CN111667906B - 一种眼球结构虚拟教学***及其数字模型建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种眼球结构虚拟教学***，包括：眼球结构数据采集模块，用于采集或导入眼球的结构数据；医学资料模块，用于储存或更新与眼球相关的健康与病变数据；数字模型模块，用于根据眼球结构数据和健康与病变数据生成三维眼球结构模型；控制模块，用于生成控制指令；全息设备模块，用于根据控制指令播放三维眼球结构模型。本发明可以根据不同的眼部疾病实时制作不同的眼科模型，便于不同眼球模型展示和眼科普及教学。本发明还公开了一种用于眼球结构虚拟教学***的模型建立方法。

Description

一种眼球结构虚拟教学***及其数字模型建立方法

技术领域

本发明涉及虚拟教学***领域，特别涉及一种眼球结构虚拟教学***及其数字模型建立方法。

背景技术

眼科教具实物模型是通过实物的方式来表述眼球结构，使得教学活动更为直观，利于理解。但是，实物模型的制作较为繁琐，导致实物模型价格较高，难以普及。同时，由于实物模型对教学的帮助作用的大小，取决于实物模型制作的精细程度以及是否可以拆解后展示内部结构。即使实物模型制作精细，还会存在如何展示病变过程、如何与讲解内容进行配合以及实物模型内部各结构如何进行对应教学的困难，导致受教者难以理解，施教者重复工作多等劣势。这些劣势一直阻碍着眼科普及教学的发展。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的一方面的实施例提供一种眼球结构虚拟教学***，包括：

眼球结构数据采集模块，用于采集或导入眼球的结构数据；

医学资料模块，用于储存或更新与眼球相关的健康与病变数据；

数字模型模块，用于根据眼球结构数据和健康与病变数据生成三维眼球结构模型；

控制模块，用于生成控制指令；

全息设备模块，用于根据控制指令播放三维眼球结构模型。

采用上述技术方案，可以根据不同的眼部疾病实时制作不同的眼科模型，便于不同眼球模型展示和眼科普教学。

进一步地，病变数据包括眼球的近视过程。

进一步地，三维眼球结构模型为图片、音频和视频的组合。

进一步地，还包括：遥控模块，用于获取用户的操作信息，并将操作信息传送至控制模块。

进一步地，还包括：语音模块，包括语音特征模型库和语音数据采集模块，语音特征模型库用于储存与三维眼球结构模型和医学资料对应的语音特征模型，语音数据采集模块用于采集并识别语音数据，以及将采集到的语音数据和语音特征模型比对匹配，并将匹配结果传送至控制模块。

进一步地，还包括：服务模块，包括预防模块和体验模块，预防模块用于介绍各种眼部疾病的基本信息和预防知识，体验模块提供眼睛治疗仿真场景。

本发明的另一方面的实施例提供一种用于眼球结构虚拟教学***的数字模型建立方法，包括以下步骤：

采集或导入眼球结构数据；

储存或更新与眼球相关的健康与病变数据；

根据储存的眼球结构数据和健康与病变数据生成三维眼球结构模型；

根据全息影像设备的设备参数，匹配动画演绎视频至三维眼球结构模型；

制作虚拟贴图、虚拟灯光及特效，并将虚拟贴图、虚拟灯光及特效导入全息影像设备渲染三维眼球结构模型；

获取用户的操作信息并生成控制指令；

根据控制指令播放三维眼球结构模型。

进一步地，还包括：输入逻辑控制运算方法，设定全息影像设备和遥控模块以实现全息影像设备和遥控模块的匹配。

进一步地，还包括：调整三维眼球结构模型的材质。

附图说明

图1是本发明的一方面的一实施例提供的一种眼球结构虚拟教学***的结构示意图；

图2是本发明的一方面的另一实施例提供的一种眼球结构虚拟教学***的结构示意图；

图3是本发明的另一方面的一实施例提供的一种用于眼球结构虚拟教学***的数字模型建立方法的流程图；

图4是本发明的另一方面的另一实施例提供的一种用于眼球结构虚拟教学***的数字模型建立方法的流程图；

图5是本发明的另一方面的又一实施例提供的一种用于眼球结构虚拟教学***的数字模型建立方法的流程图。

附图标记：

眼球结构数据采集模块 100；

医学资料模块 200；

数字模型模块 300；

控制模块 400；

全息设备模块 500；

遥控模块 600；

语音模块 700；

语音特征模型库 701；

语音数据采集模块 702；

服务模块 800；

预防模块 801；

体验模块 802。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合较佳实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应注意的是，在本说明书中，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

眼科教具模型是通过实物模型的方式来表述眼部疾病的成因过程，然而实物模型制作繁琐，也较难通过实物模型讲解疾病的成因过程，同时一个眼科教具模型通常只能演示一种固定的疾病成因过程无法面面俱到地展示疾病的形成细节。

本发明的***可用于加载眼球模型结构数据，可根据具体需求随时扩展，开发并建立高品质三维眼球结构模型。不同于普通的眼球模型，本发明建立的三维眼球结构模型更精细地呈现眼球结构材质。使用多种软硬件如：Maya、3dsMax、AfterEffect等相结合开发，并对三维眼球结构模型进行动画制作，数据采集与修补，形成完整的三维眼球结构模型。

如图1所示，本发明的一方面的一实施例公开了一种眼球结构虚拟教学***，包括：

眼球结构数据采集模块100，用于采集或导入眼球结构数据；

医学资料模块200，用于储存或更新与眼球相关的健康与病变数据；

数字模型模块300，用于根据眼球结构数据和健康与病变数据生成三维眼球结构模型；

控制模块400，用于生成控制指令；

全息设备模块500，用于根据控制指令播放三维眼球结构模型。

眼球结构采集模块100用于采集或导入眼球的结构数据，例如眼球的感光***由外层膜、中层膜和内层膜构成，外层膜包括角膜和巩膜，中层膜包括葡萄膜，内层膜包括视网膜；眼球的屈光***由角膜、房水、晶状体和玻璃体构成。眼球结构采集模块100可以通过外接设备（例如传感器）采集眼球的结构数据，也可以直接导入眼球的结构数据。

医学资料模块200储存和更新与眼球相关的健康与病变数据并建立各个健康数据与病变数据的对应关系。例如，病变数据可以是近视形成过程：晶状体靠悬韧带附着在一圈睫状肌上，远眺时，远处光线恰好聚焦在视网膜上，成像清晰；看近时，焦点落在视网膜后面，睫状肌收缩，悬韧带放松，从而成像在视网膜上。长时间过度看近时，睫状肌始终处于收缩状态，造成看东西模糊的情况，这就是假性近视。假性近视通过休息或使用药物后视力可改善或完全恢复，如果睫状肌长时间处于收缩状态，会从假性近视演变为真性近视。同时，医学资料模块200可以连接外部服务器实时更新与眼球相关的健康与病变数据，也可以设置导入接口用于导入与眼球相关的健康与病变数据。

数字模型模块300分别与眼球结构数据采集模块100和医学资料模块200连接，并根据眼球的结构数据和健康与病变数据生成三维眼球结构模型（包括图片、音频和/或视频），例如健康的三维眼球结构模型、近视的三维眼球结构模型、健康的三维眼球结构模型演变为近视的三维眼球结构模型的视频等。数字模型模块300采用融合变形编辑对柔性物体进行动画的制作，通过Maya和3dsMax完成不规则物品的挤压、拉伸、切开、扭曲及其它变形动画来模拟眼球内部渲染产生的变化，通过3dsMax逐层渲染三维眼球结构模型的材质使角膜、房水、晶状体和玻璃体的光影效果更好，通过AfterEffect对三维眼球结构模型进行分层渲染。数字模型模块300制作虚拟贴图，并根据脚本，制作眼球三维建模和动画。眼球三维建模采用标准数据进行模型三维重构与拓扑，最后完成三维眼球结构模型建模、优化、贴图和美化。数字模型模块300通过3dsMax将三维眼球结构模型生成数字化素材，并根据数字化素材生成与三维眼球结构模型相关动画演示相适应的灯光体系。同时数字模型模块300还可以给三维眼球结构模型的各个部位设置触发事件，当该部位发生触发事件，将产生的触发信号传送至控制模块400，控制模块400根据触发信号控制全息设备模块500播放与该部位相关的健康与病变数据，例如近视的形成过程的视频和音频。

全息设备模块500与控制模块400连接，全息设备模块500包括外壳体、显示装置和成像装置。显示装置设置在外壳体的顶面，且显示装置的显示屏朝向外壳体的底面；成像装置是由四块玻璃板围成的四棱锥，成像装置固定设置在外壳体内，其底面设置在外壳体的底部，其顶点与外壳体的显示装置的显示屏中心重合。显示装置将三维眼球结构模型转化成前、后、左、右四个方向完全同步的图像，显示屏播放转换后的图像，图像在成像装置前、后、左、右四个方向上的玻璃板上进行投影形成全息影像。显示装置可以是固定设置在外壳体顶面的显示屏，也可以是放置在外壳体顶面的终端设备，如平板电脑、笔记本电脑等。

如图2所示，本发明的一方面的另一实施例中还包括：

遥控模块600，用于获取用户的操作信息,并将操作信息传送至控制模块400；

语音模块700，包括语音特征模型库701和语音数据采集模块702，语音特征模型库701用于储存与三维眼球结构模型和医学资料模块200对应的语音特征模型，语音数据采集模块702用于采集并识别语音数据，以及将采集到的语音数据和语音特征模型比对匹配，并将匹配结果传送至控制模块400；和

服务模块800，包括预防模块801和体验模块802，预防模块801用于介绍各种眼部疾病的基本信息和预防知识，体验模块802提供眼睛治疗仿真场景。

遥控模块600用于获取用户的操作信息,并将操作信息传送至控制模块400。用户可以通过遥控模块600选择三维眼球结构模型的各个部位、预防模块801的眼部疾病的基本信息和预防知识、体验模块802的仿真场景等，并将操作信息传送至控制模块400。例如，用户通过遥控模块选择体验模块802中的近视矫正的仿真场景，则遥控模块生成相应的操作信息发送至控制模块400，控制模块400控制全息设备模块500播放近视矫正的仿真场景。

语音模块700包括语音特征模型库701和语音数据采集模块702。语音特征模型库701用于储存与眼球结构采集模块100和医学资料模块200对应的语音特征模型。语音数据采集模块702用于采集并识别语音数据。将采集到的语音数据和语音特征模型库701比对匹配，当语音数据与医学资料模块对应的语音特征模型相匹配时，生成触发信号发送至控制模块400；当语音数据与医学资料模块200对应的语音特征模型不匹配时，不生成触发信号。例如，语音特征模型为“近视”，当用户说出“近视”时，语音数据采集模块采集到语音数据“近视”并从语音特征模型库中匹配到“近视”的语音模型，语音模块生成触发信号发送至控制模块，控制模块控制全息设备模块播放近视的形成过程的视频和音频。

服务模块800与控制模块400连接，通过全息设备模块500展示眼球健康教育体验数据。服务模块800也与遥控模块600连接，用户通过遥控模块600选择服务模块800并生成用户操作信息发送至控制模块400。服务模块800包括预防模块801和体验模块802。其中，预防模块801用于介绍各种眼部疾病的基本信息和预防知识，可详细介绍眼科常见疾病的分类、内容涉及近视、远视、弱视等眼科知识。体验模块802用于提供眼睛治疗仿真场景，眼睛治疗仿真场景包括虚拟眼睛门诊治疗室、近视矫正、远视矫正、弱视矫正等治疗场景体验。把全息技术应用在眼睛健康宣教上，突破了传统健康宣教在时间和空间的限制，健康宣教不再是枯燥的知识讲解，多媒体宣教不再局限于图片和视频展示，眼疾患者可以直接参与到疾病介绍中，亲身去感受虚拟健康宣教环境，为眼疾患者提供了多种感官刺激，激发患者强烈的主动学习欲望，提高患者的学习眼睛疾病预防知识的兴趣，解决了部分患者没有参与动手操作的弊端。此外，有些危险系数高和难以开展的眼睛治疗操作和实际操作中不可能面面俱到的场景，都可以通过全息技术进行虚拟体验，这样可以增加眼睛健康教育的深度。采用眼睛健康教育虚拟仿真软件，只需要对软件内容进行扩展，让眼睛患者对新技术产品进行反复性学习，强化眼睛健康宣教的内容，增加了宣教的广度和深度。

如图3所示，本发明的另一方面的一实施例提供了一种用于眼球结构虚拟教学***的数字模型建立方法，包括以下步骤：

采集或导入眼球的结构数据；

储存或更新与眼球相关的健康与病变数据；

根据储存的眼球结构数据和健康病变数据生成三维眼球结构模型；

根据全息设备模块的设备参数，匹配动画演绎视频至三维眼球结构模型；

制作虚拟贴图、虚拟灯光及特效，并将虚拟贴图、虚拟灯光及特效导入全息设备模块渲染三维眼球结构模型；

获取用户的操作信息并生成控制指令；

根据控制指令播放三维眼球结构模型。

根据全息设备模块的设备参数，匹配动画演绎视频至三维眼球结构模型；在三维眼球结构模型的基础上全息设备模块采用融合变形编辑对柔性物体进行动画的制作，通过Maya和3dsMax完成不规则物品的挤压、拉伸、切开、扭曲及其他变形动画来模拟眼球内部虚拟***渲染产生的变化。

制作虚拟贴图、虚拟灯光及特效，并将虚拟贴图、虚拟灯光及特效导入全息设备模块渲染三维眼球结构模型；制作虚拟贴图，根据脚本，制作三维眼球结构模型的建模和动画制作。三维眼球结构模型的建模采用标准数据进行模型三维重构与拓扑，完成三维眼球结构模型的建模、优化、贴图和美化。制作虚拟灯光及特效，可以是通过虚拟模型定位机和运动机切换视角，模型光影随着视角的变化而变化，形成不同的场景。将虚拟贴图、虚拟灯光及特效导入全息设备模块，可以是通过3dsMax将三维眼球结构模型的全息模型和动画渲染生成与三维眼球结构模型相关动画演示相适应的灯光体系。通过分层渲染、对三维眼球结构模型的不同图层进行对应的独立调节输出系列帧文件，采用后期AfterEffect进行后期动态处理，生成和输出数字化内容，从而实现三维眼球结构模型的全息渲染效果。灯光载入需要通过调度虚拟摄像机的角度和机位进行渲染生成与三维眼球结构模型相关动画演示相适应的灯光体系和场景。具体渲染步骤为：对模型先赋好预设后，选择需要导入的模型，查看对应眼球的模型在场景中依次导入；保存成渲染文件；设置渲染层；预设好材质球，启用脚本，(框选需要赋材质的模型)赋予模型材质球。此方法对应运用到下面渲染层时候赋color材质球和赋detail材质球上；一般需要设置的渲染基本层为分为四大类：color、line、light、matte。Color分为：零部件层、眼球颜色(color)、眼球细节层(detail)，眼球溢出层(push)。Group层级有多少层就分多少渲染层。

如图4所示，本发明的另一方面的另一实施例提供的用于眼球结构虚拟教学***的数字模型建立方法，还包括：输入逻辑控制运算方法，设定全息设备模块和遥控模块以实现全息设备模块和遥控模块的匹配。

数字化内容的生产流程，依照脚本流程，采用三维制作工具Maya和3dsMax进行制作、渲染和输出，通过Maya和AfterEffect进行数据预演和配置，将全息设备模块的参数、虚拟灯光、特效等配置文件统一打包。渲染生成的3D模型设有导播语音***、导播动画演绎及导播操作***，导播操作***中的逻辑控制遥控器通过调节虚拟灯光、特效等操作演示镜头。

如图5所示，本发明的另一方面的又一实施例公开的用于眼球结构虚拟教学***的数字模型建立方法，还包括：调整三维眼球结构模型的材质。

显示虚拟场景中的外层膜角膜和巩膜，中层膜葡萄膜，内层膜视网膜的成像动画。通过3dsMax逐层渲染三维眼球结构模型的材质，使角膜、房水、晶状体和玻璃体的光影效果更好。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露方法和装置，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点是，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理包括，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述收发方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U 盘、移动硬盘、只读存储器（Read-Only Memory，简称ROM）、随机存取存储器（Random Access Memory，简称RAM）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。本领域技术人员可以在形式上和细节上对其作各种改变，包括做出若干简单推演或替换，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种眼球结构虚拟教学***，其特征在于，包括：

眼球结构数据采集模块，用于采集或导入眼球的结构数据；

医学资料模块，用于储存或更新与眼球相关的健康与病变数据，并建立各个健康数据与病变数据的对应关系，所述病变数据包括眼球在近视过程中的变化；

数字模型模块，用于根据所述眼球结构数据和所述健康与病变数据生成三维眼球结构模型，所述数字模型模块采用融合变形编辑对柔性物体进行动画的制作，通过Maya和3dsMax模拟眼球内部渲染产生的变化，通过3dsMax逐层渲染三维眼球结构模型的材质，能够使角膜、房水、晶状体和玻璃体的光影效果更好，通过AfterEffect对三维眼球结构模型进行分层渲染，所述数字模型模块制作虚拟贴图，并根据脚本，制作三维眼球结构模型和动画；

控制模块，用于生成控制指令；

全息设备模块，所述全息设备模块与所述控制模块连接，用于根据所述控制指令播放三维眼球结构模型，所述全息设备模块包括外壳体、显示装置和成像装置，所述显示装置设置在所述外壳体的顶面，且所述显示装置的显示屏朝向所述外壳体的底面；所述成像装置是由四块玻璃板围成的四棱锥，所述成像装置固定设置在所述外壳体内，所述成像装置的底面设置在所述外壳体的底部，所述成像装置的顶点与所述显示屏中心重合，所述显示装置将所述三维眼球结构模型转化成前、后、左、右四个方向同步的图像，所述显示屏播放转换后的所述图像，所述图像在所述成像装置前、后、左、右四个方向上的玻璃板上进行投影形成全息影像。

2.如权利要求1所述的眼球结构虚拟教学***，其特征在于，所述三维眼球结构模型为图片、音频和视频的组合。

3.如权利要求1所述的眼球结构虚拟教学***，其特征在于，还包括：

遥控模块，用于获取用户的操作信息,并将所述操作信息传送至所述控制模块。

4.如权利要求1所述的眼球结构虚拟教学***，其特征在于，还包括：

语音模块，包括语音特征模型库和语音数据采集模块，所述语音特征模型库用于储存与所述三维眼球结构模型和所述医学资料对应的语音特征模型，所述语音数据采集模块用于采集并识别语音数据，以及将采集到的语音数据和所述语音特征模型比对匹配，并将匹配结果传送至所述控制模块。

5.如权利要求1-4中任一项所述的眼球结构虚拟教学***，其特征在于，还包括：

服务模块，包括预防模块和体验模块，所述预防模块用于介绍各种眼部疾病的基本信息和预防知识，所述体验模块提供眼睛治疗仿真场景。

6.一种用于眼球结构虚拟教学***的数字模型建立方法，包括以下步骤：

采集或导入眼球结构数据；

储存或更新与眼球相关的健康与病变数据，并建立各个健康数据与病变数据的对应关系，所述病变数据包括眼球在近视过程中的变化；

根据储存的所述眼球结构数据和所述健康与病变数据生成三维眼球结构模型；

根据全息影像设备的设备参数，匹配动画演绎视频至所述三维眼球结构模型；在所述三维眼球结构模型的基础上采用融合变形编辑对柔性物体进行动画的制作，通过Maya和3dsMax模拟眼球内部虚拟***渲染产生的变化；通过3dsMax逐层渲染三维眼球结构模型的材质，能够使角膜、房水、晶状体和玻璃体的光影效果更好；通过AfterEffect对三维眼球结构模型进行分层渲染；

制作虚拟贴图、虚拟灯光及特效，并将所述虚拟贴图、虚拟灯光及特效导入全息影像设备渲染所述三维眼球结构模型；

获取用户的操作信息并生成控制指令；

根据所述控制指令播放所述三维眼球结构模型；

所述全息影像设备包括外壳体、显示装置和成像装置，所述显示装置设置在所述外壳体的顶面，且所述显示装置的显示屏朝向所述外壳体的底面；所述成像装置是由四块玻璃板围成的四棱锥，所述成像装置固定设置在所述外壳体内，所述成像装置的底面设置在所述外壳体的底部，所述成像装置的顶点与所述显示屏中心重合，所述显示装置将所述三维眼球结构模型转化成前、后、左、右四个方向同步的图像，所述显示屏播放转换后的所述图像，所述图像在所述成像装置前、后、左、右四个方向上的玻璃板上进行投影形成全息影像。

7.如权利要求6所述的数字模型建立方法，其特征在于，还包括：输入逻辑控制运算方法，设定全息影像设备和遥控模块以实现全息影像设备和遥控模块的匹配。

8.如权利要求6-7中任一项所述的数字模型建立方法，其特征在于，还包括：调整三维眼球结构模型的材质。