虚拟数字化中药材3D模型库展示系统构建

何志红　包秀莉

摘要：本文结合虚拟现实前沿技术，研究开发虚拟数字化中药材3D模型库展示系统，通过该系统构建完备的中药材体系和多功能的教学功能体系，实现最大限度的信息交流和资源共享，提高中药材的管理水平。

关键词：虚拟现实;混合现实;3D模型库

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）05-0171-02

0 引言

据统计，我国有记载的中药材有12807种，其中植物药11146种，动物药1581，矿物药80种，无记载的民间药更不计其数[1]。中药材品种多，形状差异大，中药材展示与管理难的问题日益突出。虚拟现实（VR）是信息技术的重要分支，是仿真技术的重要方向，混合现实技术能够将虚拟物体与现实实体相互融合，本文针对中药库展示与管理难的突出问题，将混合现实技术应用于虚拟数字化中药材3D模型库展示系统的研发，在各大高校中药标本馆的基础上实现虚拟数字化，开发虚拟现实系统，构建中药材3D模型库，实现中药标本的资源共享，中药教学的数字化和信息化，更好的为高等院校和社会公众提供真实、独特感知以及交互的体验、教学和研究平台，同时也能够对宣传中药知识、中医药科普教育、中药产业的发展产生积极影响。

1 中药材3D模型库展示系统

虚拟中药材是在综合图形学、计算机科学、三维建模技术等的基础上，构建与真实药材标本相似或相近的三维数字模型[2]。虚拟中药材不仅能直观、立体地展现出中药材的形状、颜色、纹理等特征，实现中药材的数字化表达，并可对模型进行全方位地观察[3]。本文主要通过中药材虚拟3D建模、虚拟现实交互系统、中药材虚拟现实系统和接口设计来构建虚拟数字化中药材3D模型库展示系统，如图1所示。

1.1 构建完备的中药材3D模型库

虚拟数字化中药库3D建模。主要包括：（1）建立中药材的3D模型（药材几何形状、表面纹理特征等）;（2）3D模型面数优化、实时渲染制作、测试与优化工作;（3）建立虚拟数字化中药库，50-100种常见中药品种。基于真实药材的形状、特征建立中药材3D模型，构建完备的虚拟数字化中药材体系，一方面从多个角度对中药材的鉴别特征进行完整、形象地展现，另一方面可以使药材更好的分类，更有利于中药材鉴定数据的收集整理。

1.2 构建虚拟数字化中药库及展厅

基于中药材3D模型库和国内已建立的中药标本馆，结合数据库技术和虚拟数字化技术对实体标本馆的展示内容和相应的标本、实物进行数字化处理，提供在线的中药标本查询、物种信息服务，将传统的中药标本馆网络化、虚拟化。虚拟数字化中药库的建立，使传统中药标本馆的教育功能已不再局限于一个地区、一个国家，而是日益走向开放、走向国际化，在更大的范围内实现最大限度的信息交流和资源共享。

基于数字化中药库构建虚拟展厅，虚拟展厅构建以实际展厅为例，进行1：1模型构建;和虚拟现实头盔配合使用，实现展厅360度无死角沉浸式观察体验;在虚拟展厅中具有选取、重新摆放标本的功能;支持错误提示功能，如果标本摆放错误即可弹出错误提示;实现标本横切面的展示与语音或者字幕介绍;使用控制手柄，可以操作虚拟空间内的标本移动、摆放、旋转;实现虚拟展厅选取、重新摆放标本;提供内容环境人脑适应度测试接口;配合虚拟现实头盔，提供在虚拟现实空间中进行操作;提供标本在虚拟现实中的搜寻、修改、删除、排序、变更色彩、亮度等虚拟现实基础库的管理工作;虚拟现实空间内具有菜单选项列表，可选择其中按照类别进行相应摆放、更换等。

1.3 构建多功能的教学功能体系

中药材中的植物类药材种类繁多，特征复杂，通过对中药材3D模型库的构建，大大拓展虚拟数字化中药材3D模型库展示系统的教学服务功能。使之成为药材商品学、中药鉴定学、中药资源与开发、药用植物学、中药学、方剂学、中成药学、中药调剂学等学科教学基地，将混合现实技术引入中药教学领域，符合中药教学的数字化、社会化的发展方向，中药材虚拟现实系统的研发可以从根本上降低教学成本，减少危险性，激发学生的学习兴趣和主观能动性、提高教学质量、弥补教学条件的不足，从而在理论教学和实践教学中可以发挥重大作用。

1.4 实现中药材展示、鉴别、性状鉴定、制作等系统功能

1.4.1 进行虚拟数字化中药库虚拟现实交互系统研发

主要包括：（1）中药展示、鉴别、制作混合现实场景建模;（2）中药展示、鉴别、制作混合现实场景模型面数优化，以及实时渲染制作、测试与优化工作;（3）中药展示、鉴别、制作规则设计、行为设计、流程设计;（4）中药展示、鉴别、制作混合现实场景的交互设计。

1.4.2 进行虚拟数字化中药材3D模型库展示系统设计

主要包括：（1）虚拟数字化中药库虚拟现实系统基本构成;（2）虚拟数字化中药材3D模型库展示系统结构研究与设计;（3）虚拟数字化中药材3D模型库展示系统交互设计。

1.4.3 进行虚拟数字化中药材3D模型库展示系统接口设计与实现

主要包括：（1）中药库虚实空间视觉上交互影响的接口设计与实现;（2）中药库虚实世界智能上交互融合的接口设计与实现;（3）中药展示、鉴别、制作混合场景交互接口设计与实现;（4）虚拟数字化中药材3D模型库展示系统人机交互接口设计与实现。

1.4.4 利用高倍清晰三维扫描仪获取中药材的纹理图像

主要包括的核心技术有三维数据的采集、数据的预处理和三维模型重建，主要过程为：（1）三维扫描获取纹理;（2）初始模型处理，采用逆向建模技术构建实体的几何造型;（3）模型优化，利用3DSMAX对中药材标本模型进行优化调整，可以使标本更加精美逼真。利用三维扫描仪在同一条件下从多个角度获取药材表面三维数据（“点云”数据）。将获得的数据输出，选出数据较完整且表现特征清晰的“点云”数据，利用网络数据编辑功能对其进行预处理。以定点对应方式重建，得到药材的几何造型。将获取的纹理图像利用软件进行处理，映射到几何造型上，从而得到药材的三维模型。

借助虚拟现实技术中三维建模技术将药材的生长环境、药材炮制、采收加工等过程展现出来，将药材的特点、理化特性、药理研究、炮制加工以及最终形态在屏幕上显示出来，同时还可以改变温度、湿度、光照等各种因素，甚至还可以将药材的微观结构特性与药材整体相结合，由里至外地逐层剖析中药材的组织结构特点。虚拟数字化中药材3D模型库展示系统可以展示实物所不能展示的显微组织特征，提高用户对药材的认知度和感知度，并且能传达给学习者关于药材从微观到宏观的全面认识。最终在虚拟现实系统中实现虚拟空间与实景空间相互交叠的混合展示空间，达到真实的体验和基于视觉、听觉、触觉等自然技能的人机交互。

2 结语

本文所构建的虚拟数字化中藥材3D模型库展示系统具有完备的中药材体系和多功能的教学功能体系，扩大了中药材的展示空间，可以最大限度的实现信息交流和资源共享。利用中药材与虚拟现实技术的融合可以引导中药产业的可持续发展，同时吸引更多的资本动力助推虚拟现实又快又好发展，促进多领域交叉协同发展。该系统将大大提高中药材的管理水平和对中药材学习的真实性和趣味性，使相关高校的学生更易接受专业性训练，使公众更易熟悉中药鉴别、制作过程及知识，该研究具备有广阔的市场前景、显著的经济社会效益以及较高的推广应用价值。

参考文献

[1] 张广萍，李榆梅.浅谈中药标本馆的数字化[J].中华医学图书情报杂志，2007（6）：43-45.

[2] 陶欧，艾路，乔延江.基于逆向工程的虚拟中药材构建研究[J].世界科学技术-中医药现代化，2008（5）：134-137.

[3] 谷晓晨，阚红星，杨青山，等.采用123D Catch建立中药材的3D模型[J].安徽中医药大学学报，2014，33（1）：85-86.