PlantFactory 3D模型在药用植物学教学中的应用

付英杰，姜宇珺，陈敏敏

济宁医学院药学院， 山东 日照 276800

3D模型可以生动地表现物体的内外部结构，以及各部分之间的运动关系，非常适合演示教学中各种动植物的内部结构与外部形态。3D教学是未来发展趋势，有极大的应用前景[1]。但迄今为止，3D植物模型多应用于以美观为目的的场景设计，植物形态并不完全真实，因此无法直接应用于药用植物学教学；其

次，3D模型难以在课件中直接展示，采用文献中[2-5]方法导入，需嵌入的软件多，教师课前准备时间长，难以被推广使用。

在当前《药用植物学》教学中，植物分类部分是学习的难点，其原因在于植物特征多且复杂，难以记忆，而实物观测法又易受季节、材料数量等诸多因素影响。因此，文章以植物学特征明显的十字花科植物菘蓝(Is- atis indigotica Fortune)为原型，尝试制作其3D模型，并寻求能够方便地在课堂上进行展示的方法。3D植物模型的合理构建和展示，对《药用植物学》教学方法改革具有很高的创新性。此外，目前国内使用Plant- Factory建模及应用的参考资料极少，因此，文章在植物3D模型建立方面也具有较大的应用价值。

1 样本和软件

1.1 样本

菘蓝(学名：Isatis indigotica Fortune)又名茶蓝、板蓝根等。茎直立，绿色，顶部多分枝，植株光滑无毛，叶互生；花瓣黄白，十字形花冠，宽楔形，长3～4 mm，顶端近平截；总状花序成圆锥花序状，四强雄蕊；短角果长圆形，长10～15 mm，先端短钝尖，两侧渐窄，中部以上较宽，无毛，中肋显著隆起，两侧脉不显著；果梗细长，微下垂。

1.2 软件

PlantFactory 2016 R4(Producer版，64位，Build 404063，e-on software公司)；VUE xStream 2016(64位，Build 404061 AVX，e-on software公司)；Adobe Photo- shop(CS6Beta，Adobe Systems)；Crazybump(Demo Version 1.2,Autodesk公司)；FBX viewer(V 1.1,Clock- stone公司)，制作模型必须使用Windows 10系统，展示模型无要求。

2 菘蓝3D模型设计流程

2.1 模型设计理论

目前，教学课件多由Powerpoint、Authorware或Flash制作，在3D展示方面具有局限性。而在常用3D软件中，3Ds Max拥有植物设计插件GrowFX和相应的植物素材库，但绘制较为复杂且精细的重复结构(如花序、花药等)时，难度较大，且受面数限制。相比之下，PlantFactory以节点(如根、茎、叶等)而非三视图为基础，且更易为教师所掌握；Maya偏向于动画制作，操作更加复杂；VRP等VR制作软件更适合制成沉浸式自主学习视频，但制作成本高、周期长、不适合教师独立创作[6]。

综上所述，实际教学时难点在于：一是普通植物素材库中缺乏以植物形态学角度制作的3D植物模型；二是进行3D模型展示时操作复杂，难以推广。在绘制具体植物形态方面，使用PlantFactory制作植物模型更有优势。

笔者拟构建的是菘蓝成熟阶段的模型。基于植物形态学真实性的基本要求，必须首先对十字花科植物的共性基本特征进行归纳、定性和量化：如花冠十字形排列且为4枚，叶子为互生等；其次，需要对菘蓝的个性特征进行观察和测量。如记录主干、花冠、叶子的长度和分布角度等数值，并进行多株测量，从而在模型建立前获得基础数据，以建立符合真实植物的3D模型。

2.2 模型设计流程

2.2.1整体模型的构建采用PlantFactory 2016软件，依次搭建菘蓝的主干、侧枝、花冠、花萼、雄蕊，并调节其长度、数量以及分布角度。在具体数值调节的过程中，该文均以植物的真实形态特征为基础，对于明显的科属特征，其调节数值均为固定值，其他数值则均为随机区间。

根据菘蓝的特征，设定主干上细下粗的形态，侧枝2～3个；花梗位于侧枝顶端，弯曲向上，随机均匀分布在侧枝周围，呈现其总状花序的特征；构建花托后，使花冠位于花托上，同时调节花冠数量为4的固定值，符合植物十字形花冠的特点；花萼位于花冠的下方，也为4枚；对于雄蕊则调节为6枚，4长2短的“四强雄蕊”的特征，并使花药与花丝相垂直。构建菘蓝的3D整体模型如图1所示，节点图如图2所示。

图1 菘蓝的3D模型构建 图2 节点关系图

2.2.2模型贴图贴图处理可使模型外观更加真实。在“Materials”参数栏中选择合适的主干贴图，对主干以及侧枝进行贴图。

对叶进行贴图前需对真实叶子进行拍摄，用Photoshop CS3调节色彩和对比度，再采用滤镜—抽出法获得去除背景的PNG格式图片，之后在“调整—曲线”中，将输入值调整为251，制作遮罩图。在Crazy- bump 1.1软件中以去背景图作为源文件，制作法线图片，如图3所示。最后在PlantFactory 2016中的贴图面板导入3个图片，从而完成叶的贴图，调节角度使其按叶互生方式分布在茎的两侧。

图3 叶的贴图

以Leaf的形式添加新节点Siliqua(角果)，同时按叶贴图的方法添加角果贴图，并使其分布在主干及侧枝位置，调节角度和大小使角果自然下垂。在“Over- all color”处调节花萼、雄蕊的颜色，在“Materials”参数栏下调节花冠颜色，并按叶贴图的方法添加花冠贴图。

2.3 模型的应用

2.3.1模型的导出将在PlantFactory 2016中完成的植物模型导出为FBX格式，并安装ClockStone FBX viewer 1.1程序。

2.3.2模型在FBX viewer中的调用在Powerpoint中直接调用应用程序ClockStone FBX viewer，只需在插入超链接对话框的地址中输入FBX文件的相对地址(PPT文件尽量与FBX和贴图文件在同一文件夹下)，即可展示完成的植物模型。

无论在线上还是线下教学，学生及教师均可在PPT中直接点击超链接，系统会在安装过ClockStone FBX viewer软件的电脑上，自动打开ClockStone FBX viewer窗口展示3D模型并可自由旋转。该方法的关键优点是安装软件体积极小(4MB)，解决了文献中需要在课前安装Acrobat或3Ds Max等大型软件的费时问题，如图4所示。

图4 菘蓝模型在ClockStone FBX viewer中的展示图

2.3.3模型节点的设置不设计节点，3D模型只能保持静态。因此，节点的设置是模型动画的基础。

在已制作好的植物模型的节点界面右键菜单中，在“Filter”处选定“Offset(x+a)”作为输出节点,选定“Smooth map”调节固定值，并在“Constant”处选定“Random Constant Number”调节随机值，将“Smooth map”和“Random Constant Number”与“Offset(x+a)”连接，然后与“Age”相连如图5所示，将“Offset(X+a)”与要调节的部位连接。

图5 节点的设置

根据茎长度的固定值和随机值调节与“Length”相连的“Smooth map”，适当调节“INPUT RANGE”和“OUTPUT RANGE”下的“Lower value”及“Upper val- ue”，将茎的随机值填写在“Random Constant Num- ber”的Y值处；同理调节茎宽度、叶、花的固定值和随机值。

2.3.4生长动画的制作在PlantFactory中，点击“Fi- le-Export-Export to Vue-Export Vue Species”，将Plant- Factory中制作好的模型，以tpf的格式导入VUE。打开VUE，单击界面右上角的动画制作板，并且双击模型进行调节，在0 s时将“Maturity”调到初始位置，选定动画时长为10 s，将“Maturity”调到100%，并且调节“Health”和“season”，植物的枯叶在合适的时间阶段进行呈现，如图6所示。

图6 生长动画的制作

最后，点击 “Animation-Animation Render Opti- ons-User Setting-Edit”，并选择画面清晰度为“1 920×1 080”，点击“Render Animation”对动画进行渲染和制作，生成AVI动画视频文件。

3 基于PlantFactory 3D植物模型的教学活动设计实践

在进行实际教学时，除可随时调用3D模型进行讲解外，笔者还总结了一些教学活动经验，以供同行参考。

3.1 活动1

请学生在线上的网络教学平台自行观察菘蓝的3D植物模型，之后在课堂上指出该植物的基本特征：

①设计目的：充分利用第二课堂和学生对网络、3D感兴趣的特点，引导其对植物特征进行归纳总结；

②契合内容：课前准备、自学性内容；

③取得效果：学生对该软件的使用非常感兴趣，观察时间较普通植物标本有所延长，几乎所有学生都能答出80%以上的植物特征。

3.2 活动2

教师引导学生将植物模型文件用3D打印机进行打印，制成教具，并派代表给其他小组展示和讲解：

①设计目的：与时俱进，将新兴事物带入实验室，兼顾基础学习和未来发展，同时，锻炼学生的动手、表达能力和团队协作能力；

②契合内容：实验课；

③取得效果：学生对这节实验课充满期待，课堂气氛活跃。小组讲解方式解决了理论课堂学生回答不踊跃的问题，学生对3D植物模型记忆深刻，植物分类教学难的情况得以改善。此外，部分对信息技术有较好基础的学生已经开始学习自制3D植物模型。

3.3 活动3

学生分组后，自行到校内植物园采集特征显著的植物，制作腊叶标本及3D植物模型，教师根据标本制作情况及模型真实度对学生作品进行评价：

①设计目的：充分发挥学生主观能动性，采用写作业等方式对学生课余时间的浪费进行强制管理收效甚微。考虑并非所有学生都会制作3D模型，因此，有的小组成员可制作传统的腊叶标本；

②契合内容：在学完一章内容(如合瓣花亚纲)后作为课后作业；

③取得效果：作业完成情况超出预期，抄作业问题被显著遏制。除植物特征点被熟练掌握之外，学生的动手能力得以加强，能动性也得以发挥，主动去校内植物园进行观察和复习的学生增多，甚至有的学生萌生了用3D动植物创业的想法，这也非常符合目前教学重视“技能、应用、创业”的特点。

将植物模型导入PPT并投入实际的教学应用中，由于可对3D植物模型进行立体旋转、拖拽、放大等操作，相较普通的课件平面展示，其优势在于：一是增加了学生对植物特征以及重点结构的理解和把握；二是降低了植物学课堂教学的难度，并通过PlantFactory等软件的应用带动了3D教学技术的革新和发展；三是为3D模型打印提供了技术支撑，解决了实物观察法易受季节、材料数量因素影响的问题。若干教学应用案例及成效说明该方法提高了课堂效率和教学质量，使学生和教师获得了双赢。

4 讨论与总结

该文采用PlantFactory软件对十字花科菘蓝进行了3D模型制作，能够立体展示植物的具体性状特征，当综合采用Photoshop、Crazybump软件制作了贴图和法线时，使所建立的模型更加符合自然植物状态，最后采用在Powerpoint中调用FBX viewer程序的方法将3D模型导入PPT，最终实现了3D模型在课件中的应用。

PlantFactory以节点为基础，所以更符合实际教学中植物六大器官形态特征为主线的思路，使教师不必掌握难懂的3D软件三视图以及复杂的格式转换，也无需专业3D公司进行高成本和难以沟通的制作，因此，可以更专心地把精力投入到植物各部位形态特征的绘制(如茎的长度、花冠数量、叶子贴图、着生方式等)上来。而静态模型的建立又是极易掌握的“所见即所得”式徒手绘制，因此文中的建模方法可高效地应用于其他药用植物3D模型的开发，适合推广使用。

笔者在FBX格式的导出和导入PPT的过程中，前后尝试了多种软件。最先尝试将模型导入3Ds Max，然后再导入Acrobat 3D[2]转换格式进而在PPT得以呈现。但在导入3Ds Max后，模型出现严重缺陷。其包括花瓣、角果、叶子的贴图都无法正常呈现。因此，后续导出在Acrobat 3D等软件中均不可行。后来发现原因为3Ds Max较为适合低面数的3D模型(如机械零件)，而像植物这种高面数的模型经常会丢失细节，且3Ds Max及Acrobat 3D两个软件体积太大，前后转换格式过于繁琐，故另寻优法；导出Obj、C4d格式也与3Ds Max具有相似的问题；最终采用FBX Viewer快捷展示FBX格式的静态模型，以及导出到VUE Str- eam作为动态模型展示动画的方法(Plantfactory及VUE Stream均为e-on software公司产品，可实现无损导入)，并为后续VR的应用提供了基础。