基于虛幻引擎的心肺復(fù)蘇科普館設(shè)計與開發(fā)

摘" 要：隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)和虛幻引擎的不斷進(jìn)步，我們積極響應(yīng)《健康中國行動（2019—2030年）》的號召，致力于普及全民應(yīng)急救護(hù)知識，并全面提升職工在心肺復(fù)蘇急救技術(shù)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(jìn)行場景渲染和邏輯功能的編寫，同時借助3D MAX、Maya等專業(yè)軟件完成模型建模。該虛擬展館突破傳統(tǒng)傳播方式的局限性，以虛擬仿真的形式將教學(xué)和科普內(nèi)容生動、直觀地呈現(xiàn)給用戶。通過高度仿真的環(huán)境和互動體驗，使用戶能夠在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實踐操作，從而更深入地理解和掌握心肺復(fù)蘇等急救技術(shù)。研究結(jié)果表明，以虛幻引擎開發(fā)的虛擬展館在用戶體驗、學(xué)習(xí)效果以及實時反饋等方面均表現(xiàn)出色。它不僅便于用戶的學(xué)習(xí)，還具有高效性、實時性和可升級性等特點。

關(guān)鍵詞：心肺復(fù)蘇；虛幻引擎；虛擬展館；3D MAX；仿真

中圖分類號：TP391.9" " " 文獻(xiàn)標(biāo)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(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國每年有大量的心臟驟停事件發(fā)生，這使得急救的“黃金四分鐘”對于瀕?；颊叨燥@得尤為關(guān)鍵。在這短暫的時刻內(nèi)，心肺復(fù)蘇成為了拯救生命的關(guān)鍵步驟，因此，也成為了當(dāng)今社會的熱議焦點。為了讓更多的人了解和掌握心肺復(fù)蘇技術(shù)，不僅僅局限于傳統(tǒng)的現(xiàn)場教學(xué)，更希望通過一種更具創(chuàng)新性的方式，使學(xué)習(xí)者能夠身臨其境地體驗和嘗試心肺復(fù)蘇的實際操作及相關(guān)知識。鑒于此，借助現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，特別是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的廣泛應(yīng)用，將這一熱門話題與先進(jìn)的技術(shù)相結(jié)合。通過利用虛幻引擎，打造了一個以心肺復(fù)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(fù)蘇的發(fā)展歷史，還能讓他們直觀地認(rèn)識各種心肺復(fù)蘇設(shè)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(jìn)行開發(fā)，具備高度的兼容性和可擴(kuò)展性。希望通過這一創(chuàng)新的教育方式，讓更多的人能夠輕松學(xué)習(xí)并掌握心肺復(fù)蘇技術(shù)，為社會的急救事業(yè)貢獻(xiàn)一份力量[1]。

1" 項目研究的意義與創(chuàng)新點

1.1" 項目研究的意義

目前，盡管國內(nèi)在心肺復(fù)蘇教育方面已有所投入，但通過知網(wǎng)查詢、百度檢索等渠道調(diào)查后，遺憾地發(fā)現(xiàn)，尚未有以心肺復(fù)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(shè)計理論，發(fā)現(xiàn)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(shù)日新月異的今天，將心肺復(fù)蘇教育與虛幻引擎及VR技術(shù)相結(jié)合，無疑是科普宣傳教育的新方向。相較于傳統(tǒng)的圖文教育方式，VR心肺復(fù)蘇虛擬展館的呈現(xiàn)形式更具立體感，它能夠?qū)⒅T多信息元素巧妙地融合在一起，使內(nèi)容更為豐富多樣。傳統(tǒng)的圖文教育往往因為冗長的文字描述而使公眾產(chǎn)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(dá)更加生動、直觀，更易于被公眾所接受和理解。借助VR技術(shù)打造的心肺復(fù)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(fù)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(fù)蘇知識的普及和傳播發(fā)揮重要作用[2]。

1.2" 研究的創(chuàng)新點

1.2.1" 交互性和沉浸感

在精心設(shè)計的場館中，采用3DUI技術(shù)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(fù)蘇的發(fā)展脈絡(luò)，深刻領(lǐng)會其不可或缺的重要性。通過與場景中布置的儀器進(jìn)行交互，用戶不僅能夠清晰地了解心肺復(fù)蘇儀器的形態(tài)與結(jié)構(gòu)，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(fù)蘇的標(biāo)準(zhǔn)操作要領(lǐng)，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(zhǔn)。如此設(shè)計，不僅豐富了用戶的學(xué)習(xí)體驗，也極大地提升了他們對于心肺復(fù)蘇重要性的認(rèn)識。

1.2.2" 突破時空的限制

本項目借助UE5技術(shù)，能夠打造出極具真實感的環(huán)境，讓學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)和掌握心肺復(fù)蘇的知識及處置技能。此外，本項目還突破了傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式的限制，無需特定設(shè)備或操作系統(tǒng)的要求，為廣大學(xué)習(xí)者提供了極大的便利與靈活性。

1.2.3" 低成本零風(fēng)險

通過VR心肺復(fù)蘇科普館的設(shè)立，得以持續(xù)推廣心肺復(fù)蘇教育，從而大幅減少了實地場景構(gòu)建以及采購相關(guān)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(xué)習(xí)模式，學(xué)習(xí)效率得到了極大提升，無需等待，隨時隨地都能開啟學(xué)習(xí)之旅。更重要的是，學(xué)員們能夠在無風(fēng)險的環(huán)境中身臨其境地體驗心肺復(fù)蘇操作，不僅安全便捷，更能夠加深理解與記憶，實現(xiàn)高效學(xué)習(xí)與技能掌握[3]。

2" 系統(tǒng)設(shè)計

2.1" 設(shè)計思路

2.1.1" 展館設(shè)計

鑒于用戶群體職業(yè)背景多樣化，對心腦血管疾病和心肺復(fù)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(shè)計，旨在滿足不同用戶群體的個性化需求。

2.1.2" 虛擬環(huán)境構(gòu)建

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

環(huán)境交互：注重增強(qiáng)參觀者在虛擬環(huán)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(jìn)行交互，從而更加沉浸于這個虛擬世界。

2.1.3" 教育內(nèi)容整合

知識呈現(xiàn)：通過文字、圖像、動畫等多種表現(xiàn)形式，向參觀者系統(tǒng)介紹心肺復(fù)蘇的發(fā)展歷史、基本概念、原理、所需設(shè)備及操作步驟，確保信息傳達(dá)的豐富性和準(zhǔn)確性。

動畫全程展示：利用動畫技術(shù)詳細(xì)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(fù)蘇的流程及動作要領(lǐng)，提升學(xué)習(xí)效果。

2.1.4" 互動學(xué)習(xí)體驗

模型展示：在展館中呈現(xiàn)真實建模的心肺復(fù)蘇設(shè)備模型，讓參觀者能夠近距離觀摩，加深對實際設(shè)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(xiàn)更加個性化的學(xué)習(xí)體驗。

2.2" 系統(tǒng)架構(gòu)

本項目的核心設(shè)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(fù)蘇科普展館的虛擬體驗之中。整個場館的開發(fā)過程精心劃分為5個關(guān)鍵步驟：首先，運用Photoshop等專業(yè)的平面設(shè)計軟件，精心繪制了3DUI所需的精美貼圖，為后續(xù)的模型構(gòu)建和場景搭建提供了堅實的基礎(chǔ)。其次，利用3D MAX軟件對心肺復(fù)蘇儀器以及場館內(nèi)的各種設(shè)備進(jìn)行了細(xì)致入微的建模，確保每一個細(xì)節(jié)都盡可能還原真實場景。接下來，在UE5引擎中，進(jìn)行了場景的搭建、光照的構(gòu)建以及粒子效果的渲染，力求打造一個高度逼真的虛擬環(huán)境，使用戶能夠身臨其境地體驗科普展館的每一處細(xì)節(jié)。然后，通過藍(lán)圖或C++編程語言實現(xiàn)項目邏輯，結(jié)合動畫藍(lán)圖、碰撞檢測、UMG等系統(tǒng)，實現(xiàn)了豐富的交互功能，使用戶能夠與虛擬環(huán)境進(jìn)行自然而流暢的互動。最后，對項目進(jìn)行打包和測試，認(rèn)真查找并修復(fù)項目中的bug和不足，以確保用戶能夠獲得最佳的學(xué)習(xí)與體驗效果。通過以上5個步驟的設(shè)計與實施，成功打造了一個功能完善、體驗出色的心肺復(fù)蘇科普展館，為用戶提供了一個全新的學(xué)習(xí)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(fù)蘇急救知識知之甚少，或是首次接觸相關(guān)內(nèi)容的用戶，本展館特別設(shè)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(shè)計，但在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了創(chuàng)新。采用了3D建模和3D用戶界面技術(shù)，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(nèi)容。

在體驗過程中，用戶的主視角會定期釋放射線進(jìn)行檢測。一旦射線遭到阻擋，且阻擋物被系統(tǒng)識別為展板時，用戶的操作手柄上便會顯示一條基準(zhǔn)線。這條基準(zhǔn)線不僅方便了用戶與展板進(jìn)行交互，獲取更多知識，更增強(qiáng)了用戶在學(xué)習(xí)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(shè)計，旨在為用戶提供一個既具互動性又富有趣味性的學(xué)習(xí)平臺，助其更好地掌握心肺復(fù)蘇急救知識（圖1）。

2.3.2" 人體模型動畫

對于那些已經(jīng)對相關(guān)知識有了初步認(rèn)知，但實際操作經(jīng)驗尚顯匱乏的用戶而言，展館內(nèi)特別設(shè)置了人體模型動畫展示區(qū)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(xiàn)實的環(huán)境為用戶提供了一個沉浸式的學(xué)習(xí)平臺，使其能夠更加細(xì)致地觀察CPR急救術(shù)的動作細(xì)節(jié)，從而深化理解，提高學(xué)習(xí)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(jīng)驗，為將來的實際應(yīng)用奠定堅實基礎(chǔ)（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(jìn)行AED使用培訓(xùn)顯得尤為重要，這已然成為急救知識宣傳工作的重要任務(wù)。為了積極響應(yīng)這一需求，本展館特地采用了先進(jìn)的3D建模技術(shù)，精心制作了AED模型，并特別設(shè)計了模型展示與使用環(huán)節(jié)。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(jìn)行細(xì)致觀察，還可以借助操作手柄對AED模型進(jìn)行真實模擬操作，深入體驗儀器的每一個操作細(xì)節(jié)。該設(shè)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(yīng)對能力（圖3）。

3" 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

3.1" AED三維模型的建立

隨著三維技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)可以使用各種三維建模工具搭建出各種現(xiàn)實中存在或不存在的場所，而該心肺復(fù)蘇體驗館的目的是幫助未經(jīng)受過專業(yè)培訓(xùn)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(xiàn)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(xiàn)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M(jìn)aya來進(jìn)行模型的初步建立，之后使用RizomUV對其UV結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理拆分，最后將拆分完畢后的模型導(dǎo)入Substance Painter中進(jìn)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(jìn)行導(dǎo)出并在進(jìn)行使用。

3.2" 交互系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.2.1" 三維User Interface交互系統(tǒng)

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

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(shè)定一個執(zhí)行頻率為0.1 s的timer，并將是否為Loop值設(shè)為true，然后使用此timer驅(qū)動一個Line Trace。Line Trace的Start Point設(shè)置為VR Pawn的World Location（可通過GameInstance的Static Member Function獲?。?。同樣地，End Point設(shè)置為當(dāng)前VR Pawn的Forward Vector（獲取方式同上）乘以一個延伸值，并與當(dāng)前VR Pawn的World Location相加即可對VR Pawn前方一定距離的Actor進(jìn)行Line Trace。如果當(dāng)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(shè)置為true。通過Debug Line的校準(zhǔn)，用戶即可通過操作手柄上的trigger與三維User Interface進(jìn)行交互。

3.2.2" User Interface與Scene通信交互

用戶通過與User Interface發(fā)送請求后，需要由User Interface將請求發(fā)送至對應(yīng)對象執(zhí)行。傳統(tǒng)的實現(xiàn)方法是，通過獲取Scene中所有對象，通過get函數(shù)獲得對象副本，通過UnReal內(nèi)置函數(shù)Cast to轉(zhuǎn)換為相應(yīng)類型，執(zhí)行相應(yīng)功能。但是，這樣的通信交互會造成性能開銷過大。出于應(yīng)用的穩(wěn)定運行考慮，本展館采用Blueprint Interface與Event Dispatcher結(jié)合的方式降低性能開銷，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性與運行流暢度。創(chuàng)建一個Blueprint Interface，命名為IBP_GameMode，在其中聲明get函數(shù)。然后由VRGameMode類實現(xiàn)該接口，將get函數(shù)重載，返回值設(shè)置為self。在VRGameMode類中添加Event Dispatcher，命名為OnPlayAnimation。然后在需要實現(xiàn)的類中，如Model Actor中，通過Game Instance的static member function中的get gamemode函數(shù)獲取當(dāng)前Gamemode，然后調(diào)用前文聲明在IBP_GameMode中的函數(shù)GetGameModeRef，直接類型轉(zhuǎn)換為VRGameMode，申請綁定Event Dispatcher，將Event Dispatcher與相應(yīng)函數(shù)綁定。最后回到User Interface中，在對應(yīng)的ButtonOnClick事件中以同樣的方式獲取VRGameMode，從中申請調(diào)用已綁定的Event Dispatcher即可實現(xiàn)User Interface與對應(yīng)對象的通信交互。

3.3" 動畫系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.3.1" 動作捕捉的一些準(zhǔn)備

在本項目中，選用了諾亦騰公司所生產(chǎn)的先進(jìn)動作捕捉設(shè)備。為確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，特意選擇了開闊無遮擋的場地進(jìn)行測試。這樣的場地設(shè)計，不僅避免了其他金屬設(shè)備可能產(chǎn)生的磁場干擾，還使得整個動作捕捉過程更加純凈、準(zhǔn)確。同時，考慮到骨骼對應(yīng)的精準(zhǔn)度對于動畫效果至關(guān)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(xì)微動作。在準(zhǔn)備階段，首先需要將定位器通過專業(yè)綁帶精確地固定到模特的額頭、胸口、小臂、小腿及腳背等關(guān)鍵部位。隨后，模特需要根據(jù)要求擺出特定的姿勢，調(diào)整T pose，確保所有定位器處于最佳的工作狀態(tài)。接著，模特還需戴上特制的手套，并根據(jù)提示擺出對應(yīng)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(xì)膩變化尤為關(guān)鍵，有助于在后續(xù)的動畫制作中還原模特的真實手部動作。最終，當(dāng)仿生人的動作與模特的動作實現(xiàn)精準(zhǔn)的一一對應(yīng)后，便完成了整個準(zhǔn)備工作。

3.3.2" 動作捕捉技術(shù)與UE5的結(jié)合

本項目使用最新的UE5引擎進(jìn)行開發(fā)，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(yīng)用NeuronLiveLink動捕插件，在重啟引擎后選擇導(dǎo)入所需要的模型，模型導(dǎo)入時提示插件缺失或者設(shè)置缺失需點擊Enable Missing進(jìn)行重啟。然后，打開導(dǎo)入的模型藍(lán)圖，選中Body在右側(cè)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(lán)圖，在左下角找到預(yù)置的Animation graphs并雙擊打開，添加Live Link Pose節(jié)點并連接到Control Rig節(jié)點上，生成一個用于驅(qū)動Metahuman模型的重定向動畫序列連接到Live Link Pose節(jié)點前面用于生成該動畫資產(chǎn)需要在UE中將目標(biāo)模型的骨骼調(diào)整到數(shù)據(jù)源骨骼的標(biāo)準(zhǔn)pose，導(dǎo)入存放在Arts目錄中的T pose。之后，在動畫藍(lán)圖頁面將剛剛生成的T pose 動畫序列資產(chǎn)拖拽到AnimGraph中然后連接到Live Link Pose節(jié)點前。最后，完成數(shù)據(jù)流連接部分，選中Live Link pose 節(jié)點Retarget Asset設(shè)置為UE Metahuman編譯并保存，就可以實現(xiàn)動捕設(shè)備與UE5的連接。

4" 結(jié)束語

基于虛幻引擎開發(fā)的虛擬心肺復(fù)蘇科普館項目，通過利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)勢，成功構(gòu)建了一個具有高度真實感和沉浸感的虛擬科普環(huán)境。本項目不僅豐富了心肺復(fù)蘇科普教育的形式和內(nèi)容，還為廣大用戶提供了一個便捷、高效的學(xué)習(xí)平臺。通過實際應(yīng)用和測試，虛擬心肺復(fù)蘇科普館在提升用戶學(xué)習(xí)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(jìn)行自主學(xué)習(xí)和實踐操作，不受時間和地點的限制，從而提高了學(xué)習(xí)效率和便利性。綜上所述，基于虛幻引擎開發(fā)的虛擬心肺復(fù)蘇科普館項目在科普教育領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的實踐價值。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，虛擬科普館將在未來發(fā)揮更加重要的作用，為提升公眾健康素養(yǎng)和急救能力做出更大的貢獻(xiàn)。

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