PlantFactory 3D模型在藥用植物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

付英杰，姜宇珺，陳敏敏

濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院， 山東 日照 276800

3D模型可以生動(dòng)地表現(xiàn)物體的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)，以及各部分之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，非常適合演示教學(xué)中各種動(dòng)植物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部形態(tài)。3D教學(xué)是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，有極大的應(yīng)用前景[1]。但迄今為止，3D植物模型多應(yīng)用于以美觀(guān)為目的的場(chǎng)景設(shè)計(jì)，植物形態(tài)并不完全真實(shí)，因此無(wú)法直接應(yīng)用于藥用植物學(xué)教學(xué)；其

次，3D模型難以在課件中直接展示，采用文獻(xiàn)中[2-5]方法導(dǎo)入，需嵌入的軟件多，教師課前準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，難以被推廣使用。

在當(dāng)前《藥用植物學(xué)》教學(xué)中，植物分類(lèi)部分是學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，其原因在于植物特征多且復(fù)雜，難以記憶，而實(shí)物觀(guān)測(cè)法又易受季節(jié)、材料數(shù)量等諸多因素影響。因此，文章以植物學(xué)特征明顯的十字花科植物菘藍(lán)(Is- atis indigotica Fortune)為原型，嘗試制作其3D模型，并尋求能夠方便地在課堂上進(jìn)行展示的方法。3D植物模型的合理構(gòu)建和展示，對(duì)《藥用植物學(xué)》教學(xué)方法改革具有很高的創(chuàng)新性。此外，目前國(guó)內(nèi)使用Plant- Factory建模及應(yīng)用的參考資料極少，因此，文章在植物3D模型建立方面也具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

1 樣本和軟件

1.1 樣本

菘藍(lán)(學(xué)名：Isatis indigotica Fortune)又名茶藍(lán)、板藍(lán)根等。莖直立，綠色，頂部多分枝，植株光滑無(wú)毛，葉互生；花瓣黃白，十字形花冠，寬楔形，長(zhǎng)3～4 mm，頂端近平截；總狀花序成圓錐花序狀，四強(qiáng)雄蕊；短角果長(zhǎng)圓形，長(zhǎng)10～15 mm，先端短鈍尖，兩側(cè)漸窄，中部以上較寬，無(wú)毛，中肋顯著隆起，兩側(cè)脈不顯著；果梗細(xì)長(zhǎng)，微下垂。

1.2 軟件

PlantFactory 2016 R4(Producer版，64位，Build 404063，e-on software公司)；VUE xStream 2016(64位，Build 404061 AVX，e-on software公司)；Adobe Photo- shop(CS6Beta，Adobe Systems)；Crazybump(Demo Version 1.2,Autodesk公司)；FBX viewer(V 1.1,Clock- stone公司)，制作模型必須使用Windows 10系統(tǒng)，展示模型無(wú)要求。

2 菘藍(lán)3D模型設(shè)計(jì)流程

2.1 模型設(shè)計(jì)理論

目前，教學(xué)課件多由Powerpoint、Authorware或Flash制作，在3D展示方面具有局限性。而在常用3D軟件中，3Ds Max擁有植物設(shè)計(jì)插件GrowFX和相應(yīng)的植物素材庫(kù)，但繪制較為復(fù)雜且精細(xì)的重復(fù)結(jié)構(gòu)(如花序、花藥等)時(shí)，難度較大，且受面數(shù)限制。相比之下，PlantFactory以節(jié)點(diǎn)(如根、莖、葉等)而非三視圖為基礎(chǔ)，且更易為教師所掌握；Maya偏向于動(dòng)畫(huà)制作，操作更加復(fù)雜；VRP等VR制作軟件更適合制成沉浸式自主學(xué)習(xí)視頻，但制作成本高、周期長(zhǎng)、不適合教師獨(dú)立創(chuàng)作[6]。

綜上所述，實(shí)際教學(xué)時(shí)難點(diǎn)在于：一是普通植物素材庫(kù)中缺乏以植物形態(tài)學(xué)角度制作的3D植物模型；二是進(jìn)行3D模型展示時(shí)操作復(fù)雜，難以推廣。在繪制具體植物形態(tài)方面，使用PlantFactory制作植物模型更有優(yōu)勢(shì)。

筆者擬構(gòu)建的是菘藍(lán)成熟階段的模型?；谥参镄螒B(tài)學(xué)真實(shí)性的基本要求，必須首先對(duì)十字花科植物的共性基本特征進(jìn)行歸納、定性和量化：如花冠十字形排列且為4枚，葉子為互生等；其次，需要對(duì)菘藍(lán)的個(gè)性特征進(jìn)行觀(guān)察和測(cè)量。如記錄主干、花冠、葉子的長(zhǎng)度和分布角度等數(shù)值，并進(jìn)行多株測(cè)量，從而在模型建立前獲得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以建立符合真實(shí)植物的3D模型。

2.2 模型設(shè)計(jì)流程

2.2.1整體模型的構(gòu)建采用PlantFactory 2016軟件，依次搭建菘藍(lán)的主干、側(cè)枝、花冠、花萼、雄蕊，并調(diào)節(jié)其長(zhǎng)度、數(shù)量以及分布角度。在具體數(shù)值調(diào)節(jié)的過(guò)程中，該文均以植物的真實(shí)形態(tài)特征為基礎(chǔ)，對(duì)于明顯的科屬特征，其調(diào)節(jié)數(shù)值均為固定值，其他數(shù)值則均為隨機(jī)區(qū)間。

根據(jù)菘藍(lán)的特征，設(shè)定主干上細(xì)下粗的形態(tài)，側(cè)枝2～3個(gè)；花梗位于側(cè)枝頂端，彎曲向上，隨機(jī)均勻分布在側(cè)枝周?chē)尸F(xiàn)其總狀花序的特征；構(gòu)建花托后，使花冠位于花托上，同時(shí)調(diào)節(jié)花冠數(shù)量為4的固定值，符合植物十字形花冠的特點(diǎn)；花萼位于花冠的下方，也為4枚；對(duì)于雄蕊則調(diào)節(jié)為6枚，4長(zhǎng)2短的“四強(qiáng)雄蕊”的特征，并使花藥與花絲相垂直。構(gòu)建菘藍(lán)的3D整體模型如圖1所示，節(jié)點(diǎn)圖如圖2所示。

圖1 菘藍(lán)的3D模型構(gòu)建 圖2 節(jié)點(diǎn)關(guān)系圖

2.2.2模型貼圖貼圖處理可使模型外觀(guān)更加真實(shí)。在“Materials”參數(shù)欄中選擇合適的主干貼圖，對(duì)主干以及側(cè)枝進(jìn)行貼圖。

對(duì)葉進(jìn)行貼圖前需對(duì)真實(shí)葉子進(jìn)行拍攝，用Photoshop CS3調(diào)節(jié)色彩和對(duì)比度，再采用濾鏡—抽出法獲得去除背景的PNG格式圖片，之后在“調(diào)整—曲線(xiàn)”中，將輸入值調(diào)整為251，制作遮罩圖。在Crazy- bump 1.1軟件中以去背景圖作為源文件，制作法線(xiàn)圖片，如圖3所示。最后在PlantFactory 2016中的貼圖面板導(dǎo)入3個(gè)圖片，從而完成葉的貼圖，調(diào)節(jié)角度使其按葉互生方式分布在莖的兩側(cè)。

圖3 葉的貼圖

以L(fǎng)eaf的形式添加新節(jié)點(diǎn)Siliqua(角果)，同時(shí)按葉貼圖的方法添加角果貼圖，并使其分布在主干及側(cè)枝位置，調(diào)節(jié)角度和大小使角果自然下垂。在“Over- all color”處調(diào)節(jié)花萼、雄蕊的顏色，在“Materials”參數(shù)欄下調(diào)節(jié)花冠顏色，并按葉貼圖的方法添加花冠貼圖。

2.3 模型的應(yīng)用

2.3.1模型的導(dǎo)出將在PlantFactory 2016中完成的植物模型導(dǎo)出為FBX格式，并安裝ClockStone FBX viewer 1.1程序。

2.3.2模型在FBX viewer中的調(diào)用在Powerpoint中直接調(diào)用應(yīng)用程序ClockStone FBX viewer，只需在插入超鏈接對(duì)話(huà)框的地址中輸入FBX文件的相對(duì)地址(PPT文件盡量與FBX和貼圖文件在同一文件夾下)，即可展示完成的植物模型。

無(wú)論在線(xiàn)上還是線(xiàn)下教學(xué)，學(xué)生及教師均可在PPT中直接點(diǎn)擊超鏈接，系統(tǒng)會(huì)在安裝過(guò)ClockStone FBX viewer軟件的電腦上，自動(dòng)打開(kāi)ClockStone FBX viewer窗口展示3D模型并可自由旋轉(zhuǎn)。該方法的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是安裝軟件體積極小(4MB)，解決了文獻(xiàn)中需要在課前安裝Acrobat或3Ds Max等大型軟件的費(fèi)時(shí)問(wèn)題，如圖4所示。

圖4 菘藍(lán)模型在ClockStone FBX viewer中的展示圖

2.3.3模型節(jié)點(diǎn)的設(shè)置不設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)，3D模型只能保持靜態(tài)。因此，節(jié)點(diǎn)的設(shè)置是模型動(dòng)畫(huà)的基礎(chǔ)。

在已制作好的植物模型的節(jié)點(diǎn)界面右鍵菜單中，在“Filter”處選定“Offset(x+a)”作為輸出節(jié)點(diǎn),選定“Smooth map”調(diào)節(jié)固定值，并在“Constant”處選定“Random Constant Number”調(diào)節(jié)隨機(jī)值，將“Smooth map”和“Random Constant Number”與“Offset(x+a)”連接，然后與“Age”相連如圖5所示，將“Offset(X+a)”與要調(diào)節(jié)的部位連接。

圖5 節(jié)點(diǎn)的設(shè)置

根據(jù)莖長(zhǎng)度的固定值和隨機(jī)值調(diào)節(jié)與“Length”相連的“Smooth map”，適當(dāng)調(diào)節(jié)“INPUT RANGE”和“OUTPUT RANGE”下的“Lower value”及“Upper val- ue”，將莖的隨機(jī)值填寫(xiě)在“Random Constant Num- ber”的Y值處；同理調(diào)節(jié)莖寬度、葉、花的固定值和隨機(jī)值。

2.3.4生長(zhǎng)動(dòng)畫(huà)的制作在PlantFactory中，點(diǎn)擊“Fi- le-Export-Export to Vue-Export Vue Species”，將Plant- Factory中制作好的模型，以tpf的格式導(dǎo)入VUE。打開(kāi)VUE，單擊界面右上角的動(dòng)畫(huà)制作板，并且雙擊模型進(jìn)行調(diào)節(jié)，在0 s時(shí)將“Maturity”調(diào)到初始位置，選定動(dòng)畫(huà)時(shí)長(zhǎng)為10 s，將“Maturity”調(diào)到100%，并且調(diào)節(jié)“Health”和“season”，植物的枯葉在合適的時(shí)間階段進(jìn)行呈現(xiàn)，如圖6所示。

圖6 生長(zhǎng)動(dòng)畫(huà)的制作

最后，點(diǎn)擊 “Animation-Animation Render Opti- ons-User Setting-Edit”，并選擇畫(huà)面清晰度為“1 920×1 080”，點(diǎn)擊“Render Animation”對(duì)動(dòng)畫(huà)進(jìn)行渲染和制作，生成AVI動(dòng)畫(huà)視頻文件。

3 基于PlantFactory 3D植物模型的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)實(shí)踐

在進(jìn)行實(shí)際教學(xué)時(shí)，除可隨時(shí)調(diào)用3D模型進(jìn)行講解外，筆者還總結(jié)了一些教學(xué)活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)，以供同行參考。

3.1 活動(dòng)1

請(qǐng)學(xué)生在線(xiàn)上的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)自行觀(guān)察菘藍(lán)的3D植物模型，之后在課堂上指出該植物的基本特征：

①設(shè)計(jì)目的：充分利用第二課堂和學(xué)生對(duì)網(wǎng)絡(luò)、3D感興趣的特點(diǎn)，引導(dǎo)其對(duì)植物特征進(jìn)行歸納總結(jié)；

②契合內(nèi)容：課前準(zhǔn)備、自學(xué)性?xún)?nèi)容；

③取得效果：學(xué)生對(duì)該軟件的使用非常感興趣，觀(guān)察時(shí)間較普通植物標(biāo)本有所延長(zhǎng)，幾乎所有學(xué)生都能答出80%以上的植物特征。

3.2 活動(dòng)2

教師引導(dǎo)學(xué)生將植物模型文件用3D打印機(jī)進(jìn)行打印，制成教具，并派代表給其他小組展示和講解：

①設(shè)計(jì)目的：與時(shí)俱進(jìn)，將新興事物帶入實(shí)驗(yàn)室，兼顧基礎(chǔ)學(xué)習(xí)和未來(lái)發(fā)展，同時(shí)，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手、表達(dá)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力；

②契合內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)課；

③取得效果：學(xué)生對(duì)這節(jié)實(shí)驗(yàn)課充滿(mǎn)期待，課堂氣氛活躍。小組講解方式解決了理論課堂學(xué)生回答不踴躍的問(wèn)題，學(xué)生對(duì)3D植物模型記憶深刻，植物分類(lèi)教學(xué)難的情況得以改善。此外，部分對(duì)信息技術(shù)有較好基礎(chǔ)的學(xué)生已經(jīng)開(kāi)始學(xué)習(xí)自制3D植物模型。

3.3 活動(dòng)3

學(xué)生分組后，自行到校內(nèi)植物園采集特征顯著的植物，制作臘葉標(biāo)本及3D植物模型，教師根據(jù)標(biāo)本制作情況及模型真實(shí)度對(duì)學(xué)生作品進(jìn)行評(píng)價(jià)：

①設(shè)計(jì)目的：充分發(fā)揮學(xué)生主觀(guān)能動(dòng)性，采用寫(xiě)作業(yè)等方式對(duì)學(xué)生課余時(shí)間的浪費(fèi)進(jìn)行強(qiáng)制管理收效甚微?？紤]并非所有學(xué)生都會(huì)制作3D模型，因此，有的小組成員可制作傳統(tǒng)的臘葉標(biāo)本；

②契合內(nèi)容：在學(xué)完一章內(nèi)容(如合瓣花亞綱)后作為課后作業(yè)；

③取得效果：作業(yè)完成情況超出預(yù)期，抄作業(yè)問(wèn)題被顯著遏制。除植物特征點(diǎn)被熟練掌握之外，學(xué)生的動(dòng)手能力得以加強(qiáng)，能動(dòng)性也得以發(fā)揮，主動(dòng)去校內(nèi)植物園進(jìn)行觀(guān)察和復(fù)習(xí)的學(xué)生增多，甚至有的學(xué)生萌生了用3D動(dòng)植物創(chuàng)業(yè)的想法，這也非常符合目前教學(xué)重視“技能、應(yīng)用、創(chuàng)業(yè)”的特點(diǎn)。

將植物模型導(dǎo)入PPT并投入實(shí)際的教學(xué)應(yīng)用中，由于可對(duì)3D植物模型進(jìn)行立體旋轉(zhuǎn)、拖拽、放大等操作，相較普通的課件平面展示，其優(yōu)勢(shì)在于：一是增加了學(xué)生對(duì)植物特征以及重點(diǎn)結(jié)構(gòu)的理解和把握；二是降低了植物學(xué)課堂教學(xué)的難度，并通過(guò)PlantFactory等軟件的應(yīng)用帶動(dòng)了3D教學(xué)技術(shù)的革新和發(fā)展；三是為3D模型打印提供了技術(shù)支撐，解決了實(shí)物觀(guān)察法易受季節(jié)、材料數(shù)量因素影響的問(wèn)題。若干教學(xué)應(yīng)用案例及成效說(shuō)明該方法提高了課堂效率和教學(xué)質(zhì)量，使學(xué)生和教師獲得了雙贏(yíng)。

4 討論與總結(jié)

該文采用PlantFactory軟件對(duì)十字花科菘藍(lán)進(jìn)行了3D模型制作，能夠立體展示植物的具體性狀特征，當(dāng)綜合采用Photoshop、Crazybump軟件制作了貼圖和法線(xiàn)時(shí)，使所建立的模型更加符合自然植物狀態(tài)，最后采用在Powerpoint中調(diào)用FBX viewer程序的方法將3D模型導(dǎo)入PPT，最終實(shí)現(xiàn)了3D模型在課件中的應(yīng)用。

PlantFactory以節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)，所以更符合實(shí)際教學(xué)中植物六大器官形態(tài)特征為主線(xiàn)的思路，使教師不必掌握難懂的3D軟件三視圖以及復(fù)雜的格式轉(zhuǎn)換，也無(wú)需專(zhuān)業(yè)3D公司進(jìn)行高成本和難以溝通的制作，因此，可以更專(zhuān)心地把精力投入到植物各部位形態(tài)特征的繪制(如莖的長(zhǎng)度、花冠數(shù)量、葉子貼圖、著生方式等)上來(lái)。而靜態(tài)模型的建立又是極易掌握的“所見(jiàn)即所得”式徒手繪制，因此文中的建模方法可高效地應(yīng)用于其他藥用植物3D模型的開(kāi)發(fā)，適合推廣使用。

筆者在FBX格式的導(dǎo)出和導(dǎo)入PPT的過(guò)程中，前后嘗試了多種軟件。最先嘗試將模型導(dǎo)入3Ds Max，然后再導(dǎo)入Acrobat 3D[2]轉(zhuǎn)換格式進(jìn)而在PPT得以呈現(xiàn)。但在導(dǎo)入3Ds Max后，模型出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷。其包括花瓣、角果、葉子的貼圖都無(wú)法正常呈現(xiàn)。因此，后續(xù)導(dǎo)出在A(yíng)crobat 3D等軟件中均不可行。后來(lái)發(fā)現(xiàn)原因?yàn)?Ds Max較為適合低面數(shù)的3D模型(如機(jī)械零件)，而像植物這種高面數(shù)的模型經(jīng)常會(huì)丟失細(xì)節(jié)，且3Ds Max及Acrobat 3D兩個(gè)軟件體積太大，前后轉(zhuǎn)換格式過(guò)于繁瑣，故另尋優(yōu)法；導(dǎo)出Obj、C4d格式也與3Ds Max具有相似的問(wèn)題；最終采用FBX Viewer快捷展示FBX格式的靜態(tài)模型，以及導(dǎo)出到VUE Str- eam作為動(dòng)態(tài)模型展示動(dòng)畫(huà)的方法(Plantfactory及VUE Stream均為e-on software公司產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)無(wú)損導(dǎo)入)，并為后續(xù)VR的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。