虚拟现实技术在古籍《滇南本...台中信息表现形式的应用研究_吕峰.pdf

创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年9期虚拟现实技术在古籍 滇南本草 数字化知识服务平台中信息表现形式的应用研究吕峰，左早雪，田瑛琪（云南中医药大学，昆明 650500）滇南本草 是一部记述西南高原地区药物，包括民族药物在内的珍贵著作，全书共 3 卷，载药 458 种，作为我国一部地方本草专著，早于李时珍的本草纲目 140 多年，不仅全书所载许多药物为 本草纲目 未载之药，而且书中所载的云南地方草木蔬菜可入药的情况、云南少数民族医药与汉族中医药相互结合的实例及多种民族医药的疗效经验和民间验方是本书独具的特色，不仅具有极其珍贵的文物价值，而且具有十分重要的研究价值1。然而，滇南本草 就像我国其他中医药古籍文献一样也存在“藏”与“用”的问题，虽然经典古籍保存的目的是为了利用，但利用就会损耗，且不利于保存。中医药是一门继承性很强的学科，经典古籍更是传承和发展中医药的主要载体，如何利用现代信息技术，在有效保护古籍文献的同时，将古籍文献蕴含的信息表现形式以数字化、多媒体化和虚拟化呈现是摆在我们中医药工作者、图书文献信息工作者和计算机专业人员面前的重要课题。1虚拟现实技术在古籍滇南本草数字化知识服务平台中的应用概述虚拟现实技术（VR）是指利用计算机生成一种可对参与者直接施加视觉、听觉和触觉感受，并允许其交互地观察和操作虚拟世界的技术，其包含计算机技术、计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机交互理论、传感器技术、显示技术、高速并行的实时计算技术及人类行为学、人体工程学等多项关键技术2。在古籍文献的保护和研究中应用虚拟现实技术可以在全方位逼真还原古籍原貌的同时，对古籍的研究和利用提供了一个全新的虚拟“时空世界”，使人们能够更好地接触古籍、感知古籍和认识古籍，在古籍 滇南本草 数字化知识服务平台的建设过程中，主要采用了虚拟现实技术的三维全景基金项目：云南省基础应用中医联合面上项目（2018FF001（-048）第一作者简介：吕峰（1978-），男，硕士，教授。研究方向为中医药信息学。摘要：滇南本草 作为我国一部地方本草专著，有极高的文物和研究价值，利用虚拟现实技术，以云南省地图和 16 个州市三维虚拟全景呈现的方式，将古籍 滇南本草 记载的云南独具特色的 458 种中药材植株三维模型和古籍数字化后的原貌图像整合“重现”，在实现对古籍欣赏、研究的同时，又使古籍蕴含的信息表现形式从资源服务向知识服务转变，是推动古籍文献的数字化研究和利用探索一种有效的方法。关键词：滇南本草；虚拟现实；信息表现；古籍文献；数字化知识中图分类号：G255.1文献标志码：A文章编号：2095-2945（2023）09-0015-04Abstract:As the first local herbal monograph in China,Yunnan Materia Medica has great value as a high cultural relic andfor research.Using virtual reality technology,the three-dimensional models of 458 kinds of Chinese medicinal herbs recorded inYunnan Materia Medica and the original images of digitalized ancient books recorded in Yunnan Materia Medica are integratedand reproduced by the way of map of Yunnan Province and three-dimensional virtual panorama of 16 prefectures and cities,so asto realize the appreciation and research of ancient books and,at the same time,change the form of information contained inancient books from resource service to knowledge service,and explore an effective method of promoting the digital research andutilization of ancient literature.Keywords:Yunnan Materia Medica;virtual reality;information expression;ancient literature;digital knowledgeDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.09.00415-2023年9期创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application虚拟仿真技术、三维虚拟几何建模技术和虚拟交互集成技术来实现对 滇南本草 古籍原貌的“还原”和信息表现形式的全景“重现”。1.1三维全景虚拟仿真技术三维全景虚拟仿真技术是使用数码相机等图像采集设备连续采集序列图像，然后通过软件对图像进行拼接组合完成虚拟场景的三维重现。这种方法以真实场景为基础，可以包含和生成现实世界中存在的各种复杂景观，不受到场景对象的限制，能表达更多的图像信息，并可以任意控制，交互性能好，设计制作成本低，能最大程度上接近真实的自然环境，使浏览者获得较好的沉浸感和体验感。目前主流的三维全景虚拟仿真设计软件有 Unity 3D、PTGuiPro、Pano2VR 等3，在平台设计中主要采用了 Unity 3D，利用 Unity 3D 来为平台搭建虚拟云南省地图和 16 个州市的主场景。1.2三维虚拟几何建模技术三维虚拟几何建模技术是基于图形的建模方法，通常使用可视化图形建模软件，建立场景的三维虚拟几何模型，然后对建模对象进行样式、材质、颜色、文理、光照和交互等特效设置，并在场景中设置观察者的视点和观察角度，最后通过渲染输出达到虚拟场景的建模设计4。这种基于图形的建模方式可以使设计出的三维模型逼真、精细和准确，在生成的虚拟场景中可以任意地控制视点和视角，具有良好的交互性。渲染输出结合纹理映射能够达到较好的仿真效果。目前主流的可 视 化 图 形 建 模 软 件 有 3D Max、Meshmixer、3DSlash、TinkerCAD 等5，在平台设计中主要采用了 3DMax，利用 3D Max 来设计 滇南本草 所记载的 458 种中药材的三维植株模型和第三视角的白族少女人物三维模型。1.3虚拟图文交互技术虚拟图文交互技术是通过将数字图片和文字进行文本标记，然后将标记好的文本通过超链接等手段链接到可视化的虚拟场景中实现图文交互的一种技术，文档中除常规的图片和文本外，还可以是标记文本、数据集和配置文件等。使用该技术既可以突出显示图片和文本细节内容，又可以为虚拟场景提供视觉突出显示、视觉比较、内容切换和链接等交互功能。在平台设计中利用该技术实现了对古籍版 滇南本草 的原图和现代翻译版 滇南本草 的注释图片、文字的融合显示和图文交互，并实现与场景和各类模型在平台的有效整合、显示和交互。2古籍滇南本草数字化知识服务平台的信息表现形式实现方法在古籍 滇南本草 数字化知识服务平台的设计过程中，以信息构建理论为基础，以虚拟现实技术为支撑，将云南中医药大学图书馆馆藏的古籍清光绪十三年（1887 年）昆明务本堂刻 滇南草本 和 2000 年云南科技出版社出版的 滇南本草 作为蓝本（图 1），对古籍 滇南草本 进行全文图像数字化扫描，并与出版的滇南本草 进行一对一信息比对，将每种中药材从字、词，以及所提及的病名、药名和经方等方面内容进行标引和著录，建立元数据标准的数据库和三维模型，平台实现了对古籍原貌的信息表现，中药材古籍图像和真实药材的信息标识，中药材与病名、经方等关联信息的导航，以及全文图像知识信息的综合搜索等全方位的知识服务体系的构建（图 2）。图1滇南本草不同版本2.1平台基于三维全景虚拟仿真的信息表现形式的实现方法使用 Unity 3D 三维全景虚拟仿真软件搭建虚拟云南省地图和 16 个州市的场景地形图时，在采集整理云南省地图图片、文字和 Unity 模型包里 FBX 格式的3D 石头等模型的基础上，将云南省地图和 16 个州市地形图进行信息标注和图形切割，然后将切割的 16 个州市的地形图导入 Unity 3D 中，使用 3D Object 工具箱里的 Terrain 地形引擎工具进行场景信息的三维全景仿真设计（图 3）。16-创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年9期图2平台功能设计图图3州市地形图三维全景设计2.2平台基于三维虚拟几何建模的信息表现形式的实现方法在用三维模型可视化图形建模软件 3D Max 设计平台里展示的古籍记载的 458 种中药材植株三维模型和白族少女人物三维模型信息中，中药材植株模型的设计是从 2000 年云南科技出版社出版的滇南本草 中查找的相关中药材的参考样图，将样图导入 3DMax 软件中，在软件中利用自带的圆柱体等三维模型比照样图进行细致的三维模型建模，模型建立好后选取样图中的各种颜色进行模型表面颜色贴图以完成模型的着色过程（图 4）。白族少女人物三维模型的设计方法与中药材植株三维模型类似，不同之处是人物模型的设计不是通过比照样图仿照设计，而是直接从3D Max 软件人物模型库中找到与设计模型相似的女性静态模型，根据设计要求对静态模型进行贴图操作，并为模型表面添加白族服装和头饰，在贴图完成后，又通过 3D Max 软件为模型绑定骨骼框架、蒙皮和添加动画操作，使模型除具备服饰等外表外，又具备了运动的属性（图 5）。图4中药材植株三维模型设计过程图5白族少女人物三维模型设计过程2.3平台基于虚拟图文交互的信息表现形式的实现方法在平台设计过程中采样虚拟图文交互技术起到的作用就是将设计制作的全部三维虚拟场景、中药材模型、人物模型、数字化的古籍版和现代版 滇南草本 图文等信息进行整合并通过添加按钮、选项框等触发引擎实现各类信息的互动交互呈现，这个技术的作用就好比将“散落的颗颗珍珠通过线串联起来”一样。为此，在实现平台信息的互动交互呈现时6，主要考虑从第三人称的视角以白族少女三维模型面对云南省地图进行 16 个州市互动场景互动选择登录界面入手，以 458 种中药材在云南 16 个州市的主要生长和种植为线索，按照“中药材植株三维模型信息古籍中记载中药材的图片信息现代版中描述的中药材的功效主治、药材性状、鲜药植物等图文信息”进行一一对应图文交互设计，同时在场景中增加了相关知识信息的互动问答环节，使整个平台在展现古籍的同时融合了知识性、趣味性，从而实现了“古籍与知识”“中使用者校内检索、浏览校外：VPN 远程访问滇南本草 古籍数字化知识服务平台数据库技术元数据编目原文图像扫描全文文本录入数字化古籍版 滇南草本出版版 滇南草本信源层信息加工层数据存储层用户界面层（下转21页）17-众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年9期药材与知识”“地形场景与知识”“互动趣味与知识”4 个方面的信息融合表现（图 6）。图6平台各场景设计及信息表现形式3结束语随着当今虚拟现实技术的不断推广和应用，为古籍的保护和利用提供了一种有效的方法，古籍 滇南本草 数字化知识服务平台的开发过程将虚拟现实技术中有代表性的三维全景虚拟仿真技术、三维虚拟几何建模技术和虚拟图文交互技术进行了深入应用和有效整合，使古籍的“藏”与“用”问题得到有效解决的同时，使古籍实现了从单纯的资源服务向虚拟化、立体化、互动化的知识服务转变。参考文献：1 张光云，童英，段小花，等.滇南本草 研究概述J.中国民族民间医药，2020，29（3）：56-59.2 胡小强.虚拟现实技术基础与应用M.北京：北京邮电大学出版社，2011：13 叶宁.数码全景照的拍摄与合成J.大众硬件，2004，1（9）：142-143.4 薛尧予，萧琛.古籍文献三维数字模型库系统的研究与设计J.数字技术与应用，2014（5）：71-72.5 崔杏园，钱桦.虚拟现实及其演变发展J.工程地质计算机应用，2005，10（4）：14-17.6 黄燕.现代信息技术视野下的古籍文献信息表现形式研究以 广州大典 为例J.新世纪图书馆，2015（11）：44-47.（上接17页）通过对转盘式沙漠种植机各单元机械结构的设计，以及对打孔单元的运动分析，装配后得到沙漠种植机的整体模型。该设备不受场地的限制，可以适应多种环境，应用广泛；自动化程度高，大量地减少了人工的成本，操作简单后期维修保养成本底；使用遥控控制整体机械可操作空间，容错率大大提高；采用科学的方式精准计算打孔深度提高了树苗的存活率。图 9 为转盘式沙漠种植机整体三维模型。图9转盘式沙漠种植机三维模型3结束语设计的转盘式沙漠种植机代替了人工，可在更少时间内完成更多工作，提高沙漠植树效率。在技术实现方面，该装置的结构按照现有车体的尺寸及设计的空间布局进行设计，适用性强。采用常见的曲柄摇杆机构、齿轮传动机构结构简单，制成本更低，实用性高。动力及运动方面，消耗功率小，整体操作方便，简单灵活，后期维护成本低。其由打孔单元、旋转罗盘单元、驱动单元和覆土单元组成，操作简单种植效率高、树苗存活率高，极大地减少人工成本。不仅对我国防风固沙、沙漠绿化有很大益处，还可以产生较大的社会效益。参考文献：1 关佳征.戈壁沙漠植树机器人设计J.世界林业研究，2021，34（6）：142.2 殷劲松，倪文彬.一种小型全自动植树机设计J.江苏农业科学，2018，46（18）：208-212.3 马浩钦，韩肖，李鑫宇，等.关于沙漠自动植树机器人的创新设计分析J.中国设备工程，2021（21）：86-87.4 朱拥军，石荣媛，黄劲松.沙漠滴灌种植榆树治理土地荒漠化J.农业环境与发展，2011，28（5）：86-89.5 白仕珑，蒋永敏.多功能铺膜机的设计J.农业机械，2019（1）：97-99.6 李卫卫，张伟伟，赵振智.一种多功能沙漠压沙种草机的设计J.汽车实用技术，2019（20）：137-138.7 冯立艳，梁会硕，蔡玉强，等.曲柄摇杆机构的急回程度分析与探讨J.南方农机，2021，52（3）：7-9.21-