基于UE的仿真災害系統設計與實現

摘" 要：隨著全球自然災害頻發，災害預防和應對變得日益重要。傳統的災害教育方式存在局限性，難以讓參與者深刻體驗災害的嚴重性。該研究利用Unreal Engine游戲引擎和虛擬現實技術，設計并實現一個仿真災害系統，旨在為公眾提供一個逼真且安全的災害體驗平臺。此舉旨在創新災害教育方式，提高公眾的防災減災意識和應對能力，為災害教育的普及和推廣貢獻力量。研究的意義在于探索更直觀、生動的災害教育手段，為社會的災害防范工作提供有力支持。

關鍵詞：災害；UE；仿真；VR；系統設計

中圖分類號：T391.9" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）32-0051-04

Abstract： With the frequent occurrence of natural disasters around the world， disaster prevention and response have become increasingly important. Traditional disaster education methods have limitations and make it difficult for participants to deeply experience the severity of disasters. This research uses Unreal Engine game engine and virtual reality technology to design and implement a disaster simulation system， aiming to provide the public with a realistic and safe disaster experience platform. This move aims to innovate disaster education methods， improve public awareness and response capabilities of disaster prevention and reduction， and contribute to the popularization and promotion of disaster education. The significance of the research lies in exploring more intuitive and vivid disaster education methods to provide strong support for social disaster prevention work.

Keywords： disaster; UE; simulation; VR; system design

隨著全球自然災害的頻發，災害預防和應對已成為社會關注的焦點。傳統的災害教育方式，如課堂教學和圖文展示，受限于其無法真實模擬災害場景的問題，使得參與者難以深刻理解災害的嚴重性和緊迫性。探索一種更為直觀、生動的災害教育方式顯得至關重要。近年來，虛擬現實（VR）技術的快速發展為災害教育提供了新的可能性。VR技術能夠創建逼真的虛擬環境，使參與者身臨其境地體驗災害，從而提高他們的防災減災意識和應對能力。本研究旨在利用Unreal Engine（UE）游戲引擎，結合VR技術，設計并實現一個仿真災害系統，為公眾提供一個安全且逼真的災害體驗平臺。通過本研究，我們期望能夠為災害教育提供一種創新的解決方案，提高公眾的災害防范意識和應對能力，同時為災害教育的普及和推廣作出貢獻。

1" 研究的意義與目的

1.1" 研究背景與意義

近年來，地震、洪水、火災等全球自然災害的頻發，對人們的生命和財產安全構成了嚴重威脅。然而，傳統的災害教育方式，如課堂教學和圖文展示，往往無法真實模擬災害場景，使參與者難以深刻理解災害的嚴重性和緊迫性。尋找一種能更直觀、生動地展示災害的教育方式變得尤為重要。

隨著虛擬現實（VR）技術的快速發展，人們開始關注其在災害教育領域的應用。VR技術能夠創建逼真的虛擬環境，讓參與者身臨其境地體驗災害，從而增強人們的防災減災意識和應對能力。本研究的目標是利用VR技術建立一個仿真災害體驗館，為參與者提供一個安全且逼真的災害體驗平臺。

本研究具有重要的現實意義和廣泛的應用前景。通過建立VR仿真災害體驗館，不僅可以為參與者提供一個安全且逼真的災害體驗平臺，還可以提高人們的防災減災意識和應對能力，拓展教育方式。

1.2" 研究目的與任務

本研究的核心目的是通過開發VR仿真災害體驗館，利用虛擬現實技術為公眾提供一個身臨其境的災害模擬環境，以增強人們的防災減災意識和應對災害的能力。隨著全球自然災害的頻發，如何有效地進行災害預防和應對已成為社會關注的焦點。傳統的災害教育方式往往局限于理論知識的傳授，缺乏實際操作和體驗，導致公眾對災害的認識和應對能力有限。本研究旨在通過創新的技術手段，為災害教育提供一種新的解決方案。

2" 研究的創新點

2.1" 技術融合創新

本研究將虛擬現實技術與人工智能技術創新性地結合，有效地突破了傳統災害教育的局限，為該領域注入了新的活力。使用VR技術，用戶可以身臨其境地體驗災害現場，感受災害的沖擊和威脅。這種沉浸式的體驗不僅可以讓用戶直觀地了解災害的成因、發展過程和可能的危害，還可以讓他們深刻地認識到防災減災的重要性。用戶可以通過與虛擬數字人的對話互動，學習災害預防、災害發生的原因以及應對方式。這種智能交互方式不僅增強了災害教育的趣味性和吸引力，還能根據用戶的需求和特點提供個性化的學習體驗和反饋。

2.2" 交互性強

虛擬現實技術的運用在科普教育中引發了革命性的變革。具有較高的互動性與沉浸感，使用虛擬現實技術增加科普過程中的趣味性，同時也增強代入感、沉浸感，幫助用戶提高應對火災的能力。虛擬現實技術能模擬逼真的場景，讓用戶在安全的環境中體驗災害的緊迫感和危險性。用戶可以觀察災害的發生和發展，同時學習并掌握正確的滅火方法和逃生技巧。這種互動式的學習方式不僅增加了學習的趣味性，而且能幫助用戶在遇到災害時迅速做出正確的反應，提高他們的應對和自救能力。

對話AI能根據用戶需求提供定制化學習內容，滿足個性化需求，從而提高學習效果和效率。這種高度交互和個性化的學習方式，不僅增強了用戶對災害知識的理解和記憶，還提高了他們在實際應用中的應對能力和決策效率。

2.3" 成本降低與知識普及

利用虛擬現實技術降低了制作災害體驗館的成本，使得災害知識的普及更加容易和方便，同時也降低了學習成本，提高了學習效率。這種低成本、高效率的知識傳播方式有助于提高公眾的災害防范意識和應對能力。

3" 基于UE的仿真災害系統設計

3.1" UE的介紹與優勢

Unreal Engine（UE）是一款由Epic Games開發的次世代游戲引擎，多用于開發第一人稱設計游戲[1]。近年來UE在虛擬現實、建筑可視化、影視制作和科學研究等多個領域得到廣泛應用。UE的主要優勢是其強大的實時渲染能力，其先進的圖形渲染技術和有效的資源管理策略。利用UE，開發者能夠生成逼真的光影效果、精細的紋理貼圖和流暢的動態場景，從而為用戶提供沉浸式的視覺體驗[2]。

本項目也用到了UE5的Nanite和Lumen技術。Nanite是一種虛擬化幾何體技術，其能夠快速渲染大量的三角面，并且能夠無損地將許多三角面壓縮得非常小。Nanite能夠展示像素級別的細節，幾何體中的三角形通常是像素大小的，這種級別的幾何體細節要求陰影能夠精確到像素。Lumen是一種動態全局光照技術，其可以實現實時光線反射。通過Lumen，只要移動光源，光線反彈效果就會實時變化。Lumen能夠實時響應場景和光照的變化，而且無需專門的光線追蹤硬件。這可以使項目更加逼真和生動，從而提高項目的沉浸感和交互性，可以讓項目更加逼真和生動，提升項目的沉浸感和交互性。

3.2" 系統設計架構

本系統采用VR+AI的創新方式，結合2種方式的特點以學習+體驗的學習方法，加深學習效果。體驗館分為2部分：展示區和體驗區。在展示區內不同的科普區域，分別有AI知識科普區、災害知識科普區、消防器材展示區。在AI知識科普區內設有虛擬數字人，虛擬數字人接入了對話AI，使用人可以與虛擬數字人交流、學習相關的災害知識。在災害知識科普區內設有相關的災害知識科普展板，展板的內容包括地震、洪水等常見災害，介紹了預防災害發生的方法、常見器材的使用方法等知識。在消防器材展示區內陳列日常生活中常見的消防器材的高精度模型，使用人可以近距離觀察和學習相關的器材使用方法，以便火災來臨時可以正確地使用這些器材。在體驗區內使用人可以到體驗區內親身體驗災害來臨時的場景，使用人要根據指示完成逃生，如圖1所示。

4" 基于UE的仿真災害系統實現

4.1" 虛擬三維場景創建

為了盡可能地重現災害現場的真實環境，設計相關災害的三維場景是一項十分重要的任務。通過收集災后的照片和視頻資料，可以更好地重現災害現場的環境特征、物品分布和破損程度。

在建模階段，我們使用如3D MAX和Maya等專業的3D建模軟件來創建場景所需的物品。這些軟件可以幫助我們精確地重現災后場景的細節，無論是倒塌的建筑物還是散落的碎片。建模完成后，將模型導入Substance Painter進行貼圖繪制。Substance Painter是一款出色的紋理繪制軟件，其可以使我們創建的模型更加逼真和精細。通過這款軟件為模型添加各種紋理、顏色和細節，使模型更接近真實物體的表面。最后，將場景導入到UE中進行搭建。UE提供了豐富的材質系統和光照工具，通過調整各種材質參數，如高光度和摩擦度，以實現更逼真的視覺效果。使用UE內置的物理碰撞系統，進一步提高了三維場景的真實性和交互性。該系統能模擬現實世界的物理規律，如重力、碰撞和摩擦力，確保場景中的物體在受到外力作用時符合真實的物理規律。通過這些設計和處理可以高度還原災害現場的真實情境[3]。

4.2" VR交互方式實現

主要的交互功能由VR手柄完成。具體操作方式如下：①觸摸板用于確定落點和控制移動。②在UI交互界面中，扳機鍵的單擊可以確定操作，這種設計符合用戶的使用習慣，提高了交互的便捷性。在特定場景下，如握持滅火器時，按住扳機鍵可以使滅火器噴出干粉進行滅火操作，這種模擬真實世界的交互方式增強了用戶的沉浸感和體驗感。③側鍵可以撿起毛巾或滅火器。

4.3" 功能模塊的實現

4.3.1" 展示區設計

進入體驗館后可以在展館內進入不同的區域學習相關的災害知識，可以學習展板上的災害知識，同時也可以通過多媒體面板學習相關的知識。除此之外還可以近距離觀察高精度的消防設備模型，學習其使用方法。

4.3.2" AI虛擬數字人模塊設計

在展區內特別設立了AI知識科普區，在AI知識科普區內的亮點是一個仿真的虛擬數字人結合的人工智能技術，為人們提供了一個全新的學習體驗[4]。

這個虛擬數字人內置了ChatGPT，通過OPENAI提供的API可以接入ChatGPT。ChatGPT作為一個強大的語言模型，能夠為各種復雜問題提供富有邏輯和易于理解的回答。問答過程可以展示在交互界面上，使得使用者能夠輕松地與虛擬數字人進行對話，并獲得所需的災害知識。

為了實現更加真實自然的科普學習方式，該系統還集成了語音識別功能。利用微軟azure服務器可以將使用者的語音轉換成文字信息，通過藍圖實現，如圖2所示，確保了轉換的準確性和效率。轉換后的文字信息被即時輸入給GPT進行處理，從而實現了語音提問到文字回答的無縫轉換。

當GPT完成回答后，相關的文本信息會被傳輸回azure服務器，文本被轉換成語音信號輸出，提供更加直觀和易于理解的回答形式。通過藍圖邏輯交互設計，如圖3所示，系統還能夠實現與回答內容相關的動畫播放和語音輸出的同步進行。這種多維度的呈現方式不僅豐富了使用者的感官體驗，還進一步加深對災害知識的理解和記憶。

4.3.3" 火災逃生設計

火災的場景設計在日常生活的小區中，交互界面為全3D設計，更加具有立體感，在過程中增加沉浸感。在聽到警報后，需要根據指引到浴室拿起毛巾，拾取功能由藍圖完成，如圖4所示，在場景中使用了粒子系統，增加煙霧，在逃生過程中需要低頭前進，防止吸入煙霧昏迷。在過程中設置了在火災中經常發生的爆鳴情況，在逃生過程中需要躲開爆炸的房間，利用滅火器澆滅過道的火，避開樓道堆放雜物的火焰，并根據路線指引逃出火災現場。

4.3.4" 泥石流逃生設計

泥石流的場景設計在野外，模擬在野外突發泥石流的情況。使用人需要根據指引在泥石流發生的初期快速逃到高處，并注意躲避山上的落石完成逃生過程。為了模擬泥石流的效果，使用了Fluid FluxV2流體插件。通過該插件可以制作出逼真的流體效果，在泥石流發生的初期，通過調整流速、流向和流體密度等參數，模擬了從山坡上涌下的泥石流。再加入泥流的粒子特效可以很好地模擬泥石流效果，包括飛濺的泥漿、飄散的塵土等。同時在場景中加入了模擬的天氣效果，在泥石流發生的初期，天氣逐漸變黑，并開始下起小雨。隨著時間的推移，天空變得越來越黑，雨勢也逐漸加大，最終演變成傾盆大雨。在場景中設置了明確的逃生指引，指引中包括了在泥石流災害來臨時的一些逃生技巧。玩家需要按照這些指引快速行動，以躲避泥石流的沖擊。

4.3.5" 地震逃生設計

地震的場景設計在學校中，模擬在學校突發地震的情況。使用人需要根據指引在地震開始時躲避到桌子下，等待余震結束后根據指引，穿過廢墟，跑到指定的空曠安全區域。在過程中使用UE的chaos系統來模擬建筑坍塌的效果，在UE中要被破碎的模型被視為Geometry Collection，可以是由多個StaticMesh構成的幾何體合集，在通過對Geometry Collection的多種劃分方式達到需要的效果，劃分出的Geometry Collection會構成Cluster，通過對不同Cluster設置不同的破碎強度可以達到隨機破碎效果，從而得到一種更為真實的破碎感。

5" 結束語

本研究利用虛擬現實技術，結合Unreal Engine游戲引擎，設計并實現了一種仿真災害系統。該系統通過逼真的虛擬環境和交互式的學習方式，為參與者提供了一個安全且身臨其境的災害體驗平臺。這種創新的災害教育方式不僅增強了公眾對災害的認識和應對能力，還提高了學習效果和效率。該系統的成本較低，易于普及和推廣，具有重要的現實意義和廣泛的應用前景。本研究為災害教育領域提供了一種新的解決方案，展示了虛擬現實技術在災害教育中的巨大潛力和應用價值。

參考文獻：

[1] 李楠，謝海同，閆雪松，等.基于UE4藍圖的火災逃生虛擬體驗系統的設計與實現[J].北華航天工業學院學報，2018，28（2）：1-4.

[2] 楊傳貴，楊瑩.靜寄山莊泠然閣景區UE4仿真漫游設計研究[J].天津城建大學學報，2020，26（4）：243-248.

[3] 胡起云.UE4游戲引擎的建筑可視化表現探析[J].裝飾，2016（8）：134-135.

[4] 夏翠娟，鐵鐘，黃薇.元宇宙中的數字記憶：“虛擬數字人”的數字記憶概念模型及其應用場景[J].圖書館論壇，2023，43（5）：152-161.