基于UE4 的滑雪可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 帆 劉嘉森 丁一淳 許曉琦 李 攀＊

（防災(zāi)科技學(xué)院信息工程學(xué)院，河北 三河 065201）

自虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被提出以來，因其借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及傳感器生成的三維環(huán)境，通過調(diào)動(dòng)用戶的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等，可給用戶提供十分逼真的、身臨其境的體驗(yàn)，依此特點(diǎn)虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品在國內(nèi)受到了大眾市場(chǎng)的歡迎。憑借我國優(yōu)良的信息技術(shù)建設(shè)成果以及當(dāng)前的5G 浪潮的來臨，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)得以突飛猛進(jìn)地發(fā)展。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所涉及到的領(lǐng)域十分廣泛，如游戲、影視、教育、醫(yī)療等，虛擬現(xiàn)實(shí)游戲通過將網(wǎng)絡(luò)游戲與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，使得游戲行業(yè)的發(fā)展更上一步臺(tái)階，游戲的多元化得到進(jìn)一步的強(qiáng)化。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)游戲

一款游戲的可玩性可拆分為：可用性層、游戲?qū)印㈩愋蛯?、情感層?？捎眯詫蛹从螒蚴欠衲軌蚝芎玫厣鲜郑舨蝗菀子洃洸僮鞑襟E，可能體驗(yàn)就會(huì)很差。沉浸性是虛擬現(xiàn)實(shí)游戲的一大特點(diǎn)，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在模擬環(huán)境、生物感知、自然技能、傳感設(shè)備等方面的優(yōu)勢(shì)，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)反饋回的大量信息，使得玩家可以高度沉浸在特定的真實(shí)場(chǎng)景中。在可用性層和游戲?qū)觾煞矫妫摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)從游戲本身實(shí)體之外豐富了游戲的可玩性，擁有傳統(tǒng)電子游戲無法取得的優(yōu)勢(shì)。

2 游戲系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 游戲概要設(shè)計(jì)

滑雪運(yùn)動(dòng)是我國一項(xiàng)重要的冬季體育項(xiàng)目, 特別是在我國北方地區(qū),深受廣大群眾的歡迎和喜愛。然而，由于高山滑雪運(yùn)動(dòng)具有較高的危險(xiǎn)性，令許多民眾望而卻步。秉著游戲源于生活但奇幻于生活之上的理念，僅簡(jiǎn)單的滑雪操作并不能彰顯VR 游戲的特點(diǎn)，因此在游戲中，設(shè)計(jì)人員以圖像視覺為核心，并從聽覺、觸覺等方面入手，打造了滑雪系統(tǒng)、三維場(chǎng)景系統(tǒng)、音效系統(tǒng)、粒子系統(tǒng)、體感系統(tǒng)等游戲系統(tǒng)，建造代入感強(qiáng)的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，通過設(shè)備反饋多元的信息，從而使用戶高度沉浸在游戲中，游戲世界觀也更加真實(shí)。該系統(tǒng)以滑雪為游戲核心，增添躲避障礙、收集金幣、時(shí)間系統(tǒng)、評(píng)分系統(tǒng)等擴(kuò)展系統(tǒng)。

2.2 游戲場(chǎng)景設(shè)計(jì)

游戲場(chǎng)景主要為幾座白雪皚皚的雪山，風(fēng)格為偏動(dòng)畫風(fēng)，通過在場(chǎng)景中放置石塊，樹木等靜態(tài)物體，設(shè)置奔跑的鹿和站立的狼，使場(chǎng)景更加生動(dòng)有趣。為使體驗(yàn)者在游戲中擁有更加立體的世界觀，在場(chǎng)景中設(shè)計(jì)了鳥瞰區(qū)、眺望區(qū)、俯視區(qū)：（1）鳥瞰區(qū)。以過場(chǎng)動(dòng)畫的方式讓玩家體驗(yàn)乘滑翔機(jī)來到滑雪場(chǎng)的環(huán)節(jié)，雪山美景盡收眼底。（2）眺望區(qū)。在玩家初選擇游戲模式時(shí)，矗立與懸崖邊，可以俯視山下的滑雪場(chǎng)概況。（3）俯視區(qū)。玩家從懸崖處一躍而下，體驗(yàn)視覺上的刺激。雪山的路況主要以平坦為主，并經(jīng)多次測(cè)試，在合適的地方設(shè)計(jì)上坡或飛躍的地形，使得游戲節(jié)奏不會(huì)低迷，設(shè)計(jì)出可以使體驗(yàn)者在舒緩和緊張中進(jìn)行舒適切換的節(jié)奏。

2.3 游戲模塊設(shè)計(jì)

2.3.1 滑雪模塊設(shè)計(jì)

作為滑雪類游戲，能否有良好的滑雪體驗(yàn)感，必定為評(píng)判該游戲的首要標(biāo)準(zhǔn)?；┌宓脑O(shè)計(jì)參考UE4 官方的懸空滑板系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)放側(cè)翻、矯正滑板傾斜等系統(tǒng)，避免了滑板因地形原因出現(xiàn)傾斜而導(dǎo)致的側(cè)翻的情況，并增添滑板重置的功能，即時(shí)光倒流，可以解決滑板因模型碰撞卡在地形中無法動(dòng)彈的情況。

為考慮游戲的真實(shí)性，增添滑板的摩擦系統(tǒng)，研究并參考關(guān)于滑雪速度建模仿真研究的論文，得出摩擦力主要分為：干摩擦阻力、接觸摩擦阻力、流體摩擦阻力和空氣摩擦阻力。本游戲中摩擦力的設(shè)計(jì)與規(guī)劃如下：

2.3.1.1 干摩擦力。干摩擦力主要由晶體微凸體聯(lián)結(jié)點(diǎn)的剪切引起，干摩擦力的計(jì)算公式如圖1 所示，（建模仿真模擬研究中取滑雪者的體重默認(rèn)為75kg，身高默認(rèn)為175cm）。

圖1 干摩擦力計(jì)算公式

圖2 空氣阻力計(jì)算公式

Ai= (0.00607×hei+0.0127×wei-0.0698)×0.5×0.9-0.038 wei: 運(yùn)動(dòng)員的體重,hei: 運(yùn)動(dòng)員的身高,Vi為速度。

滑雪桿長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為滑雪運(yùn)動(dòng)普遍認(rèn)可的高度減去15cm 到5cm。滑板加速系統(tǒng)秉著模擬現(xiàn)實(shí)的思想設(shè)計(jì)，滑板的速度大小應(yīng)與VR 手柄在Y 軸上滑動(dòng)的速度成線性正比關(guān)系，滑板加速度的體驗(yàn)感分析表如表1 所示。

表1 VR 手柄轉(zhuǎn)換系數(shù)與滑板加速效果體驗(yàn)感的關(guān)系

2.3.2 聲音系統(tǒng)設(shè)計(jì)

滑雪體驗(yàn)感的營造，不僅需要使人感受到真實(shí)的畫面，也需要使人身臨其境的音效。為了帶給玩家更真實(shí)的體驗(yàn)，聲音系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為兩大塊，分別為環(huán)境音以及玩家在滑雪中的聲音，游戲中是烘托室外滑雪氛圍的存在，環(huán)境音部分應(yīng)該貼近于現(xiàn)實(shí)中冬天室外山間給人帶來的感受，而玩家在滑雪中的聲音則分為很多種情況，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行細(xì)分，例如加速減速時(shí)風(fēng)聲的變化，玩家突然摔倒，滑雪板騰空而起等對(duì)聲音的影響都是需要考慮的。

2.3.3 障礙干擾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為給游戲增加難度和可玩性，參照雪山冬天的氣候并加入了少量的游戲元素，設(shè)計(jì)了例如從山坡突然滾下的石頭、被積雪壓到的樹和因被滑雪者驚動(dòng)而四處奔跑的動(dòng)物等障礙元素。不僅可以起到對(duì)體驗(yàn)者干擾的作用，使得游戲難度增加，并且可以集中體驗(yàn)者的注意力，增添游戲的緊張感。不同障礙物與人物發(fā)生碰撞時(shí)，將對(duì)人物產(chǎn)生力的作用，繼而對(duì)滑雪者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生影響，然而對(duì)速度的影響也應(yīng)根據(jù)當(dāng)前人物的速度有關(guān)，因此需經(jīng)過力、速度、摩擦等多重因素的考慮，經(jīng)過公式的計(jì)算后，才可影響到速度上。

2.3.4 滑痕系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在實(shí)際生活中無論是我們走在陸地上、在水中游泳或者是飛機(jī)在空中飛翔，都會(huì)在移動(dòng)過的位置上留下一些痕跡。同理在生活中我們走在雪上也會(huì)留下腳印?；蛘呤窃谘┑厣戏瓭L、滑行，在重力的影響下都會(huì)使得雪產(chǎn)生形變。在VR 滑雪游戲中我們?yōu)楦诱鎸?shí)的營造玩家滑雪體驗(yàn)，也加入了這個(gè)功能。其主要的表現(xiàn)方式是玩家在走上滑板之前，如果身體與地上的雪產(chǎn)生交互就會(huì)使得雪地根據(jù)交互面積產(chǎn)生形變，同理如果滾石、其他的小動(dòng)物經(jīng)過雪地也會(huì)產(chǎn)生形變。反之走在山體上或者沒有雪的地面行則不會(huì)形變。

2.3.5 收集金幣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

成功游戲可以讓玩家不斷地參與其中，它的可玩性使玩家的期望在游戲的過程中獲得滿足。對(duì)運(yùn)動(dòng)類和競(jìng)速類游戲進(jìn)行深入的研究分析，并對(duì)其特征進(jìn)行系統(tǒng)的分析和歸納后，總結(jié)得出在“地鐵跑酷”、”天天酷跑”等游戲中，對(duì)游戲物體的收集過程可以給玩家?guī)韽?qiáng)烈的滿足感，增加玩家對(duì)游戲的好感度和征服欲。

3“飛躍巔峰”游戲功能實(shí)現(xiàn)

3.1 游戲場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)

雪山場(chǎng)景分為地形和材質(zhì)兩部分。地形部分使用MAYA 建造出大致的雪山地形，利用UE4 的地形編輯工具對(duì)地形進(jìn)行二次修改，以達(dá)到美化的目的。游戲場(chǎng)景如圖3 所示。

圖3 游戲場(chǎng)景鳥瞰圖

除雪山地形的場(chǎng)景之外，其余的樹木、動(dòng)物、石塊等模型，對(duì)于樹木、動(dòng)物等細(xì)節(jié)描寫較多的物體，盡可能的利用官方提供的3D 模型，因?yàn)楣俜街谱鞯?D 模型更為精美，也可節(jié)省游戲的開發(fā)成本。而在游戲中因需要特定的石塊去阻擋道路或扮演滾石的”角色”，因此使用3DMax 和MAYA 去特別定制。

3.2 游戲模塊實(shí)現(xiàn)

3.2.1 滑雪系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

為了使滑雪板在整個(gè)游戲過程中可以平衡滑行，而不出現(xiàn)側(cè)翻、倒置等影響體驗(yàn)者體驗(yàn)的情況，在滑雪板的藍(lán)圖中使用Event Tick 節(jié)點(diǎn)多分支的進(jìn)行檢測(cè)滑雪板當(dāng)前的狀況，如滑雪板的傾斜度數(shù)、滑雪板是否發(fā)生了側(cè)翻、滑雪板正常狀態(tài)下的位置以及旋轉(zhuǎn)量等參數(shù)。

滑雪桿系統(tǒng)主要為揮動(dòng)手柄控制滑板和初始高度設(shè)定兩個(gè)部分。揮動(dòng)VR 手柄的動(dòng)作是否可以影響滑雪板速度，以游戲中滑雪桿是否接觸到地面為標(biāo)準(zhǔn)，但若用傳統(tǒng)的碰撞檢測(cè)會(huì)出現(xiàn)在非平坦地形中出現(xiàn)誤差或檢測(cè)不到的情況，因此改用以VR手柄處向地面發(fā)射射線檢測(cè)來代替碰撞檢測(cè)，檢測(cè)是否與地面接觸，射線的長(zhǎng)度即為滑雪桿的長(zhǎng)度，射線檢測(cè)返回的碰撞結(jié)構(gòu)體經(jīng)過解析后并加上邏輯判斷，實(shí)現(xiàn)判斷是否接觸了地面的功能。參照滑雪桿長(zhǎng)度普遍為身高-40～50cm 的標(biāo)準(zhǔn)，初始化適合的滑雪桿長(zhǎng)度。

3.2.2 聲音系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

聲音系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)采用了UE4 的聲音系統(tǒng)（Sound Cue），使用Sound Cue 可以輕松的將多種所需音效程序化的調(diào)用，并且可以進(jìn)行基礎(chǔ)的混音，調(diào)音等操作，聲音系統(tǒng)的實(shí)體關(guān)系圖（ER圖）如圖4 所示。

圖4 聲音系統(tǒng)的子系統(tǒng)及其影響因素

在現(xiàn)實(shí)的滑雪過程中，隨著自身速度的增大，耳遍的風(fēng)聲也會(huì)隨之增大，當(dāng)自身各種外力的達(dá)到平衡之后，身體基本保持勻速運(yùn)動(dòng)，風(fēng)聲達(dá)到最大值，在減速時(shí)，風(fēng)聲則逐漸減小，與環(huán)境中的風(fēng)聲保持一致。

3.2.3 障礙干擾系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

障礙物的模型主要以Maya 和3Dmax 制作，樹木折斷和動(dòng)物奔跑的動(dòng)畫通過Maya 工具制作。在游戲的特定地點(diǎn)設(shè)置機(jī)關(guān)盒子，當(dāng)體驗(yàn)者在游戲中經(jīng)過時(shí)觸發(fā)，相對(duì)應(yīng)的障礙物，或滾石或樹木等障礙干擾行為通過藍(lán)圖通信被觸發(fā)。在不同的障礙物藍(lán)圖中，將物體對(duì)人物的撞擊力初始化為變量，當(dāng)撞到物體時(shí)，將力變量通過藍(lán)圖通信傳遞給滑雪板藍(lán)圖，在滑雪板藍(lán)圖中將力帶入到影響速度的公式中，得出削減或增加后的速度大小，再增加到藍(lán)圖狀態(tài)中。

3.2.4 滑痕系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

開發(fā)方式主要是制作特定的“雪”材質(zhì)，以及一個(gè)可以使得雪產(chǎn)生形變的組件。在場(chǎng)景搭建的過程中將所有的雪地、雪山使用特制的“雪”材質(zhì)，而在人物、動(dòng)物、滑雪板、大石頭等物品上加入“融雪組件”。在玩家移動(dòng)過程中如果檢測(cè)到交互位置為”雪”材質(zhì)，將會(huì)把此位置反饋給材質(zhì)上，通過修改材質(zhì)參數(shù)使得雪有形變的效果。同時(shí)在“雪”材質(zhì)上分為三層：第一層是雪，第二層是土地，第三層是巖石。三層是用漸變的轉(zhuǎn)化，當(dāng)雪因受力向下變形時(shí)將會(huì)露出下層材質(zhì)。系統(tǒng)使用渲染來渲染目標(biāo)，因此會(huì)影響GPU 性能?？梢酝ㄟ^降低渲染目標(biāo)分辨率針對(duì)低性能平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化。默認(rèn)情況下，分辨率為2048x2048，所有渲染目標(biāo)將占用24 MB 的GPU 內(nèi)存。

3.2.5 收集金幣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過研究和分析其他具有收集元素的游戲的成功案例，對(duì)被收集物的特點(diǎn)進(jìn)行歸納，金幣的外觀為了突出游戲主題和搭配環(huán)境風(fēng)格，設(shè)計(jì)為雪花的樣子，且為了和通體的白色背景形成對(duì)比，顏色設(shè)計(jì)為隨機(jī)的多種顏色。音效使用Adobe Audition 制作，制作多種風(fēng)格的音效，嵌入到游戲中，可以在游戲初始化階段供體驗(yàn)者進(jìn)行選擇。收集到的金幣的積分會(huì)顯示到UI 中，并在最終結(jié)算階段納入到評(píng)分系統(tǒng)中。

4 結(jié)論

VR 技術(shù)的成功應(yīng)用為體育新媒體的傳播帶來了一種全新的創(chuàng)新路徑，本游戲的靈感來自于使普通人能足不出戶就低成本的體驗(yàn)極限運(yùn)動(dòng)，前期團(tuán)隊(duì)收集了各種關(guān)于滑雪運(yùn)動(dòng)和成功的游戲案例經(jīng)過分析和研究，得出適合本游戲的設(shè)計(jì)模式，經(jīng)過不斷的努力開發(fā)，最終實(shí)現(xiàn)了一款多元的可玩性高的VR 滑雪類游戲。體驗(yàn)者通過佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，在任何地點(diǎn)任何時(shí)間，就可體驗(yàn)一場(chǎng)緊張刺激的滑雪運(yùn)動(dòng)，不僅可娛樂日常的生活，并且能起到一定的鍛煉作用。VR 游戲擺脫了傳統(tǒng)游戲模式固有的局限性，打開了一扇新的奇幻世界的大門。VR 滑雪游戲?qū)R 技術(shù)和體育運(yùn)動(dòng)結(jié)合，為市場(chǎng)帶來了新的游戲體驗(yàn)，可以激發(fā)全民對(duì)體育運(yùn)動(dòng)的熱情和興趣，降低運(yùn)動(dòng)帶來的損傷的同時(shí)，豐富人們的體育運(yùn)動(dòng)經(jīng)驗(yàn)。