基于UE4的VR虛擬校園系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)

張利群

[摘要]? 重點(diǎn)探討以3ds Max和Unreal Engine 4為工具來(lái)構(gòu)建VR虛擬校園系統(tǒng)，結(jié)合校園全景拍攝的素材，重點(diǎn)闡述了系統(tǒng)關(guān)鍵功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，包括3ds Max中的三維模型的建立、材質(zhì)貼圖等，以及在Unreal Engine 4中的場(chǎng)景、界面以及交互功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，最后利用Unreal Engine 4自帶組件進(jìn)行系統(tǒng)的功能和性能測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了VR虛擬校園。

[關(guān)鍵詞]? VR;3ds Max;UE4;建模;虛擬校園

[中圖分類號(hào)]? TP391.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號(hào)]? 2096-0603（2021）37-0150-02

VR（虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)）主要指包括計(jì)算機(jī)、電子信息、仿真技術(shù)于一體，其基本實(shí)現(xiàn)方式是計(jì)算機(jī)模擬虛擬環(huán)境從而給人以環(huán)境沉浸感。虛擬校園，就是將現(xiàn)實(shí)中學(xué)校的教學(xué)環(huán)境和校園的三維建筑以及景觀利用先進(jìn)的技術(shù)在計(jì)算機(jī)中虛擬地再現(xiàn)出來(lái)。虛擬校園不僅能夠構(gòu)建一個(gè)三維的逼真的校園環(huán)境，還可以掛到學(xué)校網(wǎng)站上，讓遠(yuǎn)程用戶下載或者直接觀看。有了虛擬校園，學(xué)校的對(duì)外宣傳就不再僅僅局限于文字、圖片等傳統(tǒng)的宣傳方式，它能夠更加直觀地將學(xué)校的情況展現(xiàn)在用戶的眼前。通過(guò)三維、全景構(gòu)建的VR虛擬校園系統(tǒng)建設(shè)成功之后可以在以下方面發(fā)揮重要作用：

1.滿足用戶網(wǎng)上虛擬校園漫游，使用戶更直觀地了解校園的布局。

2.在招生宣傳工作中發(fā)揮作用，方便新生對(duì)學(xué)校情況進(jìn)行了解。

3.輔助學(xué)校進(jìn)行校園規(guī)劃，對(duì)于校園信息管理、規(guī)劃、建設(shè)等能夠全局掌控。

4.學(xué)生通過(guò)實(shí)時(shí)參與到系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)，了解了VR制作的流程，更好地學(xué)習(xí)和應(yīng)用專業(yè)知識(shí)。

通過(guò)三維、全景構(gòu)建VR虛擬校園系統(tǒng)，使用合適的開(kāi)發(fā)工具可以提高構(gòu)建的效率。在構(gòu)建過(guò)程中，遵循規(guī)范的開(kāi)發(fā)流程可以確保按時(shí)、保質(zhì)、保量地完成預(yù)期效果。

一、開(kāi)發(fā)工具選型

構(gòu)建VR系統(tǒng)，可以選擇的開(kāi)發(fā)工具包含Unity、Unreal、CryEngine、Lumberyard、UE4、3ds Max等，綜合考慮虛擬校園需要實(shí)時(shí)渲染真實(shí)效果、物理屬性逼真的特點(diǎn)，選取3ds Max和UE4作為工具。其中，3ds Max用來(lái)構(gòu)建三維模型，UE4用來(lái)制作和渲染VR效果。

3ds Max是Autodesk公司推出的一款強(qiáng)大的三維動(dòng)畫(huà)軟件，它在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、室內(nèi)外建筑效果表現(xiàn)、影視廣告、動(dòng)畫(huà)、游戲制作等方面得到了廣泛的應(yīng)用，是目前最流行的三維軟件之一。

UE4（虛幻引擎4）是Epic Game公司開(kāi)發(fā)的3A級(jí)引擎，它不僅包含各類工具與資源， 還開(kāi)放了源代碼，由上至下提供了一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)。UE4基于C++開(kāi)發(fā)，它可以運(yùn)行于Windows、Mac OS、Linux等各種不同的桌面操作系統(tǒng)，iOS、Android等移動(dòng)便攜平臺(tái)，以及其他的一些游戲平臺(tái)。通過(guò)各種渠道進(jìn)行封裝發(fā)布將應(yīng)用的范圍涵蓋到了游戲、影視、工業(yè)制造、房地產(chǎn)、國(guó)防軍事、公共醫(yī)療衛(wèi)生、公眾事業(yè)等各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域。

二、開(kāi)發(fā)流程

VR虛擬校園開(kāi)發(fā)流程需要考慮VR制作過(guò)程中各步驟的前后關(guān)系，以及各角色關(guān)注的內(nèi)容和分工，在實(shí)踐過(guò)程中不斷梳理和優(yōu)化。

（一）全景拍攝

全景拍攝是指以某個(gè)點(diǎn)為中心進(jìn)行水平360度和垂直180度拍攝，將所拍攝的多張圖拼接成一張長(zhǎng)度與寬度比為2：1的圖的照片拍攝及圖片拼接的方法。

首先帶領(lǐng)學(xué)生在晴天的中午或者周末的上午利用魚(yú)眼鏡頭和三腳架對(duì)校園的各種主要建筑進(jìn)行拍照，再利用PTGUI軟件進(jìn)行拼接得到校園的全景圖。

對(duì)于校園里的一些不是非常具有立體感的物體，可選擇不用3ds Max建模，等后期直接在UE4中通過(guò)將這里拍攝的全景圖貼圖到球體或者其他幾何體來(lái)實(shí)現(xiàn)VR虛擬校園的部分效果，可以減輕很多的工作量，看起來(lái)也更加真實(shí)。

（二）在3ds Max軟件中建模

三維建模技術(shù)是整個(gè)虛擬校園系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)，它處于非常重要的地位。它的研究有助于提高虛擬環(huán)境的真實(shí)感、實(shí)時(shí)交互的速度以及實(shí)際交互的可操作程度，使所構(gòu)建的校園環(huán)境更加直觀，讓用戶感受到真正的“身臨其境”。在真實(shí)的世界里，人感受到的是三維信息，所以三維建模技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所必需的，它是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的底層，也是所有應(yīng)用中的一個(gè)非常關(guān)鍵的步驟和技術(shù)，模型的準(zhǔn)確度、虛擬場(chǎng)景的真實(shí)性往往直接關(guān)系到整個(gè)案例的成敗。

在本研究中先對(duì)學(xué)生分配任務(wù)，讓每個(gè)人負(fù)責(zé)不同的建筑物，并認(rèn)識(shí)到各種任務(wù)模型的重難點(diǎn)和需要注意的地方，再分別將前面拍攝的一些照片導(dǎo)入3ds Max作為建模的參考，通過(guò)3ds Max快速創(chuàng)建校園的建筑和環(huán)境模型，最后導(dǎo)出成FBX格式的文件。

在建模過(guò)程中應(yīng)注意如下幾點(diǎn)事項(xiàng)：

1.建模過(guò)程中，應(yīng)考慮工作量，對(duì)于不太重要的元素，可以用紋理貼圖實(shí)現(xiàn)，盡量采用標(biāo)準(zhǔn)幾何體建模，而且要盡量做簡(jiǎn)模。虛擬現(xiàn)實(shí)中運(yùn)行的畫(huà)面每一幀都是靠顯卡和CPU實(shí)時(shí)計(jì)算出來(lái)的，如果模型的面數(shù)太多，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行速度急劇下降，甚至無(wú)法運(yùn)行;模型面數(shù)過(guò)多，還會(huì)導(dǎo)致文件容量增大，在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布也會(huì)導(dǎo)致用戶下載時(shí)間增加。

2.提前將場(chǎng)景中所有的材質(zhì)由VRay材質(zhì)轉(zhuǎn)換為3ds Max的默認(rèn)材質(zhì)。雖然VRay材質(zhì)在使用中能夠獲得更加準(zhǔn)確的物理照明和更快的渲染，但由于VR虛擬校園的后期制作會(huì)在UE4引擎中完成，而UE4不支持VRay材質(zhì)。