中草藥野外采集仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)研究

2022-05-14 10:27:52吳俊華申閆春

計(jì)算機(jī)仿真 2022年4期

張蕾，吳俊華，陳飛，申閆春

(1. 河南中醫(yī)藥大學(xué)護(hù)理學(xué)院，河南鄭州 450046；2. 北京信息科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京 100192)

1 引言

中草藥野外采集實(shí)訓(xùn)教學(xué)是培養(yǎng)高技能中藥專業(yè)學(xué)生必修的教學(xué)環(huán)節(jié)，但是，中草藥分布地域廣、生長季節(jié)不同，而且，有些中草藥生長環(huán)境險(xiǎn)要，野外采集時(shí)還有野獸、毒蛇、毒蜂等危險(xiǎn)。針對這些問題，研究一種中草藥野外采集仿真實(shí)訓(xùn)的教學(xué)方法，可以把不同地域、一年四季生長的中草藥都虛擬“種植”在相應(yīng)的模擬生長環(huán)境中，讓學(xué)生在“野外虛擬仿真環(huán)境”中采集各種中草藥，學(xué)會(huì)野外中草藥的采集過程，學(xué)會(huì)如何尋找中草藥，拍攝中草藥植物體、莖、葉、花等照片，GPS定位、記錄地理坐標(biāo)位置、海拔高度，記錄坡向、坡度、坡位，采集中草藥植物標(biāo)本，裝進(jìn)采集袋中，觀察、識(shí)別三維中草藥仿真模型，填寫野外中草藥采集記錄報(bào)告。

隨著虛擬仿真系統(tǒng)在軍事模擬訓(xùn)練、城市規(guī)劃、虛擬交通、視景旅游、園林仿真等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，虛擬仿真技術(shù)得到飛速發(fā)展，人們對虛擬場景模擬的真實(shí)度也越來越高，尤其是植被仿真需要生成高逼真度的植物模型，并能滿足大規(guī)模植被渲染速度需求。目前，在虛擬仿真系統(tǒng)中通常采用Open Scene Graph三維圖形庫進(jìn)行實(shí)景仿真，在場景模型方面有很好的仿真，而在植樹、種草建模方面，常采用基于圖像的十字交叉面或旋轉(zhuǎn)平面構(gòu)建植被模型，這種植被仿真技術(shù)真實(shí)感較差，不能滿足中草藥野外采集仿真實(shí)訓(xùn)場景的植被需求。

為了提高植物模型及中草藥模型的真實(shí)感，保證虛擬植物模型、中草藥模型與現(xiàn)實(shí)植物、中草藥的結(jié)構(gòu)相符合，并且要考慮計(jì)算機(jī)渲染效率，針對這一高逼真植物模型、中草藥模型構(gòu)建的難點(diǎn)問題，采用專業(yè)植物建模軟件SpeedTree構(gòu)建植被場景、樹形植物、樹形中草藥模型、和中草藥模型。考慮到3DsMax三維建模軟件也擁有大量植物模型庫，許多中草藥已經(jīng)由3DsMax構(gòu)建成模型，因而，也采用3DsMax構(gòu)建中草藥模型，可以減少許多中草藥模型的制作量，稍加修改即可導(dǎo)入到采集仿真系統(tǒng)中使用，對于外形比較簡單的中草藥可以直接采用3DsMax建模。

采集仿真系統(tǒng)的野外交互實(shí)訓(xùn)功能及仿真場景構(gòu)建，采用Unity3D渲染引擎，Unity3D有免費(fèi)版，硬件設(shè)備要求不高，采用C#編程，易于實(shí)現(xiàn)植被場景渲染和交互設(shè)計(jì)功能。

根據(jù)中草藥野外采集流程，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及功能模塊，開發(fā)了中草藥野外采集仿真實(shí)訓(xùn)原型系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)開發(fā)方法與流程

近幾年，在虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，常用的三維圖形渲染引擎主要有：OpenSceneGraph、Unreal Engine、Cry Engine、Unity3D。OpenSceneGraph是基于OpenGL和C++編寫的，采用C++語言開發(fā)，需要軟件專業(yè)人才開發(fā)。Unreal Engine是收費(fèi)軟件，體積龐大，也是采用C++語言開發(fā)，需要軟件專業(yè)人才開發(fā)。Cry Engine是采用C#編程，易于開發(fā)，但采用服務(wù)收費(fèi)模式，開發(fā)時(shí)間長。Unity3D有免費(fèi)版，硬件設(shè)備要求不高，采用C#編程，而且具有強(qiáng)大的第三方開發(fā)插件，易于實(shí)現(xiàn)植被場景渲染和交互設(shè)計(jì)功能。因此，本文采用Unity3D開發(fā)中草藥野外采集仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。如圖1所示。

圖1 采用Unity3D開發(fā)采集仿真系統(tǒng)

中草藥野外采集仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)需要大規(guī)模植被仿真，需要高逼真度的植物模型，包括：樹、草、中草藥，因而，其開發(fā)方法是：采用專業(yè)植物建模軟件SpeedTree構(gòu)建植被場景、樹形植物、樹形中草藥模型、和中草藥模型，該技術(shù)采用多邊形及圖像繪制的混合技術(shù)，極大地還原樹形植物和中草藥的植物結(jié)構(gòu)。同時(shí)，針對復(fù)雜植被模型的繪制會(huì)降低場景的實(shí)時(shí)渲染效果的問題，采用細(xì)節(jié)層次技術(shù)優(yōu)化模型，對植物模型進(jìn)行簡化，在近距離調(diào)入具有豐富細(xì)節(jié)的植物，在遠(yuǎn)距離時(shí)調(diào)入植物的簡化模型，大量減少了多邊形的使用量，使得樹形植物和中草藥模型即高逼真，又大幅度減少了內(nèi)存占用，從而提高了整個(gè)場景的實(shí)時(shí)渲染效率，實(shí)現(xiàn)了大范圍植被場景繪制。另外，SpeedTree已經(jīng)擁有一些植物模型庫，有一些是中草藥模型，根據(jù)采集仿真系統(tǒng)的需要，只要對現(xiàn)有模型稍加修剪即可用于系統(tǒng)之中。同時(shí)，也采用3DsMax構(gòu)建中草藥模型，對于比較簡單的中草藥采用3DsMax建模比較方便。采集仿真系統(tǒng)的野外交互實(shí)訓(xùn)功能及仿真場景構(gòu)建，采用Unity3D渲染引擎開發(fā)。

根據(jù)系統(tǒng)的開發(fā)方法，提出該方法的總體流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)開發(fā)流程

開發(fā)中草藥野外采集仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，首先需要設(shè)計(jì)各種中草藥的植被環(huán)境，拍照各種植被圖像，采集各種樹、草、中草藥的圖片，根據(jù)仿真場景設(shè)定的三維尺寸，統(tǒng)一處理成一定比例的紋理貼圖及相關(guān)信息記錄，根據(jù)各種樹、草、中草藥的特點(diǎn)，選用SpeedTree建模或3DsMax建模，針對需要仔細(xì)觀察的樹、中草藥模型創(chuàng)建LOD模型，將紋理圖及模型生成Unity3D資源，在Unity引擎中，導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D資源及相應(yīng)的算法包，模型包，特效包等，在Unity3D中編寫漫游代碼，開發(fā)采集中草藥事件處理功能模塊，生成仿真應(yīng)用，經(jīng)過反復(fù)體驗(yàn)、測試、改進(jìn)，最終完善、發(fā)布成中草藥野外采集仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中草藥野外采集仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的核心功能是模擬實(shí)現(xiàn)學(xué)生的野外采藥的教學(xué)過程，因此，需要根據(jù)實(shí)際的采藥流程，設(shè)計(jì)系統(tǒng)各模塊的功能，設(shè)計(jì)的采集中草藥流程為：

1)按WSAD鍵，進(jìn)入野外場景采集區(qū)，拖動(dòng)鼠標(biāo)左鍵控制行走方向；

2)點(diǎn)擊望遠(yuǎn)鏡觀察、尋找各種中草藥；

3)走近后，找到一種中草藥，點(diǎn)擊照相機(jī)，拍攝中草藥植物體、莖、葉、花等照片；

4)點(diǎn)擊GPS定位儀，記錄地理坐標(biāo)位置(維度、經(jīng)度)、海拔高度；

5)點(diǎn)擊羅盤儀，記錄坡向、坡度、坡位。例如：北偏東45度、38度、上坡位；

6)點(diǎn)擊剪刀(或鐵鏟)，采集草藥植物標(biāo)本到地面；

7)點(diǎn)擊標(biāo)簽，填寫編號(hào)、名稱等；

8)點(diǎn)擊采集袋，裝進(jìn)采集袋中；

9)點(diǎn)擊采集袋中的中草藥名稱，彈出三維中草藥植物觀察窗口，可以觀察、認(rèn)識(shí)、識(shí)別中草藥三維模型、植物體照片、莖、葉、花、果實(shí)照片；

10)點(diǎn)擊采集記錄報(bào)告，填寫野外中草藥采集記錄報(bào)告。

其它功能有：快速定位采集地點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)康模囼?yàn)器具，導(dǎo)航窗口，幫助。

中草藥野外采集仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的采集事件功能設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的采集事件功能設(shè)計(jì)

根據(jù)中草藥野外采集仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)方法、開發(fā)流程、以及采集中草藥的流程，針對植被仿真的特點(diǎn)和要求，設(shè)計(jì)了中草藥野外采集仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

各模塊功能簡介如下：

1)UI界面：呈現(xiàn)三維野外采集仿真實(shí)景，可以通過人機(jī)交互功能實(shí)現(xiàn)野外漫游、點(diǎn)擊各功能事件、具有縮放、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)等瀏覽功能。

2)模型管理：三維野外采集仿真場景模型、各種樹木模型、中草藥模型、LOD模型的增、刪、改、查。

3)采集事件處理：是根據(jù)野外實(shí)際采集中草藥的作業(yè)流程而設(shè)計(jì)的事件模塊，主要有望遠(yuǎn)鏡觀察尋找、照相機(jī)拍攝照片、GPS定位儀記錄、羅盤儀記錄、剪刀或鐵鏟采集、填寫標(biāo)簽、采集袋、三維植物觀察、識(shí)別、填寫采集記錄報(bào)告等模塊。

4)渲染算法：是采集仿真系統(tǒng)的核心模塊，主要有植被渲染算法、LOD算法、碰撞檢測算法、消息機(jī)制算法、仿真特效算法、實(shí)時(shí)仿真顯示。

4 創(chuàng)建高逼真植被模型方法

在植被仿真場景中，高逼真植被模型分為：樹、草、中草藥。對于場景中只是為了構(gòu)建植被環(huán)境而非重點(diǎn)觀察的樹和草的建模，可以采用基于圖像的繪制技術(shù)，將樹、草模型用其真實(shí)圖像代替，主要有兩種方法：一種方法是矩形面貼圖的方法，創(chuàng)建適合樹、草尺寸的矩形面片，貼上樹、草真實(shí)圖像，在仿真漫游時(shí)，實(shí)時(shí)面向觀察者渲染。另一種方法是十字交叉面法，在兩個(gè)互相垂直的矩形面上貼上樹、草真實(shí)圖像，在視點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)效果也可以。

對于場景中需要高逼真展示的樹和中草藥的建模，需要采用基于分形的繪制技術(shù)，該技術(shù)依據(jù)樹的幾何形態(tài)結(jié)構(gòu)，將樹的繪制分為樹根、樹干、分支、細(xì)分支、樹葉幾個(gè)組成部分，并貼上相應(yīng)的紋理圖像，利用多邊形圖元、及適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)、縮放等變換，模擬符合現(xiàn)實(shí)的植物外觀模型。對于中草藥建模，將中草藥的繪制分為根、莖、葉、花、果幾個(gè)組成部分，并貼上相應(yīng)的紋理圖像，利用多邊形圖元、及適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)、縮放等變換，模擬符合現(xiàn)實(shí)的中草藥外觀模型。

4.1 用SpeedTree創(chuàng)建高逼真樹木

美國IDV公司的三維樹木建模軟件SpeedTree，采用基于多邊形及基于圖像的混合繪制模型技術(shù)，構(gòu)建高逼真植被模型，在快速渲染真實(shí)植被的同時(shí)，極大減少了多邊形的使用量，并帶有自己的植物模型庫，通過修改植物模型庫中的植物模型及相關(guān)參數(shù)，可以用于自己構(gòu)建的虛擬仿真場景之中。

創(chuàng)建樹木的主要流程是：創(chuàng)建樹干、編輯樹干參數(shù)，創(chuàng)建分支、編輯分支參數(shù)，創(chuàng)建細(xì)分支、編輯細(xì)分支參數(shù)，創(chuàng)建樹葉、編輯樹葉參數(shù)，選中樹干，創(chuàng)建樹根、編輯樹根參數(shù)等。下面以創(chuàng)建一顆菩提樹為例，說明用SpeedTree創(chuàng)建高逼真植物樹的方法。

1)新建植被場景。啟動(dòng)SpeedTree Cinema v8.1.0，選擇blank，新建一個(gè)場景，文件，保存為：putishu.spm。

2)添加樹干。在空白處右擊，選擇Add geometry，選擇trunk，例如：菩提樹自然高度300cm，胸徑7cm(半徑3.5cm)，冠幅120cm(半徑6米)。修改樹干參數(shù)，在generation中，改mode為classic，樹干數(shù)量frequency為1，在spine中，改變樹高度length為30，在skin中，改變樹的半徑radius為0.35。如圖5所示。

圖5 創(chuàng)建樹干及修改參數(shù)

3)添加分枝。右擊樹干，選擇Add geometry，選擇bigbranches。修改分支參數(shù)，在generation中，mode為Interval，分支數(shù)量frequency為5，控制樹分支生長的起點(diǎn)，改boundaries下first為0.3，讓分枝互相錯(cuò)開，改spread為0.8；在spine中，改變分支長度length為6，改變樹枝生長的方向，改start angle為0.3，調(diào)整樹頂部密集一點(diǎn)，單擊右側(cè)曲線圖，調(diào)整右側(cè)樹頂點(diǎn)向下，在曲線的75%處雙擊增加一個(gè)調(diào)整點(diǎn)，向上調(diào)整，使樹冠符合菩提樹的樹冠。可以修剪單個(gè)樹枝，選擇nodes節(jié)點(diǎn)模式，選中太長的樹枝，可以選中后，縮短其長度，或按delete鍵刪除。

4)再添加更細(xì)的分枝。右擊分支，選擇Add geometry，選擇Little branches；在generation中，mode為Interval，分支數(shù)量frequency為2，Count為2，控制細(xì)分支生長的起點(diǎn)，改boundaries下First為0.1，Last為0.7，讓分枝互相錯(cuò)開，改spread為0.5；在spine中，改變分支長度length中的% of parent為0.2，改變樹枝生長的方向，改start angle為0.4；可以修剪單個(gè)樹枝，選擇nodes節(jié)點(diǎn)模式，選中太長的樹枝，可以選中后，縮短其長度，或按delete鍵刪除。如圖6所示。

圖6 創(chuàng)建細(xì)分支及修改參數(shù)

5)添加樹葉。選中細(xì)分支，右擊，選擇Add geometry，選擇batched leaves，單擊選擇右側(cè)下面的Materials，單擊+，選擇樹葉材質(zhì)D：putishusucaiputiye.tga，open，單擊選擇Meshes，單擊+，選擇葉子的模型D：putishusucaiputiye.FBX，選擇附加到材質(zhì)(putiye)上，ok；選中葉子結(jié)點(diǎn)batched leaves，單擊選擇Material，在Material中選擇樹葉材質(zhì)putiye。在generation中，調(diào)節(jié)樹葉大一點(diǎn)，改Size scalar為2；同理，選中粗分支，右擊，選擇Add geometry，選擇batched leaves，選中葉子結(jié)點(diǎn)batched leaves，單擊選擇Material，在Material中選擇樹葉材質(zhì)putiye，在generation中，調(diào)節(jié)樹葉大一點(diǎn)，改Size scalar為2。如圖7所示。

圖7 創(chuàng)建樹葉及修改參數(shù)

6)添加樹干及分支紋理貼圖。

單擊選擇右側(cè)下面的Materials，單擊+，分別添加樹干、分支、細(xì)分支的材質(zhì)D：putishusucaiputishugan.tga(putifenzhi.tga、putixifenzhi.tga)，open；選中樹干結(jié)點(diǎn)trunk，在Material中選擇樹干putishugan的材質(zhì)圖；選中分枝結(jié)點(diǎn)big branches，在Material中選擇樹分枝putifenzhi的材質(zhì)圖；選中細(xì)分枝結(jié)點(diǎn)Little branches，在Material中選擇細(xì)分枝putixifenzhi.tga的材質(zhì)圖。如圖8所示。

圖8 創(chuàng)建高逼真菩提樹

7)為Unity保存模型文件。為了不丟失樹葉，需要保存到Unity3D工程的Assets文件夾下。具體方法如下：

創(chuàng)建文件夾D：