基于Unreal Engine4引擎的虛擬校園游覽開(kāi)發(fā)思路

李剛 熊越 顏佳偉 王紹壘

摘 要：文章對(duì)基于Unreal Engine4引擎的虛擬校園游覽的開(kāi)發(fā)思路進(jìn)行了簡(jiǎn)潔的描述，并且在此基礎(chǔ)上又綜合分析了其科學(xué)性、先進(jìn)性和創(chuàng)新性，從而為后期開(kāi)發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù)；虛擬校園

[項(xiàng)目名稱(chēng)：校園數(shù)字化展示與虛擬交互瀏覽平臺(tái)建設(shè)——以衡陽(yáng)師范學(xué)院東校區(qū)為例，項(xiàng)目編號(hào)：CX1710]

信息時(shí)代背景下，虛擬校園游覽的發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｒ訴R（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實(shí)）為主的創(chuàng)新技術(shù)，為主的科學(xué)發(fā)展，起到了重要的推動(dòng)作用。基于Unreal Engine4引擎的虛擬校園游覽的開(kāi)發(fā)，采用了可交互性動(dòng)態(tài)場(chǎng)景編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了虛擬校園游覽系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

一、基于Unreal Engine4引擎的虛擬校園游覽開(kāi)發(fā)的基本流程

（一）景觀基因識(shí)別

利用景觀基因理論和方法，通過(guò)現(xiàn)實(shí)校園的建筑學(xué)、文化地理學(xué)等方面的分析，識(shí)別和提取了景觀關(guān)鍵特征——景觀基因。

（二）景觀數(shù)據(jù)獲取

利用三維激光測(cè)量獲取現(xiàn)實(shí)校園景觀基因的高精度測(cè)量數(shù)據(jù)，并通過(guò)實(shí)地考察與測(cè)量，并結(jié)合高分辨率遙感數(shù)據(jù)，獲得了景觀布局、建筑結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)。

（三）三維場(chǎng)景建模

對(duì)于表現(xiàn)現(xiàn)實(shí)校園的關(guān)鍵特征的景觀基因元素，進(jìn)行高精度建模，對(duì)于一般的場(chǎng)景要素，進(jìn)行相對(duì)簡(jiǎn)單的建模，最終構(gòu)建出三維場(chǎng)景模型（圖1）。

（四）虛擬校園游覽系統(tǒng)的建立

作品利用3D圖像引擎虛擬化技術(shù)將現(xiàn)實(shí)校園的場(chǎng)景和提取的景觀基因通過(guò)程序語(yǔ)言和數(shù)學(xué)建模研發(fā)了一個(gè)虛擬校園游覽系統(tǒng)（圖2）。利用Unreal Engine API（Application Programming Interface，應(yīng)用程序編程接口）和3D模型框架，設(shè)計(jì)了初始觀測(cè)的起點(diǎn)邏輯和面向FBX模型的兼容性模式；設(shè)置了虛擬控制器用于解決PC端和VR端的IO流映射問(wèn)題，使得PC端和VR端的游覽者能使用相應(yīng)的控制器進(jìn)行場(chǎng)景的互動(dòng)，使游覽者能在該程序進(jìn)行可交互式操作；添加了相機(jī)組控制器，該控制器使用了API提供的相機(jī)類(lèi)指針數(shù)組對(duì)場(chǎng)景中的相機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)，然后使用計(jì)時(shí)器對(duì)系統(tǒng)線(xiàn)程進(jìn)行判定并分配相應(yīng)的IO流映射對(duì)存儲(chǔ)在指針數(shù)組的相機(jī)類(lèi)進(jìn)行喚醒，使游覽者可以在游覽過(guò)程中查看地圖全貌；優(yōu)化了相機(jī)類(lèi)、模型容器等類(lèi)，提高了內(nèi)存的加載速度以及運(yùn)行效率；使用了法線(xiàn)貼圖、AO烘焙技術(shù)以及通過(guò)減少場(chǎng)景模型的面數(shù)等方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了壓縮，降低了場(chǎng)景的搭建中對(duì)硬件規(guī)格的要求。通過(guò)以上操作建立了大型互動(dòng)場(chǎng)景，并且對(duì)場(chǎng)景物體進(jìn)行原模式排列組合，為了解決場(chǎng)景太大造成的運(yùn)行卡頓和無(wú)法啟動(dòng)，采用了異步加載和高模拓?fù)涞湍＜夹g(shù)。

二、基于Unreal Engine4引擎的虛擬校園游覽開(kāi)發(fā)的科學(xué)性

虛擬校園游覽的開(kāi)發(fā)采用敏捷軟件開(kāi)發(fā)模式，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、高模拓?fù)涞湍＜夹g(shù)和異步加載技術(shù)等，在現(xiàn)有硬件環(huán)境下完美運(yùn)行。利用了景觀基因理論，對(duì)于不同文化景觀要素，采用了差異化的建模方案，解決了對(duì)現(xiàn)實(shí)校園和模擬效果進(jìn)行三維建模時(shí)的數(shù)據(jù)復(fù)雜度和三維場(chǎng)景渲染速度的矛盾問(wèn)題，既加快了場(chǎng)景渲染的速度，又保證了數(shù)字景觀的原真性。

三、基于Unreal Engine4引擎的虛擬校園游覽開(kāi)發(fā)的先進(jìn)性

（一）支持跨平臺(tái)，交互性強(qiáng)

“虛擬校園游覽系統(tǒng)”能給游覽者帶來(lái)雖未親臨卻如親至的感覺(jué)，一幀幀畫(huà)面將游覽者帶進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)，隨著游覽者移動(dòng)、抬頭或轉(zhuǎn)身，人機(jī)交互功能隨之作出反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)人在畫(huà)中游的震撼效果。建立了大型互動(dòng)場(chǎng)景，設(shè)置了虛擬控制器用于解決PC端和VR端的跨平臺(tái)IO流映射問(wèn)題，使得PC端和VR端的游覽者能使用相應(yīng)的控制器進(jìn)行場(chǎng)景的互動(dòng)。

（二）對(duì)硬件的配置要求低

軟件開(kāi)發(fā)中使用了法線(xiàn)貼圖、AO烘焙技術(shù)、異步加載和高模拓?fù)涞湍＜夹g(shù)等方法來(lái)降低對(duì)硬件規(guī)格的要求。

（三）加載速度快，運(yùn)行效率高

采用優(yōu)化技術(shù)對(duì)相機(jī)類(lèi)、模型容器對(duì)應(yīng)的類(lèi)進(jìn)行優(yōu)化，提高了內(nèi)存的加載速度以及運(yùn)行效率。對(duì)3D圖像引擎進(jìn)行重新封裝，增強(qiáng)了代碼的可重用性，提高了代碼運(yùn)行的效率。

（四）采用高效、靈活的敏捷軟件開(kāi)發(fā)模式

采用敏捷軟件開(kāi)發(fā)模式，由開(kāi)發(fā)人員搭建了一個(gè)測(cè)試專(zhuān)用的Debug Editor IDE，并在IDE中編寫(xiě)了可供美工人員建模的框架，將該IDE遞交給美工人員，美工人員結(jié)合IDE，并通過(guò)藍(lán)圖（圖3）完成場(chǎng)景搭建后再由項(xiàng)目組對(duì)其進(jìn)行測(cè)試封裝成可執(zhí)行程序。這種開(kāi)發(fā)模式與傳統(tǒng)的由程序員搭建場(chǎng)景和產(chǎn)品測(cè)試的開(kāi)發(fā)模式相比具有很強(qiáng)的靈活性和高效性。

四、基于Unreal Engine4引擎的虛擬校園游覽開(kāi)發(fā)的創(chuàng)新性

（一）將景觀基因理論和方法應(yīng)用于虛擬校園游覽系統(tǒng)研發(fā)

景觀基因理論是現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景文化特征分析的創(chuàng)新理論，基于該理論能夠準(zhǔn)確把握文化景觀的關(guān)鍵特征，并找到文化景觀特征的聯(lián)系。“虛擬校園游覽系統(tǒng)”通過(guò)景觀基因理論的應(yīng)用，一方面降低了三維模型的復(fù)雜度，另一方面也保證了數(shù)字化場(chǎng)景對(duì)于文化的還原度。

（二）將虛擬技術(shù)和多平臺(tái)兼容技術(shù)應(yīng)用于校園游覽

虛擬校園游覽是游覽數(shù)字化校園建立的重要發(fā)展方向，將進(jìn)一步增強(qiáng)數(shù)字化校園的體驗(yàn)性，能夠滿(mǎn)足數(shù)字化校園游覽對(duì)文化體驗(yàn)的需求，通過(guò)以衡陽(yáng)師范學(xué)院東校區(qū)為案例的實(shí)驗(yàn)，形成了虛擬校園游覽系統(tǒng)的技術(shù)體系。

（三）虛擬校園游覽系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新

以VR為核心，整合人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)引擎，挖掘現(xiàn)實(shí)校園的人文、歷史等文化IP，進(jìn)行了以下技術(shù)創(chuàng)新：使用虛擬控制器技術(shù)解決PC端和VR端的跨平臺(tái)IO流映射問(wèn)題，增強(qiáng)場(chǎng)景的互動(dòng)性；使用法線(xiàn)貼圖、AO烘焙技術(shù)以及通過(guò)減少場(chǎng)景模型的面數(shù)等方法來(lái)降低對(duì)硬件規(guī)格的要求；使用3D圖像引擎封裝技術(shù)，增強(qiáng)代碼的可重用性，提高代碼運(yùn)行的效率；使用優(yōu)化技術(shù)，提高內(nèi)存的加載速度；采用敏捷軟件開(kāi)發(fā)模式，提高了開(kāi)發(fā)的靈活性和高效。

由于筆者知識(shí)水平的局限性和相關(guān)材料還有些許不足，因此有部分內(nèi)容未探討；同時(shí)，部分觀點(diǎn)難免會(huì)主觀，論述也沒(méi)有十分全面。在此，懇請(qǐng)各位專(zhuān)家的批評(píng)指正。

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作者單位：

衡陽(yáng)師范學(xué)院美術(shù)學(xué)院