王笑紅

摘要：醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)在物資庫(kù)房中需要存入大量的物資以備使用，然而物資庫(kù)房管理人員難以對(duì)庫(kù)房中大量的不同規(guī)格、不同批次，甚至不同品種的物資進(jìn)行準(zhǔn)確、直觀的管理。文章結(jié)合網(wǎng)絡(luò)圖形庫(kù)（WebGL）、空間剖分法和層次包圍盒法結(jié)合的碰撞檢測(cè)算法，對(duì)三維倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行了研究及實(shí)現(xiàn)，通過(guò)建立三維庫(kù)房的方式解決了上述問(wèn)題的同時(shí)也為其他同類系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：三維；倉(cāng)庫(kù)；WebGL；空間剖分法；層次包圍盒法

中圖分類號(hào)：TP311? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）34-0088-03

醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)在診療工作中，需要使用相應(yīng)的物資配合診療工作，因此會(huì)有大量的物資被存入庫(kù)房中以備使用。然而醫(yī)療行業(yè)所用大部分物資會(huì)有同一品種多種規(guī)格、多批采購(gòu)批次，但外形大體相同的情況，導(dǎo)致物資庫(kù)房管理人員難以對(duì)庫(kù)房中不同規(guī)格、不同批次，甚至不同品種的物資進(jìn)行準(zhǔn)確、直觀的管理。

現(xiàn)有的庫(kù)房中庫(kù)存物資分辨方式大多采用人工翻找、人工記錄物資庫(kù)位、在產(chǎn)品外添加RFID或二維碼等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)外形大體相同的物資進(jìn)行分辨，然而因庫(kù)房空間不足導(dǎo)致物資亂疊亂放、對(duì)庫(kù)位進(jìn)行編號(hào)的方式過(guò)于粗放，不夠詳細(xì)、對(duì)庫(kù)存擺放情況的了解不夠準(zhǔn)確直觀等原因，庫(kù)房管理者往往無(wú)法準(zhǔn)確、直觀地對(duì)庫(kù)房中物資進(jìn)行分辨和管理。在物資外添加RFID或二維碼的方式雖能夠準(zhǔn)確分辨外形大體相同的不同物資，然而二維碼的識(shí)別距離有限，RFID的識(shí)別距離與RFID的價(jià)位掛鉤，成本較高，且外形大體相同的物資在庫(kù)房中大多因品種相似或相同等原因相鄰擺放或堆疊，在產(chǎn)品外添加RFID的方式無(wú)法解決相鄰擺放或堆疊的物資中某一種特定物資的識(shí)別問(wèn)題。

為解決上述庫(kù)房中物資管理存在的諸多問(wèn)題，本文對(duì)三維倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行了研究及實(shí)現(xiàn)，使管理人員對(duì)庫(kù)房中物資更為準(zhǔn)確、直觀地管理，也為同類系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了借鑒。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前較為流行、輕便的三維倉(cāng)庫(kù)建模技術(shù)是基于瀏覽器/客戶端（B/S）模式的WebGL技術(shù)，且B/S模式相對(duì)于客戶端/服務(wù)器（Client/Server）模式來(lái)說(shuō)在便捷性上具有更高的優(yōu)勢(shì)。然而原生的WebGL語(yǔ)言用于三維倉(cāng)庫(kù)建模過(guò)于復(fù)雜，因而選用WebGL的一個(gè)功能強(qiáng)大的類庫(kù)Three.js來(lái)進(jìn)行三維建模。

1.1 三維物資入庫(kù)

在對(duì)物資進(jìn)行入庫(kù)時(shí)，因不同物資外形差異較大，且不斷有新的不同外形的物資入庫(kù)，舊有物資因淘汰而不再使用等情況發(fā)生，對(duì)每一種物資做三維模型成本高且收益低，因此通過(guò)使用外形簡(jiǎn)單的立方體代替外形復(fù)雜的實(shí)際物資在三維倉(cāng)庫(kù)中進(jìn)行入庫(kù)。在入庫(kù)時(shí)，需人工指定該物資的存放位置，在指定物資存放位置時(shí)，該物資可能會(huì)與其他已有物資產(chǎn)生穿刺或者重疊，這明顯與現(xiàn)實(shí)不符。因此添加碰撞檢測(cè)功能防止物資存放在不符合現(xiàn)實(shí)的錯(cuò)誤位置。

當(dāng)前針對(duì)碰撞檢測(cè)，比較常見(jiàn)且有效的方法是GPU[1]加速和HBV[2]。其中GPU加速雖然能夠擺脫對(duì)CPU的消耗，提升圖像處理效果，但是成本較高，且靈活性和擴(kuò)展性受限。HBV是層次包圍盒，通過(guò)一個(gè)相對(duì)規(guī)則的三維體包圍盒包裹可能較為復(fù)雜的實(shí)際物體[3]，從而降低碰撞檢測(cè)的計(jì)算量，從策略和算法角度提高了碰撞檢測(cè)的適應(yīng)性[4]，因此選擇層次包圍盒法進(jìn)行碰撞檢測(cè)。

層次包圍盒中，有包圍球、軸對(duì)齊包圍盒（AABB包圍盒）、方向包圍盒等，其中球形包圍盒包裹的緊密性較差，方向包圍盒的構(gòu)造過(guò)程復(fù)雜，而軸對(duì)齊包圍盒構(gòu)造容易、檢測(cè)較快[5]，且與實(shí)際物資外形大致相符因而包裹緊密性較好，因此在使用立方體代替實(shí)際物資時(shí)，通過(guò)填寫入庫(kù)物資的長(zhǎng)寬高等參數(shù)，在三維場(chǎng)景中生成代替實(shí)際物資的軸對(duì)齊長(zhǎng)方體包圍盒，并用該包圍盒采用投影法進(jìn)行碰撞檢測(cè)。投影法是通過(guò)檢測(cè)新添加的物資的包圍盒與其他物資的包圍盒在X，Y，Z坐標(biāo)軸上的投影是否重合來(lái)判斷是否存在碰撞。如果新添加的包圍盒與其他包圍盒在X，Y，Z坐標(biāo)軸上的投影全部重合，則該包圍盒與其他包圍盒存在碰撞，也即新添加的物資與其他物資存在碰撞，否則認(rèn)為與其他物資不存在碰撞[6]。

隨著倉(cāng)庫(kù)中存放的物資增多，在進(jìn)行碰撞檢測(cè)時(shí)，需判斷是否與新入庫(kù)物資產(chǎn)生碰撞的物體也在增多，進(jìn)行碰撞檢測(cè)的速度也會(huì)降低，而部分物體實(shí)際上與新入庫(kù)物資相距較遠(yuǎn)，不會(huì)與新入庫(kù)物資發(fā)生碰撞。因此，為增快碰撞檢測(cè)速度，使用空間剖分法對(duì)三維立體空間進(jìn)行空間剖分，僅檢測(cè)與新入庫(kù)物資處于同一空間區(qū)間的物資而不再檢測(cè)與新入庫(kù)物資處于不同空間區(qū)間從而不會(huì)與新入庫(kù)物資產(chǎn)生碰撞的物資。設(shè)定一個(gè)空間內(nèi)最大物資數(shù)量的閾值，如空間中物資數(shù)量超過(guò)閾值，則坐標(biāo)軸上的剖分點(diǎn)生成垂直于坐標(biāo)軸的分割面對(duì)空間進(jìn)行剖分，將空間一分為二。在對(duì)空間進(jìn)行剖分時(shí)，為避免空間占用浪費(fèi)和減低計(jì)算效率，要選擇合適的剖分點(diǎn)[7]，剖分點(diǎn)需滿足以該點(diǎn)進(jìn)行剖分后，剖分出的兩個(gè)子空間中的物資數(shù)量相近且總和最少。設(shè)剖分點(diǎn)為x，物資e上坐標(biāo)點(diǎn)最小值為a，最大值為b，當(dāng)a>x或者b<x時(shí)，e上坐標(biāo)點(diǎn)都在x的一側(cè)，e全部位于以x為剖分點(diǎn)剖分出的其中一個(gè)子空間，否則e上坐標(biāo)點(diǎn)在x兩側(cè)，e同時(shí)存在于以x為剖分點(diǎn)剖分出的兩個(gè)子空間內(nèi)，因此，如果想讓剖分出的兩個(gè)子空間中的物資數(shù)量總和最少，則a>x和b<x的e數(shù)量最大。對(duì)a和b進(jìn)行混合排序，生成序列N，剖分點(diǎn)x從N的最小值開(kāi)始逐步增大，直到x等于N中的最大值。當(dāng)x為N的最小值時(shí)，a>x的e數(shù)量為n，b<x的e數(shù)量為0，總和為n。在x逐步增大期間，a>x的e數(shù)量減小，b<x的e數(shù)量增加。設(shè)a>x的e數(shù)量為a，b>x的e數(shù)量為b，則a>x和b<x的e數(shù)量總和為：

a+n-b=n-（b-a） （1）

因?yàn)閎為e上坐標(biāo)最大值，a為e上坐標(biāo)最小值，所以b>x的e數(shù)量大于等于a>x的e數(shù)量，如想讓n-（b-a）最大，則b=a。因此在剖分點(diǎn)x逐步增大期間，記錄序列中b=a的點(diǎn)，取最靠近中心的b=a的點(diǎn)作為剖分點(diǎn)x的取值。

該算法類似于空間剖分法中的K-d樹(shù)，然而K-d樹(shù)是取子空間中物體數(shù)量的最小值作為閾值，小于閾值則停止剖分，然而這種剖分的方法會(huì)增加子空間的數(shù)量和空間剖分的計(jì)算量，本文所用的空間剖分算法在K-d樹(shù)的基礎(chǔ)上將子空間中物體數(shù)量的最大值作為閾值，減少了子空間的數(shù)量和空間剖分的計(jì)算量。

1.2 三維物資管理

通過(guò)對(duì)庫(kù)房和物資進(jìn)行三維建模并將物資信息綁定于三維模型上，庫(kù)房管理員能夠準(zhǔn)確、直觀地了解庫(kù)房中物資的情況，而不必人工進(jìn)入庫(kù)房?jī)?nèi)部翻找，并能夠通過(guò)綁定于三維模型上的物資信息準(zhǔn)確、直觀地分辨出外形相似的不同物資。

鼠標(biāo)點(diǎn)選物資后標(biāo)明所選中的物資并顯示物資所綁定的相關(guān)信息。由于計(jì)算機(jī)屏幕只能顯示二維圖形，因此在表示三維模型時(shí)，會(huì)將三維場(chǎng)景轉(zhuǎn)換為二維場(chǎng)景[8]，并顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。在用戶與三維模型做交互時(shí)，用戶是在二維場(chǎng)景進(jìn)行操作，而三維模型處于三維場(chǎng)景中，因此需做二維場(chǎng)景和三維場(chǎng)景之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。使用Three.js進(jìn)行三維場(chǎng)景構(gòu)建時(shí)，三維模型在一個(gè)“畫布”中進(jìn)行二維呈現(xiàn)，二維場(chǎng)景的坐標(biāo)原點(diǎn)在“畫布”左上角，向右為X軸正向，向下為Y軸正向，三維場(chǎng)景的坐標(biāo)原點(diǎn)在“畫布”中點(diǎn)，向右為X軸正方向，向上為Y軸正方向，X、Y的取值范圍均為[-1，1]，且二維場(chǎng)景坐標(biāo)系與三維場(chǎng)景中X、Y軸在同一平面上。設(shè)二維場(chǎng)景中畫布長(zhǎng)寬分別為X、Y，三維場(chǎng)景中坐標(biāo)原點(diǎn)為（X，Y），則有：

X=（X-0）/2 （2）

Y=（Y-0）/2 （3）

設(shè)二維場(chǎng)景中畫布上任一點(diǎn)坐標(biāo)為（X1，Y1），其所對(duì)應(yīng)的三維場(chǎng)景中的坐標(biāo)為（X2，Y2），則有：

X=（X-X）/（X/2）=（2X/X）-1 （4）

Y=（Y-Y）/（Y/2）=1-（2Y/Y） （5）

用戶在二維場(chǎng)景點(diǎn)選三維模型時(shí)，通過(guò)將用戶點(diǎn)擊的二維場(chǎng)景坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為三維場(chǎng)景坐標(biāo)后，在三維場(chǎng)景里以用戶的視點(diǎn)與所點(diǎn)擊的點(diǎn)做出一條射線，將射線第一個(gè)接觸到的三維模型認(rèn)為是用戶想要在二維場(chǎng)景中點(diǎn)選的三維模型，并將模型上綁定的信息顯示給用戶。

為頁(yè)面添加物資搜索功能，輸入物資名稱進(jìn)行搜索，搜索到該物資后，將物資的顏色變更為綠色并將視角拉到搜索到的物資處，并顯示物資所綁定的相關(guān)信息。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

輸入物資參數(shù)，生成物資的包圍盒如圖1所示。

碰撞檢測(cè)如圖2所示。

入庫(kù)如圖3所示。

三維模型綁定物資信息如圖4所示，便于物資庫(kù)房管理人員對(duì)物資進(jìn)行準(zhǔn)確、直觀的管理。

物資搜索功能如圖5所示，使物資庫(kù)房管理人員能夠快速檢索想要尋找的物資及物資信息。

3 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)醫(yī)療行業(yè)物資庫(kù)房的準(zhǔn)確、直觀管理，本文對(duì)三維倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行了研究、設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了物資的三維入庫(kù)和管理，并通過(guò)對(duì)空間分解法和包圍盒法的集成應(yīng)用，在充分地發(fā)揮了二者優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，解決了不同三維物資實(shí)體之間的碰撞問(wèn)題。本文對(duì)三維倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行的研究、設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，同時(shí)也為其他同類軟件的開(kāi)發(fā)提供了借鑒。

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【通聯(lián)編輯：梁書】