基于Unreal Engine4引擎的虛擬校園游覽開發(fā)思路

李剛 熊越 顏佳偉 王紹壘

摘 要：文章對基于Unreal Engine4引擎的虛擬校園游覽的開發(fā)思路進行了簡潔的描述，并且在此基礎上又綜合分析了其科學性、先進性和創(chuàng)新性，從而為后期開發(fā)打下堅實的理論基礎。

關鍵詞：VR技術；虛擬校園

[項目名稱：校園數(shù)字化展示與虛擬交互瀏覽平臺建設——以衡陽師范學院東校區(qū)為例，項目編號：CX1710]

信息時代背景下，虛擬校園游覽的發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｒ訴R（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實）為主的創(chuàng)新技術，為主的科學發(fā)展，起到了重要的推動作用?；赨nreal Engine4引擎的虛擬校園游覽的開發(fā)，采用了可交互性動態(tài)場景編程技術，實現(xiàn)了虛擬校園游覽系統(tǒng)的開發(fā)。

一、基于Unreal Engine4引擎的虛擬校園游覽開發(fā)的基本流程

（一）景觀基因識別

利用景觀基因理論和方法，通過現(xiàn)實校園的建筑學、文化地理學等方面的分析，識別和提取了景觀關鍵特征——景觀基因。

（二）景觀數(shù)據(jù)獲取

利用三維激光測量獲取現(xiàn)實校園景觀基因的高精度測量數(shù)據(jù)，并通過實地考察與測量，并結合高分辨率遙感數(shù)據(jù)，獲得了景觀布局、建筑結構等數(shù)據(jù)。

（三）三維場景建模

對于表現(xiàn)現(xiàn)實校園的關鍵特征的景觀基因元素，進行高精度建模，對于一般的場景要素，進行相對簡單的建模，最終構建出三維場景模型（圖1）。

（四）虛擬校園游覽系統(tǒng)的建立

作品利用3D圖像引擎虛擬化技術將現(xiàn)實校園的場景和提取的景觀基因通過程序語言和數(shù)學建模研發(fā)了一個虛擬校園游覽系統(tǒng)（圖2）。利用Unreal Engine API（Application Programming Interface，應用程序編程接口）和3D模型框架，設計了初始觀測的起點邏輯和面向FBX模型的兼容性模式；設置了虛擬控制器用于解決PC端和VR端的IO流映射問題，使得PC端和VR端的游覽者能使用相應的控制器進行場景的互動，使游覽者能在該程序進行可交互式操作；添加了相機組控制器，該控制器使用了API提供的相機類指針數(shù)組對場景中的相機進行存儲，然后使用計時器對系統(tǒng)線程進行判定并分配相應的IO流映射對存儲在指針數(shù)組的相機類進行喚醒，使游覽者可以在游覽過程中查看地圖全貌；優(yōu)化了相機類、模型容器等類，提高了內存的加載速度以及運行效率；使用了法線貼圖、AO烘焙技術以及通過減少場景模型的面數(shù)等方法對數(shù)據(jù)進行了壓縮，降低了場景的搭建中對硬件規(guī)格的要求。通過以上操作建立了大型互動場景，并且對場景物體進行原模式排列組合，為了解決場景太大造成的運行卡頓和無法啟動，采用了異步加載和高模拓撲低模技術。

二、基于Unreal Engine4引擎的虛擬校園游覽開發(fā)的科學性

虛擬校園游覽的開發(fā)采用敏捷軟件開發(fā)模式，利用虛擬現(xiàn)實技術、高模拓撲低模技術和異步加載技術等，在現(xiàn)有硬件環(huán)境下完美運行。利用了景觀基因理論，對于不同文化景觀要素，采用了差異化的建模方案，解決了對現(xiàn)實校園和模擬效果進行三維建模時的數(shù)據(jù)復雜度和三維場景渲染速度的矛盾問題，既加快了場景渲染的速度，又保證了數(shù)字景觀的原真性。

三、基于Unreal Engine4引擎的虛擬校園游覽開發(fā)的先進性

（一）支持跨平臺，交互性強

“虛擬校園游覽系統(tǒng)”能給游覽者帶來雖未親臨卻如親至的感覺，一幀幀畫面將游覽者帶進現(xiàn)場，隨著游覽者移動、抬頭或轉身，人機交互功能隨之作出反應，從而實現(xiàn)人在畫中游的震撼效果。建立了大型互動場景，設置了虛擬控制器用于解決PC端和VR端的跨平臺IO流映射問題，使得PC端和VR端的游覽者能使用相應的控制器進行場景的互動。

（二）對硬件的配置要求低

軟件開發(fā)中使用了法線貼圖、AO烘焙技術、異步加載和高模拓撲低模技術等方法來降低對硬件規(guī)格的要求。

（三）加載速度快，運行效率高

采用優(yōu)化技術對相機類、模型容器對應的類進行優(yōu)化，提高了內存的加載速度以及運行效率。對3D圖像引擎進行重新封裝，增強了代碼的可重用性，提高了代碼運行的效率。

（四）采用高效、靈活的敏捷軟件開發(fā)模式

采用敏捷軟件開發(fā)模式，由開發(fā)人員搭建了一個測試專用的Debug Editor IDE，并在IDE中編寫了可供美工人員建模的框架，將該IDE遞交給美工人員，美工人員結合IDE，并通過藍圖（圖3）完成場景搭建后再由項目組對其進行測試封裝成可執(zhí)行程序。這種開發(fā)模式與傳統(tǒng)的由程序員搭建場景和產品測試的開發(fā)模式相比具有很強的靈活性和高效性。

四、基于Unreal Engine4引擎的虛擬校園游覽開發(fā)的創(chuàng)新性

（一）將景觀基因理論和方法應用于虛擬校園游覽系統(tǒng)研發(fā)

景觀基因理論是現(xiàn)實場景文化特征分析的創(chuàng)新理論，基于該理論能夠準確把握文化景觀的關鍵特征，并找到文化景觀特征的聯(lián)系。“虛擬校園游覽系統(tǒng)”通過景觀基因理論的應用，一方面降低了三維模型的復雜度，另一方面也保證了數(shù)字化場景對于文化的還原度。

（二）將虛擬技術和多平臺兼容技術應用于校園游覽

虛擬校園游覽是游覽數(shù)字化校園建立的重要發(fā)展方向，將進一步增強數(shù)字化校園的體驗性，能夠滿足數(shù)字化校園游覽對文化體驗的需求，通過以衡陽師范學院東校區(qū)為案例的實驗，形成了虛擬校園游覽系統(tǒng)的技術體系。

（三）虛擬校園游覽系統(tǒng)的技術創(chuàng)新

以VR為核心，整合人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術引擎，挖掘現(xiàn)實校園的人文、歷史等文化IP，進行了以下技術創(chuàng)新：使用虛擬控制器技術解決PC端和VR端的跨平臺IO流映射問題，增強場景的互動性；使用法線貼圖、AO烘焙技術以及通過減少場景模型的面數(shù)等方法來降低對硬件規(guī)格的要求；使用3D圖像引擎封裝技術，增強代碼的可重用性，提高代碼運行的效率；使用優(yōu)化技術，提高內存的加載速度；采用敏捷軟件開發(fā)模式，提高了開發(fā)的靈活性和高效。

由于筆者知識水平的局限性和相關材料還有些許不足，因此有部分內容未探討；同時，部分觀點難免會主觀，論述也沒有十分全面。在此，懇請各位專家的批評指正。

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作者單位：

衡陽師范學院美術學院