中藥材VR智能展示系統設計與實踐

李延軍 張魁星 魏本征

摘要 目的：探索并實踐中醫藥信息化科學的實施路徑。方法：采用多種三維建模技術方法和Unity3D引擎設計中藥材虛擬展廳，結合Java Script和C#語言在Unity3D中實現交互，綜合運用聲音字幕協同技術、場景轉換技術等構建基于Unity平臺的中藥材VR智能展示系統。結果：實現了碰撞檢測、信息交互、展廳材質紋理映射，光照等功能。結論：中藥材三維精細建模和VR系統結合是中醫藥信息化科學實施路徑之一，在中藥性狀鑒定與教學研究方面具有良好的應用前景，是互聯網+中醫藥的有益嘗試。

關鍵詞 中藥材;3D建模;VR系統;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

中圖分類號：R288文獻標識碼：Adoi：10.3969/j.issn.1673-7202.2019.06.057

中醫中藥是中華民族瑰寶，是延續千年行之有效的傳統醫療手段和方法，技術的進步為中醫藥信息化提供了新路徑。虛擬現實技術（Virtual Reality，VR）是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，國內對中醫藥和互聯網的結合的VR虛擬展示系統研究已經出現，主要集中在文獻信息數字化、古籍整理數字化、中藥產業信息化、中醫標準化等幾方面，對于中藥材三維展示系統論述較少。文獻1利用三維建模軟件3ds max進行三維實體及場景建模，采用虛擬交互平臺Quest3D為場景驅動。重點介紹了系統架構和實現的技術流程，并對實現過程中的場景建模技術、交互設計中的圖形化設計方法以及增強場景真實感方法做了深入的闡述。但文中采用圖像與圖形相結合的建模方法雖然保證了渲染速度但視覺效果僅為可接受，其真實感、沉浸感大打折扣。文獻2主要敘述了360度全景拍攝三維展示制作系統進行了中藥原植物的數字化三維展示探索，為中草藥虛擬展廳的實現提供了寶貴的探究思路，但對藥材大小，拍攝環境和拍攝技巧都有嚴格要求，故成功的概率很低。文獻3以廣西中醫學院醫藥會展中心中藥標本館為載體，通過三維虛擬動畫的形式，并配合多媒體觸摸屏技術和交互性展示系統平臺，展示部分廣西常用中藥材的生長過程及其環境，建立具有現代科技服務特色的中藥材原生態、成藥形態鑒別及中藥材展示廳三維虛擬系統。文獻4針對中藥遠程教學中虛擬中藥材的構建問題，利用虛擬現實技術中構建三維模型的方法得到中藥材的幾何造型，并結合圖像處理技術，獲取藥材表面紋理圖像，將紋理圖像映射于幾何造型，從而實現虛擬中藥材的構建。文獻5利用Unity3D在虛擬人體上標注穴位、經絡等信息，并通過操作實現虛擬針刺訓練。為中醫藥信息化提供了新的技術可能。在互聯網技術生態下針對以上應用和不足，借助VR技術設計實現基于Unity3D平臺的中藥材VR智能展示系統，實現場景轉換、碰撞檢測、信息查詢、展廳光照及材質紋理映射等功能，是互聯網+中醫藥的有益嘗試。

1 三維（3D）精細建模

三維精細建模是虛擬現實（VR）系統的基礎，是材質、貼圖與腳本的載體[6]。中藥材虛擬智能展示系統首先需要建立中藥材的三維精細立體模型。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3D掃描設備測量建模，如3D掃描儀;3）利用圖像或者視頻來建模，如Autodesk Recap軟件可以將實體通過一系列照片轉換成3D模型。根據中藥材的大小，形狀規則程度等數據綜合運用多種建模工具構建代表藥材的三維精細模型。其精細建模流程見圖1。

利用3D建模和VR系統的結合來完整地展示中藥材的特征，在中草藥性狀鑒定與教學研究方面具有良好的應用前景。以瓜萎，北沙參，金銀花等山東道地藥材為建模對象，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，通過紋理映射、模型優化、billboard等技術來降低模型的復雜程度，在提高系統運行速度的同時確保模型必要的精確度和逼真度，最后導出.fbx格式的文件。然后，將三維模型導入unity 3D創建的虛擬場景中，進行著色或紋理映射和場景渲染，如圖2所示，其他中藥材可用Recap軟件創建。

2 中藥材VR智能展示系統關鍵技術

在3D精細建模的基礎上，采用Java Script或C#語言，綜合運用NGUI界面交互技術、聲音字幕協同技術、場景交互技術等設計開發基于Unity平臺的中藥材VR智能展示系統，實現碰撞檢測、場景調度，人機交互、展廳光照及材質紋理映射等功能，系統技術路線見圖3。

中藥材VR智能展示系統的設計目標：1）游覽者可以跟隨角色的移動對展廳里面的中藥進行觀察學習，通過鍵盤改變角色的移動，實現中藥展廳系統虛擬漫游;2）展廳中各個中藥材模型都在展盤中陳列，且有詳細的說明，游覽者可以自行選擇喜歡和感興趣的進行更仔細的觀察;3）采用增強現實技術模擬一些像推門等在真實世界中的動態行為;4）符合一定的真實力學性質，比如碰撞檢測功能，杜絕“穿墻而過”等有違常理的情況出現[7];5）訪問者可以跟隨替身在展廳中對中藥進行點擊實現人機交互，進一步了解和學習。

2.1 場景調度 場景調度涉及到場景或物體的預讀及下場景卸載。場景要盡量小，以保證場景在網絡上傳輸時間不至于太長。場景大小考慮因素有2種：如果是web3d格式，考慮網絡傳輸速度;如果是pc，mac則要考慮顯存或內存確保場景數據處理起來感覺不到時延。首先新建2個場景welcome和exhibition，在welcome中的Hierarchy面板中右鍵->UI->Button新建一個按鈕對象，然后選中Button按鈕，用移動工具放到合適的位置，在Inspector面板對顏色等屬性進行調整，如標題、字體的顏色和大小等，welcome場景如圖4a所示。為Button添加On Click單擊事件并將主攝像機拖拽到單擊事件里面，實現場景的切換;虛擬展廳進入界面效果圖如圖4b所示。

2.2 碰撞檢測及交互

2.2.1 碰撞檢測 在Unity里面，物體的碰撞我們可以通過剛體組件（Rigidbody）和碰撞器組件（Collider）來進行檢測。碰撞體是物理組件的一類，它要與剛體一起添加到對象上才能觸發碰撞，在物理模擬中，沒有碰撞體的剛體會彼此相互穿過。物體發生碰撞的必要條件是2個物體都必須帶有碰撞器，其中一個物體還必須帶有剛體組件。在unity3d中，能檢測碰撞發生的方式有2種，一種是利用碰撞器，另一種則是利用觸發器。給門添加觸發器（Trigger）實現門的觸發，所謂“碰撞區域觸發”是指以門對象為中心，建立一個立方體碰撞區域，在門轉軸部分添加了一個空對象，并將門的模型包含于其中，對該空對象的角度控制，即可實現門的開關控制。當人進出門時，門會自動開合，如圖5所示，關鍵代碼如清單1所示。

2.2.2 藥材信息查詢 編寫yaocai_xs腳本運用OnGUI（）方法實現藥材的信息查詢功能，用戶鼠標點擊中藥材模型后顯示相應中藥材的信息介紹，鼠標移開后信息界面消除，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（學名：Lonicera japonica）。“金銀花”一名出自《本草綱目》，由于忍冬花初開為白色，后轉為黃色，因此得名金銀花。又因為一蒂二花，兩條花蕊探在外，成雙成對，形影不離，狀如雄雌相伴，又似鴛鴦對舞，故有鴛鴦藤之稱。金銀花自古被譽為清熱解毒的良藥。它性甘寒氣芳香，甘寒清熱而不傷胃，芳香透達又可祛邪。金銀花既能宣散風熱，還善清解血毒，用于各種熱性病，如身熱、發疹、發斑、熱毒瘡癰、咽喉腫痛等癥，均效果顯著."）; }

2.3 光源設計

光源在場景的使用是很重要的，它決定了場景的氛圍和顏色基調，在不同的場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和屬性，這樣的一些光源可以讓設計者在場景的設計上變得分明和多彩。Unity 3D中自帶4種光源：點光源、方向光源、區域光源、聚光燈光源[8]。

2.3.1 點光源 點光源從它的位置各個方向發出光線，影響其范圍內的所有對象，作用類似燈泡;不會作用于整個地面;點光源照射表面光滑的模型會發生鏡面反射，照射表面粗糙的模型會發生漫反射;同一光照強度下，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，要提高點光源的range值，增強其光照強度，如圖7a所示。

2.3.2 平行光 平行光主要用于模擬在室外場景的陽光與月光，方向光影響場景中的對象的所有表面;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似;方向光照射不均勻，總有一側出現陰影;如圖7b所示。

2.3.3 聚光 聚光燈在一個圓錐體范圍發射光線，它照亮的是圓錐體范圍內的所有表面，作用類似于一個手電筒;同方向光類似，照射同樣不均勻;如圖7c所示。

2.3.4 區域光 區域光可以當作是攝影用的柔光燈，在Unity里面他們被定義為單面往Z軸發射光線的矩形。區域光會均勻的照亮作用區域，區域光沒有范圍屬性可以調整，但是光的強度也是會隨著距離光源越遠而遞減，如圖7d所示。

3 結語

基于Unity3D的VR智能展示系統紋理及光照模型設計，論述了系統的功能設計思路及關鍵技術。中藥材VR展示系統可以實現對中藥材的3D建模，人物虛擬漫游功能，碰撞檢測功能，實時光照功能，人機交互功能，方便人們學習中草藥、中醫藥文化，該系統后期還可以考慮添加相應的聲音或者背景音樂功能，考慮進行更精確的場景建模優化，使模型更加完善。

參考文獻

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[6]曹課興.基于靜態圖像的360度全景校園展示的實現[J].中國商界，2011，17（6），153.

[7]丁鋒.top 3d造型技術[M].北京：兵器工業出版社，2006：10.

[8]Unity Technologies.Unity 5.x從入門到精通[M].北京：中國鐵道出版社，2016：4.

（2018-09-28收稿 責任編輯：王明）