基于Unity3D的中醫(yī)藥掌上博物館設(shè)計與研究*

伍惠安

（廣州華夏職業(yè)學(xué)院,廣東廣州 510935）

一、研究背景

（一）中醫(yī)藥科普教育上升新高度

2022年國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《“十四五”中醫(yī)藥發(fā)展規(guī)劃》中指出要大力弘揚中醫(yī)藥文化，使得中醫(yī)藥文化產(chǎn)品和服務(wù)供給更為優(yōu)質(zhì)豐富，中醫(yī)藥博物館事業(yè)加快發(fā)展，文化傳播覆蓋面進(jìn)一步拓寬，公民中醫(yī)藥健康文化素養(yǎng)水平持續(xù)提高，中醫(yī)藥文化影響力進(jìn)一步提升。近幾年來，我國政府和社會組織對推廣中醫(yī)藥文化走進(jìn)校園做出不少努力。因此，面向?qū)W校廣大師生推廣普及中醫(yī)藥文化有著不可或缺的作用。

（二）專業(yè)人士迫切希望出現(xiàn)直接、高效的輔助教學(xué)工具

我國中醫(yī)藥材種類繁多、根系錯雜，在教學(xué)及實訓(xùn)過程中學(xué)生和相關(guān)從業(yè)者往往不能深入了解這些藥材的特性，其后續(xù)中醫(yī)藥課程學(xué)習(xí)、培訓(xùn)效果也將大打折扣，這是一個顯著的市場痛點[2]。這類問題導(dǎo)致了中藥相關(guān)從業(yè)者比其他醫(yī)學(xué)從業(yè)者要少很多的情況。信息化技術(shù)的發(fā)展為中醫(yī)藥信息化提供了新路徑，AR技術(shù)是可以創(chuàng)造和親身體驗到虛擬的世界的計算機(jī)仿真系統(tǒng)，我國目前已有部分針對中醫(yī)藥與AR技術(shù)相結(jié)合的研究，主要集中在中藥產(chǎn)業(yè)信息化、古籍整理數(shù)字化、中醫(yī)標(biāo)準(zhǔn)化、文獻(xiàn)信息數(shù)字化等方面，而與中醫(yī)藥三維展示相關(guān)的研究較少。在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)生態(tài)下，針對目前存在的市場痛點，借助AR技術(shù)基于Unity3D平臺的中藥材AR智能展示系統(tǒng)，具備三維模型展示、中草藥信息展示等功能，用于普及中草藥知識，是互聯(lián)網(wǎng)+中醫(yī)藥的有益嘗試。

（三）中醫(yī)藥科普力量較薄弱

從對當(dāng)前中醫(yī)藥科普市場調(diào)研的分析可以看出，屬于中醫(yī)藥領(lǐng)域的科普較少；部分文章過于專業(yè)化不夠通俗易懂，吸引力不強[3]。有關(guān)中醫(yī)藥科普存在市場空缺，其中能夠真正能夠滿足用戶需求、寓教于樂的科普產(chǎn)品少之又少。

正是看到這些方面問題，本研究基于此研究設(shè)計一款A(yù)R中醫(yī)藥掌上博物館應(yīng)用軟件以用于解決當(dāng)前中醫(yī)科普教學(xué)等存在的問題。

二、概要設(shè)計

（一）應(yīng)用軟件概述

“AR中醫(yī)藥掌上博物館”是一款科普教育類應(yīng)用軟件（APP），用戶可以通過使用該APP獲取相關(guān)中草藥知識，以及不同中草藥三維實體模型。用戶通過使用手機(jī)下載AR中醫(yī)藥掌上博物館，掃描中草藥知識手冊上的中草藥識別圖，就可以直接了解識別圖對應(yīng)的中草藥相關(guān)知識，通過AR實景觀測每一種中草藥的完整植物形態(tài)，了解中草藥相關(guān)的藥性、功效等，讓學(xué)習(xí)者看到凸出屏幕之外的立體圖像，體驗強烈的浸入式學(xué)習(xí)模式[5]。APP還設(shè)有問答闖關(guān)游戲功能，通過問答游戲讓用戶潛移默化地學(xué)習(xí)中草藥知識。其中，更設(shè)有看圖識藥猜謎小游戲，角度新奇，更具有趣味性。此外，APP還提供DIY書簽功能，使用戶可以選擇自己喜歡的中草藥進(jìn)行DIY書簽，設(shè)計好的書簽可以隨時隨地分享給小伙伴，令用戶也參與到中草藥知識的科普中。同時，APP還包含一系列科普視頻供用戶深入學(xué)習(xí)中草藥知識。

（二）軟件LOGO說明

AR中醫(yī)藥掌上博物館依托增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)提供多種交互功能，其核心基礎(chǔ)功能為AR識別，因此，以體現(xiàn)軟件主要功能的圖形作為LOGO主要元素，優(yōu)點是讓用戶一看到LOGO就能大概了解這個軟件的功能。LOGO整體顏色以一些古代中藥醫(yī)書上的藍(lán)色為主體色，點綴上一些草藥的圖形及照相機(jī)識別的外框，使之能夠精準(zhǔn)表達(dá)APP的應(yīng)用主要功能，一目了然。

（三）主要流程功能簡述

功能介紹：

該APP包括五大功能：AR識別、DIY書簽，視頻科普、問答闖關(guān)游戲、神農(nóng)苑展示圖。

1.AR草藥識別

用戶根據(jù)提供的中草藥識別圖，利用APP的AR識別功能對識別圖進(jìn)行掃描識別，就可以看到手機(jī)屏幕上出現(xiàn)對應(yīng)的三維立體中草藥模型。點擊屏幕模型可以放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等，進(jìn)行多角度遠(yuǎn)近距離地觀察草藥的特性及信息[6]。同時，通過點擊“藥物”按鈕，可以看到中草藥變成中藥材的三維模型，通過對中藥材的詳細(xì)介紹及三維模型等方面進(jìn)行學(xué)習(xí)，使用戶切實掌握中草藥、中藥材的專業(yè)知識。

2.DIY書簽

該功能模塊用戶可以根據(jù)APP提供的草藥圖及背景進(jìn)行DIY書簽，在該界面選擇自己喜歡的中草藥作為書簽的核心元素，然后選擇不同的背景進(jìn)行搭配，最后輸入文字，文字可以是心情語錄、學(xué)習(xí)心得，也可以是中草藥知識學(xué)習(xí)的小筆記等。最后，通過點擊“保存”按鈕可以將制作好的書簽以圖片的形式保存到手機(jī)相冊中，隨時分享。

3.視頻科普

用戶進(jìn)入到該模塊可以根據(jù)自己選擇的視頻主題播放相應(yīng)的科普視頻。觀看結(jié)束后，用戶可以學(xué)習(xí)到相應(yīng)的經(jīng)驗知識，并運用到實際生活當(dāng)中。

4.問答闖關(guān)游戲

用戶進(jìn)入到該功能模塊，在界面上會看到一根藤蔓上分布不同等級的關(guān)卡，每一個關(guān)卡都有不同的問答題，這些問答題都與中草藥知識相關(guān)，其中還包括看圖識藥的猜謎提問。用戶每答對一個關(guān)卡的問題就會自動開啟下一關(guān)的關(guān)卡，回答錯誤則停留在原位。

5.神農(nóng)苑展示圖（概況）

用戶進(jìn)入該模塊可以查看線下實體中藥科普基地的詳細(xì)概況，包括科普基地的地理位置，俯瞰圖，以及每個園區(qū)中草藥的種植分布等，方便用戶在進(jìn)行實地參觀過程中查看路線。（此模塊基于我校華夏神農(nóng)苑中醫(yī)藥科普基地開設(shè)）。

三、設(shè)計與實現(xiàn)

（一）開發(fā)工具

本設(shè)計是基于Unity3D引擎開發(fā)的一款科普教育類應(yīng)用軟件，Unity具有跨平臺性，入門簡單，是實現(xiàn)增強現(xiàn)實技術(shù)(AR)及虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）主流的開發(fā)引擎。通過Untiy3D配合Vuforia來實現(xiàn)AR識別核心功能的設(shè)計與制作，Vuforia是一種適用于移動設(shè)備的增強現(xiàn)實軟件開發(fā)工具包（SDK），其可用于創(chuàng)建增強現(xiàn)實（AR）應(yīng)用程序。Vuforia一直是國內(nèi)外開發(fā)者青睞的ARSDK，它高質(zhì)量的識別技術(shù)及功能使得Vuforia早已深入人心[7]。對于中醫(yī)藥三維模型的制作上，主要使用3dsMax軟件，該軟件能夠提供強大的功能、具有快速建模方式和優(yōu)秀的渲染插件。在模型制作，動畫制作及渲染等性能上都非常強大，是目前最受歡迎的三維建模軟件之一。

（二）技術(shù)路線

開發(fā)基于Unity3D的AR中醫(yī)藥掌上博物館的技術(shù)路線如下：

1.查閱相關(guān)資源，素材，確定好制作步驟和時間安排策劃好整個方案。

2.使用Unity3D創(chuàng)建項目，搭建及運行環(huán)境，導(dǎo)入相關(guān)資源。

3.利用3dsMax進(jìn)行中醫(yī)藥三維模型的創(chuàng)建，導(dǎo)出.fbx模型后導(dǎo)入到Unity3D中。

4.準(zhǔn)備Vuforia開發(fā)環(huán)境，下載VuforiaSDK并導(dǎo)入至Unity工程中，設(shè)置好ARCamera,并將注冊Vuforia用戶時獲取的LicenseKey設(shè)置好，調(diào)整模型與識別圖像的位置關(guān)系，測試效果。

5.使用C#Scripts編寫腳本實現(xiàn)AR識別交互功能及其他功能模塊。

6.使用Unity中的UGUI系統(tǒng)實現(xiàn)UI交互設(shè)計，通過Canvas畫布、Button按鈕、Image圖片等控件，依據(jù)提前設(shè)計好的UI界面進(jìn)行布局，編寫腳本控制按鈕跳轉(zhuǎn)交互及其他功能模塊的銜接控制。

（三）具體設(shè)計實現(xiàn)

1.AR識別技術(shù)實現(xiàn)

本設(shè)計基于Unity引擎進(jìn)行開發(fā)設(shè)計，而AR技術(shù)的實現(xiàn)，主要借助于Vuforia平臺提供的插件實現(xiàn)。首先，需要登錄Vuforia官網(wǎng)注冊成為Vuforia用戶，點擊注冊并填寫相關(guān)注冊信息，在完成注冊信息填寫后，Vuforia會給注冊郵箱發(fā)送一封激活郵件，激活賬號后可登錄管理后臺，進(jìn)入后臺下載Vuforia SDK for Unity并導(dǎo)入至Unity引擎中。接下來，需要在Vuforia平臺下創(chuàng)建一共數(shù)據(jù)庫以用于識別圖的上傳，這里面識別圖要求盡量邊界清晰分明，色彩對比度較高，這樣的識別圖更具備易識別性。當(dāng)上傳完圖片后，Vuforia會對圖片可識別性進(jìn)行評估，評估的一共范圍在1-5星之間，一般選擇3星級以便后期模型的識別，能夠降低發(fā)生錯誤的概率。

2.三維草藥模型實現(xiàn)

3ds Max這款三維設(shè)計軟件是當(dāng)前社會較為流行且運用程度較高的一款三維建模軟件。

AR識別所呈現(xiàn)的虛擬對象效果對于不同的種類的中醫(yī)藥植物，需要通過前期調(diào)研搜查資料了解對應(yīng)中醫(yī)藥的一個呈現(xiàn)形態(tài)，充分了解對應(yīng)草藥的基本結(jié)構(gòu)。例如，在3dsMAX中，針對草葉可以通過建立面片實現(xiàn)，建立面片后進(jìn)行多邊形編輯，在調(diào)整過程中不斷的根據(jù)需要進(jìn)行分段，調(diào)制出葉子的形態(tài)。由于葉子通常情況都是帶有不同的完全程度，因此通過彎曲變形命令可以實現(xiàn)該效果，需要注意的是彎曲過程中要先調(diào)整好對應(yīng)的軸心點，再去進(jìn)行一個彎曲調(diào)整，避免葉片模型出現(xiàn)變形。同理，其他的草藥的葉片基本大同小異，可以通過復(fù)制的方式，采用不同的彎曲方式及變形操作，調(diào)整出葉片的不大小，方向及彎曲程度。最后給草藥可以賦予貼圖，貼圖的制作可以通過Photoshop進(jìn)行制作，在網(wǎng)絡(luò)上找到草藥葉子圖片并利用Photoshop進(jìn)行摳圖，也可也依據(jù)參考圖繪制對應(yīng)葉面的紋理及顏色。接著在3dsMax中采用unwrap UVW對貼圖進(jìn)行展開操作并對葉片進(jìn)行貼圖，然后復(fù)制到其他葉片中，以這種方式進(jìn)行草藥的建模能夠相應(yīng)地降低一些工作量提高效率。

3.UI的設(shè)計與實現(xiàn)

用戶界面（UI）的設(shè)計是一款應(yīng)用軟件的重要組成部分，用戶界面一般依據(jù)軟件的核心內(nèi)容整體的風(fēng)格所設(shè)計，因此在設(shè)計實現(xiàn)過程中應(yīng)從色彩到質(zhì)感都保持一致。在不同的界面中不可缺少的元素就是按鈕，通過按鈕用戶可以實現(xiàn)在不同的界面中進(jìn)行互相的跳轉(zhuǎn)，或者觸發(fā)事件的響應(yīng)。Unity中提供了很多UI組件，通過Unity中的UGUI系統(tǒng)即可進(jìn)行創(chuàng)建。首先，所有的UI組件在創(chuàng)建初期都需要創(chuàng)建Canvas畫布，Canvas是所有UI組件的容器，即存放組件地方。一些Button組件，Image組件等都需要在它的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)置，UI組件在創(chuàng)建的時都會默認(rèn)成為Canvas畫布的子對象，同時會生成EventSystem用于事件的響應(yīng)。接著創(chuàng)建New Script通過C# Script，編寫所需要實現(xiàn)的功能代碼。

例如，控制按鈕的顯示可以通過gameObject.SetActive(true),監(jiān)聽按鈕事件可以通過button.onClick.AddListener（）等等。

（四）測試發(fā)布

本設(shè)計主要采用黑盒測試，主要測試軟件功能是否完整，界面表現(xiàn)是否與設(shè)計有偏差，界面直接的跳轉(zhuǎn)邏輯是否合規(guī)合理，主要測試：交互界面測試、AR識別效果，掃描識別圖，測試一些UI圖片切換是否會出現(xiàn)混亂狀況，按鈕的跳轉(zhuǎn)是否會出現(xiàn)錯誤，所需要展示的文本內(nèi)容是否準(zhǔn)確等，通過導(dǎo)出APK并在安卓手機(jī)上安裝進(jìn)行調(diào)試測試，通過反復(fù)測試調(diào)整直至達(dá)到預(yù)期效果。

結(jié)語

本設(shè)計基本符合預(yù)期效果，借助AR技術(shù)的支持，實現(xiàn)基于Unity平臺的中醫(yī)藥掌上博物館設(shè)計及應(yīng)用研究，包括實現(xiàn)三維模型展示、中草藥信息展示等功能。本設(shè)計將AR技術(shù)與中醫(yī)藥科普教學(xué)相結(jié)合，是“互聯(lián)網(wǎng)+中醫(yī)藥”的一次有益嘗試，通過人機(jī)交互有助于推廣優(yōu)秀傳統(tǒng)中醫(yī)藥文化知識，完善中醫(yī)藥數(shù)字化教學(xué)及信息化科學(xué)建設(shè)。將中醫(yī)藥科普有趣化、親民化。讓人們無論在何處，只要有手機(jī)就能學(xué)習(xí)與體驗到有意思的中醫(yī)藥科普內(nèi)容，但APP仍存在一些需要不斷修善之處，例如中草藥模型種類還不夠多，UI界面還需進(jìn)一步美化，提升交互友好性等，這些在后續(xù)的開發(fā)中仍可以持續(xù)不斷優(yōu)化和改進(jìn)。