3DMAX在虚拟八角茴香果实中的应用

王乃平 叶绘晟 汤荟琛

(广西中医学院，广西 南宁 530001）

3DMAX在虚拟八角茴香果实中的应用

王乃平 叶绘晟 汤荟琛

(广西中医学院，广西 南宁 530001）

探讨3DMAX软件的设计可视化功能在八角茴香模拟中的应用。在3DMAX环境下，结合参考八角茴香的实体手工制作八角茴香三维模型。实现虚拟环境中的三维八角茴香仿真重建，利用3DMAX强大的设计可视化功能实现中药材实体的虚拟模拟。

3DMAX；中药材；模型

3DMAX是三维虚拟中的常用软件，为三维环境和三维物体的构建都提供了完整的技术支持，因此被广泛的运用到三维数字化应用领域。常见的应用方面有工业设计、城市设计、军事模拟、航空航海模拟以及医学模拟等领域，其功能模块能够服务于各种科技实体实验的模拟设计，在当今社会的科技信息时代发挥重要的作用。

在3DMAX环境下虚拟八角茴香的果实，是为了尝试在三维虚拟环境下较完整地重现八角茴香的局部外形特点，为中药材提供一个全新的标本展示手段，以及探究如何为中药材鉴定提供确实可靠的新途径，寻找和发现利用3DMAX软件实现常见中药材数字化模拟的方法与途径。三维环境下的数字化虚拟八角，能不受环境、时间和空间等因素的影响，展示各个生长时期的外形和质地特点，同时又摆脱了传统中药材图谱平面化、简单化的不足。

（一）研究内容和目标

1.研究形式：模拟仿真的中药材实体实际上是利用3DMAX软件创造出一个典型的具有代表性的理想化的虚拟中药材。对实体形态到三维形态的转化过程进行合理的设计，制定相应的方案。

2.研究对象：八角茴香是广西主产、道地药材之一，外形具有独特的性状特征，多由8蓇葖果组成，放射状排列于中轴上。蓇葖果长1～2cm，宽0.3～0.5cm，高0.6～1cm；外表面红棕色，有不规则皱纹，顶端呈鸟喙状，上侧多开裂。由于其外形特点具有几何体的规则性，对在探讨三维虚拟环境下的重现原生中药材具有一定的代表性。

3.研究目标：通过利用3DMAX软件，对八角茴香物体进行三维虚拟应用研究，使其具有响应操作者的指令，为操作者提供实现多角度的旋转和缩放等变化功能支持，对其外形的各个局部特征实时预览，为中药材。

（二）研究过程中的重点

基于八角茴香果实独特的外形特点，对其果实的模拟重点同样也是集中在蓇葖果外形、表面颜色、表面纹理和鸟喙状顶端这些显著的外部特征上的。

1.对外形的模拟首要的任务是建模。

（1）建模方案的选取。在3DMAX环境下提供了多种的建模方法，最常用的有Editable Poly、Editable Mesh、Editable Patch和NURBS。这几种方法都有各自的特点，区别在于它们采用不同的演算方法从而产生不同的效果。研究人员采取根据实际需要选择其中的一种或几种方法联合应用是比较好的方案。

（2）建模中的关键细节。根据八角茴香的外形特点，研究人员根据3DMAX内置的多种规则的几何体选择从一个较为规则的八等分球体开始建模。在八等分球体的外部节点上选择八个定点作为八角茴香果实蓇葖果定点，通过cat的命令增加边和节点，逐步将八等分球体调节为一个类似八角星状的物体，如图1所示：

图1

为了模拟重现八角茴香果实的结构特征，必须在粗略调节的形状基础上进行进一步的细化。八角茴香果实的蓇葖果呈放射状排列，其中心有一个微小的凸起，而定点呈鸟喙状。为表现这些细节特征，在3DAMX环境下，逐步的增加节点，通过控制节点的分布方向和位置来实现模拟整个八角果实的外形。其中果实中心的微小凸起和鸟喙状的表现是通过多个节点的聚合配合MeshSmooth命令实现的。如图2所示：

图2

MeshSmooth（网格平滑）是一种针对物体表面柔化的命令，是利用一定的节点之间通过运算实现节点与节点之间的平滑过度，在3DMAX环境下，通过增加节点数量控制节点的坐标实现对虚拟物体外形凹凸的模拟，而通过各种柔化表面命令实现物体表面的平滑过渡。

MeshSmooth是利用堆栈在原始模型上加上细分命令，它和Msmooth（可编辑多面体下提供的平滑）相似，同时具有细分和柔化的功能，它的特点是在细分之后仍然保存着Edit poly模式下的模型状态，如果研究人员对柔化的效果不满意的话仍然可以返回到Edit poly级别下对模型进行微调，同时又可以快速的进入MeshSmooth模式下观察柔化后的效果。

2.贴图的应用。

对外形的模拟大体完成后，进一步对八角茴香的果实的表面进行仿真模拟。表面的模拟包括对表面颜色和不规则纹理的模拟，主要是通过贴图来实现的。

（1）贴图是3DMAX环境下提供的模拟物体的重要方法。运用贴图命令，可以有效的模拟物体表面的颜色、光泽、质地和纹理。八角茴香的果实在未完全成熟时呈嫩绿色，在成熟后呈现的是棕黄色，光泽度高。因此在模拟八角茴香果实的自然状态时，应尽可能的重现出这些特征。

（2）贴图方式及其注意事项。3DMAX环境下提供的贴图有针对表面颜色的Diffuse Color命令，应用Diffuse Color命令，并在其下一层级中添加Falloff方式。Falloff是一种表现过渡色的贴图方式，通过Falloff贴图，能模拟八角茴香果实色泽上的嫩绿色到棕黄色的过渡，同时配合Blend的混合遮罩的方式，能模拟出八角果实部分呈成熟状态，而部分未成熟的生长阶段的特点。如图3所示：

图3

（3）八角茴香的果实表面还有不规则皱纹的特征，这种不规则的皱纹并不十分的明显，属于轻微的凹凸。如果应用前文提到的利用增加节点的方法对这种不规则皱纹进行模拟，必需增加海量的节点，大量的节点不易于控制和调节，同时会造成系统资源的浪费。

3DMAX提供了一种较为经济的方法实现对物体表面表浅纹理的模拟，这是通过Bump贴图方式实现的。Bump贴图是一种专门用于模拟表面凹凸的贴图命令，通过在虚拟物体的表面覆盖由包含白色到黑色这个灰度范围的颜色的贴图，计算出物体表面的凹凸程度。针对八角茴香表面上的凹凸的不规则分布和不规则的凹凸程度，在应用Bump贴图的时候可以利用贴图的层级和遮罩关系在Bump贴图下添加Noise（噪波）贴图来得到一种不规则的灰度颗粒关系。

（三）结语

综上所述，基本上通过综合应用3DMAX环境下提供的各种功能完成了对八角茴香果实实体的模拟。如图4所示：

图4

通过研究应用3DMAX部分功能模块和命令对八角茴香果实实体的模拟，着重探讨利用现代化科技手段寻求中药材展示的新途径和新方法，并可以伴随着3DMAX新版本的功能升级，进一步将中药鉴定中的其它可视特征展示出来，甚至将中药材的生长环境因素模拟再现，与中药材的内部生长关联形成互动，逐步摸索出一套能够完整展现中药材的全景式生长过程，并且参与性、互动性极强的三维模型模拟展示方法。

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1008-1151(2010)04-0128-02

2010-01-20

广西壮族自治区科学研究与技术开发计划项目：桂科攻0330008-17

王乃平（1953－），男，湖南湘潭人，广西中医学院教授，博士，从事药理学和中药信息化研究。