基于AR技术的“视觉本草”草药识别软件设计与开发
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摘要：增强现实是虚拟现实技术的拓展。基于增强现实的交互手段可以为学习对象提供新的表达方式，并且可以通过最自然的交互方式为学习者构建一个独立探索的空间。运用AR技术与中医药教学相结合，以软件的形式将传统的中医药教学变为具有趣味性、体验性、交互性的增强现实教学。通过开发相应软件利用手机摄像头扫描AR卡片，还原中药本草的三维立体形象，改变以往单一、平面的传统教学方式，多维度的展现中药植物的地道产区、本草溯源、功效主治等知识。将中药材的教学内容更直观地体现，把抽象复杂的知识变的可视化、形象化。打破空间和时间的限制，让教学场景更加丰富生动，让教学内容变得更生动有趣。
关键词：AR;中药教学;增强现实
中图分类号：TP391 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）02-0179-05
这几年来，随着不断深入的科技发展以及教学改革，多模式多样化的新型教学方式不断产生;AR技术作为一种新兴的技术，在制造业应用广泛，对于提升制造业的信息化智能化水平有极大帮助。科技部和国家中医药管理局联合发布文件，将“VR/AR技术用于中药智能制造”提升到了国家政策的高度，这也是中医药文化发展的一个机遇与挑战。同时《“十三五”中医药科技创新专项规划》《新一代人工智能规划》等多项国家规划书中都提出发展人工智能技术，将传统文化与增强现实技术相结合，推动我国中医药文化的前进。AR技术在中医药教育中的应用，可以充分发挥AR技术的优势，对减轻学生的学习压力，提高教育教学质量，促进中医药文化的发展具有积极的作用。本软件开发利用VR技术，将中药本草的真实立体形象展示给学生并给予实时交互性使教学，过程直观真实，形象易记，对于中药课堂教学起到了很好的辅助作用。
1 AR技术在领域的研究现状
近年来，AR技术作为新型的人机接口和仿真工具，在各领域的应用日益广泛。AR技术已应用在军事、航空、医学、船舶等多个领域;在针灸教学、患者康复训练以及医药教辅类有所应用，且反响良好。[1]AR在智能手机上的应用也日渐增多。利用手机进行草药识别，并将草药的细微结构、标本饮片细节呈现出来，是一种挑战，同时也具有一定的前景。目前全球多家公司已经推出了各具特色的AR软件开发平台，为不擅长编程者提供了可操作的平台，只需按照自己的思维逻辑来设计流程，将已经分装好的程序模块嵌入，就可以通过AR工具设计开发符合自己需求的AR软件产品。这为我们做中医药教学软件的开发提供了便利。目前各医学院校未设置中草药植物园或中药饮片陈列室， 学生没有机会直接接触中药， 不能直接观察中药原植物或标本， 不利于了解中药四气五味、性状特征等性能。没有理论结合实践， 学生对所学印象不深[6]。
2 设计理念
2.1 科学性
本软件设计的科学性，主要体现在中草药模型制作的规范。通过查阅大量的文献，严格按照中草药文献中草藥的外观特点进行建模。对于所识别草药的植物基源、形态特征以及功效的介绍做到有据可依，保证用户在平台上所获得的知识具有一定的科学性和可信性。
2.2 创新性
本软件设计的创新性主要体现在运用AR增强技术，将图片的描述立体、直观的呈现在学生面前。研究表明采用语言描述与彩色照片， 两者认知程度相差2倍之多。将抽象的学习内容形象化、可视化、直观化的展示出来，增强现实的可视化效果，能够提高学生对于抽象概念、微观现象的理解，提升学习效率和效果[2]。将AR技术运用于中药教学中，这种方式可以打破以往对于中药学习的时空限制，能够更好地适应学生的个别差异，同时也满足了学生自主个性的学习需求，丰富了获取知识的途径，真实，具体的教学情景有利于学生对知识点的掌握。这种新型互联网+技术可以提高学生的学习兴趣，调动学习积极性。是现代信息化技术与传统中药教学的完美结合。
2.3 服务性
本软件设计本着服务学生的思想，主要用于课堂教学，草药模型的建立、简介等主要用于课堂教学，服务教师、服务学生，对于优化课堂教学模式具有良好作用。
3 软件的特点
增强现实技术是真实世界和虚拟世界的信息集成，具有实时交互性，是在三维尺度空间中增添定位虚拟物体。
该项目旨在运用AR技术与中医药教学相结合，以软件的形式将传统的中医药教学变为具有趣味性、体验性、交互性的增强现实教学。通过利用手机摄像头扫描AR卡片，还原中药本草的三维立体形象，改变以往单一、平面的传统教学方式，多维度的展现中药植物的产地溯源、功效等知识。提供更直观的中药材教学内容，将抽象复杂的知识可视化、形象化。打破空间和时间的限制，让教学场景更加丰富生动，让教学内容变得更生动有趣。
4 设计方法与开发过程
4.1 设计方法
本项目研究主要采用文献法、基于设计的研究法和快速原型法。通过文献检索法，整理中草药数据库，通过基于设计的研究的方法对软件的基本功能需求进行设计、改进、完善、应用，在运用中设计、设计中进行完善。在App项目开发中采用快速原型法，根据设计与基本需求建立软件原型。在软件设计中采用面向对象的方法进行开发。
4.2 开发流程
1） 插件的安装
AR识别卡插件：
4.3 开发过程
增强现实AR软件教学系统的核心功能， 该功能开发中采用了unity 3D AR场景搭建、3DMAX建模、自然场景识别等技术， 用户可以通过虚拟现实系统感受到在客观物理世界中所经历的“身临其境”的逼真性，还能突破空间、时间以及其他客观限制，感受到在真实世界中无法亲身经历的体验。
具体开发过程如下：3DMAX建模，确定植物药材选择。以人参为例，搜集人参全株图片、根茎图、叶片细节图等作为素材。首先用CAD绘图软件绘制平面图形，将CAD软件中的平面图形导入到3Dmax当中，利用3Dmax软件的轮廓和尺寸，绘制出初始平面图形，如图2。 将二维图形进行处理，将其转化为三维立体的模型。再通过贴图使模型完整，为达到更好的效果先用Photoshop对前期收集的人参素材进行处理，对贴图材质中的光线、颜色进行强化。用zbrush做贴图和细节处理，针对材质贴图的纹理设计，进行相应的调整，再导入到3dMax中检查贴图，建立一个更加生动的实体模型。还可以根据实际情况的要求调整添加灯光、渲染输出，如图3。
4.4 搭建Vuforia数据库
通过Vuforia增强现实插件可以将Unity3D 生成的虚拟现实世界叠加到真实环境中，基于Unity3D+Vuforia增强现实技术可以开发具有交互功能的App。AR Camera需要Vuforia SDK的支持。点击Get Development Key自己定义项目名如上图创建你的Vuforia项目，如图4。
复制粘贴密钥，如图5。
回到Unity，点击AR Camera，然后在右边Inspector窗口点击Open Vuforia Configuration，将密钥粘贴到App Licese Key，如图6。
点击Target Manager，添加识别卡，这样当摄像头拍摄到我们指定的东西上，就在上面浮现AR模型。点击Add Database，选择Device，然后点开新建的Database，如图7。
4.3 搭建AR场景
打开Unity3D，选择Android Build Support、iOS Build Support 界面，如图8。
然后搭建AR相机，删除Main Camera，搜索AR Camera，拖动到hierarchy，如图9。
然后导入下载的Database，如图10。
然后Assets目录下会多出StreamingAssets文件夹，添加的识别卡也在目录下面。添加ImageTaget，将ImageTarget拖动到左上角，如图11。
然后将模型文件从本地电脑拖动到Assests目录下，模型拖动到ImageTarget目录下，使得其变成子目录，如图12。
然后点击ImageTarget，将Database选为我们在Vuforia建立的database，步骤正确的话，有两个选项，一个是Empty，另一个就是新建立的database，如图13。
然后点击AR Camera，在Datasets里面将下面两个选项勾选上即可完成AR场景的搭建，如图14。
4.5 AndroidAPK打包
安装 JDK，运行安装程序jdk-7u67-windows-x64，完成之后点击确定，完成环境变量的配置。复制android-sdk-windows文件夹到C盘或者D盘或者你可以找到的任意盘任意目录，复制完成之后，打开unity，新建一个项目，打开Edit-Preferences选项，Javajdk环境和SDK环境搭建完成。完成之后，新建场景，保存场景，添加到build里面去切换平台为安卓Android平台，如图15。
然后点击Player settings，修改Other Settings，如图16。
修改完成后，点击Build，如图17所示。
添加文件名，打包保存，如图18所示。
4.6 效果演示
5 总结与展望
虽然AR技术已广泛被大众接受，但在教学实施中，如何平衡虚拟与现实是一个待解决的问题。对基本教育理念的冲击和对传统教学方式的突破都需要一段时间的适应。同时，由于AR产品技术需要相关设备的条件满足，成本较高于以往的教学设备，所以尚未全面走进各大高校。
增强现实技术能为包括中医药教学在内的各个领域的發展提供一个全新的突破口，随着网络技术不断地飞速发展增强现实技术会得到更为长足的发展，与中医药教学的结合也会更加完美，必将更为广泛的运用于中医药教学领域。
AR技术中药本草的真实立体形象展示给用户并给予实时交互性，使教学过程直观真实，形象易记。许多过去难以讲述的内容，如植物形态、药用部位、饮片性状等，通过AR教学，现在变得易于识别和理解，这种教学形式将会掀起改革式的热潮。
将AR技术应用于中药教学中，这种方式可以打破以往对于中药学习的时空限制，能够更好地适应学生的个别差异，同时也满足了学生自主个性的学习需求，丰富了获取知识的途径，真实，具体的教学情景有利于学生对知识点的掌握。将实现现代信息化技术与传统中药教学的完美结合。
参考文献：
[1] 万倩茹，刘旭初，尹瑞英，等.AR技术应用在中医药教育中的可行性探讨[J].中国中医药现代远程教育，2018（19）：29-32.
[2] 田方，巢建国.植物图片库在药用植物学教学中的应用[J].中国医药指南，2013（36）：590-59.
[3] 涂子琰，孙济洲.增强现实技术的应用和研究[J].计算机工程与应用，2003（12）：100-102+125.
[4] 徐敏，童强.一种基于Unity3D+Vuforia的增强现实交互App的开发[J].现代计算机，2016（12）：71-75.
[5] 王丹婷，蒋友燏.古建筑三维虚拟建模与虚实交互软件实现[J].计算机应用，2017（S2）：186-189.
[6] 唐建红，黄佳伊，刘川玉.中药学课程授课现状及改革探讨[J].中国中医药现代远程教育，2018，16（19）：18-20.
[7] 吴小惠.基于AR的计算机软件教学工具设计与研究[J].吉林省教育学院学报，2018，34（11）：76-78.
【通联编辑：朱宝贵】
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