中藥鑒定VR教學(xué)軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

吳潼 林啟泉 林世姚 張怡標(biāo) 甘祖兒 藍(lán)天悅

摘? 要：文章通過分析中藥鑒定虛擬仿真軟件的現(xiàn)狀，調(diào)研中藥類相關(guān)專業(yè)對中藥鑒定VR教學(xué)軟件的使用需求，發(fā)現(xiàn)：國內(nèi)有關(guān)中藥仿真類項目數(shù)量較少，且現(xiàn)有軟件功能不完善，同時支持PC端和移動端的軟件更是少見；大部分學(xué)生認(rèn)為中藥鑒定虛擬仿真軟件對自己學(xué)習(xí)能力和中藥鑒定能力起到積極的影響作用?；诖?，綜合了虛擬現(xiàn)實、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，采用分層架構(gòu)思想設(shè)計和開發(fā)了一款跨終端的中藥鑒定VR教學(xué)軟件，可幫助解決中藥鑒定教育教學(xué)和培訓(xùn)中存在的“找藥難、查詢難、分辨難”等難題，進(jìn)一步提升中藥鑒定教學(xué)培訓(xùn)效果。

關(guān)鍵詞：中藥材鑒定；虛擬仿真；軟件設(shè)計與開發(fā)

中圖分類號：TP311；G434? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）17-0102-07

Design and Implementation of VR Teaching Software for Traditional Chinese Medicine Identification

WU Tong1， LIN Qiquan1， LIN Shiyao1， ZHANG Yibiao1， GAN Zuer1， LAN Tianyue2

（1.School of Software， Guangdong Food and Drug Vocational College， Guangzhou? 510520， China;

2.School of Traditional Chinese Medicine， Guangdong Food and Drug Vocational College， Guangzhou? 510520， China）

Abstract： By analyzing the current situation of virtual simulation software for traditional Chinese medicine identification and investigating the using demand for VR teaching software for traditional Chinese medicine identification by relevant majors in the field of traditional Chinese medicine， the paper finds that： firstly， there are a few domestic simulation projects related to traditional Chinese medicine， and the existing software functions are not perfect， and software that supports both PC and mobile terminals is even less common. Secondly， most students believe that virtual simulation software for traditional Chinese medicine identification has a positive impact on their learning ability and traditional Chinese medicine identification ability. Based on this， combining virtual reality， cloud computing， big data， and other technologies， a cross terminal VR teaching software for traditional Chinese medicine identification has been designed and developed by using a layered architecture idea， which can help solve the “difficult to find， query， and distinguish” problems in traditional Chinese medicine identification education and training， and further improve the effectiveness of traditional Chinese medicine identification teaching and training.

Keywords： identification of traditional Chinese medicine; virtual simulation; software design and development

0? 引? 言

中藥是我國延續(xù)千年且行之有效的藥物，為人類醫(yī)學(xué)發(fā)展和促進(jìn)人類健康做出了突出的貢獻(xiàn)。中藥鑒定學(xué)是鑒定和研究中藥的品種和質(zhì)量，制定中藥標(biāo)準(zhǔn)，尋找和擴(kuò)大新藥源的應(yīng)用學(xué)科，在中藥學(xué)的專業(yè)培養(yǎng)上占有重要地位[1]。傳統(tǒng)中藥鑒定課程教學(xué)過程中也存在著“典型中藥材難以尋找、真假藥材難以對比、藥材數(shù)量難以滿足每個學(xué)生動手需求”等棘手問題?，F(xiàn)有中藥鑒定教學(xué)使用的VR軟件，存在中藥材三維模型數(shù)量有限、功能不夠完善、界面不夠友好等問題。因此，亟需開發(fā)一款集3D中藥鑒別、中藥識別等功能于一體的中藥鑒定VR教學(xué)軟件，以解決中藥鑒定教學(xué)與培訓(xùn)中存在的“找藥難、查詢難、分辨難”三難問題，同時還可幫助用戶不受藥材種類及數(shù)量、時間、場地、人員限制，隨時隨地開展相關(guān)的中藥鑒別學(xué)習(xí)，提升中藥鑒定教學(xué)培訓(xùn)效果。隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展以及與教育教學(xué)的融合應(yīng)用，特別是虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality， VR）技術(shù)，為面向?qū)W校的中藥鑒定教育教學(xué)和面向社會公眾的中藥鑒定科普培訓(xùn)，提供了新的解決方案和技術(shù)實現(xiàn)路徑。文章嘗試設(shè)計一款基于3D建模、VR引擎開發(fā)等技術(shù)，集3D中藥鑒定、中藥識別、中藥百科（即藥典查詢）、趣味辨中藥等功能于一體，可滿足中藥鑒定教學(xué)和培訓(xùn)的VR軟件。

1? 國內(nèi)中藥類虛擬仿真軟件現(xiàn)狀及需求分析

1.1? 平臺數(shù)據(jù)分析

通過對“國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺”的虛擬仿真實驗項目進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)平臺上共有3 307個項目，包括了理工類1 513個、醫(yī)學(xué)類478個、理學(xué)類428個、管理學(xué)類227個、藝術(shù)學(xué)類172個、農(nóng)學(xué)類147個。其中，醫(yī)學(xué)類的478項包括基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、公共衛(wèi)生與預(yù)防醫(yī)學(xué)、護(hù)理學(xué)、藥學(xué)、中醫(yī)、醫(yī)學(xué)技術(shù)、法醫(yī)八大類，具體數(shù)量分布如表1所示。

藥學(xué)類包含了藥學(xué)、中藥學(xué)、藥物制劑、中藥制藥、藥物分析、藥物化學(xué)六類。其中，中藥學(xué)占18個，占比33.96%，在藥學(xué)類排名第二，但在總類別中只占0.55%。通過對中藥學(xué)相關(guān)項目進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)中藥鑒定虛擬仿真實驗教學(xué)項目僅有兩個，分別是南京中醫(yī)藥大學(xué)的國家一流項目“中藥鑒定3D-MR虛擬仿真實驗”和齊魯醫(yī)藥學(xué)院的省級一流項目“中藥鑒定虛擬仿真實驗教學(xué)項目”。前者由南京藥育智能科技有限公司提供技術(shù)支持，包含野外采藥實踐、中藥來源鑒定、中藥性狀鑒定和中藥顯微鑒定；后者提供了半夏、阿膠兩種中藥材的VR鑒別實訓(xùn)。

1.2? 中藥鑒定VR教學(xué)軟件存在的主要問題

通過對以上分析，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)中藥鑒定VR教學(xué)軟件存在以下問題。

一是軟件內(nèi)容模塊較少，難以滿足教學(xué)需要。根據(jù)《中藥大辭典》收載的藥物，中藥材占到12 000多種，中藥材形態(tài)各異，且不規(guī)則?，F(xiàn)有軟件的內(nèi)容模塊較少，未能將中藥識別、類別查詢、考核系統(tǒng)、后臺管理系統(tǒng)、交流社區(qū)等模塊集于一體，難以滿足當(dāng)前教學(xué)需要。

二是現(xiàn)有軟件功能不夠完善。目前，由南京藥育公司開發(fā)的“3D-MR虛擬仿真實驗”，雖然具備中藥鑒定仿真實訓(xùn)的功能，但中藥性狀鑒定僅針對5種珍貴藥材，且系統(tǒng)沒有用戶管理、資源發(fā)布和管理、藥典查詢、中藥識別的功能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足中藥鑒定教學(xué)、培訓(xùn)和個人自主學(xué)習(xí)的需求。

三是現(xiàn)有軟件僅支持單一的終端。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，多端融合已成未來發(fā)展趨勢之一，但現(xiàn)有的中藥鑒定軟件多數(shù)只能基于桌面端或移動端，未能支持多終端交互，不便于移動學(xué)習(xí)。

2? 中藥鑒定VR教學(xué)軟件需求調(diào)查

2.1? 調(diào)研方式

本研究采用網(wǎng)絡(luò)調(diào)查的方式，調(diào)查對象為廣東某高職院校中藥學(xué)、中藥生產(chǎn)與加工、中藥制藥技術(shù)等相關(guān)專業(yè)學(xué)生。問卷在教育技術(shù)學(xué)和中藥學(xué)專業(yè)的資深教師指導(dǎo)下，由軟件技術(shù)和中藥學(xué)專業(yè)的學(xué)生共同設(shè)計完成。問卷內(nèi)容包含四部分：一是調(diào)研對象的人口社會學(xué)信息，包括性別、專業(yè)及年級；二是中藥鑒定學(xué)習(xí)的現(xiàn)狀調(diào)查；三是虛擬仿真教學(xué)軟件的熟悉度調(diào)查；四是中藥鑒定VR軟件的使用意愿及功能調(diào)查。問卷共19道題，包括選擇題和填空題。問卷調(diào)查時間為2022年9月10日—11月20日。本次問卷收集到149份，有效問卷149份，問卷回收率為100%。

2.2? 問卷分析

2.2.1? 調(diào)研對象的人口社會學(xué)信息

調(diào)研對象年齡介于19～21歲之間，男、女比例分別為12.75%和87.25%，符合學(xué)校中藥類相關(guān)專業(yè)的學(xué)院男女比例。

2.2.2? 對中藥鑒定學(xué)習(xí)的現(xiàn)狀調(diào)查

關(guān)于中藥鑒定學(xué)習(xí)的現(xiàn)狀，共7題，結(jié)果如表2所示，有一半的同學(xué)認(rèn)為平時課堂學(xué)習(xí)中藥鑒定時，中藥材的種類齊全度、學(xué)習(xí)次數(shù)、學(xué)習(xí)時長能滿足學(xué)習(xí)需要，學(xué)生人數(shù)和藥材比例在5：1以上的占53.69%，平時課外接觸藥材的機(jī)會相對較少，如圖1所示，主要通過書籍、視頻和學(xué)校開設(shè)的相關(guān)課程進(jìn)行了解和學(xué)習(xí)，使用虛擬仿真軟件學(xué)習(xí)占比只有16.78%。

2.2.3? 對虛擬仿真教學(xué)軟件的熟悉度調(diào)查

關(guān)于對虛擬仿真教學(xué)軟件的熟悉度，共3題，結(jié)果如表3所示，分析發(fā)現(xiàn)，四分之一左右的同學(xué)曾經(jīng)使用過虛擬仿真教學(xué)軟件，且使用次數(shù)為3次以上，但對中藥鑒定相關(guān)的虛擬仿真軟件了解較少，使用過的同學(xué)僅有10.07%，說明中藥鑒定虛擬仿真軟件較為缺乏。此外，大部分學(xué)生認(rèn)為虛擬仿真教學(xué)軟件可有助于增加學(xué)習(xí)趣味性、突破時空限制、直觀易于加深對知識的理解、可作為實際操作之前的演練等。

2.2.4? 對中藥鑒定VR軟件的使用意愿及功能調(diào)查

關(guān)于對中藥鑒定VR軟件的使用意愿及功能，共3題，結(jié)果如表4所示，65.1%的學(xué)生認(rèn)為有必要引入虛擬仿真軟件來支持中藥鑒定的學(xué)習(xí)，且63.76%的同學(xué)愿意嘗試使用，52.35%的同學(xué)認(rèn)為中藥鑒定虛擬仿真軟件對自己學(xué)習(xí)能力和中藥鑒定能力起到積極的影響作用。此外，學(xué)生希望中藥鑒定虛擬仿真軟件具備的功能應(yīng)包括：中藥材的360度旋轉(zhuǎn)查看、中藥材內(nèi)部切面的查看、中藥材真?zhèn)舞b定、易混淆中藥材鑒定、中藥材性狀鑒定、中藥識別實訓(xùn)演練、中藥材來源鑒定、中藥材查詢、中藥拍照識別和中藥識別實訓(xùn)考核。

3? 中藥鑒定VR教學(xué)軟件的設(shè)計思路

3.1? 設(shè)計理念

基于“科學(xué)規(guī)劃、按需設(shè)計、多端應(yīng)用、服務(wù)教學(xué)”的設(shè)計原則，以提升學(xué)生中藥鑒定理論知識掌握和實踐能力發(fā)展為宗旨，以幫助學(xué)生學(xué)習(xí)中藥材性狀鑒定、中藥材真?zhèn)舞b定以及便捷查詢中藥材為核心，基于PC端和移動端，支持師生開展中藥鑒定虛擬仿真教學(xué)。

3.2? 總體架構(gòu)

軟件的總體架構(gòu)采用了分層體系架構(gòu)思想，綜合了虛擬現(xiàn)實、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，包含如圖2所示的四層架構(gòu)。

3.2.1? 數(shù)據(jù)層

中藥鑒定虛擬仿真軟件涉及多種3D中藥模型及用戶操作數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)層分別設(shè)置了3D中藥模型庫、中藥材圖片庫、題庫、操作數(shù)據(jù)、用戶信息等來實現(xiàn)對相應(yīng)數(shù)據(jù)的存放和管理。

3.2.2? 支撐層

包含云支撐、核心技術(shù)和基礎(chǔ)服務(wù)三大部分。其中，基礎(chǔ)服務(wù)包括：數(shù)據(jù)管理、資源管理、系統(tǒng)管理、接口服務(wù)、用戶及權(quán)限管理、安全管理；核心技術(shù)涉及WebGL、HEML5、TBIR、DL、Ajax、MySQL。

3.2.3? 應(yīng)用服務(wù)層

為3D中藥材模型查看和交互、中藥材查詢等提供服務(wù)，包括：門戶服務(wù)、VR資源服務(wù)、VR項目教學(xué)、統(tǒng)計分析等。

3.2.4? 終端交互層

支持個人PC端、VR/AR交互設(shè)備及移動終端等不同類型的VR教學(xué)應(yīng)用。

3.3? 軟件的功能及內(nèi)容結(jié)構(gòu)設(shè)計

中藥鑒定VR軟件的主要功能結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括：注冊/登錄、3D中藥鑒定、中藥識別、中藥百科（即藥典查詢）、趣味辨中藥、題庫和社區(qū)六大功能模塊。

3.3.1? 3D中藥鑒定

建立經(jīng)典的道地藥材3D模型庫，通過Unity開發(fā)，實現(xiàn)中藥材360度和放大查看，支持從來源、性狀、真?zhèn)蔚冉嵌冗M(jìn)行中藥鑒定仿真學(xué)習(xí)。

3.3.2? 中藥識別

通過拍照上傳或者APP掃一掃，識別中藥信息，在中藥資源庫中進(jìn)行檢索、對比和分析，按照相似度從高到低的順序排列結(jié)果，幫助用戶實現(xiàn)對未知中藥的快速查詢和真?zhèn)舞b定。

3.3.3? 中藥百科（藥典查詢）

提供《中國藥典》（2020版）收錄的中藥的圖片及文字信息，并融合3D模型和相關(guān)視頻，最終形成具有豐富的圖、文、3D模型和視頻形式的中藥數(shù)字化資源庫，同時支持按功效、按藥用部位和關(guān)鍵詞檢索，幫助用戶快速查詢到結(jié)果。

3.3.4? 趣味辨中藥

為用戶提供3D趣味游戲，通過游戲的方式，進(jìn)一步鞏固和自我檢測中藥鑒定的相關(guān)知識和技能。

3.3.5? 題庫

為用戶提供中藥調(diào)劑員、中藥購銷員、中藥炮制工等從業(yè)以及職業(yè)資格考試的在線題庫，方便用戶學(xué)習(xí)和備考。

3.3.6? 社區(qū)

支持用戶發(fā)布討論主題、留言、收藏、點贊等，同時可關(guān)注其他用戶和查看粉絲，最終形成一個穩(wěn)定、活躍的中藥鑒定學(xué)習(xí)社群。

4? 技術(shù)的實現(xiàn)

4.1? 技術(shù)路徑

遵循軟件開發(fā)的基本流程，即系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、程序編碼和軟件測試五個階段。軟件技術(shù)實現(xiàn)主要分為三大部分：一是利用EinScan 3D掃描完成中藥材的三維模型創(chuàng)建，并采用3Dmax模型進(jìn)行模型優(yōu)化，然后導(dǎo)入至Unity完成交互開發(fā)，實現(xiàn)3D中藥鑒定學(xué)習(xí)和交互功能；二是利用Elasticsearch全文檢索、ONNX Runtime機(jī)器學(xué)習(xí)、Keras or PyTorch深度學(xué)習(xí)框架等，實現(xiàn)中藥材圖片檢索及識別的功能；三是利用SDK和Java等技術(shù)，實現(xiàn)多終端的應(yīng)用。

4.2? 視覺系統(tǒng)功能和交互功能的實現(xiàn)

傳統(tǒng)教學(xué)往往只注重知識內(nèi)在的邏輯性和系統(tǒng)性，學(xué)生無法親身體驗[2]。從自身認(rèn)知的角度來看，在一定的互動情景下，通過肢體的運(yùn)動，親身體驗去習(xí)得知識技能[3]。因此，用戶可以通過視覺和觸覺與虛擬仿真教學(xué)軟件進(jìn)行交互，通過身體實踐以獲得知識技能。在虛擬世界中，虛擬的模型所帶來的真實感主要取決于視覺系統(tǒng)功能和交互方式的開發(fā)程度[4]。利用3D Max對中藥材模型進(jìn)行優(yōu)化后，將模型導(dǎo)入到Unity3D中，通過調(diào)整攝像機(jī)以及燈光的參數(shù)、調(diào)整材質(zhì)參數(shù)、添加交互代碼等，還原3D中藥材模型的真實感，提升軟件的沉浸性、交互性和構(gòu)想性。

4.2.1? 視覺系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

第一人稱視角是以用戶自身為基準(zhǔn)，視野覆蓋小，用戶可以更集中地關(guān)注于中藥材模型的特征，通過交互方式和界面視圖的變化使得用戶有更高的投入度和代入感[5]。為了提升用戶的具身體驗，采用第一人稱視角，用戶可以360°觀察中藥材的3D模型、縱切面、橫切面和表皮。通過調(diào)整攝像機(jī)的角度和視野，實現(xiàn)中藥材模型放大、縮小以及復(fù)位等效果。如圖4所示，在Unity3D的inspector窗口中，調(diào)整主攝像機(jī)的位置（Position）、角度（Rotation）和視野（Field of View）以及燈光（Spot Light、Point Light）的照射角度、范圍（Range）、聚光燈角度（Spot Angle）、模式（Mode）以及強(qiáng)烈（Intensity），使得中藥材模型有較高的還原性、真實性。

4.2.2? 用戶界面的實現(xiàn)

用戶界面是用戶和系統(tǒng)之間進(jìn)行互動交流和信息交流的媒介，用戶通過用戶界面與系統(tǒng)完成信息交流[6]。在界面設(shè)計過程中，應(yīng)遵循“一致性、可讀性和兼容性”原則，以便用戶可以輕松地在不同設(shè)備之間快速理解和使用軟件[7]。創(chuàng)建用戶界面的組件，包括功能按鈕、單選框及相關(guān)文本幕布，創(chuàng)建UGUI的步驟如圖5所示，移動和PC端界面如圖6所示。

4.2.3? 交互方式的實現(xiàn)

交互是指用戶與軟件之間進(jìn)行雙向信息交流的行為[8]。為了幫助用戶獲得良好的交互體驗，應(yīng)重點關(guān)注用戶在與軟件進(jìn)行信息交流過程中的操作體驗，同時遵循“易用、合理”原則。中藥鑒定VR教學(xué)軟件的主要交互方式為觸控交互，用于控制中藥材3D模型的外部和內(nèi)部性狀特征的呈現(xiàn)。為實現(xiàn)觸控交互，可在Unity3D的主攝像機(jī)（Main Cameras）上添加C#語言腳本，控制主攝像機(jī)的旋轉(zhuǎn)，視野縮放。通過點擊和滑屏等操作實現(xiàn)不同中藥材模型的切換、縮放、旋轉(zhuǎn)、移動等。通過點擊UI界面的組件，實現(xiàn)頁面和文本的切換。

5? 結(jié)? 論

將虛擬仿真技術(shù)運(yùn)用于教育教學(xué)和培訓(xùn)，可幫助解決實踐教學(xué)中“進(jìn)不去、看不見、動不了、難再現(xiàn)”的問題，有效提升教學(xué)效果。文章通過分析當(dāng)前中藥鑒定VR教學(xué)軟件的不足，調(diào)研了中藥鑒定教學(xué)過程中所遇到的問題及應(yīng)用需求，基于虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，設(shè)計出一款具備3D中藥鑒別、中藥識別、藥典查詢、中藥鑒定教學(xué)及科普等功能于一體的中藥鑒定VR教學(xué)軟件，解決中藥鑒定教育教學(xué)中存在的難題，滿足教育教學(xué)所需，有效激發(fā)學(xué)生對中藥材認(rèn)識的興趣，有助于鞏固和加強(qiáng)理論學(xué)習(xí)和實踐技能訓(xùn)練。目前，軟件已開發(fā)完成部分功能，完成了小規(guī)模測試，學(xué)生和老師反映較好，下一步根據(jù)學(xué)生和老師提出的相關(guān)建議進(jìn)一步優(yōu)化完善，并繼續(xù)推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王寧.高職高專中藥鑒定學(xué)實踐教學(xué)改革探索 [J].衛(wèi)生職業(yè)教育，2010，28（23）：87-88.

[2] 梁浩.具身認(rèn)知對現(xiàn)代教學(xué)的啟示 [J].學(xué)理論，2014（6）：181-182.

[3] 劉洋.基于Unity3D的交互式虛擬油庫培訓(xùn)系統(tǒng)研發(fā) [D].撫順：遼寧石油化工大學(xué)，2019.

[4] 王曉冬.從視覺角度的改變來提升游戲性的研究 [J].中國傳媒科技，2012（22）：237-238.

[5] 田鵬飛.基于深度學(xué)習(xí)的運(yùn)動想象腦機(jī)接口通道優(yōu)化和分類算法研究 [D].西安：陜西科技大學(xué)，2022.

[6] 李舸.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的肉牛飼養(yǎng)系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用研究 [J].飼料研究，2023，46（4）：131-134.

[7] 郝書敏.基于圖像識別技術(shù)在工業(yè)設(shè)計中信息交互的應(yīng)用 [J].西部皮革，2020，42（8）：60-61.

[8] 董桂偉，趙國群，王桂龍，等.高等工程教育虛擬仿真實驗教學(xué)的分析與思考——基于278項國家級虛擬仿真實驗教學(xué)項目的描述性研究 [J].實驗技術(shù)與管理，2022，39（12）：199-204.

作者簡介：吳潼（2002.11—），男，漢族，廣東揭陽人，研究方向：軟件技術(shù)。