基于虛幻引擎的數字校園系統設計與實現

摘" 要：數字化的發展帶來的是更高效的信息傳遞效率，伴隨著信息化社會的逐步發展，數字化的需求正在以驚人的速度膨脹起來。該文采用數字模塊化方案，以虛幻4引擎進行場景渲染以及邏輯程序的編寫，以3d MAX、Maya等軟件進行校園模型的定制化建模。首先，將校園以數字化搬進客戶端中，呈現不同場景、不同氣候下的校園場景；其次，在操作平臺中，可以進行虛擬平臺操作并模擬可在現實校園中實現的功能。結果表明，以虛幻引擎進行開發的數字校園操作平臺，一方面實現校園的數字化呈現，另一方面對于數據的交互等操作更加便于查看，具有高效性、實時性、可編輯性等優點。

關鍵詞：虛幻引擎；數字城市；大數據；建模；數字化

中圖分類號：TP391.9" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）21-0053-04

Abstract： The development of digitalization brings more efficient information transmission efficiency. With the gradual development of the information society， the demand for digitalization is expanding at an alarming speed. This paper adopts the digital modularization scheme， uses the illusory 4 engine to render the scene and compiles the logic program， and uses the software such as 3Dmax， Maya to customize the campus model. The final effect is to digitally move the campus into the client to present different scenes and campus scenes in different climates. Secondly， in the operating platform， the virtual platform can be operated and simulated， and the function can be realized in the real campus. The results show that the digital campus operation platform developed by the Unreal Engine realizes the digital presentation of the campus on the one hand， and is easier to view the interaction of data on the other hand， and has the advantages of high efficiency， real-time performance， editability and so on.

Keywords： Unreal Engine; digital city; big data; modeling; digitalization

隨著信息技術的迅速發展和普及，數字校園已經成為教育領域的重要研究方向之一。數字校園系統通過將虛擬現實、三維建模、人機交互等先進技術應用于教育環境中，有效地提高了教學質量，豐富了學生的學習體驗。在眾多游戲引擎中，虛幻4（UE4）引擎憑借其強大的功能和優良的性能表現成為了數字校園系統設計的理想選擇。通過深入研究和討論UE4引擎在數字校園系統設計方面的優勢，為開發者和研究者提供寶貴的參考，從而促進數字校園領域的發展和創新。

1" 開發工具介紹

1.1" 虛幻引擎4

虛幻引擎4（Unreal Engine 4，以下簡稱UE4）是由Epic Games公司推出的一款當今世界上最知名、授權最廣的頂級游戲引擎。UE4是目前應用最廣泛的第三方游戲開發引擎之一，它主要應用于 Windows、iOS、PS4等主流平臺。UE作為一種計算機仿真模擬技術，在人們的日常生活中被越來越多地用于創造和體驗虛擬世界。

1.2" UE4的優勢

1.2.1" 平臺優勢

UE4與常規建模軟件相比，其優點在于其采用了更為簡易的光學方程，并采用了多種優化方法。確保一秒鐘可以渲染超過60幀的連續畫面，具有很好的可視化操作實時渲染效果，所見即所得，極大地節省了渲染時間。UE4具有能夠完成大多數C++功能的藍圖系統，只需要拖拽節點，編寫一組邏輯思考圖，也可以通過自定義C++代碼的方式來開發設計者所希望的游戲互動內容。它能有效地縮短游戲開發周期，大大降低復雜程序制作編程的難度，使設計者能更好地表達自己的想法和概念。

1.2.2" 在項目建筑可視化設計中的優勢

在UE4引擎物理的表面著色和材質模型的基礎上，引入了真實的物理參數，從而能夠更加真實地模擬光線傳播時和物體表面相互作用的實際材質和反光效果。同時，歸因于其強大的光影渲染、強有力的材質編輯器，以及基于現實環境的剛體碰撞效果和渲染快速、極其逼真的物理屬性、高流暢度等優勢，UE4所做出來的項目會令使用者產生強烈的視覺沖擊力。

UE4作為一種新型的設計媒體，實現了從平面到立面、三維到多維的轉變。以其嶄新的視角、全新的表達方式、新的設計理念，突破了傳統建筑對視覺空間的限制。通過UE4，使用者可以更快速地了解整個設計視覺效果直觀、清晰，而不會局限于計算機的平面尺寸大小。通過UE4可以實現360°全方位無死角地旋轉環繞，穿梭自如增加真實感，以更寬廣的視角與場景產生聯系，突破空間感。

2" 基于虛幻引擎研發的數字校園操作系統項目

2.1" 大數據市場分析與定位

隨著教育事業的不斷進步，數字校園的發展速度越來越快，模式和內容也越來越全面。數字校園成為了教育事業推進的重要代表。所以，數字校園系統也越來越受到教育行業和社會的重視。目前，教育部發布《高等學校數字校園建設規范（試行）》，我國開啟了自己的數字校園建設道路，例如“華中附小數字化校園服務探索”應用場景入選基礎教育、高校云端一體化教學服務應用等。信息化、智能化是提升當前教育水平和提高平均教育素養的重要手段。

虛擬現實技術是20世紀發展起來的一項全新的、充滿突破性的實用技術，利用計算機通過算法藍圖等技術生成一種虛擬與現實相互結合的虛擬環境，通過虛擬現實技術，可以使用戶沉浸在計算機系統中，這項技術有極強的交互能力，體驗者在體驗中將獲得最真實的直觀感受。隨著社會的發展以及科技能力的不斷增強，虛擬現實技術也獲得了巨大的進步，人們對這項技術的需求越來越大。

所以，將逐漸強大的虛擬現實技術和不斷突破的數字校園相結合，一定會成為教育事業的最強助力。

2.2" 數字校園項目的作用

21世紀是真正的信息時代，以教育信息化帶動教育現代化已經逐漸成為未來高校教學改革和發展的必然趨勢。隨著互聯網和信息技術的不斷發展，傳統的校園模式已經被逐漸摒棄。無論是學習模式、教育方式還是學習環境都隨著數字校園的發展而發生巨大變化。

在當前所處信息時代背景下首先被改變的就是教育對象。數字校園構建的初衷是讓每一位學習者能夠從該項目中了解更多的校園文化和場景構建。如今越來越多的人不愿意看紙質的書本，同樣也漸漸失去了閱讀文獻的耐心。并且，紙質的文獻并不能全方位和立體化地學習知識。而數字校園則將知識鮮明化，學生可以使用信息化工具獲取知識，他們的學習思維以及學習習慣在信息資源共享的環境中可以變得更加豐富和便利。除了教育對象，教學資源也發生了巨大的變化，優質的教學資源得到了共享，不再是封閉的孤島狀態，學生也不再是井底之蛙。老師和學生獲取資源的方式也變得便捷簡單，在這個基礎上，課堂學習過程也被重建，數字校園的誕生，讓師生間、同學間的互動變得更加有效和方便。

總的來說，因為有了數字校園的建設，我們才能在如今的教育時代進行不斷突破和創新，成為現在獨一無二的教育模式。

3" 開發流程

3.1" 模型搭建

大體上看，三維校園模型可以分為地形模型和建筑模型2個大的類別。

地形是數字城市中最重要的地理對象，是城市實體的三維空間基礎。利用正射影像加數字高程模型（DEM）可以生成三維地形的圖形表示。數字高程模型是地形表面形態的數字表示。DEM是地理信息系統中最重要的空間信息資料和進行地形分析的核心數據，也是繪制三維實體和進行地形分析的重要基礎數據。

在地物模型中主要考慮建筑物、道路、橋梁和水域等地物的建模，而建筑物是城市模型中最關鍵的地物，它的建模對于三維城市可視化具有十分重要的意義。對于建筑物，人們不只是關心其外形的描述，而且要求知道其幾何結構和屬性信息，以便對其進行空間分析和不同層的屬性查詢。

3.1.1" 采用模型軟件建模

綜合運用3d MAX、IMAGIS、Multigen Creator、AUTO CAD和Erdas等三維建模軟件進行三維建模工作，主要是把通過傾斜拍攝到的建筑模型導入建模軟件中，再利用點線工具，將其盡可能地修復，主要修復由于樹木、陰影等造成的建筑模型多面、缺面等問題。從而盡量把模型建得和實物一樣。

3.1.2" 采用三維影像方式建模

把DEM、DOM、DLG數據與傾斜拍攝照片進行疊加，通過全數字攝影測量系統的處理生成三維影像。

3.1.3" 采用GTS屬性建模

利用現有GIS系統中X、Y坐標和作為屬性數據的Z坐標值，直接生成三維模型。城市三維模型精細程度因為模型數據量和三維數據采集方式的缺陷而受到限制，場景的真實感很大程度上要靠紋理來體現，三維模型的紋理占據著非常重要的地位。目前只有通過3d MAX、Multigen Creator和 Photoshop等軟件為三維模型進行一系列的處理，賦予合適的真實材質和紋理貼圖，在達到預定的真實效果后，通過計算機輸出為圖形、動畫等文件，有時根據各種情況加入多媒體（音樂、圖像、影像）數據模塊，在視覺和聽覺上更能滿足用戶的需求。

3.2" 場景構造

在該項目中，由于每一個建筑物，或者任何可以看得到的可視物，都被要求可以和操作者互動，所以場景中的擺設，尤其是建筑，不可以單純運用靜態網格物來搭建，需要利用程序來搭建場景（圖1），以達到交互的功能。其中，在構建天儀樓的過程中，需要在天儀樓的類中，添加多個樓層類Actor，而在樓層類中，又依次按照實際情況，在相應的位置添加多個教室Actor，以此達到點擊天儀樓后，可以進一步點擊樓層，點擊教室的功能。

3.3" 天氣系統引入

在該項目中，為了實現天氣與現實實時互動的功能，需要構建一個可以隨時間改變而產生相應變化的天氣系統，該系統需要實現顯示天氣數據接入，根據實時天氣調整系統內虛擬天氣，特殊天氣發生時對虛擬校園造成一定影響。

在開發此系統時，首先需要完成基本邏輯的實現，核心內容為時間的獲取或計算，在完成此項內容時，共有2種解決方案，其一是采用手動編寫的邏輯程序來計算，通過獲取當前計算機的日期a，給定某一日期的星期數b，再利用當前日期a與給定日期b的天數差對7取余，計算出當前的星期數。另一種思路為尋找url通過解析url獲取到的字符串直接獲取網絡日期與時間。

第二部分為通過當前日期特定天氣讀表中的天氣數據，由于該數據需要動態更新，需要讀入存儲好的天氣表格，表格通過動態url獲取，再根據當前日期選擇在操作系統中呈現出來的天氣表現。

第三部分就是視覺表現層面，在這一部分需要完成天空球的制作，天空球的部分實現動態云層，為動態天氣的實現提供基礎的天空背景。

第四部分需要完成特殊天氣，諸如下雨、下雪、霧霾等特殊天氣的特效制作，在網上找到相關的下雪、下雨等的粒子特效，導入UE4之后，對于粒子特效的參數進行客制化的調整，徹底實現動態天氣的平臺，并開放了接口，在特殊天氣進行時，可以對場景中的靜態物體、動態物體造成一定程度的影響。

3.4" 人流系統引入

人流系統的實現主要目的是為了實現對于開學、封校、放假離校等場景的校園實況模擬。

人流系統首先需要配合開學、離校、南北校區通勤情況和課程的信息來開發，有了以上數據，可以動態檢測人員的流動情況，并通過觀察到的情況，人為調整上課、下課等的時間，來優化南北校區通勤情況。

3.5" 校園網數據接入

這一部分的數據接入主要為讀取校園網內部的課程表情況，根據該課程表動態分配教室、圖書館等的使用情況，并通過相關指令，可以完成查看或修改等功能。

該功能的開發首先需要完成的是對于校園網數據的爬取，編寫了相應的python腳本，讀取到校園網的課程表數據之后，將數據表存儲到程序內部的表格內。

關于表格的數據結構，使用了圖的存儲方式，以每一個課程為一個圖節點，其中存儲了課程名、課程號、任課老師和上課時間等信息，這樣在每一天凌晨時刷新當天的課程，完成每一間教室的課堂部署。

3.6" 傳感器數據接入與交互

這一部分的實現主要依托于完善的傳感器配件，其中包含常見的攝像頭傳感器、煙霧傳感器、溫度濕度傳感器、震動傳感器、壓力傳感器和聲光傳感器等。該部分的實現完成了虛擬校園與真實校園之間的真實互聯，可以讓管理者足不出戶，實時了解校園發生的一切故障或者變動。

3.7" 可視化模型交互組件

可視化模型交互組件主要用來完善操作者對于操作系統中的樓宇、建筑、道路和路燈等進行分解、升級等情形的模擬。

對于樓宇的操作，可以分為查看、分解、多層分解、教室用途等模塊。對于每一棟樓，使用了二維數組來存儲每一層樓每間教室的信息，并將信息逐一分配到模型中的拆分教室中。部分功能示例代碼如圖2所示。

實現的功能：在點擊樓宇時，首先將視角中心移至選中的樓棟上，并在側邊信息欄中展示該棟樓宇的信息（歷史、層高、樓宇用途等信息），在選中樓宇后，可以進行拆分樓宇的功能，點擊側邊欄中的樓宇號，將會在模型中將選擇的樓層高亮，其余樓層半透明顯示，以此突出選中的樓層，在樓層界面，可以選擇教室，選中教室后，將在教室旁彈出一則信息框，信息框中展示了當前教室的使用情況，并可以查看當前一周的教室使用情況。

對于其余建筑的查看主要為對于配電室的模擬功能，用于結合光電傳感器查看停電區域，以及適當還原停電原因。

4" 結束語

圖形技術以及計算機技術日益革新，帶來了更加便利更加具象的可視化圖形界面，利用UE4可以快速開發出具有實用意義的數字校園孿生系統，便于各方管理監控學校的教學數據，并通過這些更加直觀的數據，建立更加完善的校園管理方案。

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