基于Unreal Engine的虛擬現實技術在元宇宙圖書館中的應用

收稿日期：2023-08-11

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.05.031

摘" 要：以虛擬現實技術作為研究切入點，探索元宇宙圖書館建設的技術實現路徑。通過文獻調研對比分析現有的虛擬現實技術，尋找一種適合高校圖書館自主研發的技術實現方法，并通過具體案例驗證該方法的現實可行性。研究發現基于Unreal Engine的虛擬現實技術具有低成本、低代碼量、可擴展等優點，適合經費少、計算機人才短缺的高校圖書館。對高校圖書館推進元宇宙圖書館建設具有一定的參考價值。

關鍵詞：元宇宙；圖書館；虛擬現實；Unreal Engine

中圖分類號：TP39" " 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）05-0144-05

Application of VR Technology Based on Unreal Engine in Metaverse Library

WANG Tieliang， YUAN Yuan

（Library of Zhejiang International Studies University， Hangzhou" 310023， China）

Abstract： Virtual Reality technology is used as the research entry point to explore the technical realization path of metaverse library construction. This paper compares and analyzes the existing Virtual Reality technologies through literature research to find a technology realization method suitable for independent research and development of university libraries， and verifies the realistic feasibility of the method by specific cases. The study shows that the Virtual Reality technology based on Unreal Engine has the advantages of low cost， less code and expansibility， which is suitable for university libraries with a little funding and shortage of computer talents. It has certain reference value for university libraries to promote the construction of metaverse libraries.

Keywords： metaverse; library; Virtual Reality; Unreal Engine

0" 引" 言

2021年10月國外著名社交平臺Facebook更名為“Meta”，引發各國政府和各行各業的極大關注，英偉達、微軟、蘋果、騰訊等科技巨頭紛紛布局元宇宙，2021年也被定義為元宇宙元年。

關于元宇宙的概念目前尚未有明確的定義，楊新涯認為元宇宙是整合VR/AR、云計算、人工智能和區塊鏈等信息技術構建的虛擬世界與現實世界相結合的互聯網應用，具有相對獨立的經濟系統和逐漸生長的文明體系，為用戶提供沉浸式體驗并鼓勵用戶進行內容生產的虛擬社會[1]。

元宇宙的火爆出圈，同樣受到圖書館領域的極大關注。元宇宙沉浸式、不受時空限制等特點，對未來圖書館重新構建服務模式有著重要的意義。學界對元宇宙圖書館的研究也日趨火熱。邢璐等學者通過文獻計量與主題分析發現，國外研究元宇宙圖書館側重于元宇宙圖書館相關技術的實踐研究，國內則更側重于元宇宙圖書館的定位、服務等宏觀層面的理論研究，對元宇宙技術在圖書館的應用研究還很少[2]。

虛擬現實技術作為元宇宙的關鍵技術之一，是元宇宙圖書館建設的技術實現路徑上不可或缺的一環。目前高校圖書館正面臨經費縮減、編制減員等問題，將現實的圖書館搬到元宇宙的虛擬世界中，無論是從資金上還是人才儲備上都面臨著嚴重挑戰。

本文通過文獻調研，對比現有的虛擬現實技術實現方法，提出一種基于Unreal Engine的虛擬現實技術方案，并通過浙江外國語學院圖書館建筑虛擬化案例，驗證該方案的現實可行性。

1" 虛擬現實技術

虛擬現實技術是一種通過計算機圖形學和虛擬仿真“重現”真實世界的場景，讓讀者有身臨其境的體驗的技術。隨著5G、物聯網和虛擬現實技術的日漸成熟，傳統的教學方式、學習環境正在由“實體”向“虛擬”轉變[3]。

2003年林登實驗室推出Second Life虛擬社區游戲，玩家可以在游戲里吃飯、旅行、購物、建房子等活動，很多大學、公司、博物館和圖書館紛紛加入，截至2014年，全球已有800多個圖書館參與其中[4]。美國得克薩斯Aamp;M大學的伊萬斯圖書館通過虛擬仿真技術，讓使用者通過遠程接入的技術漫游圖書館，在虛擬環境中利用導航、瀏覽、閱讀、聆聽了解圖書館圖書情報[5]。

2008年9月，中國國家圖書館正式推出了“虛擬現實系統”用戶體驗區。用戶可在中國國家圖書館中進行新館漫步，虛擬地“參觀”，足不出戶即可了解國家圖書館的業務布局和建筑風格。

虛擬現實技術的實現方式有很多種，目前流行的主要分兩類：一種基于360°全景技術和另一種基于三維建模技術。

1.1" 360°全景技術

360°全景技術是一種結合數碼攝影、計算機圖像和計算機網絡的靜態圖像技術。

該技術首先通過相機在水平方向按每隔一定角度拍攝一張環繞360°，然后頂底各拍攝一張。再將這些圖片導入到全景圖合成軟件制作成一張全景圖，并通過flash等技術添加語音、文字和熱點等交互信息，最后發布到網站上。

司占軍等人利用單反相機、Photoshop CC和PTGui Pro軟件實現了全景圖制作，并在720云平臺上發布完成了天津科技大學河西校區圖書館漫游系統的制作[6]。李慧利用Nikon D90、JTS-Rotator全景云臺等設備實現了校園全景圖的制作[7]。

這種實現方式的缺點是1）后期無法拓展更多的虛擬現實功能。例如虛擬數字人、VR閱讀、虛擬討論等都是很難實現的。2）交互功能單一。360°全景技術的虛擬現實產品很多都是固定的漫游路線，只能通過點擊場景中的熱點來行走，缺乏自由度。優點是，工作量小，容易實現，開發成本低，并且實地拍攝的照片看起來也真實。因此，360°全景技術只適合功能單一的虛擬導航和全景展示，并不適合構建復雜的元宇宙圖書館體系。

1.2" 三維建模技術

三維建模技術是虛擬現實領域最常用的技術，是CG（Computer Graphic）領域的典型技術，廣泛應用于影視、動畫、游戲、建筑等領域。市場上常見的3D電影、3D游戲、房地產廣告等都基于這種技術。

基于三維建模技術的虛擬圖書館實現通常分為以下幾個步驟：收集圖書館建筑數據、三維軟件建模、導入人機交互軟件和打包發布軟件。

1）收集圖書館建筑數據。獲取圖書館建筑數據一般有兩種方式。一種是獲取建筑CAD圖紙。新造的圖書館一般可以要求建筑設計單位提供CAD圖紙。國內建筑企業大多用天正建筑CAD制作電子圖紙，這種圖紙符合AutoCAD軟件格式標準，只需安裝AutoCAD軟件即可查看。另一種是在圖書館實地測量，自己畫平面圖紙。老的圖書館很多都沒有CAD圖紙，只能現場勘測。

2）三維軟件建模。三維軟件建模是將二維的建筑數據用三維的方式展現出來。目前市場上的三維軟件主要有Revit、C4D、3Ds Max、Maya和SketchUp等，一般Revit、3DsMax和SketchUp支持直接導入AutoCAD文件，在建筑領域應用較多，而C4D和Maya在影視動畫和游戲等領域應用的比較多。三維建模是整個工作流中最復雜、工作量最大的部分。三維建模工作需要配合人機交互軟件來進行，不同的人機交互軟件對三維模型有不同的要求。例如有些要求提供兩套UV，有些對模型的三角面數有限制，有些對模型的格式有要求，等等。

3）人機交互軟件。人機交互軟件的主要功能是給導入的三維模型添加人機交互邏輯和圖形渲染功能。人機交互邏輯包括AI、物理、碰撞、觸發器、UI界面等，一般需要編程實現。圖形渲染方面主要為模型添加材質貼圖、光照等信息。常見的用于開發VR的人機交互軟件有VRML、X3D、Unreal Engine、Unity3D、Quest3D和中視典的VRP等。

4）打包發布軟件。軟件發布要考慮各種平臺系統。例如，桌面版的Windows、Linux、MacOS系統，移動版的Android、iOS、TVOS等系統。人機交互軟件一般都帶有相應的軟件打包功能，支持跨平臺的軟件發布。

基于三維建模實現虛擬現實的案例有很多。呂朝華等用3Ds Max和Quest3D實現了虛擬圖書館漫游[8]。莊楚鑫等基于Unity3D和3DsMax實現了圖書館虛擬閱讀系統[9]。

這種基于三維建模技術實現虛擬現實的方式有以下幾個缺點：1）開發技術要求高。開發者需要掌握二維CAD軟件，三維建模軟件，人機交互軟件，還需要懂Photoshop等圖片處理技術。2）工作量大。從實地勘測、三維建模到實現人機交互需要大量的時間和精力。3）對硬件要求高。開發虛擬現實的這些三維軟件對顯卡、內存的要求很高，一般都需要圖形工作站才能勝任。

優點是立體感和沉浸感強、交互體驗好、可擴展性強，是目前開發虛擬現實的主流技術。基于三維建模的虛擬現實技術，可以在同一個平臺實現建筑虛擬化、圖書虛擬化、虛擬數字人和VR閱讀等功能，更符合元宇宙圖書館未來的發展趨勢。

2" Unreal Engine

2.1" Unreal Engine簡介

Unreal Engine（虛幻引擎）是世界著名的游戲公司Epic Games于2014年發行的一款殿堂級的游戲開發引擎與編輯器，前身是UDK（Unreal Development Kit）。《戰爭機器》《虛幻競技場》《絕地求生：刺激戰場》《堡壘之夜》等知名游戲都是基于Unreal Engine開發的。Unreal Engine之前由于高昂的授權費用，一般都是在大公司使用，直到2015年3月Epic公司宣布Unreal Engine 4開源免費，才逐漸在業界流行起來。Unreal Engine由于其照片級逼真的畫質、強大的實時渲染功能，在建筑、影視、動畫等領域被廣泛應用。

目前Unreal Engine在圖書館領域的應用還比較少。2013年高義棟等基于UDK實現了虛擬圖書館漫游系統[10]。2016年日本游戲美術師Aiko Shinohara基于Unreal Engine引擎制作了牛津大學圖書館。2016年，劉向暉等探索了Unreal Engine引擎在烏蘭察布集寧附中圖書館建筑可視化中的應用[11]。

2.2" Unreal Engine對比Unity 3D

在基于三維建模技術的虛擬現實方案中，Unreal Engine和Unity3D是當下虛擬現實領域應用最多的兩款引擎，兩款引擎的差異如表1所示。

表1" Unreal Engine對比Unity3D

引擎 Unreal Engine Unity3D

經濟成本 創作者版：開源，免費 個人版：不開源，免費

編程語言 藍圖、C++ C#、JavaScript

跨平臺支持 是 是

商店資源 少、貴、質量好 多、便宜、參差不齊

社區資源 少 多

1）Unreal Engine和Unity3D都有免費的版本，但是Unity3D的免費版不能定制發布軟件的Logo，沒有性能優化調試工具，源代碼不開源。Unreal Engine是開放源代碼的，可以自定義Logo，內部集成各種性能優化調試工具，對開發者而言Unreal Engine的自由度更大。

2）藍圖是可視化編程語言，只需拖拽圖形即可完成編程。雖然Unreal Engine引擎的底層是C++實現的，但是它可以通過藍圖來實現不寫一行代碼完成交互邏輯。所以，即使是不懂程序的關卡設計師和美術師都可以獨立完成游戲邏輯。相比之下，Unity3D對開發人員的要求比較高，Unity3D原生是不支持可視化編程的，所以開發人員需要有C#等語言的編程基礎。

3）Unreal Engine和Unity3D都支持跨平臺的打包輸出，但是Unreal Engine一直以來主攻桌面游戲和主機游戲領域，對移動端的支持沒有Unity3D做得好，這也是為什么Unity3D在手機領域很受歡迎。

4）雖然Unreal Engine的商店資源質量普遍比Unity3D的好，但是免費的資源Unreal Engine很少。

5）由于Unreal Engine從2015年開始才開源免費，而Unity3D從開始發布就推行免費策略，社區的人數Unity3D一直保持領先，社區的文檔資料等自然也是Unity3D多得多。

綜上所述，Unreal Engine和Unity 3D在非商業用途上的經濟成本都是很低的。雖然Unreal Engine 在低端硬件的支持上和學習資料等方面不及Unity 3D，但是Unreal Engine的可視化編程可以不寫代碼開發，以及Unreal Engine的開源特性，在擴展性和定制方面比Unity 3D強。對于經費少、計算機人才缺乏的高校圖書館而言，基于Unreal Engine自主開發虛擬圖書館是不錯的選擇。

3" 基于Unreal Engine的圖書館建筑虛擬化實現

以浙江外國語學院新圖書館為例，如圖1所示，基于Unreal Engine 4.26的圖書館建筑虛擬化開發主要分為四個步驟。第一步，從校園建設處獲取圖書館新館的CAD文件。第二步，將CAD文件整理好后，導入到3Ds Max軟件中進行三維建模。第三步，將模型導入Unreal Engine，對模型進行材質設置和人機交互設置。第四步，打包輸出各平臺的可執行文件。

圖1" 基于Unreal Engine開發的實現框架

3.1" 圖書館建筑CAD文件處理

對于圖書館建筑模型來講，主體結構主要由墻面和窗戶等組成。如圖2所示，CAD圖紙中有很多人防以及內部管道等冗余圖層信息，對三維建模是沒有用的，因此，在導入3Ds Max之前首先要去掉這些圖層，只留下墻面、柱子和窗戶等相關的圖層。

3.2" 導入到3Ds Max軟件中進行三維建模

建筑CAD圖紙導入3Ds Max后，根據CAD圖紙中的墻面進行布線，并通過平面拉伸、旋轉等方式建立三維模型。對于窗戶、柱子等可重復利用的小部件一般都單獨建模，最后拼接到建筑模型里，如圖3所示。在制作模型部件的同時，要將部件的UV展開，為Unreal Engine中上材質做準備。在UnrealEngine4中需要準備兩套UV，分別用于材質貼圖和光照貼圖。對于少量的小模型一般采用FBX文件進行3Ds Max和Unreal Engine之間的交互，但是對于有大量部件的建筑模型來說就很不方便。這里我們應用Unreal Datasmith Exporter for 3Ds Max插件來進行交互，Datasmith插件可以一次性將3Ds Max中拼裝好的三維模型轉化為.udatasmith格式導入到Unreal Engine中。

3.3" 在Unreal Engine中制作材質球

現實中墻面、窗戶、欄桿等都是由不同的材質構成，在Unreal Engine中用材質球的方式來是呈現水泥、玻璃、金屬等不同的視覺效果。Unreal Engine本身自帶了很多材質球供我們使用，對于特殊的材質，比如學校Logo，我們需要準備顏色貼圖、法線貼圖等來自定義材質球，如圖4所示，在Unreal Engine中通過藍圖來自定義材質球的設置。

3.4" 軟件發布

Unreal Engine支持跨平臺打包輸出，可以根據自己的需求發布桌面版、移動版、VR眼鏡版、智能電視版等格式。這里選擇Windows平臺進行打包測試，運行生成可執行的.exe文件，如圖5所示，用戶可以通過WASD按鍵進行游覽虛擬圖書館。

圖5" 打包發布軟件

4nbsp; 結" 論

基于Unreal Engine的虛擬現實技術開發元宇宙圖書館具有現實可行性，Unreal Engine低成本，高畫質，低代碼開發等特點，非常適合目前大多數高校圖書館經費少、計算機人才短缺的情況。雖然基于360度全景照片方案是成本最低，但基于三維建模的虛擬現實技術具有立體感和沉浸感強、交互體驗好、可擴展性強等優點，可以在同一平臺實現虛擬圖書館漫游、虛擬數字人咨詢、VR閱讀等各種圖書館服務，更符合元宇宙圖書館未來的發展趨勢。未來隨著ChatGPT等AI技術和物聯網技術的發展，元宇宙圖書館將更加貼近現實和更加智慧化。

參考文獻：

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[10] 高義棟，李曼曼，雍炎炎，等.基于UDK引擎的圖書館虛擬漫游系統的設計與實現 [J].現代教育技術，2013，23（10）：121-126.

[11] 劉向暉，陳天博.VR與UE4在建筑設計中的實踐探索 [J].建筑技藝，2016（11）：114-115.

作者簡介：汪鐵良（1987—），男，漢族，浙江杭州人，助理館員，碩士，研究方向：數字圖書館；袁圓（1981—），女，漢族，浙江杭州人，助理館員，本科，研究方向：平面設計、視覺傳達。