基于UE4的虛擬儀器操作的開發(fā)

文/陸春雨

1 前言

三維虛擬仿真技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機(jī)仿真系統(tǒng)，其利用計算機(jī)生成一種多源信息融合的交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真，使用戶沉浸其中。該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于實驗教學(xué)過程中，即以計算機(jī)三維建模技術(shù)來生成數(shù)字化三維儀器，用仿真軟件構(gòu)建虛擬儀器的操作環(huán)境，通過設(shè)定虛擬儀器在輸入設(shè)備如鍵盤和鼠標(biāo)的操作下響應(yīng)方式，以實現(xiàn)人機(jī)交互，達(dá)到虛擬仿真教學(xué)的目的。

2 虛擬仿真軟件介紹

UE4（虛幻引擎4）是一套為使用實時技術(shù)的人士開發(fā)的工具。從企業(yè)應(yīng)用和電影體驗到高品質(zhì)的PC、主機(jī)、移動、VR及AR游戲，UE4都能夠提供從啟動項目到發(fā)行產(chǎn)品所需的一切，在同類產(chǎn)品中獨樹一幟。其優(yōu)點包括：實時逼真渲染、包含完整的C++源代碼、對設(shè)計師友好的Blueprint（藍(lán)圖可視化腳本）、穩(wěn)健的多人框架、內(nèi)置級聯(lián)粒子視覺效果編輯器、電影級后期處理效果、包羅萬象的動畫套件、先進(jìn)的人工智能等。

本研究即嘗試使用UE4來實現(xiàn)高效液相色譜儀操作的虛擬仿真。

3 開發(fā)流程

開發(fā)流程如圖1所示。

3.1 建模和貼圖

在3ds Max中采用多邊形建模的方法制作模型，包括實驗室房間、實驗臺、高效液相色譜儀的各個組件、顯示器、燒杯、廢液瓶等。建模過程中注意模型的布線，確保都是四邊面，同時精簡面數(shù)以保證在UE4中進(jìn)行虛擬互動時運行流暢。需要做旋轉(zhuǎn)操作的物體（如蓋子），要設(shè)置好旋轉(zhuǎn)的軸心。每個模型要展開好兩套UV（貼圖坐標(biāo)），第二套UV是UE4里光照貼圖使用。模型最后都導(dǎo)出成FBX格式。貼圖尺寸的長和寬最好都使用2的次方像素，如128×128、256×128、512×512等。一 般 貼 圖的格式用jpg即可，如果要在引擎中作為貼花（Decal）使用，則要保存成有透明通道的png格式。

3.2 在UE4中構(gòu)建場景

在UE4開始創(chuàng)建一個新工程時有許多模板可以選擇，如First Person、Third Person、Flying、Top Down、Side Scroller等等。本研究使用First Person（第一人稱）模板。因為這個模板默認(rèn)是制作第一人稱射擊游戲的，所以首先要做一些修改：把手臂模型和槍械模型刪除，保留膠囊體和攝像機(jī)，膠囊體相當(dāng)于操作者的身體，攝像機(jī)相當(dāng)于操作者的眼睛；把Spawn Projectile（發(fā)射子彈）功能取消，保留用鍵盤W、A、S、D鍵控制移動和用鼠標(biāo)控制視角的功能。

把模型都導(dǎo)入到UE4中，調(diào)整好位置。有交互操作的模型的Mobility屬性設(shè)置為Movable，同時添加一個名為BPI_Interact的藍(lán)圖接口。在房間靠天花板的地方放置幾盞燈，調(diào)整好亮度和范圍，調(diào)整天空球中太陽的位置，使陽光透過窗戶灑在地板上。

UE4中的材質(zhì)是PBR（基于物理渲染）材質(zhì)。主要屬性有BaseColor（基本色）、Metallic（金屬性）、Specular（高光）、Roughness（粗糙度）等。分別制作好金屬、玻璃、塑料等材質(zhì)，賦予相應(yīng)的模型。布置好燈光、賦予材質(zhì)后的場景如圖2所示。

3.3 UE4中的主要藍(lán)圖腳本

3.3.1 FirstPersonCharacter

在這個腳本中要創(chuàng)建兩個函數(shù)：Trace和ShowName。它們的功能：當(dāng)操作者把準(zhǔn)心對準(zhǔn)場景中某一個可交互的物體時，該物體會顯示出金黃色輪廓線，同時在畫面下方顯示該物體的名稱（如圖3所示），這時如果按下鼠標(biāo)左鍵即可進(jìn)行交互操作；當(dāng)把準(zhǔn)心移開時，輪廓線和名稱消失。

圖1：開發(fā)流程圖

圖2：布置好燈光、賦予材質(zhì)后的場景

Trace函數(shù)：首先獲取操作者（攝影機(jī)）的位置和方向，然后從攝影機(jī)發(fā)射一條100cm的射線，如果射線沒有碰到物體，就隱藏CurrentTarget變量中的物體的金黃色輪廓線，把CurrentTarget設(shè)為空，設(shè)置Interact變量為False，把物體名稱變量設(shè)為空。如果射線碰到了物體，先判斷該物體是否具有BPI_Interact。如果沒有，則隱藏CurrentTarget變量中的物體的金黃色輪廓線，設(shè)置Interact變量為False，把物體名稱變量設(shè)為空，然后調(diào)用ShowName函數(shù)。如果物體具有BPI_Interact，則與CurrentTarget變量中的物體比較：如果相同，就用SetRenderCustomDepth顯示物體的金黃色輪廓線，設(shè)置Interact變量為True，把該物體通過HitActor變量傳值給ShowName函數(shù)，并調(diào)用ShowName函數(shù)；如果不同，就隱藏CurrentTarget變量中的物體的金黃色輪廓線，把該物體設(shè)置為CurrentTarget，顯示物體的金黃色輪廓線，設(shè)置Interact變量為True，把該物體傳值給ShowName函數(shù)，并調(diào)用該函數(shù)。如圖4所示。

圖4：Trace函數(shù)的藍(lán)圖腳本

圖5：ShowName函數(shù)的藍(lán)圖腳本

圖6：交互操作的觸發(fā)腳本

圖7：power藍(lán)圖腳本

ShowName函數(shù)：從Trace函數(shù)傳遞過來的物體，利用GetClass和GetDisplayName可以得到該物體在UE4里的英文名，要顯示出中文名就要做一下轉(zhuǎn)換。先創(chuàng)建兩個Array（陣列），一個存放英文名EngName，一個存放中文名ChiName，順序一致；然后用ForEachLoop對GetDisplayName的值和EngName陣列進(jìn)行一一比對，再把得到的ArrayIndex傳給ChiName陣列，最后轉(zhuǎn)換成字符串通過藍(lán)圖UI（用戶界面）顯示出來。如圖5所示。

3.3.2 交互操作的觸發(fā)腳本

當(dāng)按下鼠標(biāo)左鍵時，如果Interact變量為真，則通過BPI Interact藍(lán)圖接口發(fā)送消息給HitActor變量中的可交互物體，該物體接到消息后就會執(zhí)行相應(yīng)的交互操作。如圖6所示。

3.3.3 可交互物體的藍(lán)圖腳本

每一個可交互物體都有自己的藍(lán)圖腳本，以三個按鈕（power電源、pump泵、purge排氣泡）為例：正確的順序是先檢查固定相和流動相，再按下電源開機(jī)，然后是排氣泡，最后啟動泵。如果順序不對，則會出現(xiàn)相應(yīng)提示。比如：先按purge，會提示“還沒有開機(jī)”；開機(jī)后直接按pump，會提示“請先排氣泡”；排氣泡之前如果沒有擰松二通閥，會提示“請先擰松二通閥”等等。另外，按鈕還有一個按下和彈起的小動畫，即按鈕在該場景中沿X軸進(jìn)行位移運動，可以通過Timeline實現(xiàn)。如圖7所示。復(fù)雜的動畫則是通過Matinee功能實現(xiàn)，比如清洗泵頭。清洗泵頭由多個動畫組成：打開甲醇瓶的封口塑料紙、泵頭從甲醇瓶中取出并移動到燒杯上方、打開流動相瓶子的蓋子、流動相瓶子上升并傾斜、流動相倒出清洗泵頭、流動相瓶子放回桌面、泵頭移動至流動相瓶子中、封口塑料紙移動到流動相瓶子的瓶口處。水流的效果則是通過粒子系統(tǒng)模擬實現(xiàn)。

3.4 打包

通過UE4的打包功能，可以輸出成.exe的可執(zhí)行程序。

4 最終效果

操作者以第一人稱視角，在一個實驗室場景中漫游，并可對實驗桌上的高效液相色譜儀進(jìn)行操作：檢查固定相色譜柱、檢查流動相、清洗泵頭、開機(jī)、排氣泡、啟動泵、進(jìn)樣等。

5 小結(jié)

許多高校由于受場地、經(jīng)費、人員等方面的限制，儀器設(shè)備往往數(shù)量有限，而且昂貴儀器的使用壽命也限制了其使用的次數(shù)。學(xué)生操作實驗設(shè)備的機(jī)會常常不足，導(dǎo)致他們的動手能力薄弱。通過虛擬仿真技術(shù)來實現(xiàn)儀器設(shè)備的虛擬操作，可以在一定程度上解決這一問題。本文即以高效液相色譜儀為仿真對象，提出了一種基于UE4的虛擬仿真開發(fā)的解決方案，可滿足低成本、易操作、交互性強(qiáng)、可重用、安全、逼真等教學(xué)需求，也有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。