基于UE4 的滑雪可視化系統設計與實現

張 帆 劉嘉森 丁一淳 許曉琦 李 攀＊

（防災科技學院信息工程學院，河北 三河 065201）

自虛擬現實技術被提出以來，因其借助計算機系統及傳感器生成的三維環境，通過調動用戶的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等，可給用戶提供十分逼真的、身臨其境的體驗，依此特點虛擬現實產品在國內受到了大眾市場的歡迎。憑借我國優良的信息技術建設成果以及當前的5G 浪潮的來臨，虛擬現實技術得以突飛猛進地發展。虛擬現實技術所涉及到的領域十分廣泛，如游戲、影視、教育、醫療等，虛擬現實游戲通過將網絡游戲與虛擬現實技術相結合，使得游戲行業的發展更上一步臺階，游戲的多元化得到進一步的強化。

1 虛擬現實游戲

一款游戲的可玩性可拆分為：可用性層、游戲層、類型層、情感層?？捎眯詫蛹从螒蚴欠衲軌蚝芎玫厣鲜?，若不容易記憶操作步驟，可能體驗就會很差。沉浸性是虛擬現實游戲的一大特點，借助虛擬現實技術在模擬環境、生物感知、自然技能、傳感設備等方面的優勢，通過虛擬現實技術反饋回的大量信息，使得玩家可以高度沉浸在特定的真實場景中。在可用性層和游戲層兩方面，虛擬現實技術從游戲本身實體之外豐富了游戲的可玩性，擁有傳統電子游戲無法取得的優勢。

2 游戲系統設計

2.1 游戲概要設計

滑雪運動是我國一項重要的冬季體育項目, 特別是在我國北方地區,深受廣大群眾的歡迎和喜愛。然而，由于高山滑雪運動具有較高的危險性，令許多民眾望而卻步。秉著游戲源于生活但奇幻于生活之上的理念，僅簡單的滑雪操作并不能彰顯VR 游戲的特點，因此在游戲中，設計人員以圖像視覺為核心，并從聽覺、觸覺等方面入手，打造了滑雪系統、三維場景系統、音效系統、粒子系統、體感系統等游戲系統，建造代入感強的虛擬現實場景，通過設備反饋多元的信息，從而使用戶高度沉浸在游戲中，游戲世界觀也更加真實。該系統以滑雪為游戲核心，增添躲避障礙、收集金幣、時間系統、評分系統等擴展系統。

2.2 游戲場景設計

游戲場景主要為幾座白雪皚皚的雪山，風格為偏動畫風，通過在場景中放置石塊，樹木等靜態物體，設置奔跑的鹿和站立的狼，使場景更加生動有趣。為使體驗者在游戲中擁有更加立體的世界觀，在場景中設計了鳥瞰區、眺望區、俯視區：（1）鳥瞰區。以過場動畫的方式讓玩家體驗乘滑翔機來到滑雪場的環節，雪山美景盡收眼底。（2）眺望區。在玩家初選擇游戲模式時，矗立與懸崖邊，可以俯視山下的滑雪場概況。（3）俯視區。玩家從懸崖處一躍而下，體驗視覺上的刺激。雪山的路況主要以平坦為主，并經多次測試，在合適的地方設計上坡或飛躍的地形，使得游戲節奏不會低迷，設計出可以使體驗者在舒緩和緊張中進行舒適切換的節奏。

2.3 游戲模塊設計

2.3.1 滑雪模塊設計

作為滑雪類游戲，能否有良好的滑雪體驗感，必定為評判該游戲的首要標準。滑雪板的設計參考UE4 官方的懸空滑板系統，設計了實時監測放側翻、矯正滑板傾斜等系統，避免了滑板因地形原因出現傾斜而導致的側翻的情況，并增添滑板重置的功能，即時光倒流，可以解決滑板因模型碰撞卡在地形中無法動彈的情況。

為考慮游戲的真實性，增添滑板的摩擦系統，研究并參考關于滑雪速度建模仿真研究的論文，得出摩擦力主要分為：干摩擦阻力、接觸摩擦阻力、流體摩擦阻力和空氣摩擦阻力。本游戲中摩擦力的設計與規劃如下：

2.3.1.1 干摩擦力。干摩擦力主要由晶體微凸體聯結點的剪切引起，干摩擦力的計算公式如圖1 所示，（建模仿真模擬研究中取滑雪者的體重默認為75kg，身高默認為175cm）。

圖1 干摩擦力計算公式

圖2 空氣阻力計算公式

Ai= (0.00607×hei+0.0127×wei-0.0698)×0.5×0.9-0.038 wei: 運動員的體重,hei: 運動員的身高,Vi為速度。

滑雪桿長度設計為滑雪運動普遍認可的高度減去15cm 到5cm。滑板加速系統秉著模擬現實的思想設計，滑板的速度大小應與VR 手柄在Y 軸上滑動的速度成線性正比關系，滑板加速度的體驗感分析表如表1 所示。

表1 VR 手柄轉換系數與滑板加速效果體驗感的關系

2.3.2 聲音系統設計

滑雪體驗感的營造，不僅需要使人感受到真實的畫面，也需要使人身臨其境的音效。為了帶給玩家更真實的體驗，聲音系統的設計分為兩大塊，分別為環境音以及玩家在滑雪中的聲音，游戲中是烘托室外滑雪氛圍的存在，環境音部分應該貼近于現實中冬天室外山間給人帶來的感受，而玩家在滑雪中的聲音則分為很多種情況，需要根據具體情況進行細分，例如加速減速時風聲的變化，玩家突然摔倒，滑雪板騰空而起等對聲音的影響都是需要考慮的。

2.3.3 障礙干擾系統設計

為給游戲增加難度和可玩性，參照雪山冬天的氣候并加入了少量的游戲元素，設計了例如從山坡突然滾下的石頭、被積雪壓到的樹和因被滑雪者驚動而四處奔跑的動物等障礙元素。不僅可以起到對體驗者干擾的作用，使得游戲難度增加，并且可以集中體驗者的注意力，增添游戲的緊張感。不同障礙物與人物發生碰撞時，將對人物產生力的作用，繼而對滑雪者的運動狀態產生影響，然而對速度的影響也應根據當前人物的速度有關，因此需經過力、速度、摩擦等多重因素的考慮，經過公式的計算后，才可影響到速度上。

2.3.4 滑痕系統設計

在實際生活中無論是我們走在陸地上、在水中游泳或者是飛機在空中飛翔，都會在移動過的位置上留下一些痕跡。同理在生活中我們走在雪上也會留下腳印。或者是在雪地上翻滾、滑行，在重力的影響下都會使得雪產生形變。在VR 滑雪游戲中我們為更加真實的營造玩家滑雪體驗，也加入了這個功能。其主要的表現方式是玩家在走上滑板之前，如果身體與地上的雪產生交互就會使得雪地根據交互面積產生形變，同理如果滾石、其他的小動物經過雪地也會產生形變。反之走在山體上或者沒有雪的地面行則不會形變。

2.3.5 收集金幣系統設計

成功游戲可以讓玩家不斷地參與其中，它的可玩性使玩家的期望在游戲的過程中獲得滿足。對運動類和競速類游戲進行深入的研究分析，并對其特征進行系統的分析和歸納后，總結得出在“地鐵跑酷”、”天天酷跑”等游戲中，對游戲物體的收集過程可以給玩家帶來強烈的滿足感，增加玩家對游戲的好感度和征服欲。

3“飛躍巔峰”游戲功能實現

3.1 游戲場景實現

雪山場景分為地形和材質兩部分。地形部分使用MAYA 建造出大致的雪山地形，利用UE4 的地形編輯工具對地形進行二次修改，以達到美化的目的。游戲場景如圖3 所示。

圖3 游戲場景鳥瞰圖

除雪山地形的場景之外，其余的樹木、動物、石塊等模型，對于樹木、動物等細節描寫較多的物體，盡可能的利用官方提供的3D 模型，因為官方制作的3D 模型更為精美，也可節省游戲的開發成本。而在游戲中因需要特定的石塊去阻擋道路或扮演滾石的”角色”，因此使用3DMax 和MAYA 去特別定制。

3.2 游戲模塊實現

3.2.1 滑雪系統的實現

為了使滑雪板在整個游戲過程中可以平衡滑行，而不出現側翻、倒置等影響體驗者體驗的情況，在滑雪板的藍圖中使用Event Tick 節點多分支的進行檢測滑雪板當前的狀況，如滑雪板的傾斜度數、滑雪板是否發生了側翻、滑雪板正常狀態下的位置以及旋轉量等參數。

滑雪桿系統主要為揮動手柄控制滑板和初始高度設定兩個部分。揮動VR 手柄的動作是否可以影響滑雪板速度，以游戲中滑雪桿是否接觸到地面為標準，但若用傳統的碰撞檢測會出現在非平坦地形中出現誤差或檢測不到的情況，因此改用以VR手柄處向地面發射射線檢測來代替碰撞檢測，檢測是否與地面接觸，射線的長度即為滑雪桿的長度，射線檢測返回的碰撞結構體經過解析后并加上邏輯判斷，實現判斷是否接觸了地面的功能。參照滑雪桿長度普遍為身高-40～50cm 的標準，初始化適合的滑雪桿長度。

3.2.2 聲音系統的實現

聲音系統的實現采用了UE4 的聲音系統（Sound Cue），使用Sound Cue 可以輕松的將多種所需音效程序化的調用，并且可以進行基礎的混音，調音等操作，聲音系統的實體關系圖（ER圖）如圖4 所示。

圖4 聲音系統的子系統及其影響因素

在現實的滑雪過程中，隨著自身速度的增大，耳遍的風聲也會隨之增大，當自身各種外力的達到平衡之后，身體基本保持勻速運動，風聲達到最大值，在減速時，風聲則逐漸減小，與環境中的風聲保持一致。

3.2.3 障礙干擾系統實現

障礙物的模型主要以Maya 和3Dmax 制作，樹木折斷和動物奔跑的動畫通過Maya 工具制作。在游戲的特定地點設置機關盒子，當體驗者在游戲中經過時觸發，相對應的障礙物，或滾石或樹木等障礙干擾行為通過藍圖通信被觸發。在不同的障礙物藍圖中，將物體對人物的撞擊力初始化為變量，當撞到物體時，將力變量通過藍圖通信傳遞給滑雪板藍圖，在滑雪板藍圖中將力帶入到影響速度的公式中，得出削減或增加后的速度大小，再增加到藍圖狀態中。

3.2.4 滑痕系統實現

開發方式主要是制作特定的“雪”材質，以及一個可以使得雪產生形變的組件。在場景搭建的過程中將所有的雪地、雪山使用特制的“雪”材質，而在人物、動物、滑雪板、大石頭等物品上加入“融雪組件”。在玩家移動過程中如果檢測到交互位置為”雪”材質，將會把此位置反饋給材質上，通過修改材質參數使得雪有形變的效果。同時在“雪”材質上分為三層：第一層是雪，第二層是土地，第三層是巖石。三層是用漸變的轉化，當雪因受力向下變形時將會露出下層材質。系統使用渲染來渲染目標，因此會影響GPU 性能?？梢酝ㄟ^降低渲染目標分辨率針對低性能平臺進行優化。默認情況下，分辨率為2048x2048，所有渲染目標將占用24 MB 的GPU 內存。

3.2.5 收集金幣系統實現

經過研究和分析其他具有收集元素的游戲的成功案例，對被收集物的特點進行歸納，金幣的外觀為了突出游戲主題和搭配環境風格，設計為雪花的樣子，且為了和通體的白色背景形成對比，顏色設計為隨機的多種顏色。音效使用Adobe Audition 制作，制作多種風格的音效，嵌入到游戲中，可以在游戲初始化階段供體驗者進行選擇。收集到的金幣的積分會顯示到UI 中，并在最終結算階段納入到評分系統中。

4 結論

VR 技術的成功應用為體育新媒體的傳播帶來了一種全新的創新路徑，本游戲的靈感來自于使普通人能足不出戶就低成本的體驗極限運動，前期團隊收集了各種關于滑雪運動和成功的游戲案例經過分析和研究，得出適合本游戲的設計模式，經過不斷的努力開發，最終實現了一款多元的可玩性高的VR 滑雪類游戲。體驗者通過佩戴虛擬現實設備，在任何地點任何時間，就可體驗一場緊張刺激的滑雪運動，不僅可娛樂日常的生活，并且能起到一定的鍛煉作用。VR 游戲擺脫了傳統游戲模式固有的局限性，打開了一扇新的奇幻世界的大門。VR 滑雪游戲將VR 技術和體育運動結合，為市場帶來了新的游戲體驗，可以激發全民對體育運動的熱情和興趣，降低運動帶來的損傷的同時，豐富人們的體育運動經驗。