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(shí)前沿技術(shù)，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(xué)功能體系，實(shí)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(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);混合現(xiàn)實(shí);3D模型庫

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）05-0171-02

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國有記載的中藥材有12807種，其中植物藥11146種，動(dòng)物藥1581，礦物藥80種，無記載的民間藥更不計(jì)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(shí)（VR）是信息技術(shù)的重要分支，是仿真技術(shù)的重要方向，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?qū)⑻摂M物體與現(xiàn)實(shí)實(shí)體相互融合，本文針對(duì)中藥庫展示與管理難的突出問題，將混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)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(biāo)本館的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)虛擬數(shù)字化，開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，構(gòu)建中藥材3D模型庫，實(shí)現(xiàn)中藥標(biāo)本的資源共享，中藥教學(xué)的數(shù)字化和信息化，更好的為高等院校和社會(huì)公眾提供真實(shí)、獨(dú)特感知以及交互的體驗(yàn)、教學(xué)和研究平臺(tái)，同時(shí)也能夠?qū)π麄髦兴幹R(shí)、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(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、三維建模技術(shù)等的基礎(chǔ)上，構(gòu)建與真實(shí)藥材標(biāo)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(shí)現(xiàn)中藥材的數(shù)字化表達(dá)，并可對(duì)模型進(jìn)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(shí)交互系統(tǒng)、中藥材虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和接口設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)渲染制作、測(cè)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。基于真實(shí)藥材的形狀、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(gè)角度對(duì)中藥材的鑒別特征進(jìn)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(biāo)本館，結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)和虛擬數(shù)字化技術(shù)對(duì)實(shí)體標(biāo)本館的展示內(nèi)容和相應(yīng)的標(biāo)本、實(shí)物進(jìn)行數(shù)字化處理，提供在線的中藥標(biāo)本查詢、物種信息服務(wù)，將傳統(tǒng)的中藥標(biāo)本館網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化。虛擬數(shù)字化中藥庫的建立，使傳統(tǒng)中藥標(biāo)本館的教育功能已不再局限于一個(gè)地區(qū)、一個(gè)國家，而是日益走向開放、走向國際化，在更大的范圍內(nèi)實(shí)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(shí)際展廳為例，進(jìn)行1：1模型構(gòu)建;和虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔配合使用，實(shí)現(xiàn)展廳360度無死角沉浸式觀察體驗(yàn);在虛擬展廳中具有選取、重新擺放標(biāo)本的功能;支持錯(cuò)誤提示功能，如果標(biāo)本擺放錯(cuò)誤即可彈出錯(cuò)誤提示;實(shí)現(xiàn)標(biāo)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(biāo)本移動(dòng)、擺放、旋轉(zhuǎn);實(shí)現(xiàn)虛擬展廳選取、重新擺放標(biāo)本;提供內(nèi)容環(huán)境人腦適應(yīng)度測(cè)試接口;配合虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔，提供在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中進(jìn)行操作;提供標(biāo)本在虛擬現(xiàn)實(shí)中的搜尋、修改、刪除、排序、變更色彩、亮度等虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)庫的管理工作;虛擬現(xiàn)實(shí)空間內(nèi)具有菜單選項(xiàng)列表，可選擇其中按照類別進(jìn)行相應(yīng)擺放、更換等。

1.3 構(gòu)建多功能的教學(xué)功能體系

中藥材中的植物類藥材種類繁多，特征復(fù)雜，通過對(duì)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(xué)服務(wù)功能。使之成為藥材商品學(xué)、中藥鑒定學(xué)、中藥資源與開發(fā)、藥用植物學(xué)、中藥學(xué)、方劑學(xué)、中成藥學(xué)、中藥調(diào)劑學(xué)等學(xué)科教學(xué)基地，將混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入中藥教學(xué)領(lǐng)域，符合中藥教學(xué)的數(shù)字化、社會(huì)化的發(fā)展方向，中藥材虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的研發(fā)可以從根本上降低教學(xué)成本，減少危險(xiǎn)性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動(dòng)性、提高教學(xué)質(zhì)量、彌補(bǔ)教學(xué)條件的不足，從而在理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)中可以發(fā)揮重大作用。

1.4 實(shí)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(jìn)行虛擬數(shù)字化中藥庫虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)場(chǎng)景建模;（2）中藥展示、鑒別、制作混合現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景模型面數(shù)優(yōu)化，以及實(shí)時(shí)渲染制作、測(cè)試與優(yōu)化工作;（3）中藥展示、鑒別、制作規(guī)則設(shè)計(jì)、行為設(shè)計(jì)、流程設(shè)計(jì);（4）中藥展示、鑒別、制作混合現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的交互設(shè)計(jì)。

1.4.2 進(jìn)行虛擬數(shù)字化中藥材3D模型庫展示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主要包括：（1）虛擬數(shù)字化中藥庫虛擬現(xiàn)實(shí)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(shè)計(jì);（3）虛擬數(shù)字化中藥材3D模型庫展示系統(tǒng)交互設(shè)計(jì)。

1.4.3 進(jìn)行虛擬數(shù)字化中藥材3D模型庫展示系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

主要包括：（1）中藥庫虛實(shí)空間視覺上交互影響的接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn);（2）中藥庫虛實(shí)世界智能上交互融合的接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn);（3）中藥展示、鑒別、制作混合場(chǎng)景交互接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn);（4）虛擬數(shù)字化中藥材3D模型庫展示系統(tǒng)人機(jī)交互接口設(shè)計(jì)與實(shí)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(shù)有三維數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的預(yù)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(shù)構(gòu)建實(shí)體的幾何造型;（3）模型優(yōu)化，利用3DSMAX對(duì)中藥材標(biāo)本模型進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，可以使標(biāo)本更加精美逼真。利用三維掃描儀在同一條件下從多個(gè)角度獲取藥材表面三維數(shù)據(jù)（“點(diǎn)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(diǎn)云”數(shù)據(jù)，利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)編輯功能對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。以定點(diǎn)對(duì)應(yīng)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(jìn)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(shí)技術(shù)中三維建模技術(shù)將藥材的生長(zhǎng)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(diǎn)、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(shí)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(diǎn)。虛擬數(shù)字化中藥材3D模型庫展示系統(tǒng)可以展示實(shí)物所不能展示的顯微組織特征，提高用戶對(duì)藥材的認(rèn)知度和感知度，并且能傳達(dá)給學(xué)習(xí)者關(guān)于藥材從微觀到宏觀的全面認(rèn)識(shí)。最終在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)虛擬空間與實(shí)景空間相互交疊的混合展示空間，達(dá)到真實(shí)的體驗(yàn)和基于視覺、聽覺、觸覺等自然技能的人機(jī)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(xué)功能體系，擴(kuò)大了中藥材的展示空間，可以最大限度的實(shí)現(xiàn)信息交流和資源共享。利用中藥材與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的融合可以引導(dǎo)中藥產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)吸引更多的資本動(dòng)力助推虛擬現(xiàn)實(shí)又快又好發(fā)展，促進(jìn)多領(lǐng)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(duì)中藥材學(xué)習(xí)的真實(shí)性和趣味性，使相關(guān)高校的學(xué)生更易接受專業(yè)性訓(xùn)練，使公眾更易熟悉中藥鑒別、制作過程及知識(shí)，該研究具備有廣闊的市場(chǎng)前景、顯著的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益以及較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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