基于UE4的虛擬展館設(shè)計(jì)與開發(fā)

楊艷瑜　曾雪峰　李廣松　劉樹林　官澤良

關(guān)鍵詞：“南派”醒獅；虛擬引擎；虛擬展館；虛擬仿真

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1006-8228（2023）11-79-04

0 引言

元宇宙浪潮下，虛擬現(xiàn)實(shí)在教育教學(xué)、汽車制造、醫(yī)療服務(wù)、娛樂影音等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是指，在構(gòu)建的三維虛擬空間中與場景內(nèi)部對象發(fā)生交互行為，沉浸式感知場景的構(gòu)建及內(nèi)部事件的發(fā)生[1-2]。構(gòu)建的虛擬空間可以來自真實(shí)的物理世界空間，也可以是在此基礎(chǔ)進(jìn)行加工形成符合物理世界規(guī)律的疊加效果[3-4]。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在傳統(tǒng)文化可視化交互中意義重大，在場景中沉浸式感受文化熏陶，更新文化推廣路徑，節(jié)約時(shí)間、金錢成本。經(jīng)過百度百科、知網(wǎng)檢索等方式調(diào)查，并未發(fā)現(xiàn)以“南派”醒獅為主題的虛擬展館的研究。

因此，本研究基于虛擬引擎技術(shù)設(shè)計(jì)以傳統(tǒng)文化“南派”醒獅為主題的虛擬展館，可以使所有的用戶在不同典型、逼真的場景中交互式學(xué)習(xí)“南派”醒獅的文化、醒獅動(dòng)作動(dòng)畫，給用戶帶來逼真的體驗(yàn)感和醒獅文化的洗禮，從而提升大眾整體的文化鑒賞水平，解決當(dāng)前異地參觀展覽的困境。

1 虛擬展館需求分析

虛擬展館實(shí)現(xiàn)的功能包含交互層、表現(xiàn)層和數(shù)據(jù)邏輯層。交互層在展館風(fēng)格、展館畫面、展館體驗(yàn)層面具有一定程度的決定性，是能否吸引體驗(yàn)者的關(guān)鍵要素。表現(xiàn)層主要包括虛擬展館的空間建構(gòu)、人物角色的選擇、人物動(dòng)作動(dòng)畫的表現(xiàn)形式、展柜、壁畫的逼真程度等層面。數(shù)據(jù)邏輯層是顯示虛擬展館的關(guān)鍵，每個(gè)展館功能模塊都具有獨(dú)立的藍(lán)圖結(jié)構(gòu)，通過在不同藍(lán)圖之間建立藍(lán)圖通信，實(shí)現(xiàn)藍(lán)圖之間的對象引用與調(diào)用。本研究中，虛擬展館藍(lán)圖結(jié)構(gòu)主要包括劉關(guān)張獅子、玩家控制邏輯、AI 自由巡邏人自動(dòng)巡邏、第三人稱角色漫游行走、UI 交互功能、換裝游戲功能的實(shí)現(xiàn)。

獲取真實(shí)完整的體驗(yàn)感受需要完整的展館參觀流程，包含虛擬展館的初始化界面、展館簡介、參觀指引、自由巡邏人與參觀者。首先，進(jìn)入初始化虛擬場館UI 交互界面，通過按鈕查看展館簡介，了解展館所傳達(dá)的文化底蘊(yùn)；其次，進(jìn)入展館開始參觀，體驗(yàn)者可以借助UI 提示界面查閱劉關(guān)張獅子的來源及其背后的文化，360°旋轉(zhuǎn)查看對象，規(guī)避了物理世界環(huán)境下對文物的損害；亦可通過UI 交互按鈕獲得醒獅服裝換裝體驗(yàn)。最后，參觀結(jié)束彈出參觀結(jié)束UI 界面。

2 虛擬展館整體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

本研究是以非物質(zhì)文化遺產(chǎn)“南派”醒獅為主題構(gòu)建的虛擬展館，目的在于讓當(dāng)代學(xué)生能夠正確認(rèn)知、深入了解非物質(zhì)文化遺產(chǎn)“醒獅”，爭當(dāng)非遺文化傳承人。本虛擬展館選擇虛幻四引擎，能夠支持PC端、移動(dòng)端、Hololens 等多平臺(tái)。本虛擬展館設(shè)計(jì)并開發(fā)了兩種交互展示虛擬展館，便于隨時(shí)查看的移動(dòng)端AR 虛擬仿真教學(xué)虛擬展館，和PC 端VR 虛擬仿真教學(xué)虛擬展館，具體功能結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2.2 技術(shù)路線

⑴ 三維模型構(gòu)建

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)浪潮下，3ds Max 軟件在三維場景設(shè)計(jì)和實(shí)體行為設(shè)計(jì)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[5]。本研究主要通過3ds Max 軟件完成虛擬展館中展館空間建設(shè)、劉關(guān)張醒獅模型、醒獅服裝、展柜、壁畫等靜態(tài)三維對象的模型構(gòu)建，并創(chuàng)建AI 自由巡邏人骨骼和第三人稱角色骨骼?？臻g結(jié)構(gòu)的搭建直接影響參觀者對虛擬展館的體驗(yàn)感，角色骨骼直接影響角色行走動(dòng)畫，故其也是不可獲取的一部分。

⑵ 二維圖像識(shí)別

本研究中主要借助二維圖像識(shí)別技術(shù)完成虛擬展館模型貼圖、展柜、劉關(guān)張醒獅模型貼圖、壁畫紋理等三維模型的貼圖制作及UI 交互界面設(shè)計(jì)。良好的交互界面能夠帶好愉悅的體驗(yàn)感；貼圖的質(zhì)量直接影響模型的精度，從而影響真實(shí)體驗(yàn)感，故其也是不可或缺的一部分。

⑶ 程序邏輯設(shè)計(jì)

UE4（Unreal Engine 4）虛擬引擎具有強(qiáng)大的圖形渲染能力，代碼完全開源[6-7]，支持C++和藍(lán)圖開發(fā)。藍(lán)圖（Blueprint）是一種可視化編輯語言，將可執(zhí)行的功能打包封裝成節(jié)點(diǎn)，根據(jù)需求邏輯將對應(yīng)功能實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)連接編程。本研究中主要使用UE 4 進(jìn)行虛擬展館的程序開發(fā)，以可視化藍(lán)圖開發(fā)為主在對象與對象之間建立關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)虛擬展館功能邏輯與交互，獲得較好的體驗(yàn)感。

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)

本虛擬展館設(shè)計(jì)的目的是讓用戶不受時(shí)空限制，能夠體驗(yàn)身臨其境的非物質(zhì)文化“南派醒獅”博物館。本虛擬展館的開發(fā)分為五個(gè)步驟：①利用二維圖像識(shí)別技術(shù)軟件對虛擬展館中的建筑模型等三維模型進(jìn)行貼圖繪制與制作、UI 交互界面設(shè)計(jì)；②利用3dsMax 對醒獅模型及博物館中其他三維物體進(jìn)行模型制作，并導(dǎo)入U(xiǎn)E4 引擎中，將制作好的貼圖賦給三維模型，使其最大程度上實(shí)現(xiàn)逼真效果；③在UE4 中進(jìn)行三維場景搭建和光照構(gòu)建，增強(qiáng)用戶的沉浸式體驗(yàn)感；④利用藍(lán)圖節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)場景跳轉(zhuǎn)與邏輯結(jié)構(gòu)，借助UMG、碰撞檢測、動(dòng)畫藍(lán)圖等實(shí)現(xiàn)與用戶的交互邏輯⑤打包exe 格式并測試，發(fā)現(xiàn)虛擬展館開發(fā)過程中存在的不足與Bug。非遺文化“南派”醒獅虛擬展館開發(fā)流程與技術(shù)路線如圖2 所示。

3 虛擬展館功能實(shí)現(xiàn)

本虛擬展館分為PC 端VR 虛擬展館和移動(dòng)端AR虛擬展館兩個(gè)版本，虛擬展館使用UE4 虛幻引擎開發(fā)平臺(tái)，支持PC 端、移動(dòng)端等平臺(tái)發(fā)布，且移動(dòng)端AR 虛擬展館是基于VR 虛擬展館內(nèi)容開發(fā)、改進(jìn)與打包[8]，故本研究重點(diǎn)闡述PC 端VR 虛擬展館的主要開發(fā)過程。

3.1 虛擬展館環(huán)境搭建

啟動(dòng)軟件，依次選擇[File]-[Import Into Level]，選擇將制作好的3ds Max 2016 導(dǎo)出的醒獅文化虛擬展館場景.fbx 文件導(dǎo)入U(xiǎn)E4 平臺(tái)，選擇場景內(nèi)容的導(dǎo)入位置（一般保存到Map 文件），選擇[FBX SceneImport Options]（保持默認(rèn)選項(xiàng)，如圖3 所示），單擊Import 將搭建好的場景和貼圖導(dǎo)入到UE4 平臺(tái)，虛擬展館場景Top 視圖如圖4 所示。

虛擬展館場景設(shè)置為環(huán)形開口結(jié)構(gòu)，順時(shí)針方向依次為屏風(fēng)、壁畫、劉關(guān)張獅子模型、視頻動(dòng)畫區(qū)域、展柜、壁畫等。整個(gè)虛擬展館環(huán)境以獅子紋理映射醒獅主題，突出醒獅文化特色。虛擬環(huán)境搭建時(shí)務(wù)必規(guī)避違反物理世界現(xiàn)象發(fā)生，如“穿墻”、“穿?！?，因此在設(shè)計(jì)時(shí)為對象添加了物理碰撞盒子，避免在漫游體驗(yàn)時(shí)發(fā)生違反物理規(guī)律的現(xiàn)象。

3.2 角色動(dòng)畫制作

本虛擬展館設(shè)置兩個(gè)重要的角色，分別是自由巡邏人和第三人稱角色，其中自由巡邏人作為虛擬展館指引者，第三人稱角色作為體驗(yàn)者自身，因此需要對兩個(gè)角色設(shè)置模擬人物行走的動(dòng)畫。

⑴ 自由巡邏人

自由巡邏人作為虛擬展館指引者，能夠在虛擬展館可行走區(qū)域中隨機(jī)行走。可通過添加“Nav MeshBounds Volume”組件設(shè)置行走區(qū)域，按P 鍵綠色部分為可行走區(qū)域。本虛擬展館中的自由巡邏人以人工智能AI 方法實(shí)現(xiàn)，主要依托AIBehavior Tree、AIBlackboard 、AI Controller 及AI Character 等功能結(jié)構(gòu)，如圖5 所示，各結(jié)構(gòu)之間相互鏈接，互通互融，共同實(shí)現(xiàn)人工智能AI 自由巡邏人的行走控制。AIController 的作用主要是運(yùn)行AIBehavior Tree；故其藍(lán)圖結(jié)構(gòu)中只需添加一個(gè)節(jié)點(diǎn)“Run Behavior Tree”，BTAsset 選擇AIBehavior Tree；AI Blackboard 存放用于AIBehavior Tree 中Task 節(jié)點(diǎn)調(diào)用的Keys；AIBehavior Tree 中限定了自由巡邏人的Task 及任務(wù)處理優(yōu)先級。具體如圖6 所示。

⑵ 第三人稱漫游動(dòng)作

第三人稱漫游是指體驗(yàn)者以第三人稱視角進(jìn)入虛擬展館，虛擬展館中會(huì)提供一個(gè)人物模型作為體驗(yàn)者，第三人稱漫游動(dòng)作以Animation 的方法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，主要依托Animation Blueprint、Blend Space 1D、AnimationSequence 等功能結(jié)構(gòu)。各結(jié)構(gòu)之間相互鏈接，互通互融，相輔相成，共同實(shí)現(xiàn)第三人稱任務(wù)角色漫游。

依次選擇[Animation] - [Blend Space 1D] -[Ch23_nonPBR_Skeleton]，創(chuàng)建綁定骨骼的角色混合空間1D 動(dòng)畫文件，在Asset Brower 中將Swagger_Walk動(dòng)畫序列拖動(dòng)到Speed 時(shí)間軸，生成行走動(dòng)畫。依次選擇[Animation] - [Animation Blueprint] - [Ch23_non-PBR_Skeleton]，創(chuàng)建綁定骨骼的動(dòng)畫藍(lán)圖，在動(dòng)畫藍(lán)圖中設(shè)置角色的Walk Speed。依次選擇[BluePrint Class]-[Character]-[ Ch23_nonPBR_Skeleton]，創(chuàng)建Character角色藍(lán)圖，在其Details 面板中綁定骨骼及動(dòng)畫，實(shí)現(xiàn)Blend Space 1D、Animation Blueprint、character 之間的連接。具體如圖7 所示。

3.3 換裝模式切換

虛擬展館中設(shè)置了換裝模塊，當(dāng)角色靠近醒獅展臺(tái)，彈出UI 提示界面，提示體驗(yàn)者可以通過按R 鍵穿上或脫下完成換裝。Character 靠近感應(yīng)區(qū)域，Character 獲得Player Controller 并獲取按鍵輸入權(quán)限，按R 鍵設(shè)置Body 的可視性。利用Flip Flop 節(jié)點(diǎn)靈活處理按鍵次數(shù)，奇數(shù)次穿上舞獅服裝，偶數(shù)次脫下舞獅服裝，體驗(yàn)者能夠更為真實(shí)地感知醒獅文化。Character 換裝藍(lán)圖如圖8 所示。

4 虛擬展館測試

測試是開發(fā)行業(yè)中必不可少的一步，其目的是發(fā)現(xiàn)在虛擬展館開發(fā)過程中存在的不足與BUG，給體驗(yàn)者提供更完備的優(yōu)質(zhì)體驗(yàn)。為此，將開發(fā)調(diào)試好的VR 虛擬展館選擇在PC 端平臺(tái)打包，生成可直接執(zhí)行的非物質(zhì)文化遺產(chǎn)“南派”醒獅虛擬展館。主要從場景切換、UI 展示、UI 交互、動(dòng)畫播放與暫停、角色換裝等多方位、多角度展開測試。

通過訪談并總結(jié)53 位不同虛擬展館體驗(yàn)者的體驗(yàn)感受，總結(jié)如下：虛擬展館能夠正常運(yùn)行，沒有明顯Bug 提示，場景及UI 交互界面顯示良好，能夠根據(jù)體驗(yàn)者需求實(shí)施更新實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)更新與界面切換，無閃退現(xiàn)場；角色換裝體驗(yàn)很有創(chuàng)意，能夠全方位體驗(yàn)醒獅文化；在可行走區(qū)域中人工智能AI 角色運(yùn)動(dòng)軌跡良好，能夠完成基礎(chǔ)交互與指引。游戲過程中參數(shù)顯示正常，無亂碼、黑屏等現(xiàn)象。

5 總結(jié)與展望

本研究中的虛擬展館打破傳統(tǒng)文化傳統(tǒng)時(shí)空局限，從更新傳統(tǒng)文化傳播形式的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)并開發(fā)了PC 端VR 虛擬展館和移動(dòng)端AR 虛擬展館兩個(gè)版本，創(chuàng)建良好的視覺體驗(yàn)效果，提供完備的虛擬展館功能和游戲的體驗(yàn)，大大增加了遠(yuǎn)程體驗(yàn)文化展館的真實(shí)性。借助先進(jìn)的UE4 虛幻引擎展開傳統(tǒng)文化“南派”醒獅虛擬展館的設(shè)計(jì)與開發(fā)，通過使用引擎自帶的可視化藍(lán)圖編程虛擬展館實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能，提高虛擬展館的易用性和可拓展性。本虛擬展館目前只在學(xué)校層面上進(jìn)行測試與應(yīng)用，將其應(yīng)用范圍擴(kuò)展至全市、全省是后續(xù)進(jìn)一步研究的內(nèi)容。