基于UE引擎的線上空間場景建構研究

基金項目：本文系2021年度四川音樂學院科研資助項目“基于UE引擎的線上空間場景建構研究”（CYXS2021056）研究成果。

近年來，隨著計算機圖形學的快速發展，數字世界中的圖形畫質越來越逼近真實的物理世界。計算機工程師以笛卡爾式的三維空間為藍圖，試圖在虛擬的數字世界中重現真實世界，創造了一個又一個的視覺奇跡。影視和游戲行業的創作者們利用計算機圖形學的研究成果，開發和制作了許多優秀的數字影像作品。同時，許多傳統行業在信息時代的背景下都面臨數字化轉型的問題，對虛擬數字場景的需求日益增加。虛幻引擎UE作為一款游戲開發軟件，可將線上空間場景呈現出絕佳的視覺效果，藝術和技術相結合的手段去建構數字化空間，為各行業數字轉型升級選代提供支持。

一、建構價值與邏輯

線上空間場景是虛擬的數字化空間，以數碼物的形式存在于計算機搭建的網絡系統中，為虛擬現實提供了基本的場所需求，是實現虛擬現實（VirtualReality）的基礎環節。虛擬現實是由計算機技術構造出來的一種人工環境，它具有模仿人的視覺、聽覺、觸覺等感知功能的能力，具有使人可以親身體驗沉浸在這種虛擬環境中并與之相互作用的能力。我國學者汪成為認為虛擬現實能幫助人類更好地認識世界，能令人沉浸其中，提高感知和認知能力。他引用了普代學者陸機的話來論述由線上空間場景所構成的虛擬現實所帶來的價值和意義，那就是“觀古今于須臾，撫四海于一瞬”。

線上空間場景的建構是利用基于計算機圖形學的三維建模技術，通過創建虛擬空間以及空間場景中的若干對象，以數字化的方式模擬真實或虛構的三維空間。線上空間場景的建構邏輯直觀而清晰，主要由建構內容和建構手段兩個部分先后有機地組織完成。建構內容的重心是數字化空間本身的設計，包含了功能分析、形式研究和建模。建構手段是使用UE引擎對設計好的虛擬空間進行進一步的處理和完善，以便更好地實現交互應用和表達（如圖1）。

二、線上空間場景的設計

從創作的角度來看，線上空間場景是以物理空間為參考而打造的虛擬三維空間，是具有相關功能和形式特征的空間。既然以三維物理環境作為參照對象，傳統空間設計理論在數字化空間設計中就必然有著一定的指導價值。但不同于傳統的空間設計，虛擬現實中的空間一方面因身體的不在場性，其功能與真實空間有著較大的差異；另一方面由于不受物理環境的制約，比如地心引力或者是材料的可獲得性等，空間形式的自由度似乎可以被無限度放大。關乎空間美學的形式問題在物理空間設計中一直以來都是充滿了爭議，而在虛擬現實中，對空間藝術的追求也是設計線上空間場景的難點。

（一）數字化空間的功能

在對物理空間進行功能設計時，具體的操作過程離不開人體工程學和相關的行業規范。基于身體和物理世界而產生的強制性規定會影響并引導整個設計周期，對設計的最終結果起著決定性的作用。而在虛擬現實中，個體與數字化空間是遠距離在場的關系。虛擬的個人形態僅作為一個符號，它超越了人體工程學的研究范圍。來自從物理世界中制定的行業規范顯然不適用于虛擬世界，但這并不意味著數字化空間失去了其功能價值，相反線上空間場景的使用是一定要最大限度地滿足不同類型空間的主體功能需求。

我們可以從建筑大師路易斯·康對空間的劃分來理解什么是空間的主體功能。在他看來，空間可以被分為服務空間和被服務空間來進行認識和了解。服務空間是指一切具有輔助功能的空間，比如衛生洗手空間、消防疏散通道空間、后勤保障空間、設備結構所需要的空間等，被服務空間則是更核心更具有標志性的活動空間。比如在虛擬博物館或美術館的設計中，被服務空間是展示空間，主體功能是展示藏品和藝術作品；在虛擬演播室的設計中，被服務空間是演繹空間，主體功能是為演藝人員提供表演的場所；在虛擬課堂的設計中，被服務空間是教學空間，主體功能是營造一個教師和學員能互相交流的環境等。在虛擬世界中，數字化空間完全可以脫離服務空間的需求，只需要考慮被服務空間的功能問題。因此，在設計數字化空間的時候，對其功能的考慮有一個提純的過程，只需要考慮該空間最核心的主體使用價值。

（二）數字化空間的形式

在漫長的歷史發展中，空間形式隨著技術和理念的不斷更新呈現出不同的視覺特征。進入到上世紀末，隨著計算機算法能力的提升，數字化輔助設計在傳統設計周期中所扮演的角色越來越重要。近年來不少由計算機參數所控制的空間作品被塑造成型，它們造價高昂，形式趨于自由的有機生態，有時甚至會有一種反重力的傾向，給人極大的視覺沖擊。這樣的造型伴隨著不少爭議，因為夸張的形式與功能的滿足在很多情況下是相情的。可是在虛擬空間環境中，形式可以擺脫結構功能的束縛而獲得自由，不再糾纏于是形式追隨功能還是功能追隨形式的問題。雖然數字化空間的形式可以獲得極大的自由度，但在設計上的自由并不能令數字化空間設計師樂觀應對，以往的設計經驗可用作參考卻沒有明確的方向。如果從技術的本質特征來觀照，計算機有著嚴謹的底層邏輯支持，參數化空間表面上自由形式是基于嚴密的數學結構，這與現代主義抽象幾何形式具有相似的內核。因此，數字化空間的形式設計在技術的角度上來看無論是抽象的幾何空間還是仿生的有機空間都可體現其藝術價值。

目前，如果對典型的虛擬空間案例進行收集和分析，一些關鍵詞很容易會被采集到，比如賽博朋克、風格化、廢土等影視游戲行業中最常見的藝術風格，不免令人眼花繚亂。沃林格認為，“人們就風格現象看到的只是其最外在的表面，那么，這種相似性就一直會蠱惑人心”3。隨后他從心理學的角度分析得出了兩種基本的形式創作來源，分別是抽象沖動和移情沖動。基于移情沖動創作出的藝術形式具有自然主義傾向，柔和充滿生氣，著力于表達有機的生命力；而基于抽象沖動創作出的藝術形式具有超驗的宗教色彩，有著規律性和幾何無機特征，強調一種永恒的必然性。兩種創作沖動從技術底層邏輯和藝術心理學的創作意志出發，剛好對應了數字化空間形式的抽象幾何和仿生有機，數字空間形式的創作也由此可獲得清晰的指導。

（三）數字化空間的模型搭建

當空間的功能和形式基本確定之后，便可以開始著手空間模型的搭建。目前用于空間建模所使用的三維建模軟件種類豐富，它們遵從著不同的建模方式和邏輯。在不同的行業領域中，這些建模工具因為工作流程的差異有一定的偏向性。常見的3D建模方式有NURBS曲面建模，Polygon多邊形建模，Parametric參數化建模和Reverse逆向建模，與此相關的軟件在不同實體行業里趨于固化。而對非實體的虛擬空間建模來講，這種固化可以被打破，建模軟件的偏向性也沒有存在的價值。數字化空間模型的搭建只需要從空間形式和特點出發，各種不同邏輯的建模軟件都可以采用去搭建或協助搭建相應的空間及空間中的內容物。

以虛擬博物館空間模型搭建為例，其核心設計內容是三維的展示環境和展示作品。若設計任務要求是對已經物理存在的博物館進行復原，就選擇Reverse逆向建模的方式，利用三維掃描和點云對環境和作品進行數字化呈現。如果搭建的對象是原創的虛擬博物館，就依據內容特征去選擇建模方式：當直線構件占主要視覺要素，同時對建模有快易性的要求時，就選擇建模邏輯類似手工的Polygon多邊形建模；而當場景中有大量的曲線構件，要求滿足曲線精度和流暢度時，選擇NURBS曲面建模就會獲得更好的效果。Parametric參數化建模是程序化的邏輯，相對來講有著較高的建模難度，但如果展示環境或展示作品的形態呈現出復雜的非線性特征時，參數化建模就比其他的方式更為高效。

三、基于UE引擎的操作和表達

作為開發游戲的引擎工具UnrealEngine使用的是頂點實時渲染，有著強大的渲染能力，能夠創建高度逼真的數字化空間場景。完成前期設計階段的空間場景在UE引擎中通過環境設定和模型數據導人，材質調整后完成渲染。當數字化空間在UE中呈現出滿意的可視化效果后，就進入最后的交互設計階段，使用藍圖系統賦予線上空間場景交互能力，讓用戶在其中獲得沉浸式體驗，從而完成整個建構流程。

（一）環境的設定和模型的導入

現實空間環境大致可分為兩個類別：自然環境和人工環境。虛擬空間中的環境嚴格說來都是人工環境，即便是自然環境也是人工化的模擬自然。同時，線上場景環境可以是復刻現實空間的人工環境，也可以是超現實的人工環境。Epic平臺和UE引擎提供了類型豐富的環境素材，無論是自然題材還是人為題材都有相應的模型和材質可供使用和下載。空間設計師可以像藝術家一樣去設定一個契合作品內容的世界景觀，利用資產將其布局在UE引擎中。在引擎中，創作者通過天空系統，大地系統，植被系統，水系統，燈光系統和體積霧等相應的工具將環境要素一起有機組織起來，并調節參數使其符合空間作品的環境特性。

環境呈現達到場景設計的基本要求，就能將之前在建模軟件中搭建好的模型導入引擎進行渲染和交互設計。由于數字空間模型來自不同的建模軟件，文件格式和數據類型都不一致。為了將不同類型的數字模型同時組織在同一平臺中，官方平臺為UE引擎配置了一款針對解決模型導入問題的插件工具Datasmith，極大地提升了引擎的配適度。在Datasmith的聯結下，各類建模軟件都能將各自的模型數據順利導入虛幻引擎中成為可利用的有效資產。Datasmith可以處理CAD文件格式和其他3D文件格式，如FBX和OBJ的文件格式，優化幾何圖形的數據，將原本的材質轉換為虛幻的材質系統，以確保可視化效果。

（二）對空間場景的渲染

高質量的實時渲染是實現線上空間體驗最重要的技術支撐。虛擬場景的圖像擬真程度必然會隨著實時光線追蹤渲染的普及獲得明顯的提升[。虛幻引擎支持的實時光線追蹤技術（Real-TimeRayTracing）配合全局光照技術（GlobalIllumination），模擬物理世界中光的反射和折射，動態地調節陰影的軟硬效果，使空間場景的可視化真實自然。此外，虛幻引擎使用的物理PBR材質系統與現實世界的材質種類和特性相對應，在光照下盡可能地模擬出準確的物質外觀。在實時渲染過程中，虛幻引擎還能動態實現時間和天氣變化，雨雪、云層、日出日落、星空等，加上粒子系統模擬霧氣、火、煙等效果，增加空間場景的氛圍，使線上空間場景的視覺效果更加生動。

而在最近版本中，UE5系列所攻克的兩項技術使空間場景渲染的效率和效果有了質的飛躍，使設計師和藝術家們所創作的空間場景在引擎中的建構提供了更大的可能性。其中之一是虛擬化幾何Nanite，它可以高效處理數據龐大的多邊形幾何模型，在而不損耗模型質量的前提下，使大型的復雜的線上空間場景可以流暢運行。另一項就是全局光照Lumen，Lumen可以實時產生逼真的全局光照效果，無需事先烘焙，讓線上的空間場景在設計后期的調整過程中能獲得更加直觀的呈現。有了這兩項技術的支持，設計師和藝術家們幾乎可以沒有顧慮地進行虛擬三維空間的設計以及更好地把控場景的細節，保證空間作品的創作獲得最佳的效果。

（三）線上空間場景的交互設計

要想讓人們在虛擬空間中找到真實空間中的沉浸感和融入感，如何讓人們與虛擬空間產生更加自然、更加人性化的互動，增強交互體驗尤為重要。UE引擎為虛擬空間場景實現交互能力提供了豐富的功能和工具，可以使數字化空間的用戶在終端獲得沉浸式的體驗。作為一款游戲引擎，UE的藍圖系統在用戶界面設計和用戶體驗設計方面都有相應的技術支持。藍圖是一種可視化的編程語言，將編寫好的代碼裝載進節點組件的形式來實現人與計算機的對話，對非計算機領域的操作人員來講非常友好。通過藍圖系統，虛擬場景中的交互邏輯以一種視覺化的模式呈現出來，可以快速地被設計師和藝術家建構和調整。因此，在對虛擬空間場景進行交互設計時，創作者無需編寫底層代碼就可以直觀地對空間中的構成要素設定邏輯。

在對線上空間場景進行用戶界面（UI）設計中，使用UMG用戶藍圖界面系統創建空間界面元素，通過藍圖創建邏輯去設定和控制UI的可見性，按鈕交互和文本內容等。此類交互屬于二維的界面互動設計，對于線上空間場景來講，最主要的交互體驗來自三維空間。因此，線上空間場景最具沉浸感的體驗取決于兩類交互設計：其一是三維空間中物體構件之間的觸發和碰撞，其二是交互產生的同時進行視覺和聽覺的同頻設計。首先用藍圖事件發生器捕獲輸入設備，通常是鼠標、鍵盤、手柄或VR設備，接下來創建觸發物體對象，即空間場景中的靜態網格模型，然后使用藍圖對模型進行動態效果的設計。在整個交互設計過程中，對象的狀態使用藍圖變量來調節模型資產的外觀，可見性和動畫效果，使線上空間場景產生生動的交互內容。

四、結語

本文研究線上空間場景在虛擬現實中作為數字化空間的設計問題，從空間功能，空間形式和數字模型的搭建三個方面展開分析，得到數字化空間在主體內容建構中的設計要點。其次，文章就游戲引擎UE做為線上空間場景的表達平臺，對如何實現數字化空間模型的導入和渲染并賦予其交互能力進行了闡述。該論題的不足之處在于資料架構方面，比如場景空間數字資源庫的建立，使用和管理等內容還需要更多的思考與探討。今后，隨著對虛擬現實空間現象更加深入地研究，相關的基礎理論和設計方法論將會架構得更加清晰。在各行各業進行數字化升級的未來，由數字化空間所構成的線上場景的需求必然會日益增多。人們的生活方式和工作模式也會隨著數字化升級而相應改變，這也推動了線上空間場景的進一步開發應用和發展。

參考文獻：

[]汪成為，人類認識世界的幫手—虛擬現實[M].北京：清華大學出版社，2000：3.

[2]鐘曼琳，李興鋼．結構與形式的融合—路易斯·康的服務與被服務空間的演變[J].建筑技藝，2013（3）：24-27.

[3]沃林格，抽象與移情[M].王才勇，譯，北京：金城出版社，2019.9.

[4]趙亮：基于光纖追蹤的實時渲染技術分析[J].現代電影技術，2019 （4）：42.

[5]薄一航，虛擬空間設計中的關鍵技術分析[J].現代電影技術，2022 （1）：22-23.

作者簡介：

廖一聯，碩士，四川音樂學院講師。研究方向：虛擬現實空間設計與教學。

申敏，碩士，四川音樂學院講師。研究方向：虛擬現實空間藝術設計，文化遺產數字活化。

編輯：宋國棟