中藥材VR智能展示系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

李延軍 張魁星 魏本征

摘要 目的：探索并實(shí)踐中醫(yī)藥信息化科學(xué)的實(shí)施路徑。方法：采用多種三維建模技術(shù)方法和Unity3D引擎設(shè)計(jì)中藥材虛擬展廳，結(jié)合Java Script和C#語(yǔ)言在Unity3D中實(shí)現(xiàn)交互，綜合運(yùn)用聲音字幕協(xié)同技術(shù)、場(chǎng)景轉(zhuǎn)換技術(shù)等構(gòu)建基于Unity平臺(tái)的中藥材VR智能展示系統(tǒng)。結(jié)果：實(shí)現(xiàn)了碰撞檢測(cè)、信息交互、展廳材質(zhì)紋理映射，光照等功能。結(jié)論：中藥材三維精細(xì)建模和VR系統(tǒng)結(jié)合是中醫(yī)藥信息化科學(xué)實(shí)施路徑之一，在中藥性狀鑒定與教學(xué)研究方面具有良好的應(yīng)用前景，是互聯(lián)網(wǎng)+中醫(yī)藥的有益嘗試。

關(guān)鍵詞 中藥材;3D建模;VR系統(tǒng);中藥材展廳

Abstract Objective：To explore and practice the implementation path of Chinese medicine information science.Methods：Various 3D modeling methods and Unity 3D engine were used to design the virtual exhibition hall of Chinese medicinal materials.The interaction between Java Script and C # language was realized in Unity 3D.The VR intelligent display system of Chinese medicinal materials based on unity platform was constructed by using sound subtitle collaboration technology and scene conversion technology.Results：The functions of collision detection，information interaction，texture and mapping of exhibition hall，illumination and so on were realized.Conclusion：The combination of 3D fine modeling and VR system is one of the scientific approaches to the implementation of TCM informatization.It has good application prospects in the identification and teaching of Chinese medicine.It is a beneficial attempt of Internet plus Chinese medicine.

Key Words Chinese herbal medicine; 3D modeling; VR system; Chinese herbal medicine exhibition hall

中圖分類(lèi)號(hào)：R288文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.3969/j.issn.1673-7202.2019.06.057

中醫(yī)中藥是中華民族瑰寶，是延續(xù)千年行之有效的傳統(tǒng)醫(yī)療手段和方法，技術(shù)的進(jìn)步為中醫(yī)藥信息化提供了新路徑。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，VR）是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)對(duì)中醫(yī)藥和互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合的VR虛擬展示系統(tǒng)研究已經(jīng)出現(xiàn)，主要集中在文獻(xiàn)信息數(shù)字化、古籍整理數(shù)字化、中藥產(chǎn)業(yè)信息化、中醫(yī)標(biāo)準(zhǔn)化等幾方面，對(duì)于中藥材三維展示系統(tǒng)論述較少。文獻(xiàn)1利用三維建模軟件3ds max進(jìn)行三維實(shí)體及場(chǎng)景建模，采用虛擬交互平臺(tái)Quest3D為場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)。重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)的技術(shù)流程，并對(duì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的場(chǎng)景建模技術(shù)、交互設(shè)計(jì)中的圖形化設(shè)計(jì)方法以及增強(qiáng)場(chǎng)景真實(shí)感方法做了深入的闡述。但文中采用圖像與圖形相結(jié)合的建模方法雖然保證了渲染速度但視覺(jué)效果僅為可接受，其真實(shí)感、沉浸感大打折扣。文獻(xiàn)2主要敘述了360度全景拍攝三維展示制作系統(tǒng)進(jìn)行了中藥原植物的數(shù)字化三維展示探索，為中草藥虛擬展廳的實(shí)現(xiàn)提供了寶貴的探究思路，但對(duì)藥材大小，拍攝環(huán)境和拍攝技巧都有嚴(yán)格要求，故成功的概率很低。文獻(xiàn)3以廣西中醫(yī)學(xué)院醫(yī)藥會(huì)展中心中藥標(biāo)本館為載體，通過(guò)三維虛擬動(dòng)畫(huà)的形式，并配合多媒體觸摸屏技術(shù)和交互性展示系統(tǒng)平臺(tái)，展示部分廣西常用中藥材的生長(zhǎng)過(guò)程及其環(huán)境，建立具有現(xiàn)代科技服務(wù)特色的中藥材原生態(tài)、成藥形態(tài)鑒別及中藥材展示廳三維虛擬系統(tǒng)。文獻(xiàn)4針對(duì)中藥遠(yuǎn)程教學(xué)中虛擬中藥材的構(gòu)建問(wèn)題，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中構(gòu)建三維模型的方法得到中藥材的幾何造型，并結(jié)合圖像處理技術(shù)，獲取藥材表面紋理圖像，將紋理圖像映射于幾何造型，從而實(shí)現(xiàn)虛擬中藥材的構(gòu)建。文獻(xiàn)5利用Unity3D在虛擬人體上標(biāo)注穴位、經(jīng)絡(luò)等信息，并通過(guò)操作實(shí)現(xiàn)虛擬針刺訓(xùn)練。為中醫(yī)藥信息化提供了新的技術(shù)可能。在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)生態(tài)下針對(duì)以上應(yīng)用和不足，借助VR技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于Unity3D平臺(tái)的中藥材VR智能展示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景轉(zhuǎn)換、碰撞檢測(cè)、信息查詢(xún)、展廳光照及材質(zhì)紋理映射等功能，是互聯(lián)網(wǎng)+中醫(yī)藥的有益嘗試。

1 三維（3D）精細(xì)建模

三維精細(xì)建模是虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是材質(zhì)、貼圖與腳本的載體[6]。中藥材虛擬智能展示系統(tǒng)首先需要建立中藥材的三維精細(xì)立體模型。目前主流的建模方法主要有3種：1）方法是使用三維建模軟件建模，如3D Max、Rihinoceros和maya等;2）通過(guò)3D掃描設(shè)備測(cè)量建模，如3D掃描儀;3）利用圖像或者視頻來(lái)建模，如Autodesk Recap軟件可以將實(shí)體通過(guò)一系列照片轉(zhuǎn)換成3D模型。根據(jù)中藥材的大小，形狀規(guī)則程度等數(shù)據(jù)綜合運(yùn)用多種建模工具構(gòu)建代表藥材的三維精細(xì)模型。其精細(xì)建模流程見(jiàn)圖1。

利用3D建模和VR系統(tǒng)的結(jié)合來(lái)完整地展示中藥材的特征，在中草藥性狀鑒定與教學(xué)研究方面具有良好的應(yīng)用前景。以瓜萎，北沙參，金銀花等山東道地藥材為建模對(duì)象，探索3D信息化方法。以金銀花為例，首先，在Rhinoceros軟件中完成三維模型建模，通過(guò)紋理映射、模型優(yōu)化、billboard等技術(shù)來(lái)降低模型的復(fù)雜程度，在提高系統(tǒng)運(yùn)行速度的同時(shí)確保模型必要的精確度和逼真度，最后導(dǎo)出.fbx格式的文件。然后，將三維模型導(dǎo)入unity 3D創(chuàng)建的虛擬場(chǎng)景中，進(jìn)行著色或紋理映射和場(chǎng)景渲染，如圖2所示，其他中藥材可用Recap軟件創(chuàng)建。

2 中藥材VR智能展示系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

在3D精細(xì)建模的基礎(chǔ)上，采用Java Script或C#語(yǔ)言，綜合運(yùn)用NGUI界面交互技術(shù)、聲音字幕協(xié)同技術(shù)、場(chǎng)景交互技術(shù)等設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)基于Unity平臺(tái)的中藥材VR智能展示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)、場(chǎng)景調(diào)度，人機(jī)交互、展廳光照及材質(zhì)紋理映射等功能，系統(tǒng)技術(shù)路線見(jiàn)圖3。

中藥材VR智能展示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)：1）游覽者可以跟隨角色的移動(dòng)對(duì)展廳里面的中藥進(jìn)行觀察學(xué)習(xí)，通過(guò)鍵盤(pán)改變角色的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)中藥展廳系統(tǒng)虛擬漫游;2）展廳中各個(gè)中藥材模型都在展盤(pán)中陳列，且有詳細(xì)的說(shuō)明，游覽者可以自行選擇喜歡和感興趣的進(jìn)行更仔細(xì)的觀察;3）采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬一些像推門(mén)等在真實(shí)世界中的動(dòng)態(tài)行為;4）符合一定的真實(shí)力學(xué)性質(zhì)，比如碰撞檢測(cè)功能，杜絕“穿墻而過(guò)”等有違常理的情況出現(xiàn)[7];5）訪問(wèn)者可以跟隨替身在展廳中對(duì)中藥進(jìn)行點(diǎn)擊實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，進(jìn)一步了解和學(xué)習(xí)。

2.1 場(chǎng)景調(diào)度 場(chǎng)景調(diào)度涉及到場(chǎng)景或物體的預(yù)讀及下場(chǎng)景卸載。場(chǎng)景要盡量小，以保證場(chǎng)景在網(wǎng)絡(luò)上傳輸時(shí)間不至于太長(zhǎng)。場(chǎng)景大小考慮因素有2種：如果是web3d格式，考慮網(wǎng)絡(luò)傳輸速度;如果是pc，mac則要考慮顯存或內(nèi)存確保場(chǎng)景數(shù)據(jù)處理起來(lái)感覺(jué)不到時(shí)延。首先新建2個(gè)場(chǎng)景welcome和exhibition，在welcome中的Hierarchy面板中右鍵->UI->Button新建一個(gè)按鈕對(duì)象，然后選中Button按鈕，用移動(dòng)工具放到合適的位置，在Inspector面板對(duì)顏色等屬性進(jìn)行調(diào)整，如標(biāo)題、字體的顏色和大小等，welcome場(chǎng)景如圖4a所示。為Button添加On Click單擊事件并將主攝像機(jī)拖拽到單擊事件里面，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的切換;虛擬展廳進(jìn)入界面效果圖如圖4b所示。

2.2 碰撞檢測(cè)及交互

2.2.1 碰撞檢測(cè) 在Unity里面，物體的碰撞我們可以通過(guò)剛體組件（Rigidbody）和碰撞器組件（Collider）來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。碰撞體是物理組件的一類(lèi)，它要與剛體一起添加到對(duì)象上才能觸發(fā)碰撞，在物理模擬中，沒(méi)有碰撞體的剛體會(huì)彼此相互穿過(guò)。物體發(fā)生碰撞的必要條件是2個(gè)物體都必須帶有碰撞器，其中一個(gè)物體還必須帶有剛體組件。在unity3d中，能檢測(cè)碰撞發(fā)生的方式有2種，一種是利用碰撞器，另一種則是利用觸發(fā)器。給門(mén)添加觸發(fā)器（Trigger）實(shí)現(xiàn)門(mén)的觸發(fā)，所謂“碰撞區(qū)域觸發(fā)”是指以門(mén)對(duì)象為中心，建立一個(gè)立方體碰撞區(qū)域，在門(mén)轉(zhuǎn)軸部分添加了一個(gè)空對(duì)象，并將門(mén)的模型包含于其中，對(duì)該空對(duì)象的角度控制，即可實(shí)現(xiàn)門(mén)的開(kāi)關(guān)控制。當(dāng)人進(jìn)出門(mén)時(shí)，門(mén)會(huì)自動(dòng)開(kāi)合，如圖5所示，關(guān)鍵代碼如清單1所示。

2.2.2 藥材信息查詢(xún) 編寫(xiě)yaocai_xs腳本運(yùn)用OnGUI（）方法實(shí)現(xiàn)藥材的信息查詢(xún)功能，用戶鼠標(biāo)點(diǎn)擊中藥材模型后顯示相應(yīng)中藥材的信息介紹，鼠標(biāo)移開(kāi)后信息界面消除，效果如圖6所示，代碼清單2所示：其他藥材做法與之一致。

GUILayout.Label（"金銀花，又名忍冬（學(xué)名：Lonicera japonica）?！敖疸y花”一名出自《本草綱目》，由于忍冬花初開(kāi)為白色，后轉(zhuǎn)為黃色，因此得名金銀花。又因?yàn)橐坏俣?，兩條花蕊探在外，成雙成對(duì)，形影不離，狀如雄雌相伴，又似鴛鴦對(duì)舞，故有鴛鴦藤之稱(chēng)。金銀花自古被譽(yù)為清熱解毒的良藥。它性甘寒氣芳香，甘寒清熱而不傷胃，芳香透達(dá)又可祛邪。金銀花既能宣散風(fēng)熱，還善清解血毒，用于各種熱性病，如身熱、發(fā)疹、發(fā)斑、熱毒瘡癰、咽喉腫痛等癥，均效果顯著."）; }

2.3 光源設(shè)計(jì)

光源在場(chǎng)景的使用是很重要的，它決定了場(chǎng)景的氛圍和顏色基調(diào)，在不同的場(chǎng)景和效果上使用不同的光源，而不同的光源又具有自己不同的特點(diǎn)和屬性，這樣的一些光源可以讓設(shè)計(jì)者在場(chǎng)景的設(shè)計(jì)上變得分明和多彩。Unity 3D中自帶4種光源：點(diǎn)光源、方向光源、區(qū)域光源、聚光燈光源[8]。

2.3.1 點(diǎn)光源 點(diǎn)光源從它的位置各個(gè)方向發(fā)出光線，影響其范圍內(nèi)的所有對(duì)象，作用類(lèi)似燈泡;不會(huì)作用于整個(gè)地面;點(diǎn)光源照射表面光滑的模型會(huì)發(fā)生鏡面反射，照射表面粗糙的模型會(huì)發(fā)生漫反射;同一光照強(qiáng)度下，光滑的模型要比粗糙模型顯示更加明亮，因此，要提高中藥材的顯示效果，要提高點(diǎn)光源的range值，增強(qiáng)其光照強(qiáng)度，如圖7a所示。

2.3.2 平行光 平行光主要用于模擬在室外場(chǎng)景的陽(yáng)光與月光，方向光影響場(chǎng)景中的對(duì)象的所有表面;方向光可以改變角度;在光滑表面的模型和粗糙表面的中藥材作用效果類(lèi)似;方向光照射不均勻，總有一側(cè)出現(xiàn)陰影;如圖7b所示。

2.3.3 聚光 聚光燈在一個(gè)圓錐體范圍發(fā)射光線，它照亮的是圓錐體范圍內(nèi)的所有表面，作用類(lèi)似于一個(gè)手電筒;同方向光類(lèi)似，照射同樣不均勻;如圖7c所示。

2.3.4 區(qū)域光 區(qū)域光可以當(dāng)作是攝影用的柔光燈，在Unity里面他們被定義為單面往Z軸發(fā)射光線的矩形。區(qū)域光會(huì)均勻的照亮作用區(qū)域，區(qū)域光沒(méi)有范圍屬性可以調(diào)整，但是光的強(qiáng)度也是會(huì)隨著距離光源越遠(yuǎn)而遞減，如圖7d所示。

3 結(jié)語(yǔ)

基于Unity3D的VR智能展示系統(tǒng)紋理及光照模型設(shè)計(jì)，論述了系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)思路及關(guān)鍵技術(shù)。中藥材VR展示系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)中藥材的3D建模，人物虛擬漫游功能，碰撞檢測(cè)功能，實(shí)時(shí)光照功能，人機(jī)交互功能，方便人們學(xué)習(xí)中草藥、中醫(yī)藥文化，該系統(tǒng)后期還可以考慮添加相應(yīng)的聲音或者背景音樂(lè)功能，考慮進(jìn)行更精確的場(chǎng)景建模優(yōu)化，使模型更加完善。

參考文獻(xiàn)

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（2018-09-28收稿 責(zé)任編輯：王明）