基于虛幻引擎的數(shù)字校園系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘" 要：數(shù)字化的發(fā)展帶來的是更高效的信息傳遞效率，伴隨著信息化社會的逐步發(fā)展，數(shù)字化的需求正在以驚人的速度膨脹起來。該文采用數(shù)字模塊化方案，以虛幻4引擎進(jìn)行場景渲染以及邏輯程序的編寫，以3d MAX、Maya等軟件進(jìn)行校園模型的定制化建模。首先，將校園以數(shù)字化搬進(jìn)客戶端中，呈現(xiàn)不同場景、不同氣候下的校園場景；其次，在操作平臺中，可以進(jìn)行虛擬平臺操作并模擬可在現(xiàn)實(shí)校園中實(shí)現(xiàn)的功能。結(jié)果表明，以虛幻引擎進(jìn)行開發(fā)的數(shù)字校園操作平臺，一方面實(shí)現(xiàn)校園的數(shù)字化呈現(xiàn)，另一方面對于數(shù)據(jù)的交互等操作更加便于查看，具有高效性、實(shí)時(shí)性、可編輯性等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：虛幻引擎；數(shù)字城市；大數(shù)據(jù)；建模；數(shù)字化

中圖分類號：TP391.9" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）21-0053-04

Abstract： The development of digitalization brings more efficient information transmission efficiency. With the gradual development of the information society， the demand for digitalization is expanding at an alarming speed. This paper adopts the digital modularization scheme， uses the illusory 4 engine to render the scene and compiles the logic program， and uses the software such as 3Dmax， Maya to customize the campus model. The final effect is to digitally move the campus into the client to present different scenes and campus scenes in different climates. Secondly， in the operating platform， the virtual platform can be operated and simulated， and the function can be realized in the real campus. The results show that the digital campus operation platform developed by the Unreal Engine realizes the digital presentation of the campus on the one hand， and is easier to view the interaction of data on the other hand， and has the advantages of high efficiency， real-time performance， editability and so on.

Keywords： Unreal Engine; digital city; big data; modeling; digitalization

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展和普及，數(shù)字校園已經(jīng)成為教育領(lǐng)域的重要研究方向之一。數(shù)字校園系統(tǒng)通過將虛擬現(xiàn)實(shí)、三維建模、人機(jī)交互等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于教育環(huán)境中，有效地提高了教學(xué)質(zhì)量，豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。在眾多游戲引擎中，虛幻4（UE4）引擎憑借其強(qiáng)大的功能和優(yōu)良的性能表現(xiàn)成為了數(shù)字校園系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理想選擇。通過深入研究和討論UE4引擎在數(shù)字校園系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢，為開發(fā)者和研究者提供寶貴的參考，從而促進(jìn)數(shù)字校園領(lǐng)域的發(fā)展和創(chuàng)新。

1" 開發(fā)工具介紹

1.1" 虛幻引擎4

虛幻引擎4（Unreal Engine 4，以下簡稱UE4）是由Epic Games公司推出的一款當(dāng)今世界上最知名、授權(quán)最廣的頂級游戲引擎。UE4是目前應(yīng)用最廣泛的第三方游戲開發(fā)引擎之一，它主要應(yīng)用于 Windows、iOS、PS4等主流平臺。UE作為一種計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)，在人們的日常生活中被越來越多地用于創(chuàng)造和體驗(yàn)虛擬世界。

1.2" UE4的優(yōu)勢

1.2.1" 平臺優(yōu)勢

UE4與常規(guī)建模軟件相比，其優(yōu)點(diǎn)在于其采用了更為簡易的光學(xué)方程，并采用了多種優(yōu)化方法。確保一秒鐘可以渲染超過60幀的連續(xù)畫面，具有很好的可視化操作實(shí)時(shí)渲染效果，所見即所得，極大地節(jié)省了渲染時(shí)間。UE4具有能夠完成大多數(shù)C++功能的藍(lán)圖系統(tǒng)，只需要拖拽節(jié)點(diǎn)，編寫一組邏輯思考圖，也可以通過自定義C++代碼的方式來開發(fā)設(shè)計(jì)者所希望的游戲互動(dòng)內(nèi)容。它能有效地縮短游戲開發(fā)周期，大大降低復(fù)雜程序制作編程的難度，使設(shè)計(jì)者能更好地表達(dá)自己的想法和概念。

1.2.2" 在項(xiàng)目建筑可視化設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢

在UE4引擎物理的表面著色和材質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，引入了真實(shí)的物理參數(shù)，從而能夠更加真實(shí)地模擬光線傳播時(shí)和物體表面相互作用的實(shí)際材質(zhì)和反光效果。同時(shí)，歸因于其強(qiáng)大的光影渲染、強(qiáng)有力的材質(zhì)編輯器，以及基于現(xiàn)實(shí)環(huán)境的剛體碰撞效果和渲染快速、極其逼真的物理屬性、高流暢度等優(yōu)勢，UE4所做出來的項(xiàng)目會令使用者產(chǎn)生強(qiáng)烈的視覺沖擊力。

UE4作為一種新型的設(shè)計(jì)媒體，實(shí)現(xiàn)了從平面到立面、三維到多維的轉(zhuǎn)變。以其嶄新的視角、全新的表達(dá)方式、新的設(shè)計(jì)理念，突破了傳統(tǒng)建筑對視覺空間的限制。通過UE4，使用者可以更快速地了解整個(gè)設(shè)計(jì)視覺效果直觀、清晰，而不會局限于計(jì)算機(jī)的平面尺寸大小。通過UE4可以實(shí)現(xiàn)360°全方位無死角地旋轉(zhuǎn)環(huán)繞，穿梭自如增加真實(shí)感，以更寬廣的視角與場景產(chǎn)生聯(lián)系，突破空間感。

2" 基于虛幻引擎研發(fā)的數(shù)字校園操作系統(tǒng)項(xiàng)目

2.1" 大數(shù)據(jù)市場分析與定位

隨著教育事業(yè)的不斷進(jìn)步，數(shù)字校園的發(fā)展速度越來越快，模式和內(nèi)容也越來越全面。數(shù)字校園成為了教育事業(yè)推進(jìn)的重要代表。所以，數(shù)字校園系統(tǒng)也越來越受到教育行業(yè)和社會的重視。目前，教育部發(fā)布《高等學(xué)校數(shù)字校園建設(shè)規(guī)范（試行）》，我國開啟了自己的數(shù)字校園建設(shè)道路，例如“華中附小數(shù)字化校園服務(wù)探索”應(yīng)用場景入選基礎(chǔ)教育、高校云端一體化教學(xué)服務(wù)應(yīng)用等。信息化、智能化是提升當(dāng)前教育水平和提高平均教育素養(yǎng)的重要手段。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是20世紀(jì)發(fā)展起來的一項(xiàng)全新的、充滿突破性的實(shí)用技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)通過算法藍(lán)圖等技術(shù)生成一種虛擬與現(xiàn)實(shí)相互結(jié)合的虛擬環(huán)境，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以使用戶沉浸在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，這項(xiàng)技術(shù)有極強(qiáng)的交互能力，體驗(yàn)者在體驗(yàn)中將獲得最真實(shí)的直觀感受。隨著社會的發(fā)展以及科技能力的不斷增強(qiáng)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也獲得了巨大的進(jìn)步，人們對這項(xiàng)技術(shù)的需求越來越大。

所以，將逐漸強(qiáng)大的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和不斷突破的數(shù)字校園相結(jié)合，一定會成為教育事業(yè)的最強(qiáng)助力。

2.2" 數(shù)字校園項(xiàng)目的作用

21世紀(jì)是真正的信息時(shí)代，以教育信息化帶動(dòng)教育現(xiàn)代化已經(jīng)逐漸成為未來高校教學(xué)改革和發(fā)展的必然趨勢。隨著互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的校園模式已經(jīng)被逐漸摒棄。無論是學(xué)習(xí)模式、教育方式還是學(xué)習(xí)環(huán)境都隨著數(shù)字校園的發(fā)展而發(fā)生巨大變化。

在當(dāng)前所處信息時(shí)代背景下首先被改變的就是教育對象。數(shù)字校園構(gòu)建的初衷是讓每一位學(xué)習(xí)者能夠從該項(xiàng)目中了解更多的校園文化和場景構(gòu)建。如今越來越多的人不愿意看紙質(zhì)的書本，同樣也漸漸失去了閱讀文獻(xiàn)的耐心。并且，紙質(zhì)的文獻(xiàn)并不能全方位和立體化地學(xué)習(xí)知識。而數(shù)字校園則將知識鮮明化，學(xué)生可以使用信息化工具獲取知識，他們的學(xué)習(xí)思維以及學(xué)習(xí)習(xí)慣在信息資源共享的環(huán)境中可以變得更加豐富和便利。除了教育對象，教學(xué)資源也發(fā)生了巨大的變化，優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源得到了共享，不再是封閉的孤島狀態(tài)，學(xué)生也不再是井底之蛙。老師和學(xué)生獲取資源的方式也變得便捷簡單，在這個(gè)基礎(chǔ)上，課堂學(xué)習(xí)過程也被重建，數(shù)字校園的誕生，讓師生間、同學(xué)間的互動(dòng)變得更加有效和方便。

總的來說，因?yàn)橛辛藬?shù)字校園的建設(shè)，我們才能在如今的教育時(shí)代進(jìn)行不斷突破和創(chuàng)新，成為現(xiàn)在獨(dú)一無二的教育模式。

3" 開發(fā)流程

3.1" 模型搭建

大體上看，三維校園模型可以分為地形模型和建筑模型2個(gè)大的類別。

地形是數(shù)字城市中最重要的地理對象，是城市實(shí)體的三維空間基礎(chǔ)。利用正射影像加數(shù)字高程模型（DEM）可以生成三維地形的圖形表示。數(shù)字高程模型是地形表面形態(tài)的數(shù)字表示。DEM是地理信息系統(tǒng)中最重要的空間信息資料和進(jìn)行地形分析的核心數(shù)據(jù)，也是繪制三維實(shí)體和進(jìn)行地形分析的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

在地物模型中主要考慮建筑物、道路、橋梁和水域等地物的建模，而建筑物是城市模型中最關(guān)鍵的地物，它的建模對于三維城市可視化具有十分重要的意義。對于建筑物，人們不只是關(guān)心其外形的描述，而且要求知道其幾何結(jié)構(gòu)和屬性信息，以便對其進(jìn)行空間分析和不同層的屬性查詢。

3.1.1" 采用模型軟件建模

綜合運(yùn)用3d MAX、IMAGIS、Multigen Creator、AUTO CAD和Erdas等三維建模軟件進(jìn)行三維建模工作，主要是把通過傾斜拍攝到的建筑模型導(dǎo)入建模軟件中，再利用點(diǎn)線工具，將其盡可能地修復(fù)，主要修復(fù)由于樹木、陰影等造成的建筑模型多面、缺面等問題。從而盡量把模型建得和實(shí)物一樣。

3.1.2" 采用三維影像方式建模

把DEM、DOM、DLG數(shù)據(jù)與傾斜拍攝照片進(jìn)行疊加，通過全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)的處理生成三維影像。

3.1.3" 采用GTS屬性建模

利用現(xiàn)有GIS系統(tǒng)中X、Y坐標(biāo)和作為屬性數(shù)據(jù)的Z坐標(biāo)值，直接生成三維模型。城市三維模型精細(xì)程度因?yàn)槟Ｐ蛿?shù)據(jù)量和三維數(shù)據(jù)采集方式的缺陷而受到限制，場景的真實(shí)感很大程度上要靠紋理來體現(xiàn)，三維模型的紋理占據(jù)著非常重要的地位。目前只有通過3d MAX、Multigen Creator和 Photoshop等軟件為三維模型進(jìn)行一系列的處理，賦予合適的真實(shí)材質(zhì)和紋理貼圖，在達(dá)到預(yù)定的真實(shí)效果后，通過計(jì)算機(jī)輸出為圖形、動(dòng)畫等文件，有時(shí)根據(jù)各種情況加入多媒體（音樂、圖像、影像）數(shù)據(jù)模塊，在視覺和聽覺上更能滿足用戶的需求。

3.2" 場景構(gòu)造

在該項(xiàng)目中，由于每一個(gè)建筑物，或者任何可以看得到的可視物，都被要求可以和操作者互動(dòng)，所以場景中的擺設(shè)，尤其是建筑，不可以單純運(yùn)用靜態(tài)網(wǎng)格物來搭建，需要利用程序來搭建場景（圖1），以達(dá)到交互的功能。其中，在構(gòu)建天儀樓的過程中，需要在天儀樓的類中，添加多個(gè)樓層類Actor，而在樓層類中，又依次按照實(shí)際情況，在相應(yīng)的位置添加多個(gè)教室Actor，以此達(dá)到點(diǎn)擊天儀樓后，可以進(jìn)一步點(diǎn)擊樓層，點(diǎn)擊教室的功能。

3.3" 天氣系統(tǒng)引入

在該項(xiàng)目中，為了實(shí)現(xiàn)天氣與現(xiàn)實(shí)實(shí)時(shí)互動(dòng)的功能，需要構(gòu)建一個(gè)可以隨時(shí)間改變而產(chǎn)生相應(yīng)變化的天氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)顯示天氣數(shù)據(jù)接入，根據(jù)實(shí)時(shí)天氣調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)虛擬天氣，特殊天氣發(fā)生時(shí)對虛擬校園造成一定影響。

在開發(fā)此系統(tǒng)時(shí)，首先需要完成基本邏輯的實(shí)現(xiàn)，核心內(nèi)容為時(shí)間的獲取或計(jì)算，在完成此項(xiàng)內(nèi)容時(shí)，共有2種解決方案，其一是采用手動(dòng)編寫的邏輯程序來計(jì)算，通過獲取當(dāng)前計(jì)算機(jī)的日期a，給定某一日期的星期數(shù)b，再利用當(dāng)前日期a與給定日期b的天數(shù)差對7取余，計(jì)算出當(dāng)前的星期數(shù)。另一種思路為尋找url通過解析url獲取到的字符串直接獲取網(wǎng)絡(luò)日期與時(shí)間。

第二部分為通過當(dāng)前日期特定天氣讀表中的天氣數(shù)據(jù)，由于該數(shù)據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)更新，需要讀入存儲好的天氣表格，表格通過動(dòng)態(tài)url獲取，再根據(jù)當(dāng)前日期選擇在操作系統(tǒng)中呈現(xiàn)出來的天氣表現(xiàn)。

第三部分就是視覺表現(xiàn)層面，在這一部分需要完成天空球的制作，天空球的部分實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)云層，為動(dòng)態(tài)天氣的實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)的天空背景。

第四部分需要完成特殊天氣，諸如下雨、下雪、霧霾等特殊天氣的特效制作，在網(wǎng)上找到相關(guān)的下雪、下雨等的粒子特效，導(dǎo)入U(xiǎn)E4之后，對于粒子特效的參數(shù)進(jìn)行客制化的調(diào)整，徹底實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)天氣的平臺，并開放了接口，在特殊天氣進(jìn)行時(shí)，可以對場景中的靜態(tài)物體、動(dòng)態(tài)物體造成一定程度的影響。

3.4" 人流系統(tǒng)引入

人流系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要目的是為了實(shí)現(xiàn)對于開學(xué)、封校、放假離校等場景的校園實(shí)況模擬。

人流系統(tǒng)首先需要配合開學(xué)、離校、南北校區(qū)通勤情況和課程的信息來開發(fā)，有了以上數(shù)據(jù)，可以動(dòng)態(tài)檢測人員的流動(dòng)情況，并通過觀察到的情況，人為調(diào)整上課、下課等的時(shí)間，來優(yōu)化南北校區(qū)通勤情況。

3.5" 校園網(wǎng)數(shù)據(jù)接入

這一部分的數(shù)據(jù)接入主要為讀取校園網(wǎng)內(nèi)部的課程表情況，根據(jù)該課程表動(dòng)態(tài)分配教室、圖書館等的使用情況，并通過相關(guān)指令，可以完成查看或修改等功能。

該功能的開發(fā)首先需要完成的是對于校園網(wǎng)數(shù)據(jù)的爬取，編寫了相應(yīng)的python腳本，讀取到校園網(wǎng)的課程表數(shù)據(jù)之后，將數(shù)據(jù)表存儲到程序內(nèi)部的表格內(nèi)。

關(guān)于表格的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使用了圖的存儲方式，以每一個(gè)課程為一個(gè)圖節(jié)點(diǎn)，其中存儲了課程名、課程號、任課老師和上課時(shí)間等信息，這樣在每一天凌晨時(shí)刷新當(dāng)天的課程，完成每一間教室的課堂部署。

3.6" 傳感器數(shù)據(jù)接入與交互

這一部分的實(shí)現(xiàn)主要依托于完善的傳感器配件，其中包含常見的攝像頭傳感器、煙霧傳感器、溫度濕度傳感器、震動(dòng)傳感器、壓力傳感器和聲光傳感器等。該部分的實(shí)現(xiàn)完成了虛擬校園與真實(shí)校園之間的真實(shí)互聯(lián)，可以讓管理者足不出戶，實(shí)時(shí)了解校園發(fā)生的一切故障或者變動(dòng)。

3.7" 可視化模型交互組件

可視化模型交互組件主要用來完善操作者對于操作系統(tǒng)中的樓宇、建筑、道路和路燈等進(jìn)行分解、升級等情形的模擬。

對于樓宇的操作，可以分為查看、分解、多層分解、教室用途等模塊。對于每一棟樓，使用了二維數(shù)組來存儲每一層樓每間教室的信息，并將信息逐一分配到模型中的拆分教室中。部分功能示例代碼如圖2所示。

實(shí)現(xiàn)的功能：在點(diǎn)擊樓宇時(shí)，首先將視角中心移至選中的樓棟上，并在側(cè)邊信息欄中展示該棟樓宇的信息（歷史、層高、樓宇用途等信息），在選中樓宇后，可以進(jìn)行拆分樓宇的功能，點(diǎn)擊側(cè)邊欄中的樓宇號，將會在模型中將選擇的樓層高亮，其余樓層半透明顯示，以此突出選中的樓層，在樓層界面，可以選擇教室，選中教室后，將在教室旁彈出一則信息框，信息框中展示了當(dāng)前教室的使用情況，并可以查看當(dāng)前一周的教室使用情況。

對于其余建筑的查看主要為對于配電室的模擬功能，用于結(jié)合光電傳感器查看停電區(qū)域，以及適當(dāng)還原停電原因。

4" 結(jié)束語

圖形技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)日益革新，帶來了更加便利更加具象的可視化圖形界面，利用UE4可以快速開發(fā)出具有實(shí)用意義的數(shù)字校園孿生系統(tǒng)，便于各方管理監(jiān)控學(xué)校的教學(xué)數(shù)據(jù)，并通過這些更加直觀的數(shù)據(jù)，建立更加完善的校園管理方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳俊龍.基于虛幻4引擎的第一人稱虛擬交互藝術(shù)展館軟件開發(fā)[J].西部皮革，2019：41（3）：87.

[2] 王若嘉.線上數(shù)字展館的應(yīng)用研究[J].電子制作，2014（7）：266-267.

[3] 錢珣.校園地震逃生虛擬仿真演練系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].綿陽：西南科技大學(xué)，2021.

[4] 王學(xué)濤.3D建模在游戲美術(shù)中的運(yùn)用[J].衛(wèi)星電視與寬帶多媒體，2020（1）：211-213.

[5] 許曉琦，魏佳豐，吳嘯宇，等.虛擬仿真斗拱抗震性能體驗(yàn)館設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2021（28）：157-159.