В предыдущих трёх постах (1, 2, 3) мы рассказывали о том, как искусство анатомической иллюстрации следовало за развитием медицины и издательских технологий. За долгие пять веков гравюру вытеснила литография, а ей на смену пришла офсетная печать — это, конечно, существенные перемены, но такой прогресс может показаться смехотворным на фоне настоящей революции, которая произошла на наших глазах. Стало возможным трехмерное моделирование и создание пособий с любым уровнем детализации, в которых изображение можно приближать, вращать во всех плоскостях, заглядывать в любой уголок и разбирать по слоям. Однако, пока такое можно увидеть в основном в фантастических фильмах, а специалисты довольствуются моделями невысокого качества и старыми книгами по анатомии. Почему — попробуем объяснить.
Спад качества на фоне появления новых технологий
Анатомическая иллюстрация сыграла серьезную роль в развитии науки, поскольку дала возможность накапливать и передавать знания о строении человеческого тела. Сейчас анатомия уже состоялась как наука, хотя строение отдельных частей тела все еще уточняется — например, находятся новые связки в колене. Совершенствуются методы исследования, от томографии до микроскопии. Анатомию дополнила физиология, гистология, новые хирургические и диагностические манипуляции, изучение патологических процессов и состояний, так что потребность в грамотной визуализации никуда не исчезла. С другой стороны, стало возможным создание трехмерных моделей и интерактивных иллюстраций. Однако, как отмечают многие иллюстраторы, по-настоящему грамотные и аккуратные работы встречаются очень редко. В сравнении с яркими примерами из прошлого современная анатомическая иллюстрация часто выглядит менее детальной и проработанной.
Вверху: рисунки из атласа Жана-Батиста Сарландьера издания 1837 года (источник). Внизу: иллюстрации из современного атласа Тодда Олсона, выпущенного в 2008 году.
Мы попросили двух известных научных иллюстраторов Крис Рокли и Карла Вескера немного рассказать о том, от чего зависит качество работы иллюстратора и почему сейчас оно часто уступает тому, что создавалось в прошлые века.
Крис пишет о том, что эта сфера деятельности требует серьезных знаний непосредственно в области науки:
“Одна из возможных причин того, что современная научная иллюстрация часто выглядит простовато, в отсутствии специальной подготовки и понимания научной специфики объекта зарисовки. Я знаю много ученых, которые предпочитают делать изображения сами по этой причине. Я преподаю научный и полевой рисунок в университете Ньюкасла в Австралии и в отдельных группах с 2008 года. Одна из вещей, которую я отмечаю в художниках, — это недостаток знания базовой анатомии и навыков наблюдения. Как только ты доносишь до них, что нужно рисовать то, что ты видишь, а не то, что предполагаешь, все становится яснее, и студенты начинают видеть детали и крохотные вещи, которые до этого ускользали. То же самое относится к медицинской иллюстрации. Нам очень повезло в универе, поскольку у нас была анатомическая лаборатория, дававшая возможность использовать реальные и пластифицированные трупы для работы. Почти как Леонардо да Винчи.”
Карл Вескер работал над иллюстрациями к атласам Prometheus, которые издаются издательством Thieme, и интерактивному пособию Winking Skull. Он, среди прочего, указывает на желание издателей получать иллюстрации как можно быстрее:
“Основным источником для анатомических иллюстраций Prometheus было изучение срезов и вскрытий человеческого тела. Плюс к этому, у меня есть хорошая библиотека старых и новых анатомических книг. Тут необходимо упомянуть работы Жана Марка Буржери (Атлас человеческой анатомии и хирургии, XIX век), Густава Брёзике, Карла Тольдта и Вернера Шпальтхольца.
С появлением компьютерных иллюстраций качество упало. Издательства заинтересованы в простой и дешевой векторной графике. Мы работали над Prometheus в течение 14 лет. Сейчас ни один издательский дом не захочет вкладывать столько времени и денег.”
В предыдущих постах мы привели немало примеров того, как работа над одним атласом становилась делом всей жизни художника или анатома. Это касается прежде всего ранних этапов развития анатомии, времен Евстахи, Фабрициуса или Кассери, когда ученые и иллюстраторы работали, ориентируясь на результаты вскрытий, которые они сами и проводили. Сейчас не так просто представить себе художника или 3D-моделлера, который станет резать трупы и создавать иллюстрацию или модель на основе собственноручно полученных анатомических препаратов. Меж тем, такой подход позволял создавать иллюстрации принципиально другого уровня.
Впрочем, Карл Вескер не теряет оптимизма и видит огромный потенциал для анатомической иллюстрации в новых технологиях компьютерной графики:
“Я думаю, что качество иллюстраций долгое время падало, поскольку далеко не все художники могли в полной мере освоить техники рисования на компьютере, что требовалось издателям.
В принципе, сейчас научная или медицинская иллюстрация подразумевает владение тремя вещами: знанием анатомии или строения изображаемого предмета, умением рисовать и навыком работы в специализированных компьютерных программах.
Я уверен, что что-то случится и изменит текущее положение вещей в нашей сфере. Так или иначе, я думаю, что следующая техническая революция уже началась с развитием трехмерной графики, несмотря на то, что сейчас мы наблюдаем только довольно примитивные работы.”
Иллюстрации из атласа Prometheus. (Источник)
Техническая сторона вопроса
Всё чаще печатные учебники уступают место интерактивным пособиям — как для работы в браузере, так и в виде мобильных приложений. Растет число авторов и компаний, разрабатывающих интерактивные анатомические пособия, как для работы в браузере, так и в формате приложений для планшета или телефона. Очевидно, что в такой работе принципиально новые возможности открывает применение трехмерной графики и визуализации. Ведь модель можно вращать, масштабировать и изучать, убирая или добавляя отдельные слои или элементы, не говоря уже о возможности показывать работу тех или иных органов или систем в движении. Однако пока потенциал моделирования раскрыт лишь на малую часть.
Если говорить о мобильных образовательных приложениях, то среди них внимания заслуживают: Visible Body, Muscle System Pro, Pocket Anatomy, Essential Anatomy, 3D Brain. Помимо перечисленных, существует великое множество других, сравнение и сопоставление которых требует отдельного поста. Для ознакомления можно пройти по этой и этой обзорным ссылкам. Однако, качество графики и детализация моделей и структур в современных приложениях оставляет большое пространство для совершенствования.
Скриншоты из приложений Essential Anatomy, Pocket Anatomy и Visible Body.
Проблема трехмерной графики в том, что нельзя использовать очень детальные анатомические 3D-модели, поскольку работа с ними требует требует значительных вычислительных ресурсов не только при создании, но и, что гораздо важнее, при просмотре. В связи с этим, разработчикам приложений и виджетов приходится идти на компромиссы. Если делать масштабируемую вращающуюся модель, приходится ощутимо жертвовать качеством, как это видно на примере проекта Zygote Body: несмотря на то, что компания Zygote является автором и разработчиком одной из наиболее качественных и точных 3д моделей тела человека, из доступных на рынке, результат, представленный в виджете, выглядит довольно грубо:
Кроме того, технологии презентации модели предполагают загрузку 3D данных на компьютер пользователя, что несет в себе определенные риски дальнейшего извлечения и несанкционированного использования авторской модели.
Все эти обстоятельства приводят к тому, что пока не произошло того рывка в детализации и качестве, который, казалось бы, сулят современные технологии.
Слева: иллюстрация из атласа К.-Л. Бонами, П. Брока и Э. Бо (1844 год). Справа скриншот графики из мобильного приложения “Кости человека 3D”. Предлагаем читателю самому отправиться, например, в Google play и полистать иллюстрации из приложений по запросу “анатомия учебник для мед институтов”, сравнив их с примерами из наших предыдущих постов.
Мы столкнулись с аналогичными проблемами в ходе разработки анатомических виджетов, поэтому подробнее расскажем о возникших трудностях и возможных путях их разрешения на собственном примере.
В обсуждении одного из наших предыдущих постов про моделирование вирусов мы уже говорили, что визуализация одного кадра на принятом у нас уровне качества, например модели мозга человека, на современной графической станции (dual Intel xeon 2687w) занимает несколько минут, в то время как для плавного вращения модели пользователем нужно выдавать минимум 15 кадров в секунду.
Чуть лучше обстоят дела с расчетом на профессиональных графических картах, а не на ЦП. Но все это решения стоимостью в тысячи долларов, которых нет на стороне пользователя. Тем более, что даже они не справятся с задачей в полной мере. Ряд моделей максимальной сложности, как, например, модели ВИЧ или вируса Эбола, принципиально не может быть визуализирован на стороне пользователя из-за большого количества высокополигональных объектов в их составе. Также существуют решения в виде специализированных сред вроде Unity, которые позволяют создавать интерактивный контент для презентации в сети, но они требуют от пользователя установки плагина, и как следствие менее универсальны. Хотя, справедливости ради их можно отсеять и по критерию качества.
По этим причинам мы выбрали вариант с предварительным расчетом и отправкой пользователю уже готовой графики без задержки. Минусы, разумеется, есть — ограничение свободы вращения моделей, большой объем трафика на передачу изображений при больших разрешениях. Но если логика взаимодействия и сценарий пользователя хорошо продуманы, то первый «минус» можно практически нивелировать, добавив, скажем изменения прозрачности, появлений нужных подписей, срезов в саму визуализацию, что здорово насытит информацией конечный продукт и позволит решить задачу оптимально.
Так или иначе, создание анатомических трехмерных моделей не только черезвычайно интересно, но и весьма трудоемко, поскольку подразумевает множество стадий от поиска корректных референсов до разработки виджетов и плагинов, организующих работу с моделью для конечного пользователя. Недавно мы завершили работу над новой системой создания образовательных веб-приложений. Один из наших виджетов позволяет рассмотреть модель черепа человека с разных сторон, найти отдельные кости в модели, кликнув на их название или узнать название кости на одном из пяти языков, кликнув на модели, а также содержит описание всех элементов.
Скриншот виджета.
В данном случае наша инициатива в этой области, как и у коллег, заключается в создании бесплатных качественных образовательных интерактивных пособий нового поколения, в которых были бы применены возможности современных технологий и отсутствовали бы недостатки, упомянутые Карлом Вескером и Крис Рокли. Мы обязательно расскажем об этом подробнее в одном из следующих постов.
Трехмерное моделирование в анатомии и медицине: куда дальше?
Трехмерному моделированию могут помочь неинвазивные методы изучения строения тела и отдельных органов, такие как томография или 3D-рентген.
В еще не такие давние времена не было возможности выяснить, как выглядит тот или иной внутренний орган, на разрезав тело. Современные технологии позволяют это делать, а затем использовать результат для создания моделей, в том числе, отпечатанных на 3D-принтере. Такие коммерчески доступные модели делает компания Zygote, о которой уже говорилось. Один из подобных проектов называется Solid 3D Male Body. Авторы пишут, что при создании моделей использовали данные компьютерной томографии и старались соблюсти параметры, максимально близкие к параметрам человеческого тела. Такие модели могут быть не только полезны в образовательных целях, но и пригодиться, например, дизайнерам, которые разрабатывают обувь, одежду, а также ортопедические приспособления или интерфейсы, непосредственно взаимодействующие с частями человеческого тела. Мы же используем данные томограмм при решении локальных задач, как референсы нативного взаимного расположения, размеров и форм при качественном высокодетализованном моделировании.
Впрочем, пока технологии реконструкции и визуализации результатов томографий далеки от идеала и не дают сразу четкой и понятной неспециалисту картины. Не вызывает сомнений то, что потребность в профессиональных 3D-моделлерах для создания образовательной трехмерной анатомической графики будет всегда.
Картинка с трехмерной реконструкцией КТ черепа с переломом по Ле Фору. (Википедия) Можно сравнить детализацию и доступность для понимания с вот этим видео.
С другой стороны, трехмерное моделирование, основанное на медицинских исследованиях конкретных пациентов может непосредственно быть полезно в лечении тех или иных заболеваний. Модели позвонков и даже фрагментов черепа, отпечатанные на 3D-принтерах, уже используются в трансплантологии. Это очень удобно, поскольку позволяет легко сделать имплант максимально подходящей формы. Скорее всего, эти технологии будут активно развиваться, причем, судя по всему, в сторону по-настоящему удивительных историй вроде печати скэффолдов, на которых смогут расти целые клонированные органы типа печени, почек или сердца.
Еще одно возможное применение — создание и печать моделей человеческих эмбрионов на ранних стадиях развития. Звучит неоднозначно, но такая процедура, например, способна помочь незрячим родителям составить представление о том, как выглядит их ребенок в утробе.
Еще одно преимущество моделирования в сравнении со статичным изображением заключается в том, что оно позволяет легче создавать анимационные отрывки и ролики. С образовательной точки зрения это еще один уровень вверх, поскольку анимированные изображения на порядок лучше описывают физиологические процессы, медицинские манипуляции или травмы и переломы. Даже при использовании статичной модели движения камеры, аудиоряд и подписи могут дать массу информации и правильно расставить акценты. Впрочем, разговор про анатомическую анимацию тоже явно заслуживает отдельного поста.