基于虛幻引擎的心肺復蘇科普館設計與開發

摘" 要：隨著虛擬現實技術和虛幻引擎的不斷進步，我們積極響應《健康中國行動（2019—2030年）》的號召，致力于普及全民應急救護知識，并全面提升職工在心肺復蘇急救技術方面的操作能力。為此，精心策劃并實施該項目，其基于Unreal Engine 5進行場景渲染和邏輯功能的編寫，同時借助3D MAX、Maya等專業軟件完成模型建模。該虛擬展館突破傳統傳播方式的局限性，以虛擬仿真的形式將教學和科普內容生動、直觀地呈現給用戶。通過高度仿真的環境和互動體驗，使用戶能夠在虛擬環境中進行實踐操作，從而更深入地理解和掌握心肺復蘇等急救技術。研究結果表明，以虛幻引擎開發的虛擬展館在用戶體驗、學習效果以及實時反饋等方面均表現出色。它不僅便于用戶的學習，還具有高效性、實時性和可升級性等特點。

關鍵詞：心肺復蘇；虛幻引擎；虛擬展館；3D MAX；仿真

中圖分類號：TP391.9" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）32-0035-05

Abstract： With the continuous advancement of virtual reality technology and Unreal Engine， we actively respond to the call of \"Healthy China Action （2019—2030）\" and are committed to popularizing national emergency rescue knowledge and comprehensively improving employees' ability to operate in cardiopulmonary resuscitation first aid technology. To this end， we carefully planned and implemented this project. It is based on Unreal Engine 5 for scene rendering and writing logic functions， and at the same time， it uses professional software such as 3D MAX and Maya to complete model modeling. This virtual exhibition hall breaks through the limitations of traditional communication methods and vividly and intuitively presents teaching and popular science content to users in the form of virtual simulation. Through a highly simulated environment and interactive experience， users can perform practical operations in a virtual environment， so as to have a deeper understanding and mastery of emergency technologies such as cardiopulmonary resuscitation. The research results show that the virtual exhibition hall developed using Unreal Engine performs well in terms of user experience， learning effect and real-time feedback. It is not only easy for users to learn， but also has the characteristics of high efficiency， real-time and upgradeability.

Keywords： cardiopulmonary resuscitation; Unreal Engine; virtual exhibition hall; 3D MAX; simulation

據統計數據顯示，我國每年有大量的心臟驟停事件發生，這使得急救的“黃金四分鐘”對于瀕危患者而言顯得尤為關鍵。在這短暫的時刻內，心肺復蘇成為了拯救生命的關鍵步驟，因此，也成為了當今社會的熱議焦點。為了讓更多的人了解和掌握心肺復蘇技術，不僅僅局限于傳統的現場教學，更希望通過一種更具創新性的方式，使學習者能夠身臨其境地體驗和嘗試心肺復蘇的實際操作及相關知識。鑒于此，借助現代科技的飛速發展，特別是虛擬現實技術的廣泛應用，將這一熱門話題與先進的技術相結合。通過利用虛幻引擎，打造了一個以心肺復蘇教育為主題的虛擬VR展館。這一展館不僅能讓體驗者更加深入地了解心肺復蘇的發展歷史，還能讓他們直觀地認識各種心肺復蘇設備，深刻體會CPR的重要性，并掌握正確的急救操作方法。本項目基于Unreal Engine 5引擎進行開發，具備高度的兼容性和可擴展性。希望通過這一創新的教育方式，讓更多的人能夠輕松學習并掌握心肺復蘇技術，為社會的急救事業貢獻一份力量[1]。

1" 項目研究的意義與創新點

1.1" 項目研究的意義

目前，盡管國內在心肺復蘇教育方面已有所投入，但通過知網查詢、百度檢索等渠道調查后，遺憾地發現，尚未有以心肺復蘇為主題的虛擬科普展館問世。本項目在研究過程中，充分考慮了用戶體驗理論與展館設計理論，發現沉浸式、交互式的用戶體驗更能贏得大眾群體的青睞。在新媒體技術日新月異的今天，將心肺復蘇教育與虛幻引擎及VR技術相結合，無疑是科普宣傳教育的新方向。相較于傳統的圖文教育方式，VR心肺復蘇虛擬展館的呈現形式更具立體感，它能夠將諸多信息元素巧妙地融合在一起，使內容更為豐富多樣。傳統的圖文教育往往因為冗長的文字描述而使公眾產生視覺疲勞，從而失去閱讀的興趣和耐心。然而，通過交互式的虛擬展館，能夠極大地提升用戶的參與度和興趣，使得圖文信息的傳達更加生動、直觀，更易于被公眾所接受和理解。借助VR技術打造的心肺復蘇虛擬科普展館，不僅能夠為公眾提供更為深入、全面的心肺復蘇知識，同時也能夠提升科普教育的趣味性和實效性，為推動心肺復蘇知識的普及和傳播發揮重要作用[2]。

1.2" 研究的創新點

1.2.1" 交互性和沉浸感

在精心設計的場館中，采用3DUI技術能夠賦予用戶一種前所未有的新奇體驗，使其得以深入探索心肺復蘇的發展脈絡，深刻領會其不可或缺的重要性。通過與場景中布置的儀器進行交互，用戶不僅能夠清晰地了解心肺復蘇儀器的形態與結構，更能在互動中深化對其功能的理解。此外，仿生人的引入更是錦上添花，它們能夠在用戶面前生動地展示心肺復蘇的標準操作要領，使得用戶對于這一急救技能的理解與掌握更為深刻與精準。如此設計，不僅豐富了用戶的學習體驗，也極大地提升了他們對于心肺復蘇重要性的認識。

1.2.2" 突破時空的限制

本項目借助UE5技術，能夠打造出極具真實感的環境，讓學習者不受時間和地點的束縛，隨時隨地沉浸于場館之中，深入學習和掌握心肺復蘇的知識及處置技能。此外，本項目還突破了傳統學習方式的限制，無需特定設備或操作系統的要求，為廣大學習者提供了極大的便利與靈活性。

1.2.3" 低成本零風險

通過VR心肺復蘇科普館的設立，得以持續推廣心肺復蘇教育，從而大幅減少了實地場景構建以及采購相關耗材的費用，顯著降低了教育成本。與此同時，借助一人一端的個性化學習模式，學習效率得到了極大提升，無需等待，隨時隨地都能開啟學習之旅。更重要的是，學員們能夠在無風險的環境中身臨其境地體驗心肺復蘇操作，不僅安全便捷，更能夠加深理解與記憶，實現高效學習與技能掌握[3]。

2" 系統設計

2.1" 設計思路

2.1.1" 展館設計

鑒于用戶群體職業背景多樣化，對心腦血管疾病和心肺復蘇急救知識的了解程度參差不齊，且每位用戶對知識的渴求點各異，本展館采用開放式流程設計，旨在滿足不同用戶群體的個性化需求。

2.1.2" 虛擬環境構建

真實感模擬：打造一個高度逼真的虛擬展館，無論是精細的建模、陽光粒子效果的渲染，還是地板光滑反光的細節處理，都力求為參觀者營造出身臨其境的沉浸式體驗。

環境交互：注重增強參觀者在虛擬環境中的互動體驗，確保他們能夠自由移動、與虛擬角色和物體進行交互，從而更加沉浸于這個虛擬世界。

2.1.3" 教育內容整合

知識呈現：通過文字、圖像、動畫等多種表現形式，向參觀者系統介紹心肺復蘇的發展歷史、基本概念、原理、所需設備及操作步驟，確保信息傳達的豐富性和準確性。

動畫全程展示：利用動畫技術詳細演示急救操作的每一個流程，讓參觀者能夠直觀地掌握心肺復蘇的流程及動作要領，提升學習效果。

2.1.4" 互動學習體驗

模型展示：在展館中呈現真實建模的心肺復蘇設備模型，讓參觀者能夠近距離觀摩，加深對實際設備的理解。

互動操作：采用3DUI的形式展示圖文信息，使參觀者能夠方便地控制信息的播放、暫停以及翻頁，實現更加個性化的學習體驗。

2.2" 系統架構

本項目的核心設計旨在打破時間和地點的束縛，讓用戶能夠隨時隨地沉浸在心肺復蘇科普展館的虛擬體驗之中。整個場館的開發過程精心劃分為5個關鍵步驟：首先，運用Photoshop等專業的平面設計軟件，精心繪制了3DUI所需的精美貼圖，為后續的模型構建和場景搭建提供了堅實的基礎。其次，利用3D MAX軟件對心肺復蘇儀器以及場館內的各種設備進行了細致入微的建模，確保每一個細節都盡可能還原真實場景。接下來，在UE5引擎中，進行了場景的搭建、光照的構建以及粒子效果的渲染，力求打造一個高度逼真的虛擬環境，使用戶能夠身臨其境地體驗科普展館的每一處細節。然后，通過藍圖或C++編程語言實現項目邏輯，結合動畫藍圖、碰撞檢測、UMG等系統，實現了豐富的交互功能，使用戶能夠與虛擬環境進行自然而流暢的互動。最后，對項目進行打包和測試，認真查找并修復項目中的bug和不足，以確保用戶能夠獲得最佳的學習與體驗效果。通過以上5個步驟的設計與實施，成功打造了一個功能完善、體驗出色的心肺復蘇科普展館，為用戶提供了一個全新的學習平臺。

2.3" 項目主要功能

2.3.1" 三維圖形知識展板

對于那些對心腦血管疾病和心肺復蘇急救知識知之甚少，或是首次接觸相關內容的用戶，本展館特別設計了三維知識展板項目，以助其深入了解。為了營造逼真的體驗效果，參照了線下展館的知識展板設計，但在此基礎上進行了創新。采用了3D建模和3D用戶界面技術，使得視覺觀感更為出色，同時，通過三維化信息存儲方式，展板能夠承載更為豐富的信息內容。

在體驗過程中，用戶的主視角會定期釋放射線進行檢測。一旦射線遭到阻擋，且阻擋物被系統識別為展板時，用戶的操作手柄上便會顯示一條基準線。這條基準線不僅方便了用戶與展板進行交互，獲取更多知識，更增強了用戶在學習過程中的參與感，從而提升了整體的體驗效果。通過這樣的設計，旨在為用戶提供一個既具互動性又富有趣味性的學習平臺，助其更好地掌握心肺復蘇急救知識（圖1）。

2.3.2" 人體模型動畫

對于那些已經對相關知識有了初步認知，但實際操作經驗尚顯匱乏的用戶而言，展館內特別設置了人體模型動畫展示區域。在這里，用戶可以通過與三維用戶界面的互動，自如地控制動畫的播放、暫停與重置。這種虛擬現實的環境為用戶提供了一個沉浸式的學習平臺，使其能夠更加細致地觀察CPR急救術的動作細節，從而深化理解，提高學習效果。通過這種方式，用戶不僅能夠鞏固理論知識，更能在模擬實踐中逐步積累操作經驗，為將來的實際應用奠定堅實基礎（圖2）。

2.3.3" 除顫儀模型展示

隨著AED（自動除顫儀）在公共場所的普及率不斷提升，對廣大民眾進行AED使用培訓顯得尤為重要，這已然成為急救知識宣傳工作的重要任務。為了積極響應這一需求，本展館特地采用了先進的3D建模技術，精心制作了AED模型，并特別設計了模型展示與使用環節。用戶不僅能夠通過與3D用戶界面的交互，輕松將模型取下進行細致觀察，還可以借助操作手柄對AED模型進行真實模擬操作，深入體驗儀器的每一個操作細節。該設計旨在讓每一位用戶都能更加直觀地了解AED的使用方法，從而提升其在緊急情況下的應對能力（圖3）。

3" 系統功能實現

3.1" AED三維模型的建立

隨著三維技術的發展，已經可以使用各種三維建模工具搭建出各種現實中存在或不存在的場所，而該心肺復蘇體驗館的目的是幫助未經受過專業培訓的普通群眾在一個虛擬的三維場景中來大致了解AED裝置的操作流程，以避免在現實中遇到需要使用該裝置的情況時而手足無措。既然要實現在虛擬場景中AED的操作，那么AED的三維模型是必不可少的。本展館使用了最常用的三維模型工具Maya來進行模型的初步建立，之后使用RizomUV對其UV結構進行合理拆分，最后將拆分完畢后的模型導入Substance Painter中進行模型貼圖的制作與烘焙，完成以上步驟后即可將模型與貼圖一并以UE5的輸出模板進行導出并在進行使用。

3.2" 交互系統的實現

3.2.1" 三維User Interface交互系統

本展館著重于與場景的交互，用戶主要通過與三維數字化的User Interface交互獲取信息。因此，一個可視的交互系統是必要的。本展館采用Set timer與Line Trace By Channle結合的方式實現這一系統。

首先，為了與User Interface交互，需要在VR Pawn類中添加Widget Interaction Component。然后在VR Pawn類中使用Set timer By Event設定一個執行頻率為0.1 s的timer，并將是否為Loop值設為true，然后使用此timer驅動一個Line Trace。Line Trace的Start Point設置為VR Pawn的World Location（可通過GameInstance的Static Member Function獲取）。同樣地，End Point設置為當前VR Pawn的Forward Vector（獲取方式同上）乘以一個延伸值，并與當前VR Pawn的World Location相加即可對VR Pawn前方一定距離的Actor進行Line Trace。如果當前檢測對象為三維User Interface，則將Widget Interaction Component的Class Default Setting中的Debug屬性值設置為true。通過Debug Line的校準，用戶即可通過操作手柄上的trigger與三維User Interface進行交互。

3.2.2" User Interface與Scene通信交互

用戶通過與User Interface發送請求后，需要由User Interface將請求發送至對應對象執行。傳統的實現方法是，通過獲取Scene中所有對象，通過get函數獲得對象副本，通過UnReal內置函數Cast to轉換為相應類型，執行相應功能。但是，這樣的通信交互會造成性能開銷過大。出于應用的穩定運行考慮，本展館采用Blueprint Interface與Event Dispatcher結合的方式降低性能開銷，提升系統穩定性與運行流暢度。創建一個Blueprint Interface，命名為IBP_GameMode，在其中聲明get函數。然后由VRGameMode類實現該接口，將get函數重載，返回值設置為self。在VRGameMode類中添加Event Dispatcher，命名為OnPlayAnimation。然后在需要實現的類中，如Model Actor中，通過Game Instance的static member function中的get gamemode函數獲取當前Gamemode，然后調用前文聲明在IBP_GameMode中的函數GetGameModeRef，直接類型轉換為VRGameMode，申請綁定Event Dispatcher，將Event Dispatcher與相應函數綁定。最后回到User Interface中，在對應的ButtonOnClick事件中以同樣的方式獲取VRGameMode，從中申請調用已綁定的Event Dispatcher即可實現User Interface與對應對象的通信交互。

3.3" 動畫系統的實現

3.3.1" 動作捕捉的一些準備

在本項目中，選用了諾亦騰公司所生產的先進動作捕捉設備。為確保數據傳輸的穩定性，特意選擇了開闊無遮擋的場地進行測試。這樣的場地設計，不僅避免了其他金屬設備可能產生的磁場干擾，還使得整個動作捕捉過程更加純凈、準確。同時，考慮到骨骼對應的精準度對于動畫效果至關重要，特別挑選了體型偏瘦的組員作為模特。這樣的體型特點更有助于精確地捕捉和還原模特的每一個細微動作。在準備階段，首先需要將定位器通過專業綁帶精確地固定到模特的額頭、胸口、小臂、小腿及腳背等關鍵部位。隨后，模特需要根據要求擺出特定的姿勢，調整T pose，確保所有定位器處于最佳的工作狀態。接著，模特還需戴上特制的手套，并根據提示擺出對應的手型，以便獲取手指的精確定位。這一過程對于捕捉手部動作的細膩變化尤為關鍵，有助于在后續的動畫制作中還原模特的真實手部動作。最終，當仿生人的動作與模特的動作實現精準的一一對應后，便完成了整個準備工作。

3.3.2" 動作捕捉技術與UE5的結合

本項目使用最新的UE5引擎進行開發，該版本的引擎會自動安裝Quixel Bridge插件，可以使用大量的免費模型資源。首先，需要將動捕插件拷貝到引擎目錄下，工程打開后在Plugin頁面中應用NeuronLiveLink動捕插件，在重啟引擎后選擇導入所需要的模型，模型導入時提示插件缺失或者設置缺失需點擊Enable Missing進行重啟。然后，打開導入的模型藍圖，選中Body在右側Detailgt;Mesh面板中點擊放大鏡找到模型的Skeletal mesh并雙擊打開，在右上角找到并打開與Skeletal mesh同名的動畫藍圖，在左下角找到預置的Animation graphs并雙擊打開，添加Live Link Pose節點并連接到Control Rig節點上，生成一個用于驅動Metahuman模型的重定向動畫序列連接到Live Link Pose節點前面用于生成該動畫資產需要在UE中將目標模型的骨骼調整到數據源骨骼的標準pose，導入存放在Arts目錄中的T pose。之后，在動畫藍圖頁面將剛剛生成的T pose 動畫序列資產拖拽到AnimGraph中然后連接到Live Link Pose節點前。最后，完成數據流連接部分，選中Live Link pose 節點Retarget Asset設置為UE Metahuman編譯并保存，就可以實現動捕設備與UE5的連接。

4" 結束語

基于虛幻引擎開發的虛擬心肺復蘇科普館項目，通過利用虛擬現實技術的優勢，成功構建了一個具有高度真實感和沉浸感的虛擬科普環境。本項目不僅豐富了心肺復蘇科普教育的形式和內容，還為廣大用戶提供了一個便捷、高效的學習平臺。通過實際應用和測試，虛擬心肺復蘇科普館在提升用戶學習興趣、加深知識理解以及提高技能掌握程度等方面均取得了顯著效果。用戶能夠隨時隨地通過該科普館進行自主學習和實踐操作，不受時間和地點的限制，從而提高了學習效率和便利性。綜上所述，基于虛幻引擎開發的虛擬心肺復蘇科普館項目在科普教育領域具有廣闊的應用前景和重要的實踐價值。隨著技術的不斷進步和完善，虛擬科普館將在未來發揮更加重要的作用，為提升公眾健康素養和急救能力做出更大的貢獻。

參考文獻：

[1] 陳琪璟，吳笛白，張子揚，等.基于虛幻引擎開發的地震救援模擬系統[J].科技創新與應用，2023，13（12）：36-38，44.

[2] 杜韞雨，楊珍，曹英，等.健康中國背景下居民心肺復蘇普及教育問題的思考[J].醫學教育研究與實踐，2023，31（3）：268-271，277.

[3] 楊艷瑜，曾雪峰，李廣松，等.基于UE4的虛擬展館設計與開發——以“南派”醒獅為例[J].計算機時代，2023（11）：79-82，89.