基于Unreal Engine的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在元宇宙圖書館中的應(yīng)用

收稿日期：2023-08-11

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.05.031

摘" 要：以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為研究切入點(diǎn)，探索元宇宙圖書館建設(shè)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑。通過文獻(xiàn)調(diào)研對(duì)比分析現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，尋找一種適合高校圖書館自主研發(fā)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法，并通過具體案例驗(yàn)證該方法的現(xiàn)實(shí)可行性。研究發(fā)現(xiàn)基于Unreal Engine的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有低成本、低代碼量、可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，適合經(jīng)費(fèi)少、計(jì)算機(jī)人才短缺的高校圖書館。對(duì)高校圖書館推進(jìn)元宇宙圖書館建設(shè)具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：元宇宙；圖書館；虛擬現(xiàn)實(shí)；Unreal Engine

中圖分類號(hào)：TP39" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" 文章編號(hào)：2096-4706（2024）05-0144-05

Application of VR Technology Based on Unreal Engine in Metaverse Library

WANG Tieliang， YUAN Yuan

（Library of Zhejiang International Studies University， Hangzhou" 310023， China）

Abstract： Virtual Reality technology is used as the research entry point to explore the technical realization path of metaverse library construction. This paper compares and analyzes the existing Virtual Reality technologies through literature research to find a technology realization method suitable for independent research and development of university libraries， and verifies the realistic feasibility of the method by specific cases. The study shows that the Virtual Reality technology based on Unreal Engine has the advantages of low cost， less code and expansibility， which is suitable for university libraries with a little funding and shortage of computer talents. It has certain reference value for university libraries to promote the construction of metaverse libraries.

Keywords： metaverse; library; Virtual Reality; Unreal Engine

0" 引" 言

2021年10月國(guó)外著名社交平臺(tái)Facebook更名為“Meta”，引發(fā)各國(guó)政府和各行各業(yè)的極大關(guān)注，英偉達(dá)、微軟、蘋果、騰訊等科技巨頭紛紛布局元宇宙，2021年也被定義為元宇宙元年。

關(guān)于元宇宙的概念目前尚未有明確的定義，楊新涯認(rèn)為元宇宙是整合VR/AR、云計(jì)算、人工智能和區(qū)塊鏈等信息技術(shù)構(gòu)建的虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界相結(jié)合的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，具有相對(duì)獨(dú)立的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和逐漸生長(zhǎng)的文明體系，為用戶提供沉浸式體驗(yàn)并鼓勵(lì)用戶進(jìn)行內(nèi)容生產(chǎn)的虛擬社會(huì)[1]。

元宇宙的火爆出圈，同樣受到圖書館領(lǐng)域的極大關(guān)注。元宇宙沉浸式、不受時(shí)空限制等特點(diǎn)，對(duì)未來圖書館重新構(gòu)建服務(wù)模式有著重要的意義。學(xué)界對(duì)元宇宙圖書館的研究也日趨火熱。邢璐等學(xué)者通過文獻(xiàn)計(jì)量與主題分析發(fā)現(xiàn)，國(guó)外研究元宇宙圖書館側(cè)重于元宇宙圖書館相關(guān)技術(shù)的實(shí)踐研究，國(guó)內(nèi)則更側(cè)重于元宇宙圖書館的定位、服務(wù)等宏觀層面的理論研究，對(duì)元宇宙技術(shù)在圖書館的應(yīng)用研究還很少[2]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為元宇宙的關(guān)鍵技術(shù)之一，是元宇宙圖書館建設(shè)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑上不可或缺的一環(huán)。目前高校圖書館正面臨經(jīng)費(fèi)縮減、編制減員等問題，將現(xiàn)實(shí)的圖書館搬到元宇宙的虛擬世界中，無論是從資金上還是人才儲(chǔ)備上都面臨著嚴(yán)重挑戰(zhàn)。

本文通過文獻(xiàn)調(diào)研，對(duì)比現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法，提出一種基于Unreal Engine的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)方案，并通過浙江外國(guó)語(yǔ)學(xué)院圖書館建筑虛擬化案例，驗(yàn)證該方案的現(xiàn)實(shí)可行性。

1" 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種通過計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和虛擬仿真“重現(xiàn)”真實(shí)世界的場(chǎng)景，讓讀者有身臨其境的體驗(yàn)的技術(shù)。隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的日漸成熟，傳統(tǒng)的教學(xué)方式、學(xué)習(xí)環(huán)境正在由“實(shí)體”向“虛擬”轉(zhuǎn)變[3]。

2003年林登實(shí)驗(yàn)室推出Second Life虛擬社區(qū)游戲，玩家可以在游戲里吃飯、旅行、購(gòu)物、建房子等活動(dòng)，很多大學(xué)、公司、博物館和圖書館紛紛加入，截至2014年，全球已有800多個(gè)圖書館參與其中[4]。美國(guó)得克薩斯Aamp;M大學(xué)的伊萬斯圖書館通過虛擬仿真技術(shù)，讓使用者通過遠(yuǎn)程接入的技術(shù)漫游圖書館，在虛擬環(huán)境中利用導(dǎo)航、瀏覽、閱讀、聆聽了解圖書館圖書情報(bào)[5]。

2008年9月，中國(guó)國(guó)家圖書館正式推出了“虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)”用戶體驗(yàn)區(qū)。用戶可在中國(guó)國(guó)家圖書館中進(jìn)行新館漫步，虛擬地“參觀”，足不出戶即可了解國(guó)家圖書館的業(yè)務(wù)布局和建筑風(fēng)格。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式有很多種，目前流行的主要分兩類：一種基于360°全景技術(shù)和另一種基于三維建模技術(shù)。

1.1" 360°全景技術(shù)

360°全景技術(shù)是一種結(jié)合數(shù)碼攝影、計(jì)算機(jī)圖像和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)圖像技術(shù)。

該技術(shù)首先通過相機(jī)在水平方向按每隔一定角度拍攝一張環(huán)繞360°，然后頂?shù)赘髋臄z一張。再將這些圖片導(dǎo)入到全景圖合成軟件制作成一張全景圖，并通過flash等技術(shù)添加語(yǔ)音、文字和熱點(diǎn)等交互信息，最后發(fā)布到網(wǎng)站上。

司占軍等人利用單反相機(jī)、Photoshop CC和PTGui Pro軟件實(shí)現(xiàn)了全景圖制作，并在720云平臺(tái)上發(fā)布完成了天津科技大學(xué)河西校區(qū)圖書館漫游系統(tǒng)的制作[6]。李慧利用Nikon D90、JTS-Rotator全景云臺(tái)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)了校園全景圖的制作[7]。

這種實(shí)現(xiàn)方式的缺點(diǎn)是1）后期無法拓展更多的虛擬現(xiàn)實(shí)功能。例如虛擬數(shù)字人、VR閱讀、虛擬討論等都是很難實(shí)現(xiàn)的。2）交互功能單一。360°全景技術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品很多都是固定的漫游路線，只能通過點(diǎn)擊場(chǎng)景中的熱點(diǎn)來行走，缺乏自由度。優(yōu)點(diǎn)是，工作量小，容易實(shí)現(xiàn)，開發(fā)成本低，并且實(shí)地拍攝的照片看起來也真實(shí)。因此，360°全景技術(shù)只適合功能單一的虛擬導(dǎo)航和全景展示，并不適合構(gòu)建復(fù)雜的元宇宙圖書館體系。

1.2" 三維建模技術(shù)

三維建模技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域最常用的技術(shù)，是CG（Computer Graphic）領(lǐng)域的典型技術(shù)，廣泛應(yīng)用于影視、動(dòng)畫、游戲、建筑等領(lǐng)域。市場(chǎng)上常見的3D電影、3D游戲、房地產(chǎn)廣告等都基于這種技術(shù)。

基于三維建模技術(shù)的虛擬圖書館實(shí)現(xiàn)通常分為以下幾個(gè)步驟：收集圖書館建筑數(shù)據(jù)、三維軟件建模、導(dǎo)入人機(jī)交互軟件和打包發(fā)布軟件。

1）收集圖書館建筑數(shù)據(jù)。獲取圖書館建筑數(shù)據(jù)一般有兩種方式。一種是獲取建筑CAD圖紙。新造的圖書館一般可以要求建筑設(shè)計(jì)單位提供CAD圖紙。國(guó)內(nèi)建筑企業(yè)大多用天正建筑CAD制作電子圖紙，這種圖紙符合AutoCAD軟件格式標(biāo)準(zhǔn)，只需安裝AutoCAD軟件即可查看。另一種是在圖書館實(shí)地測(cè)量，自己畫平面圖紙。老的圖書館很多都沒有CAD圖紙，只能現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)。

2）三維軟件建模。三維軟件建模是將二維的建筑數(shù)據(jù)用三維的方式展現(xiàn)出來。目前市場(chǎng)上的三維軟件主要有Revit、C4D、3Ds Max、Maya和SketchUp等，一般Revit、3DsMax和SketchUp支持直接導(dǎo)入AutoCAD文件，在建筑領(lǐng)域應(yīng)用較多，而C4D和Maya在影視動(dòng)畫和游戲等領(lǐng)域應(yīng)用的比較多。三維建模是整個(gè)工作流中最復(fù)雜、工作量最大的部分。三維建模工作需要配合人機(jī)交互軟件來進(jìn)行，不同的人機(jī)交互軟件對(duì)三維模型有不同的要求。例如有些要求提供兩套UV，有些對(duì)模型的三角面數(shù)有限制，有些對(duì)模型的格式有要求，等等。

3）人機(jī)交互軟件。人機(jī)交互軟件的主要功能是給導(dǎo)入的三維模型添加人機(jī)交互邏輯和圖形渲染功能。人機(jī)交互邏輯包括AI、物理、碰撞、觸發(fā)器、UI界面等，一般需要編程實(shí)現(xiàn)。圖形渲染方面主要為模型添加材質(zhì)貼圖、光照等信息。常見的用于開發(fā)VR的人機(jī)交互軟件有VRML、X3D、Unreal Engine、Unity3D、Quest3D和中視典的VRP等。

4）打包發(fā)布軟件。軟件發(fā)布要考慮各種平臺(tái)系統(tǒng)。例如，桌面版的Windows、Linux、MacOS系統(tǒng)，移動(dòng)版的Android、iOS、TVOS等系統(tǒng)。人機(jī)交互軟件一般都帶有相應(yīng)的軟件打包功能，支持跨平臺(tái)的軟件發(fā)布。

基于三維建模實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的案例有很多。呂朝華等用3Ds Max和Quest3D實(shí)現(xiàn)了虛擬圖書館漫游[8]。莊楚鑫等基于Unity3D和3DsMax實(shí)現(xiàn)了圖書館虛擬閱讀系統(tǒng)[9]。

這種基于三維建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的方式有以下幾個(gè)缺點(diǎn)：1）開發(fā)技術(shù)要求高。開發(fā)者需要掌握二維CAD軟件，三維建模軟件，人機(jī)交互軟件，還需要懂Photoshop等圖片處理技術(shù)。2）工作量大。從實(shí)地勘測(cè)、三維建模到實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互需要大量的時(shí)間和精力。3）對(duì)硬件要求高。開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)的這些三維軟件對(duì)顯卡、內(nèi)存的要求很高，一般都需要圖形工作站才能勝任。

優(yōu)點(diǎn)是立體感和沉浸感強(qiáng)、交互體驗(yàn)好、可擴(kuò)展性強(qiáng)，是目前開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)的主流技術(shù)。基于三維建模的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以在同一個(gè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)建筑虛擬化、圖書虛擬化、虛擬數(shù)字人和VR閱讀等功能，更符合元宇宙圖書館未來的發(fā)展趨勢(shì)。

2" Unreal Engine

2.1" Unreal Engine簡(jiǎn)介

Unreal Engine（虛幻引擎）是世界著名的游戲公司Epic Games于2014年發(fā)行的一款殿堂級(jí)的游戲開發(fā)引擎與編輯器，前身是UDK（Unreal Development Kit）。《戰(zhàn)爭(zhēng)機(jī)器》《虛幻競(jìng)技場(chǎng)》《絕地求生：刺激戰(zhàn)場(chǎng)》《堡壘之夜》等知名游戲都是基于Unreal Engine開發(fā)的。Unreal Engine之前由于高昂的授權(quán)費(fèi)用，一般都是在大公司使用，直到2015年3月Epic公司宣布Unreal Engine 4開源免費(fèi)，才逐漸在業(yè)界流行起來。Unreal Engine由于其照片級(jí)逼真的畫質(zhì)、強(qiáng)大的實(shí)時(shí)渲染功能，在建筑、影視、動(dòng)畫等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

目前Unreal Engine在圖書館領(lǐng)域的應(yīng)用還比較少。2013年高義棟等基于UDK實(shí)現(xiàn)了虛擬圖書館漫游系統(tǒng)[10]。2016年日本游戲美術(shù)師Aiko Shinohara基于Unreal Engine引擎制作了牛津大學(xué)圖書館。2016年，劉向暉等探索了Unreal Engine引擎在烏蘭察布集寧附中圖書館建筑可視化中的應(yīng)用[11]。

2.2" Unreal Engine對(duì)比Unity 3D

在基于三維建模技術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)方案中，Unreal Engine和Unity3D是當(dāng)下虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域應(yīng)用最多的兩款引擎，兩款引擎的差異如表1所示。

表1" Unreal Engine對(duì)比Unity3D

引擎 Unreal Engine Unity3D

經(jīng)濟(jì)成本 創(chuàng)作者版：開源，免費(fèi) 個(gè)人版：不開源，免費(fèi)

編程語(yǔ)言 藍(lán)圖、C++ C#、JavaScript

跨平臺(tái)支持 是 是

商店資源 少、貴、質(zhì)量好 多、便宜、參差不齊

社區(qū)資源 少 多

1）Unreal Engine和Unity3D都有免費(fèi)的版本，但是Unity3D的免費(fèi)版不能定制發(fā)布軟件的Logo，沒有性能優(yōu)化調(diào)試工具，源代碼不開源。Unreal Engine是開放源代碼的，可以自定義Logo，內(nèi)部集成各種性能優(yōu)化調(diào)試工具，對(duì)開發(fā)者而言Unreal Engine的自由度更大。

2）藍(lán)圖是可視化編程語(yǔ)言，只需拖拽圖形即可完成編程。雖然Unreal Engine引擎的底層是C++實(shí)現(xiàn)的，但是它可以通過藍(lán)圖來實(shí)現(xiàn)不寫一行代碼完成交互邏輯。所以，即使是不懂程序的關(guān)卡設(shè)計(jì)師和美術(shù)師都可以獨(dú)立完成游戲邏輯。相比之下，Unity3D對(duì)開發(fā)人員的要求比較高，Unity3D原生是不支持可視化編程的，所以開發(fā)人員需要有C#等語(yǔ)言的編程基礎(chǔ)。

3）Unreal Engine和Unity3D都支持跨平臺(tái)的打包輸出，但是Unreal Engine一直以來主攻桌面游戲和主機(jī)游戲領(lǐng)域，對(duì)移動(dòng)端的支持沒有Unity3D做得好，這也是為什么Unity3D在手機(jī)領(lǐng)域很受歡迎。

4）雖然Unreal Engine的商店資源質(zhì)量普遍比Unity3D的好，但是免費(fèi)的資源Unreal Engine很少。

5）由于Unreal Engine從2015年開始才開源免費(fèi)，而Unity3D從開始發(fā)布就推行免費(fèi)策略，社區(qū)的人數(shù)Unity3D一直保持領(lǐng)先，社區(qū)的文檔資料等自然也是Unity3D多得多。

綜上所述，Unreal Engine和Unity 3D在非商業(yè)用途上的經(jīng)濟(jì)成本都是很低的。雖然Unreal Engine 在低端硬件的支持上和學(xué)習(xí)資料等方面不及Unity 3D，但是Unreal Engine的可視化編程可以不寫代碼開發(fā)，以及Unreal Engine的開源特性，在擴(kuò)展性和定制方面比Unity 3D強(qiáng)。對(duì)于經(jīng)費(fèi)少、計(jì)算機(jī)人才缺乏的高校圖書館而言，基于Unreal Engine自主開發(fā)虛擬圖書館是不錯(cuò)的選擇。

3" 基于Unreal Engine的圖書館建筑虛擬化實(shí)現(xiàn)

以浙江外國(guó)語(yǔ)學(xué)院新圖書館為例，如圖1所示，基于Unreal Engine 4.26的圖書館建筑虛擬化開發(fā)主要分為四個(gè)步驟。第一步，從校園建設(shè)處獲取圖書館新館的CAD文件。第二步，將CAD文件整理好后，導(dǎo)入到3Ds Max軟件中進(jìn)行三維建模。第三步，將模型導(dǎo)入U(xiǎn)nreal Engine，對(duì)模型進(jìn)行材質(zhì)設(shè)置和人機(jī)交互設(shè)置。第四步，打包輸出各平臺(tái)的可執(zhí)行文件。

圖1" 基于Unreal Engine開發(fā)的實(shí)現(xiàn)框架

3.1" 圖書館建筑CAD文件處理

對(duì)于圖書館建筑模型來講，主體結(jié)構(gòu)主要由墻面和窗戶等組成。如圖2所示，CAD圖紙中有很多人防以及內(nèi)部管道等冗余圖層信息，對(duì)三維建模是沒有用的，因此，在導(dǎo)入3Ds Max之前首先要去掉這些圖層，只留下墻面、柱子和窗戶等相關(guān)的圖層。

3.2" 導(dǎo)入到3Ds Max軟件中進(jìn)行三維建模

建筑CAD圖紙導(dǎo)入3Ds Max后，根據(jù)CAD圖紙中的墻面進(jìn)行布線，并通過平面拉伸、旋轉(zhuǎn)等方式建立三維模型。對(duì)于窗戶、柱子等可重復(fù)利用的小部件一般都單獨(dú)建模，最后拼接到建筑模型里，如圖3所示。在制作模型部件的同時(shí)，要將部件的UV展開，為Unreal Engine中上材質(zhì)做準(zhǔn)備。在UnrealEngine4中需要準(zhǔn)備兩套UV，分別用于材質(zhì)貼圖和光照貼圖。對(duì)于少量的小模型一般采用FBX文件進(jìn)行3Ds Max和Unreal Engine之間的交互，但是對(duì)于有大量部件的建筑模型來說就很不方便。這里我們應(yīng)用Unreal Datasmith Exporter for 3Ds Max插件來進(jìn)行交互，Datasmith插件可以一次性將3Ds Max中拼裝好的三維模型轉(zhuǎn)化為.udatasmith格式導(dǎo)入到Unreal Engine中。

3.3" 在Unreal Engine中制作材質(zhì)球

現(xiàn)實(shí)中墻面、窗戶、欄桿等都是由不同的材質(zhì)構(gòu)成，在Unreal Engine中用材質(zhì)球的方式來是呈現(xiàn)水泥、玻璃、金屬等不同的視覺效果。Unreal Engine本身自帶了很多材質(zhì)球供我們使用，對(duì)于特殊的材質(zhì)，比如學(xué)校Logo，我們需要準(zhǔn)備顏色貼圖、法線貼圖等來自定義材質(zhì)球，如圖4所示，在Unreal Engine中通過藍(lán)圖來自定義材質(zhì)球的設(shè)置。

3.4" 軟件發(fā)布

Unreal Engine支持跨平臺(tái)打包輸出，可以根據(jù)自己的需求發(fā)布桌面版、移動(dòng)版、VR眼鏡版、智能電視版等格式。這里選擇Windows平臺(tái)進(jìn)行打包測(cè)試，運(yùn)行生成可執(zhí)行的.exe文件，如圖5所示，用戶可以通過WASD按鍵進(jìn)行游覽虛擬圖書館。

圖5" 打包發(fā)布軟件

4nbsp; 結(jié)" 論

基于Unreal Engine的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)元宇宙圖書館具有現(xiàn)實(shí)可行性，Unreal Engine低成本，高畫質(zhì)，低代碼開發(fā)等特點(diǎn)，非常適合目前大多數(shù)高校圖書館經(jīng)費(fèi)少、計(jì)算機(jī)人才短缺的情況。雖然基于360度全景照片方案是成本最低，但基于三維建模的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有立體感和沉浸感強(qiáng)、交互體驗(yàn)好、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以在同一平臺(tái)實(shí)現(xiàn)虛擬圖書館漫游、虛擬數(shù)字人咨詢、VR閱讀等各種圖書館服務(wù)，更符合元宇宙圖書館未來的發(fā)展趨勢(shì)。未來隨著ChatGPT等AI技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，元宇宙圖書館將更加貼近現(xiàn)實(shí)和更加智慧化。

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作者簡(jiǎn)介：汪鐵良（1987—），男，漢族，浙江杭州人，助理館員，碩士，研究方向：數(shù)字圖書館；袁圓（1981—），女，漢族，浙江杭州人，助理館員，本科，研究方向：平面設(shè)計(jì)、視覺傳達(dá)。