中藥鑒定VR教學軟件的設計與實現(xiàn)

吳潼 林啟泉 林世姚 張怡標 甘祖兒 藍天悅

摘? 要：文章通過分析中藥鑒定虛擬仿真軟件的現(xiàn)狀，調(diào)研中藥類相關專業(yè)對中藥鑒定VR教學軟件的使用需求，發(fā)現(xiàn)：國內(nèi)有關中藥仿真類項目數(shù)量較少，且現(xiàn)有軟件功能不完善，同時支持PC端和移動端的軟件更是少見；大部分學生認為中藥鑒定虛擬仿真軟件對自己學習能力和中藥鑒定能力起到積極的影響作用。基于此，綜合了虛擬現(xiàn)實、云計算、大數(shù)據(jù)等技術，采用分層架構思想設計和開發(fā)了一款跨終端的中藥鑒定VR教學軟件，可幫助解決中藥鑒定教育教學和培訓中存在的“找藥難、查詢難、分辨難”等難題，進一步提升中藥鑒定教學培訓效果。

關鍵詞：中藥材鑒定；虛擬仿真；軟件設計與開發(fā)

中圖分類號：TP311；G434? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）17-0102-07

Design and Implementation of VR Teaching Software for Traditional Chinese Medicine Identification

WU Tong1， LIN Qiquan1， LIN Shiyao1， ZHANG Yibiao1， GAN Zuer1， LAN Tianyue2

（1.School of Software， Guangdong Food and Drug Vocational College， Guangzhou? 510520， China;

2.School of Traditional Chinese Medicine， Guangdong Food and Drug Vocational College， Guangzhou? 510520， China）

Abstract： By analyzing the current situation of virtual simulation software for traditional Chinese medicine identification and investigating the using demand for VR teaching software for traditional Chinese medicine identification by relevant majors in the field of traditional Chinese medicine， the paper finds that： firstly， there are a few domestic simulation projects related to traditional Chinese medicine， and the existing software functions are not perfect， and software that supports both PC and mobile terminals is even less common. Secondly， most students believe that virtual simulation software for traditional Chinese medicine identification has a positive impact on their learning ability and traditional Chinese medicine identification ability. Based on this， combining virtual reality， cloud computing， big data， and other technologies， a cross terminal VR teaching software for traditional Chinese medicine identification has been designed and developed by using a layered architecture idea， which can help solve the “difficult to find， query， and distinguish” problems in traditional Chinese medicine identification education and training， and further improve the effectiveness of traditional Chinese medicine identification teaching and training.

Keywords： identification of traditional Chinese medicine; virtual simulation; software design and development

0? 引? 言

中藥是我國延續(xù)千年且行之有效的藥物，為人類醫(yī)學發(fā)展和促進人類健康做出了突出的貢獻。中藥鑒定學是鑒定和研究中藥的品種和質(zhì)量，制定中藥標準，尋找和擴大新藥源的應用學科，在中藥學的專業(yè)培養(yǎng)上占有重要地位[1]。傳統(tǒng)中藥鑒定課程教學過程中也存在著“典型中藥材難以尋找、真假藥材難以對比、藥材數(shù)量難以滿足每個學生動手需求”等棘手問題。現(xiàn)有中藥鑒定教學使用的VR軟件，存在中藥材三維模型數(shù)量有限、功能不夠完善、界面不夠友好等問題。因此，亟需開發(fā)一款集3D中藥鑒別、中藥識別等功能于一體的中藥鑒定VR教學軟件，以解決中藥鑒定教學與培訓中存在的“找藥難、查詢難、分辨難”三難問題，同時還可幫助用戶不受藥材種類及數(shù)量、時間、場地、人員限制，隨時隨地開展相關的中藥鑒別學習，提升中藥鑒定教學培訓效果。隨著新一代信息技術的發(fā)展以及與教育教學的融合應用，特別是虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality， VR）技術，為面向學校的中藥鑒定教育教學和面向社會公眾的中藥鑒定科普培訓，提供了新的解決方案和技術實現(xiàn)路徑。文章嘗試設計一款基于3D建模、VR引擎開發(fā)等技術，集3D中藥鑒定、中藥識別、中藥百科（即藥典查詢）、趣味辨中藥等功能于一體，可滿足中藥鑒定教學和培訓的VR軟件。

1? 國內(nèi)中藥類虛擬仿真軟件現(xiàn)狀及需求分析

1.1? 平臺數(shù)據(jù)分析

通過對“國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺”的虛擬仿真實驗項目進行分析，發(fā)現(xiàn)平臺上共有3 307個項目，包括了理工類1 513個、醫(yī)學類478個、理學類428個、管理學類227個、藝術學類172個、農(nóng)學類147個。其中，醫(yī)學類的478項包括基礎醫(yī)學、臨床醫(yī)學、公共衛(wèi)生與預防醫(yī)學、護理學、藥學、中醫(yī)、醫(yī)學技術、法醫(yī)八大類，具體數(shù)量分布如表1所示。

藥學類包含了藥學、中藥學、藥物制劑、中藥制藥、藥物分析、藥物化學六類。其中，中藥學占18個，占比33.96%，在藥學類排名第二，但在總類別中只占0.55%。通過對中藥學相關項目進行分析，發(fā)現(xiàn)中藥鑒定虛擬仿真實驗教學項目僅有兩個，分別是南京中醫(yī)藥大學的國家一流項目“中藥鑒定3D-MR虛擬仿真實驗”和齊魯醫(yī)藥學院的省級一流項目“中藥鑒定虛擬仿真實驗教學項目”。前者由南京藥育智能科技有限公司提供技術支持，包含野外采藥實踐、中藥來源鑒定、中藥性狀鑒定和中藥顯微鑒定；后者提供了半夏、阿膠兩種中藥材的VR鑒別實訓。

1.2? 中藥鑒定VR教學軟件存在的主要問題

通過對以上分析，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)中藥鑒定VR教學軟件存在以下問題。

一是軟件內(nèi)容模塊較少，難以滿足教學需要。根據(jù)《中藥大辭典》收載的藥物，中藥材占到12 000多種，中藥材形態(tài)各異，且不規(guī)則。現(xiàn)有軟件的內(nèi)容模塊較少，未能將中藥識別、類別查詢、考核系統(tǒng)、后臺管理系統(tǒng)、交流社區(qū)等模塊集于一體，難以滿足當前教學需要。

二是現(xiàn)有軟件功能不夠完善。目前，由南京藥育公司開發(fā)的“3D-MR虛擬仿真實驗”，雖然具備中藥鑒定仿真實訓的功能，但中藥性狀鑒定僅針對5種珍貴藥材，且系統(tǒng)沒有用戶管理、資源發(fā)布和管理、藥典查詢、中藥識別的功能，遠遠不能滿足中藥鑒定教學、培訓和個人自主學習的需求。

三是現(xiàn)有軟件僅支持單一的終端。隨著技術的不斷發(fā)展，多端融合已成未來發(fā)展趨勢之一，但現(xiàn)有的中藥鑒定軟件多數(shù)只能基于桌面端或移動端，未能支持多終端交互，不便于移動學習。

2? 中藥鑒定VR教學軟件需求調(diào)查

2.1? 調(diào)研方式

本研究采用網(wǎng)絡調(diào)查的方式，調(diào)查對象為廣東某高職院校中藥學、中藥生產(chǎn)與加工、中藥制藥技術等相關專業(yè)學生。問卷在教育技術學和中藥學專業(yè)的資深教師指導下，由軟件技術和中藥學專業(yè)的學生共同設計完成。問卷內(nèi)容包含四部分：一是調(diào)研對象的人口社會學信息，包括性別、專業(yè)及年級；二是中藥鑒定學習的現(xiàn)狀調(diào)查；三是虛擬仿真教學軟件的熟悉度調(diào)查；四是中藥鑒定VR軟件的使用意愿及功能調(diào)查。問卷共19道題，包括選擇題和填空題。問卷調(diào)查時間為2022年9月10日—11月20日。本次問卷收集到149份，有效問卷149份，問卷回收率為100%。

2.2? 問卷分析

2.2.1? 調(diào)研對象的人口社會學信息

調(diào)研對象年齡介于19～21歲之間，男、女比例分別為12.75%和87.25%，符合學校中藥類相關專業(yè)的學院男女比例。

2.2.2? 對中藥鑒定學習的現(xiàn)狀調(diào)查

關于中藥鑒定學習的現(xiàn)狀，共7題，結果如表2所示，有一半的同學認為平時課堂學習中藥鑒定時，中藥材的種類齊全度、學習次數(shù)、學習時長能滿足學習需要，學生人數(shù)和藥材比例在5：1以上的占53.69%，平時課外接觸藥材的機會相對較少，如圖1所示，主要通過書籍、視頻和學校開設的相關課程進行了解和學習，使用虛擬仿真軟件學習占比只有16.78%。

2.2.3? 對虛擬仿真教學軟件的熟悉度調(diào)查

關于對虛擬仿真教學軟件的熟悉度，共3題，結果如表3所示，分析發(fā)現(xiàn)，四分之一左右的同學曾經(jīng)使用過虛擬仿真教學軟件，且使用次數(shù)為3次以上，但對中藥鑒定相關的虛擬仿真軟件了解較少，使用過的同學僅有10.07%，說明中藥鑒定虛擬仿真軟件較為缺乏。此外，大部分學生認為虛擬仿真教學軟件可有助于增加學習趣味性、突破時空限制、直觀易于加深對知識的理解、可作為實際操作之前的演練等。

2.2.4? 對中藥鑒定VR軟件的使用意愿及功能調(diào)查

關于對中藥鑒定VR軟件的使用意愿及功能，共3題，結果如表4所示，65.1%的學生認為有必要引入虛擬仿真軟件來支持中藥鑒定的學習，且63.76%的同學愿意嘗試使用，52.35%的同學認為中藥鑒定虛擬仿真軟件對自己學習能力和中藥鑒定能力起到積極的影響作用。此外，學生希望中藥鑒定虛擬仿真軟件具備的功能應包括：中藥材的360度旋轉查看、中藥材內(nèi)部切面的查看、中藥材真?zhèn)舞b定、易混淆中藥材鑒定、中藥材性狀鑒定、中藥識別實訓演練、中藥材來源鑒定、中藥材查詢、中藥拍照識別和中藥識別實訓考核。

3? 中藥鑒定VR教學軟件的設計思路

3.1? 設計理念

基于“科學規(guī)劃、按需設計、多端應用、服務教學”的設計原則，以提升學生中藥鑒定理論知識掌握和實踐能力發(fā)展為宗旨，以幫助學生學習中藥材性狀鑒定、中藥材真?zhèn)舞b定以及便捷查詢中藥材為核心，基于PC端和移動端，支持師生開展中藥鑒定虛擬仿真教學。

3.2? 總體架構

軟件的總體架構采用了分層體系架構思想，綜合了虛擬現(xiàn)實、云計算、大數(shù)據(jù)等技術，包含如圖2所示的四層架構。

3.2.1? 數(shù)據(jù)層

中藥鑒定虛擬仿真軟件涉及多種3D中藥模型及用戶操作數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)層分別設置了3D中藥模型庫、中藥材圖片庫、題庫、操作數(shù)據(jù)、用戶信息等來實現(xiàn)對相應數(shù)據(jù)的存放和管理。

3.2.2? 支撐層

包含云支撐、核心技術和基礎服務三大部分。其中，基礎服務包括：數(shù)據(jù)管理、資源管理、系統(tǒng)管理、接口服務、用戶及權限管理、安全管理；核心技術涉及WebGL、HEML5、TBIR、DL、Ajax、MySQL。

3.2.3? 應用服務層

為3D中藥材模型查看和交互、中藥材查詢等提供服務，包括：門戶服務、VR資源服務、VR項目教學、統(tǒng)計分析等。

3.2.4? 終端交互層

支持個人PC端、VR/AR交互設備及移動終端等不同類型的VR教學應用。

3.3? 軟件的功能及內(nèi)容結構設計

中藥鑒定VR軟件的主要功能結構如圖3所示，包括：注冊/登錄、3D中藥鑒定、中藥識別、中藥百科（即藥典查詢）、趣味辨中藥、題庫和社區(qū)六大功能模塊。

3.3.1? 3D中藥鑒定

建立經(jīng)典的道地藥材3D模型庫，通過Unity開發(fā)，實現(xiàn)中藥材360度和放大查看，支持從來源、性狀、真?zhèn)蔚冉嵌冗M行中藥鑒定仿真學習。

3.3.2? 中藥識別

通過拍照上傳或者APP掃一掃，識別中藥信息，在中藥資源庫中進行檢索、對比和分析，按照相似度從高到低的順序排列結果，幫助用戶實現(xiàn)對未知中藥的快速查詢和真?zhèn)舞b定。

3.3.3? 中藥百科（藥典查詢）

提供《中國藥典》（2020版）收錄的中藥的圖片及文字信息，并融合3D模型和相關視頻，最終形成具有豐富的圖、文、3D模型和視頻形式的中藥數(shù)字化資源庫，同時支持按功效、按藥用部位和關鍵詞檢索，幫助用戶快速查詢到結果。

3.3.4? 趣味辨中藥

為用戶提供3D趣味游戲，通過游戲的方式，進一步鞏固和自我檢測中藥鑒定的相關知識和技能。

3.3.5? 題庫

為用戶提供中藥調(diào)劑員、中藥購銷員、中藥炮制工等從業(yè)以及職業(yè)資格考試的在線題庫，方便用戶學習和備考。

3.3.6? 社區(qū)

支持用戶發(fā)布討論主題、留言、收藏、點贊等，同時可關注其他用戶和查看粉絲，最終形成一個穩(wěn)定、活躍的中藥鑒定學習社群。

4? 技術的實現(xiàn)

4.1? 技術路徑

遵循軟件開發(fā)的基本流程，即系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設計、詳細設計、程序編碼和軟件測試五個階段。軟件技術實現(xiàn)主要分為三大部分：一是利用EinScan 3D掃描完成中藥材的三維模型創(chuàng)建，并采用3Dmax模型進行模型優(yōu)化，然后導入至Unity完成交互開發(fā)，實現(xiàn)3D中藥鑒定學習和交互功能；二是利用Elasticsearch全文檢索、ONNX Runtime機器學習、Keras or PyTorch深度學習框架等，實現(xiàn)中藥材圖片檢索及識別的功能；三是利用SDK和Java等技術，實現(xiàn)多終端的應用。

4.2? 視覺系統(tǒng)功能和交互功能的實現(xiàn)

傳統(tǒng)教學往往只注重知識內(nèi)在的邏輯性和系統(tǒng)性，學生無法親身體驗[2]。從自身認知的角度來看，在一定的互動情景下，通過肢體的運動，親身體驗去習得知識技能[3]。因此，用戶可以通過視覺和觸覺與虛擬仿真教學軟件進行交互，通過身體實踐以獲得知識技能。在虛擬世界中，虛擬的模型所帶來的真實感主要取決于視覺系統(tǒng)功能和交互方式的開發(fā)程度[4]。利用3D Max對中藥材模型進行優(yōu)化后，將模型導入到Unity3D中，通過調(diào)整攝像機以及燈光的參數(shù)、調(diào)整材質(zhì)參數(shù)、添加交互代碼等，還原3D中藥材模型的真實感，提升軟件的沉浸性、交互性和構想性。

4.2.1? 視覺系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

第一人稱視角是以用戶自身為基準，視野覆蓋小，用戶可以更集中地關注于中藥材模型的特征，通過交互方式和界面視圖的變化使得用戶有更高的投入度和代入感[5]。為了提升用戶的具身體驗，采用第一人稱視角，用戶可以360°觀察中藥材的3D模型、縱切面、橫切面和表皮。通過調(diào)整攝像機的角度和視野，實現(xiàn)中藥材模型放大、縮小以及復位等效果。如圖4所示，在Unity3D的inspector窗口中，調(diào)整主攝像機的位置（Position）、角度（Rotation）和視野（Field of View）以及燈光（Spot Light、Point Light）的照射角度、范圍（Range）、聚光燈角度（Spot Angle）、模式（Mode）以及強烈（Intensity），使得中藥材模型有較高的還原性、真實性。

4.2.2? 用戶界面的實現(xiàn)

用戶界面是用戶和系統(tǒng)之間進行互動交流和信息交流的媒介，用戶通過用戶界面與系統(tǒng)完成信息交流[6]。在界面設計過程中，應遵循“一致性、可讀性和兼容性”原則，以便用戶可以輕松地在不同設備之間快速理解和使用軟件[7]。創(chuàng)建用戶界面的組件，包括功能按鈕、單選框及相關文本幕布，創(chuàng)建UGUI的步驟如圖5所示，移動和PC端界面如圖6所示。

4.2.3? 交互方式的實現(xiàn)

交互是指用戶與軟件之間進行雙向信息交流的行為[8]。為了幫助用戶獲得良好的交互體驗，應重點關注用戶在與軟件進行信息交流過程中的操作體驗，同時遵循“易用、合理”原則。中藥鑒定VR教學軟件的主要交互方式為觸控交互，用于控制中藥材3D模型的外部和內(nèi)部性狀特征的呈現(xiàn)。為實現(xiàn)觸控交互，可在Unity3D的主攝像機（Main Cameras）上添加C#語言腳本，控制主攝像機的旋轉，視野縮放。通過點擊和滑屏等操作實現(xiàn)不同中藥材模型的切換、縮放、旋轉、移動等。通過點擊UI界面的組件，實現(xiàn)頁面和文本的切換。

5? 結? 論

將虛擬仿真技術運用于教育教學和培訓，可幫助解決實踐教學中“進不去、看不見、動不了、難再現(xiàn)”的問題，有效提升教學效果。文章通過分析當前中藥鑒定VR教學軟件的不足，調(diào)研了中藥鑒定教學過程中所遇到的問題及應用需求，基于虛擬現(xiàn)實等技術，設計出一款具備3D中藥鑒別、中藥識別、藥典查詢、中藥鑒定教學及科普等功能于一體的中藥鑒定VR教學軟件，解決中藥鑒定教育教學中存在的難題，滿足教育教學所需，有效激發(fā)學生對中藥材認識的興趣，有助于鞏固和加強理論學習和實踐技能訓練。目前，軟件已開發(fā)完成部分功能，完成了小規(guī)模測試，學生和老師反映較好，下一步根據(jù)學生和老師提出的相關建議進一步優(yōu)化完善，并繼續(xù)推廣應用。

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作者簡介：吳潼（2002.11—），男，漢族，廣東揭陽人，研究方向：軟件技術。