屈宇軒 王俊潔

摘要 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展和進(jìn)步，擁有即時渲染技術(shù)的虛幻4引擎在虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用也越來越廣泛。文章以某大學(xué)校園開發(fā)的漫游系統(tǒng)為實(shí)例，介紹了虛幻引擎在漫游系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)中的相關(guān)應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】虛擬校園漫游 虛幻4 引擎 3D建模

虛擬校園漫游系統(tǒng)是一個三維可視化的、有聲有色的仿真校園景觀，用戶可以在這個虛擬三維環(huán)境中通過動態(tài)交互來對校園環(huán)境進(jìn)行全面的審查，目前已經(jīng)有多所高校將虛擬校園作為學(xué)校建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)高度重視。雖然虛擬校園技術(shù)日漸成熟，但國內(nèi)對于虛幻4引擎的研究報(bào)告文獻(xiàn)較少，而基于虛幻4引擎的校園漫游更是個全新的領(lǐng)域。

1 平臺介紹

1.1 Autodesk Maya

Autodesk Maya是美國Autodesk公司出品的世界頂級的三維模型制作軟件，Maya功能完善，工作靈活，易學(xué)易用，制作效率極高，渲染真實(shí)感極強(qiáng)，是影視級別的高端制作軟件。Maya集成了多種最先進(jìn)的動畫及數(shù)字效果技術(shù)，可在多種操作系統(tǒng)上運(yùn)行，是目前市場上用來進(jìn)行數(shù)字和三維模型制作的首選方案。

1.2 Substance Painter2

Substance Painter簡稱SP，作為一款最新最先進(jìn)的3D貼圖繪制工具，是Substance貼圖工具系列產(chǎn)品之一。SP支持基于物理渲染PBR技術(shù)，能一次性繪制出所有材質(zhì)，數(shù)秒內(nèi)就可為貼圖加入精巧的細(xì)節(jié)。同時，SP可在三維模型上直接繪制紋理，避免了uv接縫造成的問題，功能非常強(qiáng)大。使用SP繪制的各種貼圖，在游戲引擎、三維渲染中都能十分逼真地呈現(xiàn)，且不浪費(fèi)計(jì)算資源。

1.3 虛幻4

虛幻4可以說國內(nèi)外公認(rèn)的目前最先進(jìn)也是最強(qiáng)大的商業(yè)引擎。用虛幻4制作出的游戲和視頻，以其強(qiáng)大的光影渲染、深度展現(xiàn)的材質(zhì)和基于現(xiàn)實(shí)的剛體碰撞給觀眾和玩家?guī)韽?qiáng)大的視覺沖擊。相較于其他游戲引擎和早些版本的虛幻引擎，虛幻4表現(xiàn)出毋庸置疑的次世代水準(zhǔn)。

2 虛擬校園的開發(fā)流程圖

虛擬校園漫游系統(tǒng)的開發(fā)工作環(huán)節(jié)較多，細(xì)節(jié)要求較高。前期需要花費(fèi)大量的時間進(jìn)行數(shù)據(jù)收集處理和建立模型，中期要在引擎中進(jìn)行場景搭建和數(shù)據(jù)模型的修正完善，后期還需要對系統(tǒng)功能進(jìn)行開發(fā)測試和整體優(yōu)化。具體系統(tǒng)開發(fā)流程圖如下圖1所示。

2.1 數(shù)據(jù)的采集

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，3D模型主要以MAYA作為制作模型的軟件工具，采用人工軟件構(gòu)造。在進(jìn)行校園場景的建模時，我們將整個校園場景模型分為室外模型和室內(nèi)模型。首先使用百度衛(wèi)星地圖獲得整個校園的俯視圖，然后對校園實(shí)際建筑進(jìn)行多角度實(shí)地拍攝和數(shù)據(jù)分析，確定單個模型的各方面數(shù)據(jù)比例，然后以單個建筑作為參考樣本，來對接下來進(jìn)行的其他建筑建模規(guī)定比例尺。

2.2 模型的建立

在得到校園的俯視圖后，便可以將建筑部分和草坪、花壇、樹木等綠化設(shè)施區(qū)分開來，然后制作出建筑平面圖。首先以平面圖為背景進(jìn)行創(chuàng)建多邊形，沿著圖片中綠化帶和人行道等不規(guī)則的設(shè)施勾畫出形狀不一的幾何體，然后使用簡單幾何體搭建出建筑物的草稿，再對建筑物的高度還有地面設(shè)施的形狀進(jìn)行微調(diào)直到使其比例合理，便獲得了整個校園環(huán)境的三維模型草稿，配合之前拍攝的照片對模型進(jìn)行細(xì)化。完成建筑模型之后，再對小型場景模型（路燈、垃圾桶、裝飾物、噴泉）進(jìn)行建模。與此同時，我們可以共享虛幻4中提供大量模型資源。

2.3 貼圖的制作

為了使制作出的模型在引擎中顯示的效果更加逼真，我們沒有采用對建筑物實(shí)體拍攝再用PhotoShop處理的方法，而是選擇使用Substance Painter2軟件進(jìn)行貼圖的繪制，因?yàn)镾P能夠更好地表現(xiàn)紋理，凹凸，光澤等信息，而這些對于模型的貼圖來說恰恰是十分重要的。

2.4 模型導(dǎo)入虛幻4

雖然虛幻4具有多種插件可以支持很多個格式的模型文件，但是考慮到有部分骨骼和動畫的人物角色模型，所以所有的模型都采用fbx格式導(dǎo)入。導(dǎo)入模型文件的同時，也要將制作好的貼圖導(dǎo)入。為了使后期的場景布置工作更加高效，不同模型的多張貼圖，例如顏色、法線、環(huán)境光、平滑度、高度等貼圖應(yīng)分類存儲在不同文件夾下。因?yàn)樵谙惹斑M(jìn)行建模的階段已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一，確定了模型的位置和大小，所以在將模型導(dǎo)入虛幻4之后，無需進(jìn)行過大的修改，只需給模型添加相應(yīng)的碰撞即可。雖然在虛幻4中，可以設(shè)定直接使用模型本身作為它的碰撞，但是在系統(tǒng)實(shí)際測試中發(fā)現(xiàn)該功能占用了過多的資源，可能會導(dǎo)致關(guān)卡載入過慢和運(yùn)行不夠流暢等問題，所以還是需要手動設(shè)定模型的碰撞。

2.5 場景的構(gòu)建

在虛幻4中，如果需要不同的場景，往往會采用建立多個關(guān)卡（level），通過切換關(guān)卡來實(shí)現(xiàn)不同場景的表現(xiàn)。但是考慮到切換關(guān)卡時的載入和位置信息的設(shè)定，我們選擇將室內(nèi)場景和室外場景建立在同一個關(guān)卡內(nèi)，同時將室內(nèi)場景隱藏在正常情況下用戶無法觀察到的位置。此外，還需在無法通過的地形或場景的邊界處設(shè)置空氣墻來限制用戶的移動范圍。然后對場景進(jìn)行光照的布置，室外場景的光照選擇使用定向光源（directional light）配合天空光源（ Sky Light）來保證場景同時具有陽光和天光，在此基礎(chǔ)上加入指數(shù)級高度霧（ exponential height fog）配合天空球來還原現(xiàn)實(shí)世界中遠(yuǎn)景在接近地平線高度上的模糊現(xiàn)象。有部分場景由于受到模型的遮擋導(dǎo)致亮度過低，則需要在這些地方設(shè)置光照重要體積箱（Lightmass Importance Volume），使得該區(qū)域內(nèi)的光照會參與二次反射，讓沒有得到光照的地方也能顯現(xiàn)的更加真實(shí)自然，雖然會占用一部分資源，但是能極大的提高場景的真實(shí)度和還原度。室內(nèi)場景的光照就相對復(fù)雜一些，想要得到較為真實(shí)的場景，除了必須布置光照重要體積箱外，還要模擬出逼真的陰影，所以要在光線的入射處布置多盞聚光燈（Spot Light）進(jìn)行模擬，多個聚光燈可以模擬光線從各個角度均勻照射的效果。此外，在參數(shù)設(shè)定上要注意調(diào)整光源的半徑，同時取消勾選使用平方反比衰減（Use Inverse SquaredFalloff），讓光線衰減過程更貼合于理想的效果。

2.6 UI的設(shè)計(jì)

在整個系統(tǒng)中，所有的UI都采用了簡潔的設(shè)計(jì)風(fēng)格，包括與NPC，互動時產(chǎn)生的對話框、說明與介紹的背景和系統(tǒng)內(nèi)的菜單和按鍵，給用戶一種干凈簡潔、一目了然的感覺。UI系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)并不復(fù)雜，主要使用了在用戶界面上投射控件藍(lán)圖（wvidget blueprint）的方式;其中的難點(diǎn)在于小地圖功能的實(shí)現(xiàn)，為了達(dá)到更好的視覺效果，我們沒有使用虛幻4自帶的分屏功能（splitscreen），而是選擇通過屏幕捕捉（scenecapture2d）組件和渲染目標(biāo)（rendertarget）組件協(xié)同工作來實(shí)現(xiàn)小地圖功能。它的工作原理可以概述為在用戶角色正上方高空處創(chuàng)建一個跟隨玩家移動且向正下方拍攝的正交視角的攝像機(jī)，然后實(shí)時捕捉它所拍攝到的畫面，將畫面轉(zhuǎn)變成類似動態(tài)貼圖的方式投射到用戶界面上，形成小地圖的效果。

2.7 簡單交互功能的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)中角色交互行為的實(shí)現(xiàn)主要依賴于各種觸發(fā)器，每個可以進(jìn)行互動的地方都預(yù)先設(shè)置好了不同類型的觸發(fā)器，比如在用戶控制角色的身體前方就有一個不可見且沒有碰撞體積的盒體觸發(fā)器，當(dāng)這個觸發(fā)器與其他觸發(fā)器發(fā)生重疊時，角色身邊會出現(xiàn)互動提示，當(dāng)重疊結(jié)束的時候，互動提示相應(yīng)的也會消失。而其他可互動的場景或角色一般擁有兩個觸發(fā)器，第一個是體積觸發(fā)器，用以判斷用戶是否處于可以互動的范圍;第二個觸發(fā)器是按鍵觸發(fā)器，用來判斷用戶是否進(jìn)行互動操作，當(dāng)用戶角色處于可互動范圍且進(jìn)行了互動操作時，才可運(yùn)行設(shè)置好的指令藍(lán)圖，實(shí)現(xiàn)交互。

2.8 關(guān)卡的讀取和載入

由于整個系統(tǒng)對硬件配置要求較高，載入可能會花費(fèi)較長時間。同時，關(guān)卡內(nèi)容不屬于線性流程，且學(xué)校規(guī)模不大，不適用區(qū)塊加載和緩沖，所以我們選擇做一個簡單的預(yù)加載機(jī)制，將logo和登錄界面放入一個空關(guān)卡，運(yùn)用關(guān)卡流的方式將空關(guān)卡和場景關(guān)卡串聯(lián)起來，用戶運(yùn)行系統(tǒng)后空關(guān)卡瞬間完成載入，出現(xiàn)logo和登錄界面的同時已經(jīng)在進(jìn)行場景關(guān)卡的載入，以此來縮短用戶實(shí)際上感覺到的載入時間。

3 成果展示

系統(tǒng)以真實(shí)校園為整體藍(lán)本（校園布局設(shè)計(jì)、交通、景觀、教學(xué)及生活環(huán)境、建筑物、人文），成功還原了現(xiàn)實(shí)校園的全部場景，訪問者可進(jìn)行自主漫游和改變視點(diǎn)環(huán)視校園。系統(tǒng)還具有很強(qiáng)的人機(jī)交互性，讓訪問者在校園漫游的過程中感覺更加輕松自然，提高了系統(tǒng)的真實(shí)性和還原度，校園在預(yù)覽級光照質(zhì)量下的效果圖如圖2所示。

4 結(jié)束語

4.1 虛擬校園的意義

虛擬校園的研究和創(chuàng)建對以后數(shù)字校園的建設(shè)有重要的現(xiàn)實(shí)意義，它既可以為學(xué)校樹立良好的形象，提高學(xué)校的知名度，宣傳校園文化，還可以為校園規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供更明確的目標(biāo)。同時也提高了校園管理的效率和科學(xué)化水平。有了三維虛擬校園，新生在入學(xué)前就可以全面的了解校園的布局，通過交互式的查詢，就可以了解校園的所有信息，為盡快的適應(yīng)學(xué)習(xí)生活提供方便;三維虛擬校園不只是對現(xiàn)實(shí)校園建筑形狀、地理形態(tài)的仿真，而是對整個校園及其社會活動和經(jīng)濟(jì)活動在網(wǎng)絡(luò)上的真實(shí)再現(xiàn)。

4.2 虛幻引擎的應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展前景

虛幻4雖然是一款游戲引擎，但是由于它的側(cè)重點(diǎn)在于畫面的真實(shí)性，再加上獨(dú)特的BluePrint功能，無需進(jìn)行代碼編寫便輕松實(shí)現(xiàn)一些簡單的功能，大大降低了對專業(yè)知識的要求。虛幻4可以被更加廣泛的應(yīng)用于影視、醫(yī)學(xué)、軍事、體育、航天、房地產(chǎn)等諸多領(lǐng)域。除此之外，虛幻4引擎本身泛用性極強(qiáng)，它可以支持主機(jī)端、Web端、PC客戶端、移動端，且支持語音交流和多平臺互通同步工作。在VR開發(fā)方面，虛幻4很早就內(nèi)置了VR開發(fā)功能，也是當(dāng)前最好的VR開發(fā)引擎之一。以上幾點(diǎn)，充分證明了，虛幻4引擎的前途不可限量。

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[6]百度百科文章鏈接：https：//baike.baidu. com/i tem/Au todesk%2 0Maya/418 6232？fr=aladdin&fromid=2724859&fromtit1e=%E7%8E%9B%E9%9B%85#1，