許玉龍,張佩江,王忠義,盛夢園,趙玉梅,王兵營

(1.河南中醫(yī)藥大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院,河南 鄭州 450046; 2.鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院,河南 鄭州 450003;3.河南中醫(yī)藥大學(xué)第三附屬醫(yī)院,河南 鄭州 450046)

0 引 言

中醫(yī)是中國文化的國粹之一，而人體經(jīng)絡(luò)穴位是中醫(yī)最具特色的內(nèi)容。但人體經(jīng)絡(luò)穴位數(shù)目龐大，在學(xué)習(xí)實踐中難于記憶。為此，中醫(yī)學(xué)者們制作了人體穴位的模擬實物及掛圖，準確標出穴位的位置和名稱，這樣對記憶起到了一定輔助作用，但由于較為枯燥，還是存在學(xué)習(xí)難、記憶難問題。隨著計算機、三維仿真技術(shù)的發(fā)展[1]，相關(guān)專業(yè)人員不斷地研究，試圖制作出更具形象化的經(jīng)絡(luò)穴位人體模型。

相關(guān)學(xué)者提出將數(shù)字化引入針灸學(xué)領(lǐng)域，使針灸學(xué)三維立體表達模式歷經(jīng)數(shù)代得以實現(xiàn)[2]。并以此為平臺，促進針灸學(xué)在經(jīng)絡(luò)、腧穴實質(zhì)研究，使得針灸治療機理探討及臨床教學(xué)方面有新的突破[3]。

鄭紹華等人[4]通過樣條曲線在計算機中擬合了人體經(jīng)絡(luò)線，并利用VC++和OpenGL(Open Graphics Library)三維圖形庫，設(shè)計了一種在三維環(huán)境下人機交互式的操作來引導(dǎo)經(jīng)絡(luò)循行動畫，達到實時仿真的效果，但只是對人體經(jīng)絡(luò)線進行了三維仿真。黃詠等人[5]將經(jīng)絡(luò)研究成果與圖形學(xué)結(jié)合，使用Maya軟件和微軟工具包，構(gòu)建了動態(tài)演示的三維虛擬人體模型。該模型具有良好的視覺效果，為經(jīng)絡(luò)和針灸的教學(xué)演示提供幫助。類似地，楊宇航等人[6]將虛擬現(xiàn)實應(yīng)用于針灸的教學(xué)與訓(xùn)練，他們使用三維掃描和逆向工程方法，建立三維人體模型VRML文件，然后建立VRML格式小球表示模型上的穴位點，最后將人體模型、穴位小球、經(jīng)絡(luò)線以及穴位說明文件整合，實現(xiàn)了針灸教學(xué)輔助系統(tǒng)。

現(xiàn)有虛擬人體技術(shù)反映了解剖學(xué)上的細節(jié)，但未能對經(jīng)絡(luò)和中醫(yī)人體穴位解剖進行描述。針對該問題，羅群芳等人[7]以人體穴位真實標本為基礎(chǔ)，用3DMAX技術(shù)建立穴位定位及針刺方向描述模型，以及層次型文本知識體系解釋模型。類似地，在三維人體模型數(shù)據(jù)的讀取、顯示、穴位信息顯示，皮膚變形仿真及虛擬針灸過程仿真設(shè)計方面，相關(guān)學(xué)者[8-9]進行了深入研究與探索。陳沁[8]把中醫(yī)經(jīng)絡(luò)和計算機可視化技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)了三維人體經(jīng)絡(luò)可視化展示系統(tǒng)，并將模型顯示、經(jīng)絡(luò)顯示等功能移植到移動設(shè)備。毛燁[9]結(jié)合圖形學(xué)和三維動畫技術(shù)，在虛擬人體經(jīng)絡(luò)系統(tǒng)中對針灸操作過程進行仿真，尤其是通過皮膚變形效果來模擬針灸過程中力的作用。長期以來，在中醫(yī)經(jīng)絡(luò)腧穴學(xué)實驗教學(xué)中，所用掛圖和模型缺乏交互性，孫杰等人[10]針對該問題，采用三維虛擬場景描述的VRML語言，開發(fā)了可直觀、形象、多視角展示的人體經(jīng)絡(luò)腧穴系統(tǒng)。最近，張季等人[11]在Unity3D平臺上設(shè)計了數(shù)字人體腧穴教學(xué)信息系統(tǒng)，為經(jīng)絡(luò)、腧穴教學(xué)提供了新的方法和手段，也為中醫(yī)針刺知識普及提供了新的途徑。

利用信息技術(shù)對人體經(jīng)絡(luò)穴位的研究屬于交叉學(xué)科研究領(lǐng)域，也是近年來研究的熱點。但總結(jié)上述成果發(fā)現(xiàn)：1)現(xiàn)有的虛擬人體經(jīng)絡(luò)模型主要用于教學(xué)，經(jīng)絡(luò)和穴位都是以明文的方式在模型表面顯示，較少模型具有穴位測試與練習(xí)功能。2)模型較少具有交互功能，目前，隨著觸控一體機、展示機等觸摸式設(shè)備的普及，如果模型能夠運行在大型的觸摸展示設(shè)備，并具有較好的人機交互功能，則將有較高的應(yīng)用和推廣價值。

針對上述存在問題，本文基于OpenGL和MFC(Microsoft Foundation Classes)技術(shù)，設(shè)計開發(fā)可交互式的虛擬人體經(jīng)絡(luò)穴位模型。首先采用3DMAX建立人體模型以及穴位點、經(jīng)絡(luò)線段，然后利用OpenGL結(jié)合MFC類庫開發(fā)，對模型、穴位點、經(jīng)絡(luò)線加載和渲染，并部署運行到觸摸式一體機上。并且詳細闡述系統(tǒng)實現(xiàn)的框架和流程，以及在開發(fā)過程中涉及的關(guān)鍵技術(shù)，如使用動態(tài)方向調(diào)整來顯示穴位點名稱，使用全局函數(shù)傳遞消息來提高模型加載響應(yīng)的效率，給出觸摸點坐標快速獲取的方法。模型具有動態(tài)人機交互功能，用手指觸摸能夠?qū)崿F(xiàn)模型的放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、定穴、經(jīng)絡(luò)循環(huán)等操作。模型具有穴位測試功能，該功能下所有穴位信息在人體表面均不顯示，當(dāng)手指觸發(fā)到正確的穴位位置時，其名稱才顯示并播放穴位信息。模型系統(tǒng)具有較好的交互性，能夠幫助針灸專業(yè)學(xué)生、醫(yī)療人員學(xué)習(xí)和測試經(jīng)絡(luò)穴位信息。

1 研究理論與基礎(chǔ)

1.1 經(jīng)絡(luò)穴位的定位

在對經(jīng)絡(luò)穴位定位時，選取標準亞洲男性作為基礎(chǔ)模型，依據(jù)“同身寸”概念建立與基礎(chǔ)模型密切相關(guān)的三維坐標[12]。該坐標系是一個絕對坐標系，它與實際尺寸的對應(yīng)關(guān)系與三維數(shù)據(jù)分辨率有關(guān)，與圖像的具體內(nèi)容無關(guān)。同時，嚴格依照經(jīng)絡(luò)腧穴的國家標準，對經(jīng)絡(luò)和穴位進行定位及標注[13-14]。

1.2 MFC框架和OpenGL

MFC是微軟的類庫，以C++類形式封裝了Windows的API，且包含應(yīng)用程序框架，減少開發(fā)人員的工作量。它包含大量Windows句柄封裝類、內(nèi)建控件和組件封裝類[15]。讓用戶容易地使用微軟專業(yè)的SDK來進行應(yīng)用程序開發(fā)，同時又集成了C++運行高效的優(yōu)勢。因此，本文采用MFC類庫開發(fā)用戶交互界面模塊，并利用函數(shù)回調(diào)機制實現(xiàn)模塊間的通信，相關(guān)實例證明該方法可有效提高軟件的效率和穩(wěn)定性[16]。

但是，僅有界面交互模塊不能滿足三維人體模型的動態(tài)渲染，本文采用OpenGL來實現(xiàn)模型的渲染。OpenGL是一個跨編程語言、跨平臺的編程接口，也是一個功能強大、調(diào)用方便的底層圖形庫[17-18]。它可以與Visual C++緊密對接，保證算法的正確性和可靠性。它能實現(xiàn)點、線、復(fù)雜的三維物體建模，也可以實現(xiàn)平移、旋轉(zhuǎn)等變換，其變換方法有利于減少算法的運行時間，提高三維圖形的顯示速度。

因此，本文在Visual Studio開發(fā)環(huán)境下，利用OpenGL和MFC優(yōu)勢互補實現(xiàn)人體模型的構(gòu)建和交互，仿真實現(xiàn)三維人體模型并高效加載渲染模型以及動態(tài)人機交互的目的。

2 仿真方法與實現(xiàn)過程

2.1 建立三維人體模型

建立初始模型是一個三維的亞洲裸體男性，使用3DMAX建立初始人體模型，人體模型的表面光滑如圖1所示。注意初始模型表面沒有穴位點等任何信息。

圖1 三維人體模型圖

2.2 建立穴位點

在中醫(yī)腧穴專業(yè)教師的指導(dǎo)下，依據(jù)經(jīng)絡(luò)穴位國家標準[12]，利用Maya軟件建立穴位點和經(jīng)絡(luò)線段，建立方法如下：

1)導(dǎo)入人體基礎(chǔ)模型，建立穴位點—打開場景—找到文件people模型，選中人物模型，激活選定對象，如圖2所示。

圖2 激活選定對象

2)點擊菜單欄—創(chuàng)建—多邊形基本體—球體，如圖3所示(注意：交互式創(chuàng)建處于勾選狀態(tài))。

圖3 創(chuàng)建多邊形球體

3)調(diào)整球體大小，按下鼠標左鍵進行拖拽，調(diào)整球體(即穴位點)大小至合適為止，如圖4所示。操作快捷鍵分別為q選擇目標、w移動目標、e旋轉(zhuǎn)目標、r調(diào)整目標大小。

圖4 調(diào)整穴位點大小及位置

穴位點圓球和角色為父子關(guān)系，即身體變大穴位球會跟著變大。

2.3 建立經(jīng)絡(luò)線段

1)點擊菜單欄—創(chuàng)建—多邊形基本體—圓柱體，如圖5所示(注意：交互式創(chuàng)建選項為不勾選狀態(tài))。

圖5 創(chuàng)建圓柱體的經(jīng)絡(luò)線段

2)用工具架的縮放工具對圓柱體縮小到適合的大小，用移動工具移動到合適的位置，如圖6所示。

圖6 調(diào)整經(jīng)絡(luò)線段位置和大小

3)對線段分片，即調(diào)整細分數(shù)。在工作區(qū)通道欄—輸入—polyCylinder1—將高度細分數(shù)調(diào)大到8或10，如圖7所示。

圖7 調(diào)整高度細分數(shù)

4)將經(jīng)絡(luò)線調(diào)整彎曲，以便緊貼在人體模型皮膚的表面。選擇圓柱體模型—點擊鼠標右鍵—選擇頂點，如圖8所示。

5)用移動工具和旋轉(zhuǎn)工具分別調(diào)整每一圈的頂點使其與皮膚表面貼合，如圖9所示。

圖9 調(diào)整每一圈頂點

6)在圓柱體上鼠標右鍵切換到對象模式，如圖10所示。

圖10 切換到對象模式

7)在圓柱體選中狀態(tài)下，執(zhí)行菜單欄—法線—軟化邊。圓柱體形狀會更加平滑，如圖11所示。

圖11 軟化邊

依上述方法，建立其他穴位點之間的經(jīng)絡(luò)線段。需要注意的是，在創(chuàng)建穴位點時需勾選“交互式創(chuàng)建”選框，但創(chuàng)建經(jīng)絡(luò)線段時，不需勾選該項。

基于中醫(yī)經(jīng)絡(luò)穴位理論和國家標準[14]，按照上述方法創(chuàng)建人體模型、所有穴位點、穴位點之間線段等基礎(chǔ)工作后，分別將其導(dǎo)出為obj格式文件，供后期程序調(diào)用。共創(chuàng)建1個人體模型(body.obj)和12條經(jīng)絡(luò)，每條經(jīng)絡(luò)中包含若干個穴位點、點間線段。每個經(jīng)絡(luò)包含的所有文件存到一個文件夾中，命名為該經(jīng)絡(luò)的拼音首字母，如圖12所示，其中1_styfj文件夾存儲的是手太陰肺經(jīng)穴所包含的所有穴位點、線段、錄音文件。打開手太陰肺經(jīng)文件夾，其包含的穴位點、經(jīng)絡(luò)線段如圖13所示，其中point是穴位點、segment是線段、wav文件是對應(yīng)穴位點的語音，用于點擊穴位點時播放該穴位信息。

圖12 創(chuàng)建的人體經(jīng)穴模型文件夾

圖13 手太陰肺經(jīng)穴位點和經(jīng)絡(luò)線模型文件

2.4 基于MFC和OpenGL仿真實現(xiàn)方法

三維人體經(jīng)絡(luò)穴位模型采用MFC和OpenGL進行實現(xiàn)。在VS工程中創(chuàng)建以下幾個類：類CBodyRenderDlg實現(xiàn)整個模型的調(diào)用及框架，是工程功能的主要文件；類CObjLoadModel實現(xiàn)模型的加載功能；類CObjModelRender實現(xiàn)模型的渲染及處理，是顯示模型的具體方法；類CControlPanelDlg實現(xiàn)不同功能之間切換。

穴位顯示功能實現(xiàn)過程為：程序運行時，初始化InitInstance()函數(shù)，創(chuàng)建CBodyRenderDlg類實例dlg。

1)類CBodyRenderDlg是工程實現(xiàn)功能的主要實現(xiàn)文件，進入類的構(gòu)造函數(shù)。構(gòu)造時分別構(gòu)造類CObjModelRende實例m_openglRender，類CObjLoadModel實例m_model，類CControlPanelDlg實例m_ctrlPanelDlg。

2)依次進入上述實例的構(gòu)造函數(shù)，上述全部初始化完成，返回類CBodyRenderDlg中，進入OnInitDialog()函數(shù)，在此函數(shù)中調(diào)用OnPaint()函數(shù)。

3)然后執(zhí)行m_openglRender.Render，即調(diào)用類CObjModelRender中的Render函數(shù)。其功能是渲染模型，依據(jù)傳遞的模型和功能選擇值，調(diào)用OpenGL函數(shù)渲染顯示模型，默認功能值是穴位顯示功能。

4)渲染模型和穴位，進入穴位顯示功能。

穴位記憶功能實現(xiàn)方法：系統(tǒng)運行時默認進入穴位顯示功能。

1)點擊穴位記憶功能時，類CControlPanelDlg中的函數(shù)OnBnClickedAcupointsLearnBtn()被響應(yīng)。

2)::PostMessageW(GetParent()->GetSafeHwnd(), WM_ACUPOINT_LEARN, 0, 0)函數(shù)被調(diào)用，功能是向窗體BodyRenderDlg發(fā)送消息，到CBodyRenderDlg類中的OnAcupointsLearn函數(shù)，實現(xiàn)具體功能。

3)然后進入類CBodyRenderDlg中的OnAcupointsLearn()函數(shù)，修改功能參數(shù)為記憶功能。

4)調(diào)用m_openglRender.Render()函數(shù)。渲染、傳遞模型obj和rp.DisplayModel值，依據(jù)DisplayMode值進行功能選擇。在Render函數(shù)中調(diào)用CObjModelRender::DisplayAcupoints()函數(shù)。

5)進入DisplayAcupoints()函數(shù)，它是顯示穴位最底層的實現(xiàn)函數(shù)。注意，它可在各種功能下被調(diào)用，依據(jù)rp.nDisplayModel的值來判斷具體某個功能。

6)切換到穴位記憶功能結(jié)束，屏幕上只顯示穴位點，不顯示穴位名稱。

在穴位記憶功能中，當(dāng)點擊穴位點時該穴位名稱即被顯示出來，具體實現(xiàn)過程如下。

7)點擊穴位點時，函數(shù)OnLButtonDown()被響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)m_renderParam.nDisplayModel的值為穴位記憶功能，即在此功能下，調(diào)用獲取指針光標的函數(shù)CObjModelRender::DisplayNameAccordCoor()，判斷點擊的光標是否在穴位點上。

8)CObjModelRender::DisplayNameAccordCoor()函數(shù)被執(zhí)行，確定光標在穴位點上，然后調(diào)用Render(pObj, rp)函數(shù)，OpenGL渲染。

9)進入函數(shù)Render()實現(xiàn)渲染。判斷在穴位記憶功能下，調(diào)用函數(shù)DisplayAcupoints()，顯示該穴位的名稱，實現(xiàn)功能。

經(jīng)絡(luò)學(xué)習(xí)功能的實現(xiàn)過程與上述2個功能類似，在此不再詳述。

2.5 實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

在模型仿真實現(xiàn)過程中，遇到諸多問題和困難，通過對問題分析研究，本文采用一些關(guān)鍵技術(shù)來解決遇到的問題，主要有以下3個方面。

技術(shù)1解決穴位名顯示問題?，F(xiàn)有實體模型在顯示穴位名時，都直接顯示于模型皮膚表面。本文的三維虛擬人體經(jīng)絡(luò)穴位模型在初始版本中，將穴位名字顯示于模型表面。但是，由于模型具有放大、縮小功能，且模型表面不平整，存在起伏，使得穴位名稱在顯示時，出現(xiàn)重疊、顯示不完整、部分文字內(nèi)嵌到皮膚內(nèi)等問題。

為解決該問題，本文使用延長線動態(tài)調(diào)整方法來顯示穴位名稱，使得在不同視角下，穴位名稱都能完整正常地顯示。具體算法如算法1所示。

算法1

輸入：人體模型和穴位點模型

輸出：穴位點延長線及穴位名

1 定義穴位點的6種顯示方向,分別為前、后、左、右、上、下

2 For當(dāng)前視角中，計算視角度數(shù)及包括的穴位點

3 For每一個穴位點

4 計算穴位點視角與當(dāng)前屏幕視角的差異

5 If視角方向差異同向

6 延長線顯示穴位名

7 調(diào)整顯示方向為上下

8 If視角方向差異為垂直

9 延長線顯示穴位名

10 調(diào)整顯示方向為左右

11 If視角方向差異為逆向

12 延長線顯示穴位名

13 調(diào)整顯示方向為前后

14 End

15 End

技術(shù)2穴位、經(jīng)絡(luò)線段數(shù)量較大。不包含奇穴，人體共有14經(jīng)脈361穴位，即建立了361個穴位點模型，約350個點間線段模型，上述每個模型都是一個用文本存儲的obj文件，存儲了模型的頂點、法線、紋理坐標和材質(zhì)信息，系統(tǒng)需要對所有的模型進行加載渲染。

在加載渲染時，全部使用指針、指針數(shù)組、指針向量來操作，提高加載運行的效率。特別是在功能切換時，為提高加載速度，使用全局函數(shù)來傳遞消息。如::PostMessageW(GetParent()->GetSafeHwnd(),WM_ACUPOINT_L, 0, 0)。WM_ACUPOINT_L是功能的選項值。

技術(shù)3觸摸響應(yīng)的實現(xiàn)方法。觸摸屏為42吋以上的大屏幕。觸摸控制的實現(xiàn)見圖14～圖15。當(dāng)在電極施加電壓時，導(dǎo)電層會形成均勻的電壓分布。計算觸摸點的X軸、Y軸坐標的方法如下：若在X方向的電極對上施加電壓，而Y方向電極對不加電壓，在X平行電壓場中，觸點處電壓值可在Y+(或Y-)電極上得出，測量Y+電極對地的電壓值，便可得觸點的X坐標值。同理，當(dāng)在Y電極對上施加電壓，X電極對上不施加電壓，測量X+電極電壓，可得知觸點的Y坐標。測量原理如圖16～圖17所示。

圖14 觸摸控制實現(xiàn)電路圖

圖15 觸摸點示意圖

圖16 觸摸點X坐標值

圖17 觸摸點Y坐標值

依據(jù)圖16～圖17，使用以下公式計算出其坐標值，計算X坐標值如式(1)所示：

(1)

計算Y坐標值如式(2)所示：

(2)

取得X和Y的坐標值以后，交由消息響應(yīng)函數(shù)，根據(jù)功能需要來進行下一步處理。

3 系統(tǒng)功能演示

如前所述，本仿真人體模型系統(tǒng)主要有3個功能，詳見圖18所示。

圖18 模型系統(tǒng)功能模塊

1)穴位顯示功能。點擊該功能，人體模型表面顯示所有穴位點，同時顯示穴位名稱，模型能夠放大、縮小、旋轉(zhuǎn)，如圖19所示。

圖19 穴位顯示功能

2)穴位記憶功能。該功能的模型表面只顯示穴位點，不顯示穴位名稱。當(dāng)點擊某個穴位點時，屏幕上會顯示出該穴位的名稱、位置信息，并播放該穴位錄音。如圖20所示。

3)經(jīng)絡(luò)學(xué)習(xí)功能。選擇該功能時，系統(tǒng)給出所有經(jīng)絡(luò)的名稱和顏色(類似于地鐵售票時所有站點展示)，用戶選擇某一個經(jīng)絡(luò)時，模型表面僅僅顯示出該經(jīng)絡(luò)的所有穴位，并且從該經(jīng)絡(luò)的初始穴位開始，逐一連線動畫顯示每個穴位點和穴位名，直到最后的穴位被顯示，同時播放經(jīng)絡(luò)介紹的錄音，如圖21所示。

圖21 經(jīng)絡(luò)學(xué)習(xí)功能

系統(tǒng)的所有功能，都能夠?qū)崿F(xiàn)對模型的旋轉(zhuǎn)、放大、縮小、移動等操作。系統(tǒng)能夠安裝在立式一體機中，實現(xiàn)用手指完全觸控屏幕操作，具有良好的交互性和展示效果，目前該系統(tǒng)產(chǎn)品已經(jīng)開發(fā)完成，且在河南中醫(yī)藥大學(xué)第三附屬醫(yī)院內(nèi)部的展覽館投入使用，現(xiàn)處于商業(yè)推廣階段。系統(tǒng)的動態(tài)展示視頻見網(wǎng)址www.xuyulong.com頁面最底部，點擊成果展示視頻。

4 結(jié)束語

本文介紹了交互式三維虛擬人體經(jīng)絡(luò)穴位模型系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。首先建立人體模型以及穴位點、經(jīng)絡(luò)線段，然后利用MFC和OpenGL對模型、穴位點、經(jīng)絡(luò)線加載和渲染，并部署到觸摸式一體機上。并且，詳細闡述了系統(tǒng)實現(xiàn)的框架和流程，以及在開發(fā)過程中涉及的關(guān)鍵技術(shù)，如使用動態(tài)方向調(diào)整來顯示穴位點名稱、使用全局函數(shù)傳遞消息來提高模型加載響應(yīng)的效率、給出觸摸點坐標快速獲取的方法。模型系統(tǒng)具有動態(tài)人機交互功能，用手指觸摸能夠?qū)崿F(xiàn)模型的放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、定穴、經(jīng)絡(luò)循環(huán)等操作。模型系統(tǒng)較好的交互性能幫助針灸師學(xué)習(xí)和測試穴位掌握情況，也為穴位愛好者提供較真實的穴位知識。

目前該系統(tǒng)產(chǎn)品第一個版本已經(jīng)開發(fā)完成。下一步將繼續(xù)完善修復(fù)系統(tǒng)存在的漏洞，以及加快推廣到實際有需求的部門。

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