虛擬數(shù)字化中藥材3D模型庫展示系統(tǒng)構(gòu)建

何志紅　包秀莉

摘要：本文結(jié)合虛擬現(xiàn)實前沿技術，研究開發(fā)虛擬數(shù)字化中藥材3D模型庫展示系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)構(gòu)建完備的中藥材體系和多功能的教學功能體系，實現(xiàn)最大限度的信息交流和資源共享，提高中藥材的管理水平。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實;混合現(xiàn)實;3D模型庫

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）05-0171-02

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，我國有記載的中藥材有12807種，其中植物藥11146種，動物藥1581，礦物藥80種，無記載的民間藥更不計其數(shù)[1]。中藥材品種多，形狀差異大，中藥材展示與管理難的問題日益突出。虛擬現(xiàn)實（VR）是信息技術的重要分支，是仿真技術的重要方向，混合現(xiàn)實技術能夠?qū)⑻摂M物體與現(xiàn)實實體相互融合，本文針對中藥庫展示與管理難的突出問題，將混合現(xiàn)實技術應用于虛擬數(shù)字化中藥材3D模型庫展示系統(tǒng)的研發(fā)，在各大高校中藥標本館的基礎上實現(xiàn)虛擬數(shù)字化，開發(fā)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，構(gòu)建中藥材3D模型庫，實現(xiàn)中藥標本的資源共享，中藥教學的數(shù)字化和信息化，更好的為高等院校和社會公眾提供真實、獨特感知以及交互的體驗、教學和研究平臺，同時也能夠?qū)π麄髦兴幹R、中醫(yī)藥科普教育、中藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生積極影響。

1 中藥材3D模型庫展示系統(tǒng)

虛擬中藥材是在綜合圖形學、計算機科學、三維建模技術等的基礎上，構(gòu)建與真實藥材標本相似或相近的三維數(shù)字模型[2]。虛擬中藥材不僅能直觀、立體地展現(xiàn)出中藥材的形狀、顏色、紋理等特征，實現(xiàn)中藥材的數(shù)字化表達，并可對模型進行全方位地觀察[3]。本文主要通過中藥材虛擬3D建模、虛擬現(xiàn)實交互系統(tǒng)、中藥材虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)和接口設計來構(gòu)建虛擬數(shù)字化中藥材3D模型庫展示系統(tǒng)，如圖1所示。

1.1 構(gòu)建完備的中藥材3D模型庫

虛擬數(shù)字化中藥庫3D建模。主要包括：（1）建立中藥材的3D模型（藥材幾何形狀、表面紋理特征等）;（2）3D模型面數(shù)優(yōu)化、實時渲染制作、測試與優(yōu)化工作;（3）建立虛擬數(shù)字化中藥庫，50-100種常見中藥品種?；谡鎸嵥幉牡男螤?、特征建立中藥材3D模型，構(gòu)建完備的虛擬數(shù)字化中藥材體系，一方面從多個角度對中藥材的鑒別特征進行完整、形象地展現(xiàn)，另一方面可以使藥材更好的分類，更有利于中藥材鑒定數(shù)據(jù)的收集整理。

1.2 構(gòu)建虛擬數(shù)字化中藥庫及展廳

基于中藥材3D模型庫和國內(nèi)已建立的中藥標本館，結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術和虛擬數(shù)字化技術對實體標本館的展示內(nèi)容和相應的標本、實物進行數(shù)字化處理，提供在線的中藥標本查詢、物種信息服務，將傳統(tǒng)的中藥標本館網(wǎng)絡化、虛擬化。虛擬數(shù)字化中藥庫的建立，使傳統(tǒng)中藥標本館的教育功能已不再局限于一個地區(qū)、一個國家，而是日益走向開放、走向國際化，在更大的范圍內(nèi)實現(xiàn)最大限度的信息交流和資源共享。

基于數(shù)字化中藥庫構(gòu)建虛擬展廳，虛擬展廳構(gòu)建以實際展廳為例，進行1：1模型構(gòu)建;和虛擬現(xiàn)實頭盔配合使用，實現(xiàn)展廳360度無死角沉浸式觀察體驗;在虛擬展廳中具有選取、重新擺放標本的功能;支持錯誤提示功能，如果標本擺放錯誤即可彈出錯誤提示;實現(xiàn)標本橫切面的展示與語音或者字幕介紹;使用控制手柄，可以操作虛擬空間內(nèi)的標本移動、擺放、旋轉(zhuǎn);實現(xiàn)虛擬展廳選取、重新擺放標本;提供內(nèi)容環(huán)境人腦適應度測試接口;配合虛擬現(xiàn)實頭盔，提供在虛擬現(xiàn)實空間中進行操作;提供標本在虛擬現(xiàn)實中的搜尋、修改、刪除、排序、變更色彩、亮度等虛擬現(xiàn)實基礎庫的管理工作;虛擬現(xiàn)實空間內(nèi)具有菜單選項列表，可選擇其中按照類別進行相應擺放、更換等。

1.3 構(gòu)建多功能的教學功能體系

中藥材中的植物類藥材種類繁多，特征復雜，通過對中藥材3D模型庫的構(gòu)建，大大拓展虛擬數(shù)字化中藥材3D模型庫展示系統(tǒng)的教學服務功能。使之成為藥材商品學、中藥鑒定學、中藥資源與開發(fā)、藥用植物學、中藥學、方劑學、中成藥學、中藥調(diào)劑學等學科教學基地，將混合現(xiàn)實技術引入中藥教學領域，符合中藥教學的數(shù)字化、社會化的發(fā)展方向，中藥材虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的研發(fā)可以從根本上降低教學成本，減少危險性，激發(fā)學生的學習興趣和主觀能動性、提高教學質(zhì)量、彌補教學條件的不足，從而在理論教學和實踐教學中可以發(fā)揮重大作用。

1.4 實現(xiàn)中藥材展示、鑒別、性狀鑒定、制作等系統(tǒng)功能

1.4.1 進行虛擬數(shù)字化中藥庫虛擬現(xiàn)實交互系統(tǒng)研發(fā)

主要包括：（1）中藥展示、鑒別、制作混合現(xiàn)實場景建模;（2）中藥展示、鑒別、制作混合現(xiàn)實場景模型面數(shù)優(yōu)化，以及實時渲染制作、測試與優(yōu)化工作;（3）中藥展示、鑒別、制作規(guī)則設計、行為設計、流程設計;（4）中藥展示、鑒別、制作混合現(xiàn)實場景的交互設計。

1.4.2 進行虛擬數(shù)字化中藥材3D模型庫展示系統(tǒng)設計

主要包括：（1）虛擬數(shù)字化中藥庫虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)基本構(gòu)成;（2）虛擬數(shù)字化中藥材3D模型庫展示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究與設計;（3）虛擬數(shù)字化中藥材3D模型庫展示系統(tǒng)交互設計。

1.4.3 進行虛擬數(shù)字化中藥材3D模型庫展示系統(tǒng)接口設計與實現(xiàn)

主要包括：（1）中藥庫虛實空間視覺上交互影響的接口設計與實現(xiàn);（2）中藥庫虛實世界智能上交互融合的接口設計與實現(xiàn);（3）中藥展示、鑒別、制作混合場景交互接口設計與實現(xiàn);（4）虛擬數(shù)字化中藥材3D模型庫展示系統(tǒng)人機交互接口設計與實現(xiàn)。

1.4.4 利用高倍清晰三維掃描儀獲取中藥材的紋理圖像

主要包括的核心技術有三維數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的預處理和三維模型重建，主要過程為：（1）三維掃描獲取紋理;（2）初始模型處理，采用逆向建模技術構(gòu)建實體的幾何造型;（3）模型優(yōu)化，利用3DSMAX對中藥材標本模型進行優(yōu)化調(diào)整，可以使標本更加精美逼真。利用三維掃描儀在同一條件下從多個角度獲取藥材表面三維數(shù)據(jù)（“點云”數(shù)據(jù)）。將獲得的數(shù)據(jù)輸出，選出數(shù)據(jù)較完整且表現(xiàn)特征清晰的“點云”數(shù)據(jù)，利用網(wǎng)絡數(shù)據(jù)編輯功能對其進行預處理。以定點對應方式重建，得到藥材的幾何造型。將獲取的紋理圖像利用軟件進行處理，映射到幾何造型上，從而得到藥材的三維模型。

借助虛擬現(xiàn)實技術中三維建模技術將藥材的生長環(huán)境、藥材炮制、采收加工等過程展現(xiàn)出來，將藥材的特點、理化特性、藥理研究、炮制加工以及最終形態(tài)在屏幕上顯示出來，同時還可以改變溫度、濕度、光照等各種因素，甚至還可以將藥材的微觀結(jié)構(gòu)特性與藥材整體相結(jié)合，由里至外地逐層剖析中藥材的組織結(jié)構(gòu)特點。虛擬數(shù)字化中藥材3D模型庫展示系統(tǒng)可以展示實物所不能展示的顯微組織特征，提高用戶對藥材的認知度和感知度，并且能傳達給學習者關于藥材從微觀到宏觀的全面認識。最終在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中實現(xiàn)虛擬空間與實景空間相互交疊的混合展示空間，達到真實的體驗和基于視覺、聽覺、觸覺等自然技能的人機交互。

2 結(jié)語

本文所構(gòu)建的虛擬數(shù)字化中藥材3D模型庫展示系統(tǒng)具有完備的中藥材體系和多功能的教學功能體系，擴大了中藥材的展示空間，可以最大限度的實現(xiàn)信息交流和資源共享。利用中藥材與虛擬現(xiàn)實技術的融合可以引導中藥產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，同時吸引更多的資本動力助推虛擬現(xiàn)實又快又好發(fā)展，促進多領域交叉協(xié)同發(fā)展。該系統(tǒng)將大大提高中藥材的管理水平和對中藥材學習的真實性和趣味性，使相關高校的學生更易接受專業(yè)性訓練，使公眾更易熟悉中藥鑒別、制作過程及知識，該研究具備有廣闊的市場前景、顯著的經(jīng)濟社會效益以及較高的推廣應用價值。

參考文獻

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[3] 谷曉晨，闞紅星，楊青山，等.采用123D Catch建立中藥材的3D模型[J].安徽中醫(yī)藥大學學報，2014，33（1）：85-86.