UE引擎技術(shù)在鄉(xiāng)村古建筑可視化表現(xiàn)的應(yīng)用探索

摘要：在數(shù)字化時(shí)代浪潮的推動(dòng)下，UE引擎技術(shù)的強(qiáng)大功能逐漸成為各個(gè)領(lǐng)域的熱門工具。聚焦于我國豐富的鄉(xiāng)村古建筑遺產(chǎn)，UE引擎技術(shù)在可視化表現(xiàn)方面展現(xiàn)出巨大的潛力與應(yīng)用價(jià)值。通過對鄉(xiāng)村古建筑進(jìn)行精細(xì)的數(shù)字化建模，UE引擎為傳統(tǒng)建筑的魅力重現(xiàn)提供了全新的視角和手段。文章首先梳理了UE引擎的基本概念及發(fā)展歷程，其次深入探討了UE引擎技術(shù)在鄉(xiāng)村古建筑可視化表現(xiàn)中的創(chuàng)新探索，以期讓這些古建筑的文脈傳承在虛擬世界中煥發(fā)出新的生機(jī)。

中華民族的文化底蘊(yùn)深厚且多樣，跨越了漫長的歷史歲月，留下了遍布各地的古建筑群落。作為文化的一種重要載體，它們記錄了歷史變遷，生動(dòng)地反映出地方特色和民俗風(fēng)情，具有豐富的文化意義和歷史價(jià)值，在起到傳承中華文明的關(guān)鍵橋梁作用時(shí)，也承擔(dān)著弘揚(yáng)民族精神、增強(qiáng)民族自豪感的積極作用。保護(hù)好這些建筑，就是保護(hù)了鄉(xiāng)村的文化根基，也為鄉(xiāng)村振興提供了文化底蘊(yùn)和精神支柱。

20世紀(jì)80年代，我國頒布了《中華人民共和國文物保護(hù)法》，明確了文物保護(hù)的重要性，其中包括將傳統(tǒng)村落作為一種文物進(jìn)行保護(hù)，特別是鄉(xiāng)村古建筑群落。進(jìn)入21世紀(jì)，尤其是近年來，國家加大了對傳統(tǒng)村落保護(hù)的支持力度，將傳統(tǒng)村落保護(hù)作為鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要部分。通過制定保護(hù)規(guī)劃、加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、推動(dòng)文化傳承和發(fā)展等措施，努力實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村的可持續(xù)發(fā)展。2019年為了貫徹落實(shí)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，文化和旅游部辦公廳、國家發(fā)展改革委辦公廳發(fā)布《關(guān)于開展全國鄉(xiāng)村旅游重點(diǎn)村名錄建設(shè)工作的通知》，從遴選標(biāo)準(zhǔn)來看，對于具有典型示范和帶動(dòng)引領(lǐng)作用的鄉(xiāng)村提出了應(yīng)具備豐富的文旅資源、保護(hù)自然與傳統(tǒng)文化、發(fā)展特色民宿、成熟旅游產(chǎn)品、完善基礎(chǔ)設(shè)施、顯著帶動(dòng)就業(yè)與村民致富的要求。在此背景下，如何運(yùn)用好數(shù)字技術(shù)賦能鄉(xiāng)村古建筑，為各地鄉(xiāng)村文旅建設(shè)提供形式多樣的數(shù)字內(nèi)容，推動(dòng)文化旅游的融合發(fā)展成為當(dāng)下的熱門焦點(diǎn)。

鄉(xiāng)村古建筑作為中華民族傳統(tǒng)文化的載體，不僅展現(xiàn)了地域特色和歷史脈絡(luò)，更承載著無數(shù)先人的智慧與情感。然而，將這些珍貴的古建筑轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的可視形態(tài)，面臨著一系列不容忽視的挑戰(zhàn)。在這一領(lǐng)域，UE引擎技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢，為解決這些挑戰(zhàn)提供了新的視角和方法。

UE引擎的基本概念及發(fā)展歷程

UE引擎的基本概念

隨著科技的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，其中，UE（Unreal Engine，虛幻引擎）作為一種功能強(qiáng)大的游戲引擎，逐漸在數(shù)字化呈現(xiàn)領(lǐng)域嶄露頭角。UE是由Epic Games開發(fā)的一款游戲開發(fā)引擎，它不僅被廣泛應(yīng)用于游戲制作領(lǐng)域，還因其出色的視覺效果和實(shí)時(shí)渲染能力，逐漸拓展到了影視、建筑可視化、教育、軍事模擬等多個(gè)行業(yè)。UE引擎以其高質(zhì)量的畫面效果、靈活的開發(fā)環(huán)境、豐富的功能模塊、強(qiáng)大的編輯器功能和高度的可定制性成了數(shù)字化呈現(xiàn)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的首選工具，并受到業(yè)界青睞。

UE引擎的發(fā)展歷程

UE引擎的成長歷程可以劃分為三個(gè)關(guān)鍵時(shí)期。在最初的發(fā)展階段（1998—2004年），Epic Games于1998年推出了基于UE引擎開發(fā)的首款游戲——《虛幻競技場》。該游戲憑借其突破性的3D圖形效果和吸引人的多人在線對戰(zhàn)模式，取得了巨大的市場成功，為UE引擎的長遠(yuǎn)發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在逐漸成熟階段（2004—2013年），隨著技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步和引擎功能的完善，陸續(xù)推出了2個(gè)版本。這一時(shí)期的UE引擎在游戲產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用逐漸增多，支撐了許多知名游戲的開發(fā)工作。2014年至今，UE引擎已經(jīng)進(jìn)入全面發(fā)展和應(yīng)用拓展的新階段。其在當(dāng)年發(fā)布的UE4，支持了跨平臺和全方位功能的游戲開發(fā)，不僅在游戲開發(fā)市場持續(xù)鞏固其領(lǐng)先地位，還積極探索并涉足影視制作、虛擬現(xiàn)實(shí)等新的應(yīng)用領(lǐng)域。經(jīng)過不斷的迭代和升級，UE引擎已經(jīng)成為游戲開發(fā)、影視制作、建筑可視化等領(lǐng)域廣泛使用的一款強(qiáng)大的實(shí)時(shí)渲染引擎。

UE引擎在鄉(xiāng)村古建筑可視化中的優(yōu)勢

傳統(tǒng)文化與現(xiàn)代科技相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)文化資源的數(shù)字化保護(hù)和傳承，為加強(qiáng)鄉(xiāng)村文化建設(shè)提供了新的方式。借助UE引擎技術(shù)，我們不僅可以生動(dòng)展示古建筑的虛擬視覺，還可以促進(jìn)文化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提升鄉(xiāng)村地區(qū)的經(jīng)濟(jì)效益。UE引擎技術(shù)以其獨(dú)特的表現(xiàn)手法和豐富的展現(xiàn)形式，為鄉(xiāng)村文化建設(shè)提供了新的動(dòng)力。

真實(shí)地模擬與還原古建筑面貌

UE引擎的核心特點(diǎn)就是強(qiáng)大的圖形渲染功能，支持高級的光線追蹤技術(shù)。在引擎中導(dǎo)入三維建模與高精度掃描的模型資產(chǎn)，開展真實(shí)場景的數(shù)字重建，運(yùn)用其模擬真實(shí)世界中的光線行進(jìn)路徑功能，可呈現(xiàn)出更加真實(shí)、細(xì)膩的光照效果。從古建筑的外觀到內(nèi)部構(gòu)造，從石磚的紋理到屋檐的細(xì)節(jié)，結(jié)合其提供的高級紋理處理技術(shù)，使建筑模型表面更加逼真，質(zhì)感更佳。從而真實(shí)還原歷史風(fēng)貌，精確模擬出自然環(huán)境效果，表現(xiàn)鄉(xiāng)村古建筑的質(zhì)感與細(xì)節(jié)，使建筑與環(huán)境的融合更加自然，增強(qiáng)場景的沉浸感。

具備完善的動(dòng)畫體系

UE引擎提供了一套全面的動(dòng)畫系統(tǒng)，包含動(dòng)畫藍(lán)圖、動(dòng)畫序列、骨架、骨架網(wǎng)格體、動(dòng)畫混合等，支持復(fù)雜的人物和場景動(dòng)畫制作。開發(fā)者能夠便捷地制作出流暢而逼真的動(dòng)畫效果，為作品增添豐富的動(dòng)態(tài)元素。

強(qiáng)大的交互編輯工具

交互式瀏覽與探索是當(dāng)下數(shù)字化呈現(xiàn)的一種重要手段。UE引擎為我們提供了便捷的交互設(shè)計(jì)制作環(huán)境。運(yùn)用UE引擎能制作出高品質(zhì)的交互作品，讓觀眾能夠自由穿梭于古建筑之間，感受其內(nèi)部的布局與氛圍。同時(shí)，融合虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，為用戶帶來更為豐富的體驗(yàn)。在虛擬現(xiàn)實(shí)中，觀眾可以身臨其境地漫步于古建筑之中；而在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中，古建筑的信息和故事將以數(shù)字化的形式疊加在真實(shí)環(huán)境中，讓歷史變得觸手可及。

這些核心特性使得UE引擎在古建筑的數(shù)字化保護(hù)和數(shù)字化應(yīng)用中越來越受到關(guān)注。通過UE引擎的可視化表現(xiàn)，古建筑的三維模型不僅展現(xiàn)出極高的細(xì)節(jié)程度，還在視覺效果上實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)實(shí)環(huán)境的無縫對接。沉浸式的體驗(yàn)，讓用戶在探索古建筑時(shí)能夠獲得更加真實(shí)和直觀的感受。

UE引擎技術(shù)在鄉(xiāng)村古建筑可視化中的具體應(yīng)用方法

古建筑與環(huán)境的數(shù)據(jù)采集

在開展鄉(xiāng)村古建筑三維數(shù)字化建模前，需要做好一系列的數(shù)據(jù)采集工作，以便更準(zhǔn)確地還原古建筑的歷史風(fēng)貌，包含地貌地形數(shù)據(jù)、古建筑圖像數(shù)據(jù)、表面紋理數(shù)據(jù)等。在這一過程中，可以采用多種方法，如運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)，對古建筑進(jìn)行掃描，獲取大量的三維點(diǎn)云（3D Point Cloud）數(shù)據(jù)。三維點(diǎn)云是一種用于表示三維空間中對象或場景的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在最基礎(chǔ)的形式中，它是一個(gè)包含多個(gè)三維坐標(biāo)點(diǎn)（X，Y，Z）的集合。點(diǎn)云是空間中的一組數(shù)據(jù)點(diǎn)，這些點(diǎn)包含了豐富的信息，包括三維坐標(biāo)（X，Y，Z）、顏色、分類值、強(qiáng)度值、時(shí)間等。點(diǎn)云是在同一空間參考系下表達(dá)目標(biāo)空間分布和目標(biāo)表面特性的海量點(diǎn)集合。因此，點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以精確地捕捉建筑物的形狀和尺寸，為后續(xù)的三維建模提供基礎(chǔ)。還可以通過攝影技術(shù)，拍攝大量的古建筑照片，多角度地捕捉細(xì)節(jié)，方便為后續(xù)的三維建模階段提供大量的圖像參考。同時(shí)，也可以通過互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)獲取，利用互聯(lián)網(wǎng)上已有的地形高度圖等數(shù)據(jù)，運(yùn)用軟件直接生成目標(biāo)地的三維地形。

古建筑紋理信息的采集也是三維建模過程中的重要環(huán)節(jié)，能為三維模型提供更加真實(shí)的古建筑外觀紋理和細(xì)節(jié)。通常需要根據(jù)古建筑的特點(diǎn)，做好采集范圍和內(nèi)容的計(jì)劃。采用高分辨率數(shù)碼相機(jī)、無人機(jī)、三維掃描儀等圖像拍攝工具進(jìn)行表面紋理和色彩信息的采集。采集過程中需要充分考慮光照條件、天氣狀況等環(huán)境因素對圖像采集工作的影響。對古建筑的不同部位進(jìn)行多角度、多層次拍攝，確保能夠獲取全面的紋理信息。也要對建筑的細(xì)部特征進(jìn)行特寫拍攝，如雕刻、花紋等。采集古建筑圖像和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的工作不僅需要田野考察和拍攝，也需要后續(xù)的調(diào)整和比對，對圖像進(jìn)行銳化、去噪等處理，提高紋理的清晰度，調(diào)整圖像的色彩、亮度、對比度，使紋理更加真實(shí)自然。

總而言之，獲取古建筑的圖像數(shù)據(jù)、三維模型參考數(shù)據(jù)以及地形地貌數(shù)據(jù)是一個(gè)多階段、多技術(shù)的綜合過程，需要根據(jù)具體情況選擇合適的方法和技術(shù)。

場景建模

中國鄉(xiāng)村古建筑的結(jié)構(gòu)類型豐富多樣，體現(xiàn)了中國悠久的歷史文化和各地不同的地理環(huán)境、風(fēng)俗習(xí)慣。有抬梁式結(jié)構(gòu)、穿斗式結(jié)構(gòu)、井干式結(jié)構(gòu)、干欄式建筑、土樓建筑、磚石結(jié)構(gòu)等。這些不同的建筑結(jié)構(gòu)決定了三維模型的制作難度，因此在軟件中搭建模型是一個(gè)較為復(fù)雜的過程。現(xiàn)在的三維模型制作軟件有很多，通常會選用如Autodesk公司的3ds max、Maya等軟件，以及Steam旗下的Blender軟件。基于軟件的開源以及自由下載使用和修改源代碼的靈活性與自由性，Blender軟件越來越受到從事三維建模人員的喜愛。其具備了建模、雕刻、UV映射、貼圖、綁定、蒙皮、動(dòng)畫、粒子系統(tǒng)到物理模擬等一系列功能，幾乎涵蓋了3D創(chuàng)作的所有方面。通常我們采用以上三款軟件來進(jìn)行鄉(xiāng)村古建筑的模型制作工作。古建筑的結(jié)構(gòu)形態(tài)通常較為規(guī)整，包括墻壁、柱子、窗戶、通道、臺階等。在三維軟件中運(yùn)用多邊形建模的方法開展模型制作工作。而相關(guān)地貌環(huán)境的天空、云霧、山石、煙氣、花草樹木等模型，采用傳統(tǒng)的建模方式來實(shí)現(xiàn)就顯得比較困難，而這些在UE引擎中實(shí)現(xiàn)起來會相對便捷。一般采用HDRI環(huán)境、UE的粒子系統(tǒng)以及實(shí)物掃描資產(chǎn)的導(dǎo)入來實(shí)現(xiàn)，對于特定的樹木造型，則會采用Speedtree來進(jìn)行樹木的制作。在三維模型構(gòu)建完成之后，為確保離線渲染與實(shí)時(shí)渲染都能達(dá)到較高的流暢度，還需要對那些復(fù)雜的模型進(jìn)行優(yōu)化處理。主要原因是，在需要實(shí)時(shí)渲染的運(yùn)行場景下，它能夠確保圖像顯示流暢，同時(shí)維持漫游環(huán)境的高幀率。通常我們會采用主次原則，優(yōu)化場景內(nèi)模型的數(shù)量和多邊形面數(shù)。運(yùn)用高低模烘焙的方法，實(shí)現(xiàn)模型面數(shù)的最優(yōu)化，同時(shí)也能保障細(xì)節(jié)紋理的高精度顯示，以此降低資源數(shù)據(jù)的無效度，實(shí)現(xiàn)整體模型數(shù)據(jù)最優(yōu)化。

模型貼圖制作與紋理映射

貼圖的制作是將圖像或者圖案“貼”到三維模型表面的過程，貼圖的使用極大地提升了模型的真實(shí)感和視覺效果。這些圖像可以是各種圖案、材質(zhì)或者照片，它們能夠?yàn)槟Ｐ吞峁┘?xì)節(jié)，如木紋、金屬質(zhì)感以及復(fù)雜的表面裝飾。對鄉(xiāng)村古建筑而言，由于經(jīng)過長時(shí)間的風(fēng)吹雨淋和人為使用，會呈現(xiàn)出一些臟跡、劃痕、磨損、殘缺等自然現(xiàn)象。這給我們制作模型貼圖帶來了新的挑戰(zhàn)。因此，運(yùn)用紋理映射來制作三維模型貼圖放入方式應(yīng)運(yùn)而生。將貼圖分為顏色、法線、AO（環(huán)境光遮蔽）、金屬度、粗糙度、高度等，分別來控制對象的基礎(chǔ)顏色、表面光澤、反射折射、凹凸、透明等信息，最終實(shí)現(xiàn)古建筑模型的質(zhì)感、自然的光照和陰影效果等。

數(shù)字空間漫游與交互合成

完成以上一系列的工作后，最終將進(jìn)入動(dòng)畫、虛擬漫游以及交互合成的工作。UE引擎提供了非常便捷的動(dòng)畫制作模塊以及虛擬漫游交互的功能。可以創(chuàng)作第一人稱的場景虛擬漫游動(dòng)畫，也可以導(dǎo)入角色按劇情創(chuàng)作三維動(dòng)畫。此外，在UE引擎內(nèi)可以搭建交互式的攝像機(jī)，將虛擬角色與鄉(xiāng)村古建筑場景相融合。利用引擎的交互功能模塊，可以設(shè)置外部控制器來控制虛擬角色在虛擬場景中的移動(dòng)。在交互式的數(shù)字古建筑作品中，觀眾還可以自由調(diào)整視角，從不同角度欣賞古建筑的每一處細(xì)節(jié)，這種個(gè)性化的體驗(yàn)極大地提升了大眾的視覺體驗(yàn)感。顯而易見，UE引擎技術(shù)的應(yīng)用不僅高度還原了古建筑的原貌，還通過現(xiàn)代科技手段，讓這些鄉(xiāng)村古建筑煥發(fā)出新的生機(jī)，為傳統(tǒng)與現(xiàn)代的融合提供了有力支持。

我們相信，隨著圖形圖像技術(shù)的不斷迭代更新，UE引擎的渲染能力和真實(shí)性將進(jìn)一步提升，借助UE引擎強(qiáng)大的圖形渲染能力，古建筑得以在虛擬世界中生動(dòng)呈現(xiàn)并煥發(fā)新生。可以預(yù)見的是，未來的UE引擎將在保護(hù)、展示和傳承鄉(xiāng)村古建筑文化中發(fā)揮越來越關(guān)鍵的作用。

本文為2021年度浙江藝術(shù)職業(yè)學(xué)院一般課題“UE4引擎技術(shù)在鄉(xiāng)村文旅的古建筑數(shù)字化呈現(xiàn)中的應(yīng)用研究”課題成果，項(xiàng)目編號：ZX202104001。

（作者單位：浙江藝術(shù)職業(yè)學(xué)院）