基于UE4技術平臺的贛南蘇區紅色文化遺址建筑群三維虛擬仿真關鍵技術研究

王志強 鄧琦 羅瑤

基金項目：2020年度江西省教育廳科學技術研究項目（GJJ200837）；2023年度江西省大學生創新創業訓練計劃項目（S202310418021）

第一作者簡介：王志強（1979-），男，博士，副教授。研究方向為動畫電影文化、數字虛擬仿真應用。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.037

摘? 要：隨著科技的發展，數字化技術在保護和傳承文化遺產方面發揮著越來越重要的作用。紅色文化遺址作為我國重要的文化遺產，具有獨特的歷史價值和文化意義。然而，由于這些遺址往往年代久遠，且受到自然和人為因素的侵蝕，保護和傳承難度較大?；赨E4技術平臺的三維虛擬仿真技術為紅色文化遺址的保護和傳承提供新的解決方案。該文旨在探討基于UE4技術平臺的贛南蘇區紅色文化遺址建筑群三維虛擬仿真關鍵技術研究，以期為數字化保護和傳承紅色文化遺產提供理論和實踐支持。

關鍵詞：UE4技術平臺；贛南蘇區紅色文化遺址；建筑群三維虛擬仿真；交互體驗；數字化保護

中圖分類號：TP391.9? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）12-0159-05

Abstract： With the development of technology， digital technology is playing an increasingly important role in protecting and inheriting cultural heritage. The Red Culture Site， as an important cultural heritage in China， has unique historical value and cultural significance. However， due to their ancient age and erosion by natural and human factors， it is difficult to protect and inherit these sites. The three-dimensional virtual simulation technology based on the UE4 technology platform provides a new solution for the protection and inheritance of red cultural relics. This paper aims to explore the key technology research of three-dimensional virtual simulation of red cultural heritage buildings in the Gannan Soviet Area based on the UE4 technology platform， in order to provide theoretical and practical support for digital protection and inheritance of red cultural heritage.

Keywords： UE4 technology platform; Red Culture Site in Gannan Soviet Area; 3D virtual simulation of building clusters; interactive experience; digital protection

UE4（全稱為Unreal Engine 4，中文譯為虛幻引擎4）作為全球三大游戲引擎之一，是Epic Games公司于2014年全新升級的一款游戲引擎技術平臺，由預先編寫的核心代碼組成的集成工具，供游戲開發人員使用。因其強大的VR非線性交互和即時渲染功能，常被用作建筑可視化的技術手段，為建筑行業的虛擬仿真服務[1]。自Epic Games公司把UE4升級并作為開放軟件以來，全球各地建筑師事務所已經開展應用并獲得了較高的成效，如美國SOM建筑設計事務所、德國Immersive Design Studios及法國ECDM建筑事務所均已廣泛引入UE4作為建筑可視化表現方式，Transbay海灣項目（SOM建筑設計事務所，2015年）、Lvndon Baines Johnson圖書館項目（Immersive Design Studios，2016年）、Paris Apartment建筑項目（ECDM建筑事務所，2017年）等均是這方面的典型應用。而贛南蘇區紅色文化遺址建筑群，作為我國革命精神的載體，具有重要的歷史和文化價值。在自然氣候和人為破壞等系列因素下，紅色文化遺址群體面臨嚴重破壞，甚至坍塌消亡的狀態。因此，從保護與傳承視野，充分利用數字化技術對紅色遺址群的虛擬仿真研究具有重要意義。

1? UE4技術平臺在建筑群虛擬仿真應用現狀

UE4（Unreal Engine 4）是由Epic Games公司開發的一款實時渲染引擎，發布以來受到了多媒體行業的廣泛關注，在游戲、動漫、虛擬現實領域都發揮了極大的優勢和靈活性。通過其制作出高品質室內場景，適合用在虛擬仿真領域[2]。在三維虛擬仿真方面，UE4提供了豐富的工具和資源，包括高精度模型庫、材質貼圖、照明和陰影技術、物理模擬等，可以幫助開發者實現高度逼真的虛擬場景[3]。

UE4技術平臺在建筑群虛擬仿真應用方面表現出了強大的實力（圖1），使建筑師和規劃者可真實地模擬建筑群的設計和規劃，以便虛擬評估其可行性和效果。在模型方面，UE4技術平臺可以提供高精度的建筑模型，并以1∶1的比例還原真實的建筑場景，讓其能夠真實地評估模態效果。同時，UE4技術平臺在模擬自然環境和天氣條件上具有優勢，如光照、陰影、氣候等，根據實現虛擬建筑群在不同環境下的自然效果。沉浸式虛擬現實功能也是UE4技術平臺的重要技術，讓用戶在虛擬環境中沉浸式體驗。在UE4的虛擬現實功能下，用戶群體可以在虛擬環境中進行互動，以更加直觀的方式評估建筑設計的效果。因此，UE4技術平臺可以從各方面提供完整的數據分析和可視化工具，幫助用戶分析和評估各類建筑的設計效果，準確地評估其性能和質量。

2? 贛南蘇區紅色文化遺址建筑群三維虛擬仿真技術模塊分析

2.1? 贛南蘇區紅色文化遺址建筑群及其數字化保護價值

贛南蘇區紅色文化遺址建筑群是中國革命歷史的重要見證，具有珍貴的歷史價值和文化意義。這些建筑群包括眾多的革命歷史建筑、紀念碑、紀念館等，承載著中國共產黨領導下的革命歷程和紅色文化[4]。通過對這些遺址的數字化保護和傳承，可以更好地保存歷史記憶，弘揚紅色文化，同時為歷史研究提供可靠的資料。因此，贛南蘇區紅色文化遺址建筑群作為中國革命歷史的重要見證，具有以下數字化保護價值。

1）歷史價值。贛南蘇區紅色文化遺址建筑群是中國革命歷史的重要載體，記錄了中國共產黨領導下的革命歷程和斗爭史實。通過數字化保護，可以永久保存這些珍貴的革命歷史信息，為后人提供真實的歷史見證。

2）文化價值。贛南蘇區紅色文化遺址建筑群是中國革命文化的獨特體現，具有深刻的文化內涵和藝術價值。通過數字化保護，可以傳承和弘揚這種紅色文化，促進文化交流和傳承。

3）教育價值。贛南蘇區紅色文化遺址建筑群是中國革命教育的重要素材，可以用于開展愛國主義教育、革命傳統教育、紅色旅游等。通過數字化保護，可以更好地發揮這些遺址的教育作用，讓更多的人了解和認識中國革命歷史[5]。

4）旅游價值。贛南蘇區紅色文化遺址建筑群具有獨特的旅游價值，吸引著大量游客前來參觀和學習。通過數字化保護，可以更好地保護這些遺址，同時為游客提供更加便捷的參觀體驗和服務[6]。贛南蘇區紅色文化遺址建筑群的數字化保護價值非常豐富，不僅可以保存歷史記憶，弘揚紅色文化，同時也可以為歷史研究提供可靠的資料，促進文化交流和傳承，發揮重要的教育作用和紀念意義，并推動紅色旅游的發展。

2.2? 贛南蘇區紅色文化遺址建筑群三維虛擬仿真技術分析

對蘇區紅色文化遺址建筑群的三維虛擬仿真技術模塊分析，可從以下幾方面進行探討。

1）建筑模型建立（圖2）。首先需要對蘇區紅色文化遺址建筑群進行詳細的測繪和調查，獲取建筑物的幾何數據、材質信息、紋理信息等。然后利用三維建模技術，如3D掃描、建模軟件等，建立建筑物的三維模型。

2）場景渲染與環境模擬（圖3）。利用渲染引擎對虛擬環境進行渲染，模擬出建筑物的外觀、光照、陰影等效果。同時，也可以模擬自然環境和天氣條件，如植被、地形、天空等，以營造出更加真實的虛擬環境。

3）交互體驗與沉浸式游覽。通過虛擬現實技術，用戶可以在虛擬環境中進行沉浸式的體驗，自由瀏覽和感受紅色文化遺址建筑群的歷史和文化氛圍。同時，也可以通過增強現實技術，將虛擬元素與現實環境相結合，提供更加真實和直觀的體驗。

4）數據可視化和數據分析。利用數據可視化和數據分析工具，可以將建筑群的相關數據以圖表、圖像等形式呈現出來，幫助用戶更好地理解和評估建筑群的設計和質量。

5）模塊化設計與可擴展性（圖4）。針對不同的應用需求，可以將各個模塊進行拆分和組合，以實現更加靈活和可擴展的系統架構。同時，也可以根據需要對系統進行升級和優化，以適應不斷變化的應用需求和技術發展。

總之，對于蘇區紅色文化遺址建筑群的三維虛擬仿真技術模塊分析，需要結合具體的項目需求和技術條件，進行詳細的分析和設計。同時，也需要注重技術創新和人才培養，以推動該領域技術的不斷發展和進步。

3? UE4技術在贛南蘇區紅色文化遺址建筑群三維虛擬仿真的關鍵技術

基于UE4技術平臺，贛南蘇區紅色文化遺址建筑群三維虛擬仿真關鍵技術主要通過使用實時渲染、三維建模、物理引擎等先進技術，重現贛南蘇區紅色文化遺址建筑群的歷史風貌和文化底蘊[7]。首先介紹了UE4技術平臺的特點和優勢，以及其在三維虛擬仿真中的應用。然后，對贛南蘇區紅色文化遺址建筑群的歷史背景、文化價值及現有的數字化保護手段進行了概述。接著，詳細闡述了使用UE4技術平臺進行三維虛擬仿真的關鍵技術，包括場景建模、材質貼圖、燈光渲染和物理模擬等。

3.1? 場景建模

在場景建模部分，本文討論了如何使用UE4的藍圖和雕刻工具進行高效的3D建模。材質貼圖部分，則討論了如何使用UE4的材質編輯器和紋理映射技術，以實現逼真的材質效果。使用UE4的藍圖和雕刻工具進行高效的3D建模，根據歷史文獻和現場勘查數據，構建出逼真的紅色文化遺址建筑群場景。在場景建模階段，需要收集和整理關于贛南蘇區紅色文化遺址建筑群的歷史文獻和現場勘查數據。這些數據可能包括建筑的設計圖紙、歷史照片、文字描述等。然后，可以使用UE4的藍圖和雕刻工具進行高效的3D建模。首先，可以在UE4中創建一個新的場景，并使用藍圖構建基本的場景元素，如地形、道路、建筑物等。在構建建筑物時，可以使用雕刻工具來創建詳細的建筑模型，包括建筑的立面、屋頂、門窗等。為了使模型更加逼真，可以在雕刻過程中參考歷史文獻和現場勘查數據，注意細節的處理，如磚墻的紋理、門窗的樣式等。除了建筑模型，還可以創建其他場景元素，如植被、人物、交通工具等。這些元素也可以使用藍圖和雕刻工具進行創建，并可以根據需要進行定制和調整。在完成場景建模后，可以對場景進行渲染和測試，檢查模型的質量和效果是否達到預期。如果需要，可以對模型進行修改和優化，以達到更好的視覺效果和交互體驗。

3.2? 材質貼圖

通過使用UE4的材質編輯器和紋理映射技術，還原建筑群的材質和紋理，包括磚墻、木門、玻璃窗等細節，以實現逼真的視覺效果。在材質貼圖階段的目標是讓建筑物的表面材質和紋理更加逼真，以增強虛擬場景的真實感。首先，需要為建筑物的不同部分創建材質。在UE4的材質編輯器中，可以使用節點和貼圖來定義各種材質的屬性和紋理。例如，可以使用紋理貼圖來定義磚墻的紋理和顏色，使用透明貼圖來定義玻璃窗的透明度等。為了使材質更加逼真，還需要考慮光照對材質的影響?？梢允褂肬E4的光照模型和陰影技術來模擬自然光和人工光源對建筑物的照射效果。通過調整材質的反射、折射、漫反射等屬性，可以實現逼真的光照效果。還需要考慮材質的細節層次和紋理映射。細節層次是指在不同距離下材質的精細程度，紋理映射則是指將材質的紋理映射到模型表面的過程。通過合理設置細節層次和紋理映射，可以實現更加逼真的材質效果。最后，還需要對整個建筑群進行全局材質優化，確保不同建筑物之間的材質協調一致，以增強虛擬場景的整體感。

3.3? 燈光渲染

燈光渲染部分，詳細介紹了UE4的照明和陰影技術，包括全局光照、反射、折射等。在燈光渲染階段，其目標是利用UE4的照明和陰影技術，模擬自然光和人工光源對建筑群的影響，以營造出歷史時期的氛圍和情境。首先，需要考慮自然光對建筑群的影響。使用UE4的天空盒貼圖、光照模型來模擬自然光的照射效果。通過調整天空盒貼圖的色溫、光照強度，模擬不同時間、季節、天氣的光照效果。除了自然光，還需要考慮人工光源對建筑群的影響。人工光源可以是室內的燈光、室外的路燈、街頭的霓虹燈等。可以使用UE4的動態光源和陰影技術來模擬人工光源對建筑物的照射效果。通過調整光源的位置、顏色、強度，可以模擬不同類型的人工光源對建筑物的影響。為了營造出歷史時期的氛圍和情境，還可以在虛擬場景中添加歷史時期的燈光和特效。例如，可以在虛擬場景中添加舊式的燈泡、燭光等，以模擬歷史時期的照明效果。此外，還可以添加煙霧、火花等特效，以增強場景的視覺效果。最后，還需要對整個虛擬場景進行全局光照優化，確保不同光源之間的光照協調一致，以營造出更加逼真的場景氛圍。

3.4? 物理模擬

物理模擬部分則討論了如何使用UE4的物理引擎，模擬建筑群的風吹草動、人物行走等動態效果，增加虛擬場景的真實感和互動性。在建筑群的動態效果下，使用UE4的剛體動力學和碰撞檢測技術來模擬建筑物的移動和碰撞效果。例如，可以通過設置建筑物的質量、摩擦力等物理屬性，模擬建筑物在風力作用下的搖晃效果。人物行走的動態效果是可以使用動畫藍圖和角色控制器來模擬人物的行走。通過設置動畫藍圖的動畫序列和時間，可以實現不同行走動作的動畫效果。此外，還可以添加聲音效果，如風聲、腳步聲等，以增強虛擬場景的聽覺體驗。最后，還需要對整個虛擬場景進行全局物理優化，確保不同物理元素之間的協調一致，以增加虛擬場景的整體感和真實感。

3.5? 交互體驗

在交互體驗階段，其目標是利用UE4的交互功能，為虛擬場景添加用戶交互元素，以提高參觀者的參與度和體驗感。在UE4中，可以使用藍圖和自定義事件來創建虛擬導游，并通過設置藍圖中的條件和動作，實現不同場景的切換和動畫效果的播放。同時，自定義事件可以處理用戶的輸入和反饋，如語音識別、手勢識別等。除了虛擬導游，語音解說功能的添加，可以利用文本到語音轉換技術來實現。通過文本轉換為語音并播放出來，為參觀者提供詳細的解說和介紹。此外，語音識別技術用來處理參觀者的語音輸入和反饋是提升虛擬仿真功能的重要途徑。在UE4中，藍圖條件和動作的設置，可以實現不同展品的切換和動畫效果的播放。同時，還可以使用自定義事件來處理用戶的輸入和反饋，如按鈕點擊、觸摸屏幕等[8]。為了提高交互體驗的質量和效果，對虛擬場景中的交互元素進行優化和調整。例如，可以調整虛擬導游的語音速度和語調，以適應不同的參觀者和場景需求。此外，還可以優化互動展示的動畫效果和切換邏輯，以增強參觀者的參與感和體驗感。最后，還需要對整個虛擬場景進行全局交互優化，確保不同交互元素之間的協調一致和流暢性。同時，還需要考慮不同設備平臺和網絡環境下的交互體驗優化，以滿足不同用戶的需求和期望（圖5）。

4? 結束語

基于UE4技術平臺，贛南蘇區紅色文化遺址建筑群三維虛擬仿真利用現代數字化關鍵技術重現了這一歷史文化遺產的風貌。在實現過程中，不僅使用了實時渲染、三維建模、物理引擎等先進技術，還結合了歷史文獻和現場勘查數據，以盡可能還原建筑群的原貌。通過這一研究，不僅為紅色文化遺產的保護和傳承提供了新的思路和方法，還為公眾提供了更為直觀、真實的文化體驗。同時，大眾也認識到數字化保護工作的重要性，為深入研究UE4技術平臺的應用，提高三維虛擬仿真的質量和效果，為更多文化遺產的保護和傳承作出貢獻。展望UE4技術平臺未來發展，更高的實時渲染質量、更精細的物理模擬及更豐富的交互體驗將為贛南蘇區紅色文化遺址建筑群提供全面的數字視角來呈現其本體與文化。顯然，這種全面的視角不僅展示了UE4技術平臺在數字化保護和文化傳承方面的應用，也指出了未來可能的發展方向。

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