基于虛幻引擎的3D虛擬校園漫游系統建設

屈宇軒 王俊潔

摘要 隨著計算機技術不斷發展和進步，擁有即時渲染技術的虛幻4引擎在虛擬現實的應用也越來越廣泛。文章以某大學校園開發的漫游系統為實例，介紹了虛幻引擎在漫游系統開發設計中的相關應用。

【關鍵詞】虛擬校園漫游 虛幻4 引擎 3D建模

虛擬校園漫游系統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境中通過動態交互來對校園環境進行全面的審查，目前已經有多所高校將虛擬校園作為學校建設中的重要環節高度重視。雖然虛擬校園技術日漸成熟，但國內對于虛幻4引擎的研究報告文獻較少，而基于虛幻4引擎的校園漫游更是個全新的領域。

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，易學易用，制作效率極高，渲染真實感極強，是影視級別的高端制作軟件。Maya集成了多種最先進的動畫及數字效果技術，可在多種操作系統上運行，是目前市場上用來進行數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的3D貼圖繪制工具，是Substance貼圖工具系列產品之一。SP支持基于物理渲染PBR技術，能一次性繪制出所有材質，數秒內就可為貼圖加入精巧的細節。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，且不浪費計算資源。

1.3 虛幻4

虛幻4可以說國內外公認的目前最先進也是最強大的商業引擎。用虛幻4制作出的游戲和視頻，以其強大的光影渲染、深度展現的材質和基于現實的剛體碰撞給觀眾和玩家帶來強大的視覺沖擊。相較于其他游戲引擎和早些版本的虛幻引擎，虛幻4表現出毋庸置疑的次世代水準。

2 虛擬校園的開發流程圖

虛擬校園漫游系統的開發工作環節較多，細節要求較高。前期需要花費大量的時間進行數據收集處理和建立模型，中期要在引擎中進行場景搭建和數據模型的修正完善，后期還需要對系統功能進行開發測試和整體優化。具體系統開發流程圖如下圖1所示。

2.1 數據的采集

在系統設計中，3D模型主要以MAYA作為制作模型的軟件工具，采用人工軟件構造。在進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模型。首先使用百度衛星地圖獲得整個校園的俯視圖，然后對校園實際建筑進行多角度實地拍攝和數據分析，確定單個模型的各方面數據比例，然后以單個建筑作為參考樣本，來對接下來進行的其他建筑建模規定比例尺。

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、樹木等綠化設施區分開來，然后制作出建筑平面圖。首先以平面圖為背景進行創建多邊形，沿著圖片中綠化帶和人行道等不規則的設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施的形狀進行微調直到使其比例合理，便獲得了整個校園環境的三維模型草稿，配合之前拍攝的照片對模型進行細化。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體拍攝再用PhotoShop處理的方法，而是選擇使用Substance Painter2軟件進行貼圖的繪制，因為SP能夠更好地表現紋理，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格式導入。導入模型文件的同時，也要將制作好的貼圖導入。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、環境光、平滑度、高度等貼圖應分類存儲在不同文件夾下。因為在先前進行建模的階段已經進行了數據的統一，確定了模型的位置和大小，所以在將模型導入虛幻4之后，無需進行過大的修改，只需給模型添加相應的碰撞即可。雖然在虛幻4中，可以設定直接使用模型本身作為它的碰撞，但是在系統實際測試中發現該功能占用了過多的資源，可能會導致關卡載入過慢和運行不夠流暢等問題，所以還是需要手動設定模型的碰撞。

2.5 場景的構建

在虛幻4中，如果需要不同的場景，往往會采用建立多個關卡（level），通過切換關卡來實現不同場景的表現。但是考慮到切換關卡時的載入和位置信息的設定，我們選擇將室內場景和室外場景建立在同一個關卡內，同時將室內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置空氣墻來限制用戶的移動范圍。然后對場景進行光照的布置，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，在此基礎上加入指數級高度霧（ exponential height fog）配合天空球來還原現實世界中遠景在接近地平線高度上的模糊現象。有部分場景由于受到模型的遮擋導致亮度過低，則需要在這些地方設置光照重要體積箱（Lightmass Importance Volume），使得該區域內的光照會參與二次反射，讓沒有得到光照的地方也能顯現的更加真實自然，雖然會占用一部分資源，但是能極大的提高場景的真實度和還原度。室內場景的光照就相對復雜一些，想要得到較為真實的場景，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，在參數設定上要注意調整光源的半徑，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的設計

在整個系統中，所有的UI都采用了簡潔的設計風格，包括與NPC，互動時產生的對話框、說明與介紹的背景和系統內的菜單和按鍵，給用戶一種干凈簡潔、一目了然的感覺。UI系統的實現并不復雜，主要使用了在用戶界面上投射控件藍圖（wvidget blueprint）的方式;其中的難點在于小地圖功能的實現，為了達到更好的視覺效果，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（rendertarget）組件協同工作來實現小地圖功能。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，然后實時捕捉它所拍攝到的畫面，將畫面轉變成類似動態貼圖的方式投射到用戶界面上，形成小地圖的效果。

2.7 簡單交互功能的實現

系統中角色交互行為的實現主要依賴于各種觸發器，每個可以進行互動的地方都預先設置好了不同類型的觸發器，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器，當這個觸發器與其他觸發器發生重疊時，角色身邊會出現互動提示，當重疊結束的時候，互動提示相應的也會消失。而其他可互動的場景或角色一般擁有兩個觸發器，第一個是體積觸發器，用以判斷用戶是否處于可以互動的范圍;第二個觸發器是按鍵觸發器，用來判斷用戶是否進行互動操作，當用戶角色處于可互動范圍且進行了互動操作時，才可運行設置好的指令藍圖，實現交互。

2.8 關卡的讀取和載入

由于整個系統對硬件配置要求較高，載入可能會花費較長時間。同時，關卡內容不屬于線性流程，且學校規模不大，不適用區塊加載和緩沖，所以我們選擇做一個簡單的預加載機制，將logo和登錄界面放入一個空關卡，運用關卡流的方式將空關卡和場景關卡串聯起來，用戶運行系統后空關卡瞬間完成載入，出現logo和登錄界面的同時已經在進行場景關卡的載入，以此來縮短用戶實際上感覺到的載入時間。

3 成果展示

系統以真實校園為整體藍本（校園布局設計、交通、景觀、教學及生活環境、建筑物、人文），成功還原了現實校園的全部場景，訪問者可進行自主漫游和改變視點環視校園。系統還具有很強的人機交互性，讓訪問者在校園漫游的過程中感覺更加輕松自然，提高了系統的真實性和還原度，校園在預覽級光照質量下的效果圖如圖2所示。

4 結束語

4.1 虛擬校園的意義

虛擬校園的研究和創建對以后數字校園的建設有重要的現實意義，它既可以為學校樹立良好的形象，提高學校的知名度，宣傳校園文化，還可以為校園規劃和設計提供更明確的目標。同時也提高了校園管理的效率和科學化水平。有了三維虛擬校園，新生在入學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，為盡快的適應學習生活提供方便;三維虛擬校園不只是對現實校園建筑形狀、地理形態的仿真，而是對整個校園及其社會活動和經濟活動在網絡上的真實再現。

4.2 虛幻引擎的應用領域及發展前景

虛幻4雖然是一款游戲引擎，但是由于它的側重點在于畫面的真實性，再加上獨特的BluePrint功能，無需進行代碼編寫便輕松實現一些簡單的功能，大大降低了對專業知識的要求。虛幻4可以被更加廣泛的應用于影視、醫學、軍事、體育、航天、房地產等諸多領域。除此之外，虛幻4引擎本身泛用性極強，它可以支持主機端、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開發方面，虛幻4很早就內置了VR開發功能，也是當前最好的VR開發引擎之一。以上幾點，充分證明了，虛幻4引擎的前途不可限量。

參考文獻

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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，