基于虛幻4引擎的長(zhǎng)白山虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景地形制作

肖巍，馮時(shí)，王選遙

（1.長(zhǎng)春師范大學(xué) 教育學(xué)院，長(zhǎng)春 130032；2.吉林大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春 130012）

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)作為一門新興的綜合性信息技術(shù)，在很多領(lǐng)域都發(fā)揮著不可或缺的作用［1］。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在文化、旅游方面是國(guó)家近些年提倡的“藝術(shù)與科技結(jié)合”的主要表現(xiàn)手段之一［2］。長(zhǎng)白山是東北文化旅游最強(qiáng)IP之一，借助科技手段打造長(zhǎng)白山虛擬現(xiàn)實(shí)文化旅游藝術(shù)體驗(yàn)平臺(tái)，既可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)白山自然、人文以及歷史景觀的數(shù)字化游覽，又可以作為宣傳推廣東北文化旅游的數(shù)字化工具，無論從文化傳播推廣上還是促進(jìn)旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展上都具有非常重要的意義。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)平臺(tái)介紹

長(zhǎng)白山虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)平臺(tái)主要使用虛擬現(xiàn)實(shí)互動(dòng)技術(shù)，在顯示層面使用基于次世代游戲引擎標(biāo)準(zhǔn)的貼圖和模型生成技術(shù)，目的是從視覺效果上最大程度還原長(zhǎng)白山旅游景區(qū)的自然風(fēng)景效果。虛擬現(xiàn)實(shí)需要借助引擎實(shí)現(xiàn)最終顯示結(jié)果，制作流程上采取次世代游戲的方法實(shí)現(xiàn)：制作腳本-執(zhí)行腳本-質(zhì)量監(jiān)控機(jī)制（技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)）-人員落實(shí)-項(xiàng)目時(shí)間表-小規(guī)模反饋與修正-大規(guī)模制作。該虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)館由音樂（音效）、視覺顯示、實(shí)時(shí)互動(dòng)三個(gè)并聯(lián)部分構(gòu)成，在初期實(shí)施過程中，分別實(shí)現(xiàn)，互不干擾，各部分趨于完成時(shí)將三部分整合到一起進(jìn)行調(diào)整。

虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)平臺(tái)在構(gòu)建自然環(huán)境的過程中，主要使用寫實(shí)性的視覺呈現(xiàn)方法，視覺還原部分使用基于三維掃描技術(shù)的互動(dòng)式建模方法（Interactive Modeling Method Based on Scanning Tech）,簡(jiǎn) 稱IMM-BST［3］。該方法綜合了掃描模型生成法和三維游戲的手動(dòng)模型生成法，是現(xiàn)有各種建模方法中的首選。首先，對(duì)全景地貌，使用航拍技術(shù)配合地質(zhì)等高線方法生成置換/高度貼圖（Displacement Map），再使用換算方法將貼圖的黑-灰-白像素以低-中-高（閾值）的形式賦予多邊形模型，模型上的網(wǎng)格頂點(diǎn)與黑灰白像素一一匹配對(duì)應(yīng)，而生成全面廣袤的地形。其次，對(duì)于植被與動(dòng)物，采取手動(dòng)建模+數(shù)字化貼圖的形式制作。最后，把制作好的地形和植被與動(dòng)物以“模板素材”的方式輸入到引擎中，在引擎中進(jìn)一步構(gòu)建長(zhǎng)白山風(fēng)光，直到最終封包、發(fā)布。

2 地形制作方法

長(zhǎng)白山北區(qū)地形較為復(fù)雜，在靠近山脈處多為玄武巖等材質(zhì)，北坡景區(qū)主要集中于長(zhǎng)白山北麓的谷地中，自北向南逐步升高，上升趨勢(shì)較緩。但在長(zhǎng)白山北坡瀑布處有明顯的高低落差。地形景區(qū)分布從北向南海拔依次為：地下森林、綠淵潭、小天池、長(zhǎng)白山溫泉、盤山公路、長(zhǎng)白山北坡瀑布、天池。

虛擬現(xiàn)實(shí)的地形構(gòu)建是整個(gè)平臺(tái)項(xiàng)目實(shí)施的關(guān)鍵，本文使用現(xiàn)實(shí)衛(wèi)星數(shù)據(jù)制作長(zhǎng)白山區(qū)的高度圖，并最終在虛幻4引擎中實(shí)現(xiàn)用戶體驗(yàn)效果。整體地形的制作步驟：搜集資料，整理高程圖（提取灰度圖作為置換貼圖的基礎(chǔ)）——配合等高線圖進(jìn)行局部修正——進(jìn)行實(shí)地勘察——在虛幻中將高度圖生成地形——對(duì)比圖片、影片構(gòu)建地形。

2.1 地形數(shù)據(jù)處理

地形是自然界最復(fù)雜的景物之一，在虛擬現(xiàn)實(shí)中，三維真實(shí)感地形的繪制一直是國(guó)內(nèi)外圖形學(xué)，CG娛樂產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)［4］。地形的模擬可以分為兩類：真實(shí)地形與模擬地形［5］。真實(shí)地形是現(xiàn)實(shí)世界中真實(shí)地形的再現(xiàn)，具有非常高的真實(shí)度，必須采用真實(shí)世界中的具體數(shù)據(jù)來構(gòu)造，這時(shí)多采用數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）［6］，其本質(zhì)是在對(duì)數(shù)字地面模型的一種地形分量進(jìn)行考慮。

本平臺(tái)項(xiàng)目主要考察長(zhǎng)白山地區(qū)的景區(qū)旅游資源，因此對(duì)于現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的還原度就是本項(xiàng)目的制作標(biāo)準(zhǔn)。地形數(shù)據(jù)的搜集分為宏觀衛(wèi)星數(shù)據(jù)搜集（GIS圖形搜集+等高線位圖、多地圖對(duì)比）和微觀實(shí)地踏查數(shù)據(jù)。項(xiàng)目所需長(zhǎng)白山全景高程DEM圖片，順時(shí)針分為ABCD4個(gè)點(diǎn)，A點(diǎn)坐標(biāo)為北緯42°04′53.71 ″；東經(jīng)127°07′51.63 ″，B點(diǎn)坐標(biāo)為北緯42°04 ′53.71 ″，東經(jīng)127°07′24.64″，C點(diǎn)坐標(biāo)為北緯41°58′40.71″，東經(jīng)127°59′51.63″，D點(diǎn)坐標(biāo)為北緯41°58′40.71”東經(jīng)127°07 ′24.64 ″，該坐標(biāo)可把長(zhǎng)白山脈及北麓所有景區(qū)收入其中。

對(duì)于DEM數(shù)據(jù)的拼接，三維地形表面工具可在不規(guī)則空間點(diǎn)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生三維地形表面［7］，它要求所輸入的數(shù)據(jù)必須具有X、Y、Z值，即經(jīng)度、緯度和海拔高度，應(yīng)用TIN插值方法，所輸出的是一個(gè)連續(xù)的柵格圖像文件（ERDASIMAGINE系統(tǒng)的DEM文件），每一個(gè)已知Z值的空間點(diǎn)在輸出的地形表面上保持Z值不變，而沒有Z值的空間點(diǎn)，其輸出表面的Z值是基于其周圍的已知點(diǎn)插值計(jì)算獲得的。將數(shù)據(jù)補(bǔ)充方法作為距離加權(quán)內(nèi)插法，對(duì)各不確定點(diǎn)數(shù)值實(shí)施預(yù)測(cè)，通過近鄰的已知點(diǎn)數(shù)值實(shí)施加權(quán)計(jì)算，獲取不確定點(diǎn)的數(shù)值，基于距離獲取所給的權(quán)重：

式中，W(di)為權(quán)函數(shù)；zi表示第i個(gè)已知點(diǎn)的數(shù)量；di為i點(diǎn)與不確定點(diǎn)間的距離。臨近離散點(diǎn)同不確定點(diǎn)間的分布情況不同，對(duì)f(x,y)產(chǎn)生不同的干擾作用。W(di)等于1/di2是最佳結(jié)果，di的平方的反比決定了W(di) 值的高低［8］。

ARCGIS作為一個(gè)可伸縮的平臺(tái)，為個(gè)人用戶也為群體用戶提供GIS的功能，使用該平臺(tái)可得到應(yīng)用于虛幻4引擎的高度圖，置換地形數(shù)據(jù)。本文使用國(guó)家綜合地球觀測(cè)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)一號(hào)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，使用ArcObjects組件式GIS開發(fā)技術(shù)，通過ARCGIS整合GIS數(shù)據(jù)，在軟件內(nèi)部最終轉(zhuǎn)換DEM高程圖為灰度位圖?；叶葓D的精度只對(duì)于山峰等凸起處的顯示起主要作用，對(duì)于谷底置換的高度不佳。為此，就需要等高線圖比較和根據(jù)實(shí)地探查再進(jìn)行修正。

虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)平臺(tái)是基于正常人視角的漫游項(xiàng)目，需要反復(fù)多次去長(zhǎng)白山調(diào)研，拍攝大量照片和素材作為后期制作參照。為了進(jìn)一步提升地形精度，制作團(tuán)隊(duì)分別于春、夏兩季4次上山采集。春季采集地形可在無積雪和樹葉遮擋的情況下拍攝山體起伏照片，夏季采集地形可記錄植被密度，查看實(shí)際環(huán)境中的遮擋關(guān)系，為劃分關(guān)卡做基礎(chǔ)。

長(zhǎng)白山區(qū)的地理位置和地形較為敏感，無法通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲得全部旅游地形信息，實(shí)地考察地形可為后期數(shù)字化地形構(gòu)建的提供重要參考依據(jù)。因此，團(tuán)隊(duì)使用經(jīng)緯儀交匯法、測(cè)距導(dǎo)線法，配合GPS測(cè)量手動(dòng)繪制地形圖，得到實(shí)地?cái)?shù)據(jù)。

為了校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，可將ARCGIS的灰度圖數(shù)據(jù)導(dǎo)入World Creator2軟件，配合實(shí)地勘察數(shù)據(jù)手動(dòng)調(diào)整。World Creator2是基于細(xì)分算法的實(shí)時(shí)地形生成軟件，高度圖在該軟件中作為多邊形調(diào)節(jié)和預(yù)覽。根據(jù)比例尺對(duì)地形進(jìn)行定點(diǎn)調(diào)整，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)點(diǎn)的高度數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)過程如圖1-圖4所示。圖1是ARCGIS中生成灰度圖所置換的地形高度，為未手動(dòng)校準(zhǔn)的地形，該地塊的海拔高度存在一定誤差，圖2為使用World Creator2手動(dòng)校準(zhǔn)過的地形。

圖1 未手動(dòng)校準(zhǔn)的地形

圖2 使用World Creator2手動(dòng)校準(zhǔn)過的地形

將在World Creator2中調(diào)節(jié)后的多邊形重新輸出為灰度圖導(dǎo)出，重新置換地形高度。對(duì)比結(jié)果，圖3為制作的灰度圖在World Creator2中的顯示效果，精度為1∶50 000，圖4為谷歌地球的效果，精度為1∶250 000。

圖3 1∶50 000精度灰度圖

圖4 1∶250 000精度灰度圖

2.2 地形數(shù)據(jù)導(dǎo)入

虛幻4的場(chǎng)景地形并非是簡(jiǎn)單的多邊形，其基于多邊形顯現(xiàn)和優(yōu)化原理［9］，但為了達(dá)到最佳顯示效率，虛幻引擎對(duì)場(chǎng)景地形做了一定的優(yōu)化并制定了一系列規(guī)則。

如果按照1∶1還原地形，同時(shí)又為了節(jié)省計(jì)算機(jī)現(xiàn)實(shí)資源，虛幻4使用“Level”把整塊地形劃分為幾部分。對(duì)于超大地形來說，用戶在漫游時(shí)（指用戶視角身處場(chǎng)景當(dāng)中，非俯視），目力所及的空間或被山脈遮擋，或被植被遮擋，沒有必要整體顯示全部地形。這樣，虛幻引擎就可以指定隱藏和顯示的部分。如對(duì)一塊Landscape_A的正方形場(chǎng)景地形，其占地面積為81平方公里，按照1∶1比例還原。為了節(jié)約加載速度，把其平均分為3×3段，這樣每個(gè)地形的邊長(zhǎng)就是9公里。整個(gè)場(chǎng)景共分為9部分，每一部分可以作為一個(gè)獨(dú)立顯示的關(guān)卡進(jìn)行分別加載，那么每一個(gè)關(guān)卡就是9平方公里。把關(guān)卡按照引擎可讀取的X，Y方向進(jìn)行坐標(biāo)軸分布，分別命名為L(zhǎng)andscape_A_X0_Y0，依此類推，直到Landscape_A_X2_Y2。假設(shè)用戶的出生點(diǎn)在Landscape_A_X0_Y0關(guān)卡中，如果該場(chǎng)景中存在山脈、植被、高樓或環(huán)境霧等具有遮擋視線作用的物體存在，那么理論上說，用戶是不可能看到Landscape_A_X2_Y2這么遠(yuǎn)的距離。因此，只需加載Landscape_A_X0_Y0和與之臨近的Landscape_A_X0_Y1、Landscape_A_X1_Y1、Landscape_A_X1_Y0。

虛幻4引擎對(duì)于外部地形數(shù)據(jù)有著嚴(yán)格的要求和標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于本項(xiàng)目來講，地形功能下的“Scale”選項(xiàng)下的Z值、“Section Size”、“Section per Component”、“Number of Component”、“總體分辨率”、“總組件”參數(shù)，它們制約了外部導(dǎo)入地形的精度和比例大小，也決定了整體讀取速度和漫游體驗(yàn)效果。在虛幻4的地形編輯器中，從外部導(dǎo)入的地形依據(jù)節(jié)省顯示資源的原則，需要將之被劃分為幾個(gè)Component，即地形組件，其作用是分割整塊地形，便于為關(guān)卡劃分提供便利。如果該場(chǎng)景地形中并無其余“靜態(tài)網(wǎng)格”多邊形組件，則地形是該場(chǎng)景中唯一組件，則地形等于組件；如果將之分為不同組件，則地形關(guān)卡等于每個(gè)組件。

用戶還可以對(duì)每個(gè)地形組件中分段的種類進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分。引擎提供了1×1和2×2個(gè)分段。虛幻4地形的優(yōu)化方法基于LOD技術(shù)。如果把一個(gè)場(chǎng)景劃分為4個(gè)組件，每個(gè)組件下再劃分為4個(gè)分段，每個(gè)分段中所提供的多邊形支持就可以通過1×1和2×2進(jìn)行選擇。1×1個(gè)分段意思是每個(gè)組件的多邊形數(shù)量等于分段的數(shù)量，那么整個(gè)地形組件多邊形數(shù)量是16，2×2的意思是每個(gè)組件之中最大可被放入4個(gè)多邊形，最小可放入1個(gè)多邊形，那么整個(gè)地形組件多邊形的數(shù)量就是4-16。如果整個(gè)場(chǎng)景占地面交較小，為了提升顯示精度，則可以使用1×1，本項(xiàng)目場(chǎng)景較大，為了提升加載速度，使用2×2個(gè)動(dòng)態(tài)分段。

本項(xiàng)目基于實(shí)際高度圖進(jìn)行置換導(dǎo)入，對(duì)于外部高度圖，虛幻4引擎要求地形必須為偶數(shù)頂點(diǎn)，按照分段的最小頂點(diǎn)數(shù)量計(jì)算，1個(gè)分段必須具備9個(gè)多邊形，共16個(gè)頂點(diǎn)，那么虛幻4引擎最優(yōu)顯示的組件、分段、頂點(diǎn)數(shù)量的最小可識(shí)別單位計(jì)算方式為：1個(gè)地形具有2×2個(gè)分段，每個(gè)分段有12×12個(gè)多邊形，整體有13×13個(gè)頂點(diǎn)。那么整體的地形尺寸就可以依據(jù)以下公式類推：

式中，S為虛幻4引擎整體地形頂點(diǎn)數(shù)量，該值可確定整個(gè)場(chǎng)景地形大??；Sq為每個(gè)分段占有四邊形的數(shù)量；Cs為每個(gè)組件的分段數(shù)量；C為組件數(shù)量。

虛幻4引擎按照灰度圖中像素點(diǎn)的灰度值計(jì)算生成地形高度Z值。在讀取灰度圖時(shí)，虛幻4引擎把灰度共分為512級(jí)，即高低落差可置換512個(gè)Z方向單位，其中黑色置換為最低點(diǎn)，灰色不置換，白色置換為最高點(diǎn)。若按米為單位換算，則黑色像素所在位置為-256米，白色像素所在位置為256米，灰色像素所在位置不進(jìn)行高度置換，如圖5所示。如果不改變虛幻4引擎的Z值，則引擎只能置換512米的高度落差。根據(jù)團(tuán)隊(duì)測(cè)量，長(zhǎng)白山北景區(qū)內(nèi)部最低點(diǎn)與最高點(diǎn)落差為1 500米左右，因此需要在虛幻4引擎中修改Z值，由默認(rèn)的100改為293，才能與實(shí)際測(cè)量高度匹配，確保置換地形海拔高度正確。

圖5 灰度圖在虛幻4引擎中的地形高度值置換

2.3 地形關(guān)卡劃分

對(duì)于長(zhǎng)白山北麓地形，一次性加載全部地形數(shù)據(jù)關(guān)卡會(huì)占用大量系統(tǒng)資源，對(duì)于普通用戶來說無法達(dá)成流暢體驗(yàn)。為此，本文使用三維游戲的制作方法，將大塊地形劃分為關(guān)卡（Level）分別讀取。關(guān)卡在虛幻4中是一個(gè)十分寬泛的功能。用戶可以把任意物體存放在其中，以備隨時(shí)調(diào)用。本項(xiàng)目將關(guān)卡類別分為：植被、建筑、DrawCall、流體、地形。

為了緩解制作和讀取壓力，將地形拆分，使用流送方式建立關(guān)卡并分段讀取信息的技術(shù)稱之為World Composition。它旨在簡(jiǎn)化大型世界場(chǎng)景的管理。其目的之一是避免使用單一獨(dú)立關(guān)卡存儲(chǔ)流送信息，再就是它可以避免在超大地形上處理所有地形數(shù)據(jù)造成的效率低問題。持久關(guān)卡不存儲(chǔ)任何流送信息，而是掃描文件夾并將找到的所有關(guān)卡視為流送關(guān)卡。每個(gè)流送關(guān)卡的信息存儲(chǔ)在包頭中，不用把關(guān)卡加載到內(nèi)存中，World Composition就能讀取這些信息。默認(rèn)情況下，除持續(xù)關(guān)卡之外的所有關(guān)卡都會(huì)在World Composition中卸載其中地形按照1：1還原，北麓共占地面積127×127平方公里，劃分為36（6×6）個(gè)獨(dú)立關(guān)卡，每個(gè)關(guān)卡為4 033×4 033個(gè)像素點(diǎn)，如圖6所示。

圖6 基于高度圖的長(zhǎng)白山北麓地形關(guān)卡劃分

經(jīng)過計(jì)算與壓力測(cè)試，項(xiàng)目的每個(gè)獨(dú)立地形關(guān)卡頂點(diǎn)為4 033×4 033，每段有63個(gè)多邊形，每個(gè)組件中分為2×2個(gè)段數(shù)，每個(gè)組件的大小是126×126，共分為32×32個(gè)組件。這樣就可以把北麓的占地面積小的綠淵潭場(chǎng)景和小天池場(chǎng)景放在一個(gè)獨(dú)立地形關(guān)卡中，便于后期整體隱藏。

按照地形與像素面積1∶1計(jì)算，每個(gè)關(guān)卡為4.3×4.3公里。關(guān)卡的占地面積可以容納小型場(chǎng)景，如小天池，綠淵潭。而對(duì)于長(zhǎng)白山天池等大型場(chǎng)景則需要一次性加載所有關(guān)卡資源，并同時(shí)卸載最北側(cè)的3個(gè)場(chǎng)景：地下森林、綠淵潭和小天池，它們由于距離過遠(yuǎn)，而且為了節(jié)省資源，此時(shí)無需顯示。

3 結(jié)語

要得到長(zhǎng)白山區(qū)相對(duì)更加精確的地形，則可以選擇無人機(jī)飛行采集數(shù)據(jù)，之后再精確建模。虛幻4引擎可以做到復(fù)制現(xiàn)實(shí)中的一草一木，并使用PBR渲染出圖，理論上說用戶在虛擬世界的體驗(yàn)已經(jīng)與現(xiàn)實(shí)世界無異。但礙于當(dāng)下的VR外部設(shè)備和顯示技術(shù)，即使按照現(xiàn)實(shí)中復(fù)原場(chǎng)景，也無法實(shí)現(xiàn)流暢的實(shí)時(shí)預(yù)覽效果。隨著8K技術(shù)的普及，VR外圍設(shè)備還有一段路要走，穩(wěn)定幀數(shù)、高分辨率和傳輸速率都有待提升［10］。

地形構(gòu)建只是構(gòu)建場(chǎng)景中的第一步，并非場(chǎng)景全部，如要達(dá)到基本真實(shí)的用戶體驗(yàn)，還要配合靜態(tài)網(wǎng)格和后期效果處理與優(yōu)化才能得到較好的效果。