3DMAX在虛擬八角茴香果實中的應用

王乃平 葉繪晟 湯薈琛

(廣西中醫(yī)學院，廣西 南寧 530001）

3DMAX在虛擬八角茴香果實中的應用

王乃平 葉繪晟 湯薈琛

(廣西中醫(yī)學院，廣西 南寧 530001）

探討3DMAX軟件的設計可視化功能在八角茴香模擬中的應用。在3DMAX環(huán)境下，結合參考八角茴香的實體手工制作八角茴香三維模型。實現(xiàn)虛擬環(huán)境中的三維八角茴香仿真重建，利用3DMAX強大的設計可視化功能實現(xiàn)中藥材實體的虛擬模擬。

3DMAX；中藥材；模型

3DMAX是三維虛擬中的常用軟件，為三維環(huán)境和三維物體的構建都提供了完整的技術支持，因此被廣泛的運用到三維數(shù)字化應用領域。常見的應用方面有工業(yè)設計、城市設計、軍事模擬、航空航海模擬以及醫(yī)學模擬等領域，其功能模塊能夠服務于各種科技實體實驗的模擬設計，在當今社會的科技信息時代發(fā)揮重要的作用。

在3DMAX環(huán)境下虛擬八角茴香的果實，是為了嘗試在三維虛擬環(huán)境下較完整地重現(xiàn)八角茴香的局部外形特點，為中藥材提供一個全新的標本展示手段，以及探究如何為中藥材鑒定提供確實可靠的新途徑，尋找和發(fā)現(xiàn)利用3DMAX軟件實現(xiàn)常見中藥材數(shù)字化模擬的方法與途徑。三維環(huán)境下的數(shù)字化虛擬八角，能不受環(huán)境、時間和空間等因素的影響，展示各個生長時期的外形和質地特點，同時又擺脫了傳統(tǒng)中藥材圖譜平面化、簡單化的不足。

（一）研究內容和目標

1.研究形式：模擬仿真的中藥材實體實際上是利用3DMAX軟件創(chuàng)造出一個典型的具有代表性的理想化的虛擬中藥材。對實體形態(tài)到三維形態(tài)的轉化過程進行合理的設計，制定相應的方案。

2.研究對象：八角茴香是廣西主產(chǎn)、道地藥材之一，外形具有獨特的性狀特征，多由8蓇葖果組成，放射狀排列于中軸上。蓇葖果長1～2cm，寬0.3～0.5cm，高0.6～1cm；外表面紅棕色，有不規(guī)則皺紋，頂端呈鳥喙狀，上側多開裂。由于其外形特點具有幾何體的規(guī)則性，對在探討三維虛擬環(huán)境下的重現(xiàn)原生中藥材具有一定的代表性。

3.研究目標：通過利用3DMAX軟件，對八角茴香物體進行三維虛擬應用研究，使其具有響應操作者的指令，為操作者提供實現(xiàn)多角度的旋轉和縮放等變化功能支持，對其外形的各個局部特征實時預覽，為中藥材。

（二）研究過程中的重點

基于八角茴香果實獨特的外形特點，對其果實的模擬重點同樣也是集中在蓇葖果外形、表面顏色、表面紋理和鳥喙狀頂端這些顯著的外部特征上的。

1.對外形的模擬首要的任務是建模。

（1）建模方案的選取。在3DMAX環(huán)境下提供了多種的建模方法，最常用的有Editable Poly、Editable Mesh、Editable Patch和NURBS。這幾種方法都有各自的特點，區(qū)別在于它們采用不同的演算方法從而產(chǎn)生不同的效果。研究人員采取根據(jù)實際需要選擇其中的一種或幾種方法聯(lián)合應用是比較好的方案。

（2）建模中的關鍵細節(jié)。根據(jù)八角茴香的外形特點，研究人員根據(jù)3DMAX內置的多種規(guī)則的幾何體選擇從一個較為規(guī)則的八等分球體開始建模。在八等分球體的外部節(jié)點上選擇八個定點作為八角茴香果實蓇葖果定點，通過cat的命令增加邊和節(jié)點，逐步將八等分球體調節(jié)為一個類似八角星狀的物體，如圖1所示：

圖1

為了模擬重現(xiàn)八角茴香果實的結構特征，必須在粗略調節(jié)的形狀基礎上進行進一步的細化。八角茴香果實的蓇葖果呈放射狀排列，其中心有一個微小的凸起，而定點呈鳥喙狀。為表現(xiàn)這些細節(jié)特征，在3DAMX環(huán)境下，逐步的增加節(jié)點，通過控制節(jié)點的分布方向和位置來實現(xiàn)模擬整個八角果實的外形。其中果實中心的微小凸起和鳥喙狀的表現(xiàn)是通過多個節(jié)點的聚合配合MeshSmooth命令實現(xiàn)的。如圖2所示：

圖2

MeshSmooth（網(wǎng)格平滑）是一種針對物體表面柔化的命令，是利用一定的節(jié)點之間通過運算實現(xiàn)節(jié)點與節(jié)點之間的平滑過度，在3DMAX環(huán)境下，通過增加節(jié)點數(shù)量控制節(jié)點的坐標實現(xiàn)對虛擬物體外形凹凸的模擬，而通過各種柔化表面命令實現(xiàn)物體表面的平滑過渡。

MeshSmooth是利用堆棧在原始模型上加上細分命令，它和Msmooth（可編輯多面體下提供的平滑）相似，同時具有細分和柔化的功能，它的特點是在細分之后仍然保存著Edit poly模式下的模型狀態(tài)，如果研究人員對柔化的效果不滿意的話仍然可以返回到Edit poly級別下對模型進行微調，同時又可以快速的進入MeshSmooth模式下觀察柔化后的效果。

2.貼圖的應用。

對外形的模擬大體完成后，進一步對八角茴香的果實的表面進行仿真模擬。表面的模擬包括對表面顏色和不規(guī)則紋理的模擬，主要是通過貼圖來實現(xiàn)的。

（1）貼圖是3DMAX環(huán)境下提供的模擬物體的重要方法。運用貼圖命令，可以有效的模擬物體表面的顏色、光澤、質地和紋理。八角茴香的果實在未完全成熟時呈嫩綠色，在成熟后呈現(xiàn)的是棕黃色，光澤度高。因此在模擬八角茴香果實的自然狀態(tài)時，應盡可能的重現(xiàn)出這些特征。

（2）貼圖方式及其注意事項。3DMAX環(huán)境下提供的貼圖有針對表面顏色的Diffuse Color命令，應用Diffuse Color命令，并在其下一層級中添加Falloff方式。Falloff是一種表現(xiàn)過渡色的貼圖方式，通過Falloff貼圖，能模擬八角茴香果實色澤上的嫩綠色到棕黃色的過渡，同時配合Blend的混合遮罩的方式，能模擬出八角果實部分呈成熟狀態(tài)，而部分未成熟的生長階段的特點。如圖3所示：

圖3

（3）八角茴香的果實表面還有不規(guī)則皺紋的特征，這種不規(guī)則的皺紋并不十分的明顯，屬于輕微的凹凸。如果應用前文提到的利用增加節(jié)點的方法對這種不規(guī)則皺紋進行模擬，必需增加海量的節(jié)點，大量的節(jié)點不易于控制和調節(jié)，同時會造成系統(tǒng)資源的浪費。

3DMAX提供了一種較為經(jīng)濟的方法實現(xiàn)對物體表面表淺紋理的模擬，這是通過Bump貼圖方式實現(xiàn)的。Bump貼圖是一種專門用于模擬表面凹凸的貼圖命令，通過在虛擬物體的表面覆蓋由包含白色到黑色這個灰度范圍的顏色的貼圖，計算出物體表面的凹凸程度。針對八角茴香表面上的凹凸的不規(guī)則分布和不規(guī)則的凹凸程度，在應用Bump貼圖的時候可以利用貼圖的層級和遮罩關系在Bump貼圖下添加Noise（噪波）貼圖來得到一種不規(guī)則的灰度顆粒關系。

（三）結語

綜上所述，基本上通過綜合應用3DMAX環(huán)境下提供的各種功能完成了對八角茴香果實實體的模擬。如圖4所示：

圖4

通過研究應用3DMAX部分功能模塊和命令對八角茴香果實實體的模擬，著重探討利用現(xiàn)代化科技手段尋求中藥材展示的新途徑和新方法，并可以伴隨著3DMAX新版本的功能升級，進一步將中藥鑒定中的其它可視特征展示出來，甚至將中藥材的生長環(huán)境因素模擬再現(xiàn)，與中藥材的內部生長關聯(lián)形成互動，逐步摸索出一套能夠完整展現(xiàn)中藥材的全景式生長過程，并且參與性、互動性極強的三維模型模擬展示方法。

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1008-1151(2010)04-0128-02

2010-01-20

廣西壯族自治區(qū)科學研究與技術開發(fā)計劃項目：桂科攻0330008-17

王乃平（1953－），男，湖南湘潭人，廣西中醫(yī)學院教授，博士，從事藥理學和中藥信息化研究。