虛擬數字化中藥材3D模型庫展示系統構建

何志紅　包秀莉

摘要：本文結合虛擬現實前沿技術，研究開發虛擬數字化中藥材3D模型庫展示系統，通過該系統構建完備的中藥材體系和多功能的教學功能體系，實現最大限度的信息交流和資源共享，提高中藥材的管理水平。

關鍵詞：虛擬現實;混合現實;3D模型庫

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）05-0171-02

0 引言

據統計，我國有記載的中藥材有12807種，其中植物藥11146種，動物藥1581，礦物藥80種，無記載的民間藥更不計其數[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。虛擬現實（VR）是信息技術的重要分支，是仿真技術的重要方向，混合現實技術能夠將虛擬物體與現實實體相互融合，本文針對中藥庫展示與管理難的突出問題，將混合現實技術應用于虛擬數字化中藥材3D模型庫展示系統的研發，在各大高校中藥標本館的基礎上實現虛擬數字化，開發虛擬現實系統，構建中藥材3D模型庫，實現中藥標本的資源共享，中藥教學的數字化和信息化，更好的為高等院校和社會公眾提供真實、獨特感知以及交互的體驗、教學和研究平臺，同時也能夠對宣傳中藥知識、中醫藥科普教育、中藥產業的發展產生積極影響。

1 中藥材3D模型庫展示系統

虛擬中藥材是在綜合圖形學、計算機科學、三維建模技術等的基礎上，構建與真實藥材標本相似或相近的三維數字模型[2]。虛擬中藥材不僅能直觀、立體地展現出中藥材的形狀、顏色、紋理等特征，實現中藥材的數字化表達，并可對模型進行全方位地觀察[3]。本文主要通過中藥材虛擬3D建模、虛擬現實交互系統、中藥材虛擬現實系統和接口設計來構建虛擬數字化中藥材3D模型庫展示系統，如圖1所示。

1.1 構建完備的中藥材3D模型庫

虛擬數字化中藥庫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模型面數優化、實時渲染制作、測試與優化工作;（3）建立虛擬數字化中藥庫，50-100種常見中藥品種。基于真實藥材的形狀、特征建立中藥材3D模型，構建完備的虛擬數字化中藥材體系，一方面從多個角度對中藥材的鑒別特征進行完整、形象地展現，另一方面可以使藥材更好的分類，更有利于中藥材鑒定數據的收集整理。

1.2 構建虛擬數字化中藥庫及展廳

基于中藥材3D模型庫和國內已建立的中藥標本館，結合數據庫技術和虛擬數字化技術對實體標本館的展示內容和相應的標本、實物進行數字化處理，提供在線的中藥標本查詢、物種信息服務，將傳統的中藥標本館網絡化、虛擬化。虛擬數字化中藥庫的建立，使傳統中藥標本館的教育功能已不再局限于一個地區、一個國家，而是日益走向開放、走向國際化，在更大的范圍內實現最大限度的信息交流和資源共享。

基于數字化中藥庫構建虛擬展廳，虛擬展廳構建以實際展廳為例，進行1：1模型構建;和虛擬現實頭盔配合使用，實現展廳360度無死角沉浸式觀察體驗;在虛擬展廳中具有選取、重新擺放標本的功能;支持錯誤提示功能，如果標本擺放錯誤即可彈出錯誤提示;實現標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的標本移動、擺放、旋轉;實現虛擬展廳選取、重新擺放標本;提供內容環境人腦適應度測試接口;配合虛擬現實頭盔，提供在虛擬現實空間中進行操作;提供標本在虛擬現實中的搜尋、修改、刪除、排序、變更色彩、亮度等虛擬現實基礎庫的管理工作;虛擬現實空間內具有菜單選項列表，可選擇其中按照類別進行相應擺放、更換等。

1.3 構建多功能的教學功能體系

中藥材中的植物類藥材種類繁多，特征復雜，通過對中藥材3D模型庫的構建，大大拓展虛擬數字化中藥材3D模型庫展示系統的教學服務功能。使之成為藥材商品學、中藥鑒定學、中藥資源與開發、藥用植物學、中藥學、方劑學、中成藥學、中藥調劑學等學科教學基地，將混合現實技術引入中藥教學領域，符合中藥教學的數字化、社會化的發展方向，中藥材虛擬現實系統的研發可以從根本上降低教學成本，減少危險性，激發學生的學習興趣和主觀能動性、提高教學質量、彌補教學條件的不足，從而在理論教學和實踐教學中可以發揮重大作用。

1.4 實現中藥材展示、鑒別、性狀鑒定、制作等系統功能

1.4.1 進行虛擬數字化中藥庫虛擬現實交互系統研發

主要包括：（1）中藥展示、鑒別、制作混合現實場景建模;（2）中藥展示、鑒別、制作混合現實場景模型面數優化，以及實時渲染制作、測試與優化工作;（3）中藥展示、鑒別、制作規則設計、行為設計、流程設計;（4）中藥展示、鑒別、制作混合現實場景的交互設計。

1.4.2 進行虛擬數字化中藥材3D模型庫展示系統設計

主要包括：（1）虛擬數字化中藥庫虛擬現實系統基本構成;（2）虛擬數字化中藥材3D模型庫展示系統結構研究與設計;（3）虛擬數字化中藥材3D模型庫展示系統交互設計。

1.4.3 進行虛擬數字化中藥材3D模型庫展示系統接口設計與實現

主要包括：（1）中藥庫虛實空間視覺上交互影響的接口設計與實現;（2）中藥庫虛實世界智能上交互融合的接口設計與實現;（3）中藥展示、鑒別、制作混合場景交互接口設計與實現;（4）虛擬數字化中藥材3D模型庫展示系統人機交互接口設計與實現。

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有三維數據的采集、數據的預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，采用逆向建模技術構建實體的幾何造型;（3）模型優化，利用3DSMAX對中藥材標本模型進行優化調整，可以使標本更加精美逼真。利用三維掃描儀在同一條件下從多個角度獲取藥材表面三維數據（“點云”數據）。將獲得的數據輸出，選出數據較完整且表現特征清晰的“點云”數據，利用網絡數據編輯功能對其進行預處理。以定點對應方式重建，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。

借助虛擬現實技術中三維建模技術將藥材的生長環境、藥材炮制、采收加工等過程展現出來，將藥材的特點、理化特性、藥理研究、炮制加工以及最終形態在屏幕上顯示出來，同時還可以改變溫度、濕度、光照等各種因素，甚至還可以將藥材的微觀結構特性與藥材整體相結合，由里至外地逐層剖析中藥材的組織結構特點。虛擬數字化中藥材3D模型庫展示系統可以展示實物所不能展示的顯微組織特征，提高用戶對藥材的認知度和感知度，并且能傳達給學習者關于藥材從微觀到宏觀的全面認識。最終在虛擬現實系統中實現虛擬空間與實景空間相互交疊的混合展示空間，達到真實的體驗和基于視覺、聽覺、觸覺等自然技能的人機交互。

2 結語

本文所構建的虛擬數字化中藥材3D模型庫展示系統具有完備的中藥材體系和多功能的教學功能體系，擴大了中藥材的展示空間，可以最大限度的實現信息交流和資源共享。利用中藥材與虛擬現實技術的融合可以引導中藥產業的可持續發展，同時吸引更多的資本動力助推虛擬現實又快又好發展，促進多領域交叉協同發展。該系統將大大提高中藥材的管理水平和對中藥材學習的真實性和趣味性，使相關高校的學生更易接受專業性訓練，使公眾更易熟悉中藥鑒別、制作過程及知識，該研究具備有廣闊的市場前景、顯著的經濟社會效益以及較高的推廣應用價值。

參考文獻

[1] 張廣萍，李榆梅.淺談中藥標本館的數字化[J].中華醫學圖書情報雜志，2007（6）：43-45.

[2] 陶歐，艾路，喬延江.基于逆向工程的虛擬中藥材構建研究[J].世界科學技術-中醫藥現代化，2008（5）：134-137.

[3] 谷曉晨，闞紅星，楊青山，等.采用123D Catch建立中藥材的3D模型[J].安徽中醫藥大學學報，2014，33（1）：85-86.