基于Unity3D的中医药掌上博物馆设计与研究*

伍惠安

（广州华夏职业学院,广东广州 510935）

一、研究背景

（一）中医药科普教育上升新高度

2022年国务院办公厅印发的《“十四五”中医药发展规划》中指出要大力弘扬中医药文化，使得中医药文化产品和服务供给更为优质丰富，中医药博物馆事业加快发展，文化传播覆盖面进一步拓宽，公民中医药健康文化素养水平持续提高，中医药文化影响力进一步提升。近几年来，我国政府和社会组织对推广中医药文化走进校园做出不少努力。因此，面向学校广大师生推广普及中医药文化有着不可或缺的作用。

（二）专业人士迫切希望出现直接、高效的辅助教学工具

我国中医药材种类繁多、根系错杂，在教学及实训过程中学生和相关从业者往往不能深入了解这些药材的特性，其后续中医药课程学习、培训效果也将大打折扣，这是一个显著的市场痛点[2]。这类问题导致了中药相关从业者比其他医学从业者要少很多的情况。信息化技术的发展为中医药信息化提供了新路径，AR技术是可以创造和亲身体验到虚拟的世界的计算机仿真系统，我国目前已有部分针对中医药与AR技术相结合的研究，主要集中在中药产业信息化、古籍整理数字化、中医标准化、文献信息数字化等方面，而与中医药三维展示相关的研究较少。在互联网技术生态下，针对目前存在的市场痛点，借助AR技术基于Unity3D平台的中药材AR智能展示系统，具备三维模型展示、中草药信息展示等功能，用于普及中草药知识，是互联网+中医药的有益尝试。

（三）中医药科普力量较薄弱

从对当前中医药科普市场调研的分析可以看出，属于中医药领域的科普较少；部分文章过于专业化不够通俗易懂，吸引力不强[3]。有关中医药科普存在市场空缺，其中能够真正能够满足用户需求、寓教于乐的科普产品少之又少。

正是看到这些方面问题，本研究基于此研究设计一款AR中医药掌上博物馆应用软件以用于解决当前中医科普教学等存在的问题。

二、概要设计

（一）应用软件概述

“AR中医药掌上博物馆”是一款科普教育类应用软件（APP），用户可以通过使用该APP获取相关中草药知识，以及不同中草药三维实体模型。用户通过使用手机下载AR中医药掌上博物馆，扫描中草药知识手册上的中草药识别图，就可以直接了解识别图对应的中草药相关知识，通过AR实景观测每一种中草药的完整植物形态，了解中草药相关的药性、功效等，让学习者看到凸出屏幕之外的立体图像，体验强烈的浸入式学习模式[5]。APP还设有问答闯关游戏功能，通过问答游戏让用户潜移默化地学习中草药知识。其中，更设有看图识药猜谜小游戏，角度新奇，更具有趣味性。此外，APP还提供DIY书签功能，使用户可以选择自己喜欢的中草药进行DIY书签，设计好的书签可以随时随地分享给小伙伴，令用户也参与到中草药知识的科普中。同时，APP还包含一系列科普视频供用户深入学习中草药知识。

（二）软件LOGO说明

AR中医药掌上博物馆依托增强现实（AR）技术提供多种交互功能，其核心基础功能为AR识别，因此，以体现软件主要功能的图形作为LOGO主要元素，优点是让用户一看到LOGO就能大概了解这个软件的功能。LOGO整体颜色以一些古代中药医书上的蓝色为主体色，点缀上一些草药的图形及照相机识别的外框，使之能够精准表达APP的应用主要功能，一目了然。

（三）主要流程功能简述

功能介绍：

该APP包括五大功能：AR识别、DIY书签，视频科普、问答闯关游戏、神农苑展示图。

1.AR草药识别

用户根据提供的中草药识别图，利用APP的AR识别功能对识别图进行扫描识别，就可以看到手机屏幕上出现对应的三维立体中草药模型。点击屏幕模型可以放大、缩小、旋转等，进行多角度远近距离地观察草药的特性及信息[6]。同时，通过点击“药物”按钮，可以看到中草药变成中药材的三维模型，通过对中药材的详细介绍及三维模型等方面进行学习，使用户切实掌握中草药、中药材的专业知识。

2.DIY书签

该功能模块用户可以根据APP提供的草药图及背景进行DIY书签，在该界面选择自己喜欢的中草药作为书签的核心元素，然后选择不同的背景进行搭配，最后输入文字，文字可以是心情语录、学习心得，也可以是中草药知识学习的小笔记等。最后，通过点击“保存”按钮可以将制作好的书签以图片的形式保存到手机相册中，随时分享。

3.视频科普

用户进入到该模块可以根据自己选择的视频主题播放相应的科普视频。观看结束后，用户可以学习到相应的经验知识，并运用到实际生活当中。

4.问答闯关游戏

用户进入到该功能模块，在界面上会看到一根藤蔓上分布不同等级的关卡，每一个关卡都有不同的问答题，这些问答题都与中草药知识相关，其中还包括看图识药的猜谜提问。用户每答对一个关卡的问题就会自动开启下一关的关卡，回答错误则停留在原位。

5.神农苑展示图（概况）

用户进入该模块可以查看线下实体中药科普基地的详细概况，包括科普基地的地理位置，俯瞰图，以及每个园区中草药的种植分布等，方便用户在进行实地参观过程中查看路线。（此模块基于我校华夏神农苑中医药科普基地开设）。

三、设计与实现

（一）开发工具

本设计是基于Unity3D引擎开发的一款科普教育类应用软件，Unity具有跨平台性，入门简单，是实现增强现实技术(AR)及虚拟现实技术（VR）主流的开发引擎。通过Untiy3D配合Vuforia来实现AR识别核心功能的设计与制作，Vuforia是一种适用于移动设备的增强现实软件开发工具包（SDK），其可用于创建增强现实（AR）应用程序。Vuforia一直是国内外开发者青睐的ARSDK，它高质量的识别技术及功能使得Vuforia早已深入人心[7]。对于中医药三维模型的制作上，主要使用3dsMax软件，该软件能够提供强大的功能、具有快速建模方式和优秀的渲染插件。在模型制作，动画制作及渲染等性能上都非常强大，是目前最受欢迎的三维建模软件之一。

（二）技术路线

开发基于Unity3D的AR中医药掌上博物馆的技术路线如下：

1.查阅相关资源，素材，确定好制作步骤和时间安排策划好整个方案。

2.使用Unity3D创建项目，搭建及运行环境，导入相关资源。

3.利用3dsMax进行中医药三维模型的创建，导出.fbx模型后导入到Unity3D中。

4.准备Vuforia开发环境，下载VuforiaSDK并导入至Unity工程中，设置好ARCamera,并将注册Vuforia用户时获取的LicenseKey设置好，调整模型与识别图像的位置关系，测试效果。

5.使用C#Scripts编写脚本实现AR识别交互功能及其他功能模块。

6.使用Unity中的UGUI系统实现UI交互设计，通过Canvas画布、Button按钮、Image图片等控件，依据提前设计好的UI界面进行布局，编写脚本控制按钮跳转交互及其他功能模块的衔接控制。

（三）具体设计实现

1.AR识别技术实现

本设计基于Unity引擎进行开发设计，而AR技术的实现，主要借助于Vuforia平台提供的插件实现。首先，需要登录Vuforia官网注册成为Vuforia用户，点击注册并填写相关注册信息，在完成注册信息填写后，Vuforia会给注册邮箱发送一封激活邮件，激活账号后可登录管理后台，进入后台下载Vuforia SDK for Unity并导入至Unity引擎中。接下来，需要在Vuforia平台下创建一共数据库以用于识别图的上传，这里面识别图要求尽量边界清晰分明，色彩对比度较高，这样的识别图更具备易识别性。当上传完图片后，Vuforia会对图片可识别性进行评估，评估的一共范围在1-5星之间，一般选择3星级以便后期模型的识别，能够降低发生错误的概率。

2.三维草药模型实现

3ds Max这款三维设计软件是当前社会较为流行且运用程度较高的一款三维建模软件。

AR识别所呈现的虚拟对象效果对于不同的种类的中医药植物，需要通过前期调研搜查资料了解对应中医药的一个呈现形态，充分了解对应草药的基本结构。例如，在3dsMAX中，针对草叶可以通过建立面片实现，建立面片后进行多边形编辑，在调整过程中不断的根据需要进行分段，调制出叶子的形态。由于叶子通常情况都是带有不同的完全程度，因此通过弯曲变形命令可以实现该效果，需要注意的是弯曲过程中要先调整好对应的轴心点，再去进行一个弯曲调整，避免叶片模型出现变形。同理，其他的草药的叶片基本大同小异，可以通过复制的方式，采用不同的弯曲方式及变形操作，调整出叶片的不大小，方向及弯曲程度。最后给草药可以赋予贴图，贴图的制作可以通过Photoshop进行制作，在网络上找到草药叶子图片并利用Photoshop进行抠图，也可也依据参考图绘制对应叶面的纹理及颜色。接着在3dsMax中采用unwrap UVW对贴图进行展开操作并对叶片进行贴图，然后复制到其他叶片中，以这种方式进行草药的建模能够相应地降低一些工作量提高效率。

3.UI的设计与实现

用户界面（UI）的设计是一款应用软件的重要组成部分，用户界面一般依据软件的核心内容整体的风格所设计，因此在设计实现过程中应从色彩到质感都保持一致。在不同的界面中不可缺少的元素就是按钮，通过按钮用户可以实现在不同的界面中进行互相的跳转，或者触发事件的响应。Unity中提供了很多UI组件，通过Unity中的UGUI系统即可进行创建。首先，所有的UI组件在创建初期都需要创建Canvas画布，Canvas是所有UI组件的容器，即存放组件地方。一些Button组件，Image组件等都需要在它的基础上进行设置，UI组件在创建的时都会默认成为Canvas画布的子对象，同时会生成EventSystem用于事件的响应。接着创建New Script通过C# Script，编写所需要实现的功能代码。

例如，控制按钮的显示可以通过gameObject.SetActive(true),监听按钮事件可以通过button.onClick.AddListener（）等等。

（四）测试发布

本设计主要采用黑盒测试，主要测试软件功能是否完整，界面表现是否与设计有偏差，界面直接的跳转逻辑是否合规合理，主要测试：交互界面测试、AR识别效果，扫描识别图，测试一些UI图片切换是否会出现混乱状况，按钮的跳转是否会出现错误，所需要展示的文本内容是否准确等，通过导出APK并在安卓手机上安装进行调试测试，通过反复测试调整直至达到预期效果。

结语

本设计基本符合预期效果，借助AR技术的支持，实现基于Unity平台的中医药掌上博物馆设计及应用研究，包括实现三维模型展示、中草药信息展示等功能。本设计将AR技术与中医药科普教学相结合，是“互联网+中医药”的一次有益尝试，通过人机交互有助于推广优秀传统中医药文化知识，完善中医药数字化教学及信息化科学建设。将中医药科普有趣化、亲民化。让人们无论在何处，只要有手机就能学习与体验到有意思的中医药科普内容，但APP仍存在一些需要不断修善之处，例如中草药模型种类还不够多，UI界面还需进一步美化，提升交互友好性等，这些在后续的开发中仍可以持续不断优化和改进。