基于三维仿真技术的交互式虚拟人体经络腧穴模型

2018-08-15 -

许玉龙1，许冬玉2，高希言3，王忠义1，吕雅丽 1

1.河南中医药大学信息技术学院，河南郑州 450046；2.河南中医药大学第二附属医院，河南郑州 450046；

3.河南中医药大学第三附属医院，河南郑州 450046

摘要：目的将三维仿真建模技术与中医经络腧穴结合，建立交互式虚拟三维人体经络腧穴模型。方法依据中华人民共和国国家标准《腧穴名称与定位》，采用3Dmax创建基础虚拟人体模型，并基于VC++平台，使用 OpenGL渲染加载模型，实现动态交互功能。结果创建的交互式虚拟三维人体经络腧穴模型具有腧穴显示、腧穴记忆、经络学习3种功能。无需鼠标，用手指触摸即可实现模型放大、缩小、旋转、定穴、经络循环等操作。腧穴记忆功能方面，可设置腧穴信息在人体模型表面均不显示，当触摸腧穴正确位置时才显示该腧穴名称并播放相关信息；或设置腧穴显示，使所有腧穴名称在人体模型表面显示。经络学习功能方面，可实现对某条经络所有腧穴位置的动态遍历，同时播放语音介绍。结论本研究利用现代仿真技术，构建了交互式虚拟三维人体经络腧穴模型，有助于经络腧穴学习及记忆。关键词：三维仿真技术；人体模型；经络；腧穴；交互式

DOI：10.3969/j.issn.1005-5304.2018.08.021

中图分类号：R2-05；R224.1 文献标识码：A 文章编号：1005-5304(2018)08-0094-04

Interactive Virtual Human Body Meridians and Acupoints Model Based on 3D Simulation Technology

XU Yu-long1, XU Dong-yu2, GAO Xi-yan3 , WANG Zhong-yi1, LV Ya-li1

1. Institute of Information and Technology, Henan University of Chinese Medicine, Zhengzhou 450046, China;

2. The Second Affiliated Hospital of Henan University of Chinese Medicine, Zhengzhou 450046, China;

3. The Third Affiliated Hospital of Henan University of Chinese Medicine, Zhengzhou 450046, China Abstract: Objective To build interactive virtual 3D human body meridians and acupoints model by combining

3D simulation modeling technology with TCM meridians and acupoints. Methods According to National Standards of TCM Human Body Meridians and Acupoints, 3Dmax was used to create basic virtual human body model. And based on the VC++ platform, OpenGL rendering loading model was used to achieve dynamic interaction. Results Interactive virtual 3D human body meridians and acupoints model had three main functions: acupoint display, acupoint memorizing and meridian learning. No need for a mouse, users could touch with fingers to zoom in, zoom out, rotate, locate, and meridian loops. In terms of acupoint memorizing function, acupoint information could be set as not displayed on the manikin surface. The name of the acupoint and the related information were displayed when the correct location of the acupoint was touched; or the acupoint could be set to display so that all acupoint names were displayed on the manikin surface. In terms of meridian learning function, dynamic traversal of all acupoints in a certain meridian could be realized, and speech was played at the same time. Conclusion By using modern simulation technology, this study builds interactive virtual 3D human body meridians and acupoints model, which is helpful for learning and memorizing of acupoints and meridians.

Keywords: 3D simulation technology; manikin; meridians; acupoints; interactive

基金项目：国家自然科学基金（81703946）；河南省科技攻关研究项目（172102210361、172102310536）；河南省高校重点科研

项目（15A520083、16A520060、17B520017）；河南中医药大学博士基金项目（BSJJ2015-19）

通讯作者：许冬玉，E-mail：flyxyl@126.com

人体经络腧穴是中医的特色之一，其数目庞大且命名抽象。借助现代信息技术建立经络腧穴模型，达到真实立体的效果，使经络腧穴的表示在教学和操作

训练中更形象化，有助于记忆与理解。黄咏等[1]采用图形学技术结合，使用三维制作软件和微软开发工具包，构建了可演示的三维虚拟人体经络模型。杨宇航

等[2]将虚拟现实技术应用于传统针灸的教学与训练，

开发了针灸教学辅助系统。陈沁[3]实现了三维的人体

经络可视化展示系统。此外，罗群芳等[4]以中国人体腧穴真实标本素材为基础，用三维技术建立了人体腧

穴定位及针刺方向虚拟模型。毛烨[5]利用图形学和计算机三维动画，在虚拟的人体经络系统中仿真了针刺

[6]

的操作过程。孙杰等采用三维虚拟场景描述的VRML语言，开发了直观形象、多视角展示人体经络腧穴的虚拟实验系统。

上述研究创建的虚拟人体经络模型主要用于教学，经络和腧穴多以明文方式在模型表面显示，较少模型具有腧穴测试功能。此外，目前模型尚不具有良好交互功能。随着触控一体机等触摸式设备的普及，实现人机交互功能将使模型有较高的使用和推广价值。为此，本研究采用 3Dmax 建立人体经络腧穴模型，除基本信息外，还具有动态人机交互功能及腧穴测试功能。现介绍如下。

1 模型构建

1.1 参考标准在构建三维人体模型以及经络腧穴时，充分考虑肌肉皮肤的三维立体结构。人体经络腧穴的定位依据

中华人民共和国国家标准《腧穴名称与定位》[7]，经络腧穴结构解剖学理论参考严振国教授提出的腧穴

立体构筑理论[8-9]。依据“同身寸”概念建立与人体结构密切相关的三维坐标。

建立初始模型为三维亚洲裸体男性，可旋转、放大、缩小。

1.2 建立三维腧穴点

采用 Maya软件对初始模型建立腧穴点和经络，步骤如下。

第 1步：激活选定对象。操作过程为，建立腧穴文件，打开场景，找到文件 people 模型，选中人物模型，激活选定对象。

第 2步：创建多边形球体。点击菜单栏，创建多边形基本体，选择球体。注意“交互式创建选项”为勾选状态。

第 3步：调整腧穴点大小及位置。用鼠标在确定的位置进行拖拽，调整球体（腧穴点）至合适大小。

将腧穴点和角色（人体模型）进行关联，使人体模型缩放时，腧穴点跟随缩放。若只选择腧穴点缩放，人体模型不变。腧穴点创建示意见图1。 1.3建立三维经络线段建立经络线段具体步骤如下。

第 1步：创建两腧穴点之间的圆柱体线段。选择文件，打开场景，找到人体模型文件。点击菜单栏，创建多边形基本体，选择圆柱体。注意“交互式创建选项”为不勾选状态。

第 2步：调整线段位置和大小。用工具架中的缩放工具，调整圆柱体到适合大小；用移动工具移动到合适的位置，见图2。

第 3步：调整高度细分数。在工作区右边通道栏内输入 polycylinder1，将高度细分数调至 8 或 10，以便后续处理。

第 4步：将经络线调整弯曲，紧贴人体模型皮肤表面。选择圆柱体模型，鼠标右键选择顶点，见图3。用移动工具和旋转工具分别调整每一圈顶点，使其与皮肤表面贴合，见图 4。在圆柱体上鼠标右键切换到对象模式，并在圆柱体选中状态下，执行菜单栏，选择法线，软化边，使线段更平滑，见图5。

根据经络腧穴理论和国家标准，按照上述方法创建所有腧穴点、腧穴点之间的线段等基础工作后，分别导出为 obj 格式文件，供后续程序开发。共创建 1个人体模型（body.obj）和 12条经络，每条经络包含若干腧穴点、两点间线段。每条经络的所有文件存储为一个文件夹，包含腧穴点标记、线段标记、腧穴点语音等信息文件。

2 交互式功能

2.1 模型交互实现在人体模型、腧穴点、经络线建立基础上，使用

VC++开发环境，采用 OpenGL 实现对模型、腧穴点、经络的渲染展示，设计开发了交互式虚拟三维人体经络腧穴模型，其交互、展示等主要功能由以下几个类来完成实现。

类 CBodyRenderDlg 及其相关源代码，用于实现整个模型的调用及逻辑框架，是工程功能的主要文件；类 CObjLoadModel 及其实现代码，用于实现模型的加载功能，加载基础模型、腧穴点和经络线段；类 CObjModelRender 实现模型的渲染及处理，是显示模型的具体实现方法，其中包含调用的渲染函数；类CControlPanelDlg 是工具选项面板，实现模型不同功能之间的切换。

整个模型系统实现流程为：程序运行时，初始化InitInstance() 函数，在初始化函数中创建CBodyRenderDlg 类实例dlg，然后由类实例调用相应的功能，进行模型的加载渲染、放大、缩小及旋转等操作。

2.2 系统功能创建的交互式虚拟三维人体经络腧穴模型具有腧穴显示、腧穴记忆、经络学习3种功能。

功能一：腧穴显示功能。点击该功能，人体模型表面显示所有腧穴点，同时显示腧穴名称，模型能够放大、缩小、旋转，见图6。

功能二：腧穴记忆功能。切换到该功能时，人体模型表面只显示腧穴点，不显示腧穴名称。当点击某个腧穴点时，屏幕上会显示出该腧穴的名称、位置信息，并播放该腧穴信息的录音，见图 7。该功能可用于学生实习、实训及测试，在规定时间内点击指定腧穴可测试对腧穴掌握的情况。

功能三：经络学习功能。在该功能模式下，系统列出所有经络的名称和颜色。当用户选择某条经络时，模型表面仅仅显示出该经络的所有腧穴，并从该

经络的初始腧穴点开始，逐一连线动画显示每个腧穴点和腧穴名，直到最后的腧穴被显示。模型在动态显示经络的同时，播放该经络的相关语音介绍，经络动态遍历示意见图8。所有功能模式下均可进行对人体模型的旋转、放大、缩小、移动等操作。模型系统能够部署在立式触控一体机中，无需鼠标，用手指触控屏幕即可实现所有操作，具有良好的交互性。该模型系统第一代产品演示视频已上传至网络（http://www.xuyulong.com/）。3 小结本研究结合现代信息仿真技术与人体经络腧穴数据，设计了交互式三维虚拟人体经络腧穴模型系统。首先采用三维技术建立基础模型、腧穴点、经络线段，然后利用 OpenGL 和VC++对模型、腧穴点及经络线加载和渲染，并进行程序功能开发，最后成功部署至触控式一体机。模型系统逼真形象地展示了人体经络腧穴，具有动态人机交互功能：用手指触摸可实现模型的放大、缩小、旋转、定穴、经络循环等操作，能够帮助针灸专业人士学习、记忆和测试经络腧穴信息，也可为经穴爱好者及一般用户提供较真实的三维人体经络腧穴仿真环境。该模型首个版本已经开发完成，并在河南中医药大学附属医院投入试用，目前处于测试及推广阶段。后续研究将进一步完善系统，修复存在的漏洞，以加快推广及应用。

参考文献：

[1] 黄咏,李建微,郑绍华,等.计算机三维人体经络模型构建研究[J].计

算机与数字工程,2007,35(11)：33-36,56.

[2] 杨宇航,李志忠,任晓丹,等.基于虚拟现实技术的中医针灸教学系

统[J].系统仿真学报,2007,19(10)：2379-2383.

[3] 陈沁.基于 3D 人体模型的中医经络可视化展示系统[D].广州：华南

理工大学：2012.

[4] 罗群芳,卢林潇,方慧,等.3DMAX 在虚拟人穴位模型三维重建中的应

用[J].计算机时代,2012(5)：16-17,21.

[5] 毛烨.基于 OpenGL 虚拟针灸的三维仿真设计与实现[D].成都：电子科

技大学,2012.

[6] 孙杰,吴春雨.基于 Web 的经络腧穴学三维虚拟实验设计与开发[J].