作方法。
进一步地，3D动态模型的建立方法包括：
通过摄影制图法使用2D图像在一个虚拟空间中创建3D的物体，通过无序的照片或激光扫描创建3D模型；在Maya中进行模型细化，再导入Zbrush软件中，进行模型等级细分及细节制作，使用uvlayout软件在UE4中进行低模展现，再将高模与低模通过xnormal软件进行模型匹配和法线的烘培工作，通过MAYA烘培出颜色位置贴图，再通过Photoshop和SubstancePainter软件导入模型、法线和颜色位置贴图进行整体贴图的制作，最后放入VR引擎中。
进一步地，在Houdini中以基础结点的方式进行肌肉的工作流程重构。
进一步地，肌肉的起始点固定不动。
进一步地，通过多摄像机的差值viewtransform中，所有位于world space中的models都随着camera一起变换。
进一步地，基于矩阵变换算法进行视图摄像机控制的方法包括：
通过当前用户摄像机发射射线，模拟目光方向；射线与解剖模型骨骼或肉组织产生碰撞点；通过碰撞点到摄像机方向、世界坐标向上方向、摄像机剪切面方向利用MakeMatrixByvector模块建立参考矩阵；
通过鼠标在屏幕空间的位移计算出每一帧XY轴屏幕空间的移动和旋转增量；
通过RotateMatrix和transformPositionMatrix节点，计算变换后的矩阵增量；
通过增量变换矩阵和参考矩阵计算摄像机的位置；使用matrix*matrix节点实现视角的变化。
进一步地，在骨和肌肉的实时次表面散射效果展示中，进行浅层半径、浅层颜色、深度半径、深度颜色的设置，设置3S材质的采样数量。
进一步地，虚拟仿真系统部署到局域网和5G云上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用B/S架构，使用3DMAX、Maya、Unity3D等开发工具，结合5G技术、SRT视频传输协议等构建。系统详细、立体展示眼眶及眼的知识点。同时将该虚拟仿真系统部署到局域网和5G云上，利用5G传输低延迟，解决晕动症问题，使视频传输更加清晰无卡顿，在终端显示高清的VR内容，摆脱昂贵的VR模拟训练器、外接设备。仅使用鼠标、键盘就能在PC端、Web端学习眼科解剖知识，为医学虚拟仿真系统推广开启了技术支持。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明原理框图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，眼眶及眼的解剖虚拟仿真教学实验方法；
采用B/S架构，使用3DMAX、Maya、Unity3D等开发工具，结合5G技术、SRT视频传输协议等构建。系统详细、立体展示眼眶及眼的知识点。同时将该虚拟仿真系统部署到局域网和5G云上，利用5G传输低延迟，解决晕动症问题，使视频传输更加清晰无卡顿，在终端显示高清的VR内容，摆脱昂贵的VR模拟训练器、外接设备。仅使用鼠标、键盘就能在PC端、Web端学习眼科解剖知识，为医学虚拟仿真系统推广开启了技术支持。
基于影像数据与图像识别算法的高精度模型生产渲染管线：
将正常人体头骨CT数据采集并转换成可操作的3D动态模型，通过摄影制图法(photogrammetry)摄影制图法软件使用2D图像在一个虚拟空间中创建3D的物体，而photogrammetry拥有目前最为先进的、可以用来进行3D扫描的摄影制图法。通过无序的照片或激光扫描来创建高质量的3D模型。然后在Maya中细化模型，再导入Zbrush软件中，进行模型等级细分及细节制作，再使用uvlayout软件在UE4中进行低模展现，再将高模与低模通过xnormal软件进行模型匹配和法线的烘培工作，通过MAYA烘培出颜色位置贴图，再通过Photoshop和SubstancePainter软件导入模型、法线和颜色位置贴图进行整体贴图的制作，最后放入VR引擎中。
肌肉拉伸效果的实现：
肌肉的拉伸与变形是动态系统需要解决的难点，首先要保证肌肉的起始点是固定不动的；由于考虑到筋膜的客观存在，肌肉是有相互碰撞关系的；选择在Houdini中以基础结点的方式重构了肌肉的工作流程，实现了程序化控制肌肉的变形，对于传统手动调节肌肉的动画方式在工作效率和准确性上有了很大的提升。
示例性的：
物料——使用多种材料类型，产生稳健的运动：StVK，NeoHookean，共旋转，各向异性；
碰撞——使用自动碰撞检测和有机体积守恒响应碰撞物体。
弹性固体——目标弹性固体到外部动画三角网格，以便立即进行二次运动。
绘画——易于涂抹：附着区域，肌肉纤维，肌肉力量，四网分辨率，材料特性等。
高速缓存——将模拟缓存到RAM或磁盘以便快速回放和/或重新启动。
脚本——使用Python工具编写脚本和管道。
网格——将任意三角形网格嵌入到模拟实体中。
肌肉发射——使用脚本肌肉激活力激发/收缩肌肉。
变形球的数量：在flex蓝图中设置肉体变形球的数量，数量越多变形越柔软。
变形球的大小：设置变形球的半径。
变形球的碰撞：设置碰撞范围与可以跟周边几个变形球同时产生碰撞。
对于表面模型的影响：设置变形球对于外表面模型的平滑度影响，影响越小变形体表面越不光滑。
基于矩阵变换算法的视图摄像机控制
解剖网格物体的视图控制有别于传统物体的视图要求，传统的物体视图控制是当物体在画面中以摄像机方式旋转时可以以物体为中心旋转，而当物体在视图边缘的时候，以摄像机方式旋转会发生坐标错误的情况，通常开发者会考虑采取物体自身旋转的方式来解决。这样的解决方案会带来两个不理想的效果：光线会跟随物体旋转的变化而变化影响对于形态的理解，不断增加的网格物体数量会导致系统帧率下降。
基于矩阵变化的视图摄像机算法，通过多摄像机的差值view transform中，所有位于worldspace中的models都随着camera一起变换，所以视野并未发生变化，但是物体的角度发生了旋转，并设置了视图恢复模式，达到较好的教学操作体验。
详细的为：
第一步：通过当前用户摄像机发射射线，模拟目光方向。射线与解剖模型骨骼或肉组织产生碰撞点。通过碰撞点到摄像机方向(x轴)，世界坐标向上方向(z轴)，摄像机剪切面方向(Y轴)利用MakeMatrixBy vector模块建立参考矩阵。
第二步：通过鼠标在屏幕空间的位移计算出每一帧XY轴屏幕空间的移动和旋转增量。
第三步：通过RotateMatrix和transformPositionMatrix节点，计算变换后的矩阵增量。
第四步：通过增量变换矩阵和参考矩阵计算摄像机的位置。使用matrix*matrix节点最终实现视角的变化。虽然视野并未发生变化，但是物体的角度发生了旋转，并设置了视图恢复模式，达到较好的教学操作体验。
关于骨和肌肉实时次表面散射(Sub-Surface-Scattering)效果
传统的医学可视化软件中对于骨和肌肉的材质表现基本上是颜色和凹凸的高度变化表现，缺乏在特定光线下材质的次表面散射效果表现。
次表面散射(Sub-Surface-Scattering)简称3S，用来描述光线穿过透明/半透明表面时发生散射的照明现象，是指光从表面进入物体经过内部散射，然后又通过物体表面的其他顶点出射的光线传递过程，如眼外肌较薄的肌肉部分在背光部分是能看到半透明效果的。而目前该效果多是用于影视动画，本发明是在医学教育可视化领域首次应用于实时渲染并且帧率在90-120fps。
详细的为：
浅层半径：在shader蓝图中设置3S材质不透明区域的范围，可以用一张灰度图来描述0到1的变化。
浅层颜色：设置3S材质不透明区域的颜色，可以用一张SRGB图来描述变化。
深度半径：设置3S材质半透明区域的范围。
深度颜色：设置3S材质半透明区域的范围。
细分：设置3S材质的采样数量，数值越高3S效果越平滑。
上述公式均是去除量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最接近真实情况的一个公式，公式中的预设参数和预设阈值由本领域的技术人员根据实际情况设定或者大量数据模拟获得。
工作原理：将正常人体头骨CT数据采集并转换成可操作的3D动态模型，通过摄影制图法摄影制图法软件使用2D图像在一个虚拟空间中创建3D的物体，而photogrammetry拥有目前最为先进的、可以用来进行3D扫描的摄影制图法。通过无序的照片或激光扫描来创建高质量的3D模型。然后在Maya中细化模型，再导入Zbrush软件中，进行模型等级细分及细节制作，再使用uvlayout软件在UE4中进行低模展现，再将高模与低模通过xnormal软件进行模型匹配和法线的烘培工作，通过MAYA烘培出颜色位置贴图，再通过Photoshop和SubstancePainter软件导入模型、法线和颜色位置贴图进行整体贴图的制作，最后放入VR引擎中。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方法的精神和范围。
Claims (8)
1.眼眶及眼的解剖虚拟仿真教学实验方法，其特征在于，方法包括：
采集正常人体头骨CT数据，基于采集的正常人体头骨CT数据建立对应能够操作的3D动态模型；
进行肌肉拉伸效果的设置；
基于矩阵变换算法进行视图摄像机控制；
进行骨和肌肉的实时次表面散射效果展示；
整合建立虚拟仿真教学系统；
用户进行注册登录，根据预设功能进行眼眶及眼的解剖虚拟仿真实验。
2.根据权利要求1所述的眼眶及眼的解剖虚拟仿真教学实验方法，其特征在于，3D动态模型的建立方法包括：
通过摄影制图法使用2D图像在一个虚拟空间中创建3D的物体，通过无序的照片或激光扫描创建3D模型；在Maya中进行模型细化，再导入Zbrush软件中，进行模型等级细分及细节制作，使用uvlayout软件在UE4中进行低模展现，再将高模与低模通过xnormal软件进行模型匹配和法线的烘培工作，通过MAYA烘培出颜色位置贴图，再通过Photoshop和SubstancePainter软件导入模型、法线和颜色位置贴图进行整体贴图的制作，最后放入VR引擎中。
3.根据权利要求1所述的眼眶及眼的解剖虚拟仿真教学实验方法，其特征在于，在Houdini中以基础结点的方式进行肌肉的工作流程重构。
4.根据权利要求1所述的眼眶及眼的解剖虚拟仿真教学实验方法，其特征在于，肌肉的起始点固定不动。
5.根据权利要求1所述的眼眶及眼的解剖虚拟仿真教学实验方法，其特征在于，通过多摄像机的差值viewtransform中，所有位于worldspace中的models都随着camera一起变换。
6.根据权利要求5所述的眼眶及眼的解剖虚拟仿真教学实验方法，其特征在于，基于矩阵变换算法进行视图摄像机控制的方法包括：
通过当前用户摄像机发射射线，模拟目光方向；射线与解剖模型骨骼或肉组织产生碰撞点；通过碰撞点到摄像机方向、世界坐标向上方向、摄像机剪切面方向利用MakeMatrixByvector模块建立参考矩阵；
通过鼠标在屏幕空间的位移计算出每一帧XY轴屏幕空间的移动和旋转增量；
通过RotateMatrix和transformPositionMatrix节点，计算变换后的矩阵增量；
通过增量变换矩阵和参考矩阵计算摄像机的位置；使用matrix*matrix节点实现视角的变化。
7.根据权利要求1所述的眼眶及眼的解剖虚拟仿真教学实验方法，其特征在于，在骨和肌肉的实时次表面散射效果展示中，进行浅层半径、浅层颜色、深度半径、深度颜色的设置，设置3S材质的采样数量。
8.根据权利要求1所述的眼眶及眼的解剖虚拟仿真教学实验方法，其特征在于，将虚拟仿真实验系统部署到局域网和5G云。
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| PB01 | Publication | ||
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