虛幻引擎5 MetaSounds與Niagara系統(tǒng)的音畫交互研究

摘要：目的：本研究圍繞虛幻引擎5，深入探討其MetaSounds與Niagara系統(tǒng)在音畫交互設(shè)計中的應(yīng)用價值，分析其對視聽體驗的重塑及對新媒體藝術(shù)領(lǐng)域的潛在影響。方法：以虛幻引擎5為平臺，系統(tǒng)闡釋MetaSounds與Niagara系統(tǒng)的功能及藍(lán)圖可視化編程工具的作用，詳細(xì)介紹虛幻引擎5中音畫交互設(shè)計方法的流程與技術(shù)要點。運用對比分析與實踐驗證相結(jié)合的方式，凸顯該系統(tǒng)的創(chuàng)新性與特點。結(jié)果：在虛幻引擎5中，音畫交互設(shè)計的實現(xiàn)十分高效且易于優(yōu)化調(diào)試。MetaSounds音頻系統(tǒng)通過節(jié)點式工作流程、模塊化設(shè)計等增強了音頻處理能力，Niagara視覺系統(tǒng)在色彩映射、紋理渲染等方面表現(xiàn)出專業(yè)性與可調(diào)性。藍(lán)圖實現(xiàn)了音畫系統(tǒng)的高效通信，提升了創(chuàng)作效率。此方法增強了音畫的協(xié)調(diào)性與互動性，創(chuàng)造了沉浸式體驗，優(yōu)化了音畫數(shù)據(jù)和通信流程。結(jié)論：虛幻引擎5的音畫交互系統(tǒng)具有創(chuàng)新意義和廣闊的發(fā)展前景，能夠為音畫交互設(shè)計提供新的創(chuàng)作思路和技術(shù)手段，推動相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)步，同時為創(chuàng)作者選擇平臺和軟件提供參考。

關(guān)鍵詞：虛幻引擎5；音畫交互；MetaSounds；Niagara

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-9436（2024）13-0-03

1 虛幻引擎概述

虛幻引擎是一款集圖像處理、音頻處理和可視化編程功能于一體的強大的游戲引擎，應(yīng)用于開發(fā)游戲和互動內(nèi)容。其圖像處理功能依賴Nanite虛擬幾何體系統(tǒng)和Lumen全動態(tài)全局光照系統(tǒng)。前者允許處理復(fù)雜的幾何細(xì)節(jié)，突破傳統(tǒng)多邊形限制，確保高精度模型無損展示；后者則通過實時動態(tài)光照和反射，大幅增強場景的真實感。在音頻處理方面，虛幻引擎支持3D音效與空間化音頻，增強聽覺沉浸感。借助音頻藍(lán)圖系統(tǒng)，用戶可以通過可視化界面高效創(chuàng)作音頻效果，利用節(jié)點連接輕松實現(xiàn)復(fù)雜的音頻設(shè)計，豐富互動藝術(shù)作品的聽覺層次。受傳統(tǒng)媒體特性的限制，作品處理同時性事件通常只能采用相互交疊的形式。而計算機(jī)媒體則使創(chuàng)作者可以將所有同時發(fā)生的事件置于一個網(wǎng)格，允許交互者在它們之間航行，以多種路徑提供同時性的行動［1］。在虛幻引擎中，藍(lán)圖（Blueprint）系統(tǒng)是可視化腳本工具，降低了編程的復(fù)雜性，藝術(shù)家和設(shè)計師不需要大量的編程經(jīng)驗即可創(chuàng)建復(fù)雜的非線性互動邏輯。在音畫交互設(shè)計中，藍(lán)圖通過拖拽和連接節(jié)點展現(xiàn)直觀的工作流程，與傳統(tǒng)代碼編程相比，其更加靈活易用。它允許創(chuàng)作者快速迭代和實時調(diào)試設(shè)計，能夠大大提高創(chuàng)作效率。

2 虛幻引擎5音畫交互系統(tǒng)

2.1 視覺系統(tǒng)Niagara

Niagara是虛幻引擎5中一款先進(jìn)的粒子系統(tǒng)，用于創(chuàng)建和管理復(fù)雜的視覺效果。其優(yōu)勢是在粒子效果設(shè)計方面具有顯著的專業(yè)性。在視覺藝術(shù)中，質(zhì)感是二維和三維設(shè)計的一個元素，并以感知的視覺和物理特性而著稱［2］。在音畫交互設(shè)計中，色彩、紋理、形狀、光照、運動等元素可以表達(dá)各種信息和情感。Niagara系統(tǒng)在這些元素的設(shè)計中具有顯著的專業(yè)性和豐富的可調(diào)性。

2.1.1 動態(tài)色彩映射

動態(tài)色彩映射功能允許設(shè)計師對粒子生命周期內(nèi)的色彩進(jìn)行自定義調(diào)整。設(shè)計師可以基于粒子的屬性，如生命周期、速度和位置，通過色彩漸變曲線和插值方法實現(xiàn)復(fù)雜的色彩變化。例如，火焰、爆炸等效果可以通過這些功能進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，以適應(yīng)不同的視覺需求。Niagara還支持多種色彩運算，如色彩乘法、加法和混合模式，使色彩的計算和調(diào)節(jié)更加靈活，適應(yīng)多樣化的視覺表現(xiàn)需求。

2.1.2 靜態(tài)與動態(tài)紋理渲染

在紋理渲染方面，Niagara支持靜態(tài)和動態(tài)紋理的應(yīng)用。通過紋理坐標(biāo)系統(tǒng)和動態(tài)紋理動畫技術(shù)，設(shè)計師能夠創(chuàng)建動態(tài)的紋理效果，如水面波紋或流動的熔巖。這些效果可通過時間序列控制，增強粒子系統(tǒng)的真實感。Niagara的材質(zhì)系統(tǒng)集成能力使設(shè)計師能夠創(chuàng)建多層次的紋理組合，實現(xiàn)高精度的表面細(xì)節(jié)渲染，如光澤和微觀細(xì)節(jié)等，打造高質(zhì)量的視覺效果。

2.1.3 幾U2gnD1BSJwfnsltg7qK/3A==何形狀處理

幾何形狀處理使設(shè)計師可以對粒子的發(fā)射形狀和形狀變換進(jìn)行精細(xì)控制，其支持從簡單幾何體到復(fù)雜形狀的粒子系統(tǒng)設(shè)計。動態(tài)形狀變換功能允許粒子在運動過程中變化形狀，從而增強視覺表現(xiàn)力。此外，Niagara還支持基于粒子物理屬性的高級幾何處理，如速度、加速度等，模擬各種自然與非自然現(xiàn)象，使粒子系統(tǒng)在動態(tài)視覺效果中展現(xiàn)出極強的真實感。

2.1.4 自發(fā)光功能

粒子的自發(fā)光功能使其在場景中成為光源或視覺焦點。設(shè)計師可以設(shè)置粒子的發(fā)光強度和顏色，創(chuàng)建閃光、霓虹燈等效果；可以實時動態(tài)調(diào)整發(fā)光效果，如脈動光效、漸變光效等；可以通過控制發(fā)光強度和顏色的變化，模擬真實場景中的光照變化，如閃光效果中的光衰減過程。

2.1.5 粒子運動模擬

粒子運動模擬提供高度可定制的粒子運動控制功能，包括初速度、加速度、重力影響、空氣阻力等物理屬性。通過精細(xì)的調(diào)節(jié)，設(shè)計師能夠模擬爆炸沖擊波、氣流拖拽等復(fù)雜的運動現(xiàn)象，增強視覺效果的真實感。Niagara還支持粒子行為的系統(tǒng)級建模，涵蓋粒子的生命周期管理、碰撞檢測和群體行為模擬。例如，通過定義粒子的生成、運動、衰退和消失階段，設(shè)計師可以模擬雨滴、煙霧等自然現(xiàn)象，確保粒子在復(fù)雜的環(huán)境中表現(xiàn)出一致且高度協(xié)調(diào)的行為模式。

2.2 音頻系統(tǒng)MetaSounds

MetaSounds系統(tǒng)在虛幻引擎中為動態(tài)音頻設(shè)計提供了強大且靈活的工具，特別適用于新媒體藝術(shù)和音畫交互設(shè)計。其圖形化編程界面、模塊化設(shè)計、實時參數(shù)調(diào)制和高級音頻效果等功能，為創(chuàng)作者在音頻處理和互動設(shè)計上提供了較高的自由度。

2.2.1 點式圖形化編程

MetaSounds系統(tǒng)采用節(jié)點式圖形化編程界面，該界面通過簡化音頻信號流的設(shè)計與操作，為音頻創(chuàng)作提供了極大的便利。在這一系統(tǒng)中，每個節(jié)點代表一種特定的音頻處理功能，如振蕩、濾波和調(diào)制等。設(shè)計師可以通過拖放這些節(jié)點，直觀地構(gòu)建復(fù)雜的音頻信號路徑，并實時觀察音頻信號的變化。這種可視化編程方式降低了編程門檻，即便是沒有編程背景的聲音設(shè)計師也能夠輕松參與音頻設(shè)計。

2.2.2 模塊化設(shè)計

MetaSounds系統(tǒng)的模塊化設(shè)計體現(xiàn)在豐富的節(jié)點庫中，涵蓋了生成節(jié)點、處理節(jié)點、效果節(jié)點等多種類型。生成節(jié)點負(fù)責(zé)產(chǎn)生基礎(chǔ)音頻波形，如正弦波和噪聲等；處理節(jié)點則應(yīng)用于各種音頻效果，如濾波、混響和延遲等；效果節(jié)點則提供特定的音效處理功能。這些節(jié)點可以根據(jù)需要任意組合，形成復(fù)雜的音頻處理鏈條。

2.2.3 實時參數(shù)調(diào)制

MetaSounds系統(tǒng)支持實時參數(shù)調(diào)制，這項核心功能允許設(shè)計師在音頻播放過程中動態(tài)調(diào)整音頻參數(shù)，如音量、音高和濾波器截止頻率等。這種調(diào)制能力基于實時輸入數(shù)據(jù)，如用戶交互或傳感器數(shù)據(jù)，使音頻體驗可以實時響應(yīng)環(huán)境變化。例如，在一個互動式藝術(shù)作品中，觀眾的動作或聲音可以實時影響背景音效的變化，創(chuàng)造個性化的沉浸式體驗。實時參數(shù)調(diào)制不僅能增強音頻體驗的互動性，還能提升音頻表現(xiàn)的靈活性和豐富性，使設(shè)計師可以根據(jù)實際需要調(diào)整音效，增強整體沉浸感和用戶參與感。

2.2.4 音頻數(shù)據(jù)化

MetaSounds系統(tǒng)還支持音頻信號的數(shù)據(jù)化處理，包括Envelope Follower（包絡(luò)跟蹤器）和Spectrum Analysis（頻譜分析）功能。Envelope Follower功能根據(jù)音頻信號的強度變化驅(qū)動視覺效果發(fā)生變化，如調(diào)整3D模型的震動或變形，使視覺效果與音頻同步。Spectrum Analysis功能則提供頻率成分的精確控制，適用于復(fù)雜的音效設(shè)計和音頻可視化應(yīng)用。

2.3 藍(lán)圖與音畫系統(tǒng)的通信

藍(lán)圖作為一種可視化編程，相較于傳統(tǒng)的代碼編程，更加高效且易于學(xué)習(xí)上手。雖然虛幻引擎的底層是C++實現(xiàn)的，但它可以通過藍(lán)圖來實現(xiàn)不寫一行代碼完成交互邏輯［3］。藍(lán)圖對于不熟悉傳統(tǒng)代碼的藝術(shù)家而言，是一個很好的實現(xiàn)交互邏輯的解決方案，為音畫交互設(shè)計和創(chuàng)作提供了便利，也提高了效率。

2.3.1 MetaSounds與藍(lán)圖的通信

MetaSounds可以通過藍(lán)圖進(jìn)行動態(tài)控制和交互。常用的方法包括事件觸發(fā)、參數(shù)綁定、實時更新。MetaSounds能通過藍(lán)圖中的事件節(jié)點觸發(fā)和控制，當(dāng)特定條件滿足時，設(shè)計者可以利用事件節(jié)點啟動MetaSounds的播放或調(diào)整音效參數(shù)，從而在藝術(shù)作品中實現(xiàn)精確的音效觸發(fā)。MetaSounds的參數(shù)可以暴露給藍(lán)圖進(jìn)行直接控制，如設(shè)置音量、頻率等音效參數(shù)，并通過變量或函數(shù)將這些參數(shù)值傳遞給MetaSounds系統(tǒng)，使音頻與視覺效果能夠精準(zhǔn)同步。此外，MetaSounds支持通過藍(lán)圖進(jìn)行實時參數(shù)更新，這一功能在音畫交互設(shè)計中尤為重要。

2.3.2 Niagara與藍(lán)圖的通信

在虛幻引擎5中，設(shè)計師可以通過藍(lán)圖，動態(tài)控制Niagara粒子系統(tǒng)的多個參數(shù)，如發(fā)射率、速度和顏色等，使視覺效果與音頻信號實時同步，實現(xiàn)音畫的深度融合。藍(lán)圖中的事件驅(qū)動功能允許在特定條件下觸發(fā)Niagara粒子效果，例如，當(dāng)音頻信號達(dá)到某個頻段的能量閾值時，特定的粒子效果會被激活，從而增強作品的互動性和表現(xiàn)力。

Blueprints在虛幻引擎中的應(yīng)用大大簡化了復(fù)雜的交互邏輯，實現(xiàn)了高效、直觀的音畫同步控制。對不熟悉編程的藝術(shù)家來說，Blueprints提供了一種解決方案，即通過可視化編程設(shè)計和創(chuàng)作作品，這顯著提升了創(chuàng)作效率與作品表現(xiàn)力。

3 虛幻引擎與Max/MSP的對比

Max/Msp是一款可視化編程軟件，常被用于音畫交互設(shè)計。Max/Msp以新穎的方式同時呈現(xiàn)給用戶程序結(jié)構(gòu)和人機(jī)界面，由于它的可擴(kuò)展設(shè)計和圖形化的用戶界面，現(xiàn)已成為全世界互動電子音樂設(shè)計和演奏的通用編程語言［4］。它提供豐富的音頻和視頻處理模塊，可通過連接不同模塊實現(xiàn)復(fù)雜交互，但學(xué)習(xí)成本較高。在音畫交互設(shè)計與創(chuàng)作中，虛幻引擎能提供諸多便利，但相比傳統(tǒng)的音畫交互設(shè)計軟件Max/Msp，創(chuàng)作者在選用平臺和軟件時需要考慮VST音源插件支持、MIDI控制的精確性這兩方面的因素。

3.1 VST音源插件支持

MetaSounds具有強大的內(nèi)置音頻處理功能，允許創(chuàng)作復(fù)雜的音頻合成和效果，而無須依賴外部插件。但MetaSound不直接支持VST插件，對熟悉音樂制作和音頻處理的設(shè)計師而言，可能需要額外的橋接工具。Max/Msp通過“vst～”對象，可以直接加載和使用VST插件，極大地擴(kuò)展了其音頻處理能力，允許藝術(shù)家靈活地將VST插件集成到復(fù)雜的音頻信號處理鏈中。但更細(xì)化的功能則需要更多專業(yè)的技術(shù)和知識才能靈活調(diào)用，所以Max/Msp需要進(jìn)行額外的設(shè)置和配置。例如，數(shù)字音頻工作站Ableton Live的Max for Live集成，就是一款可以將Cycling 74的Max/Msp整合進(jìn)Live的圖形化編程軟件。Max For Live作為Live和Max/Msp的集合體，所有設(shè)備模塊都是可以被編輯的，類似于軟件的源代碼［5］。這在一定程度上增強了系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時增加了創(chuàng)作者對軟件和代碼的學(xué)習(xí)成本和上手難度。

3.2 MIDI控制的精確性

虛幻引擎中的音頻處理是實時的，可以快速響應(yīng)用戶的輸入和控制，且通過藍(lán)圖，可以將MIDI控制與虛幻引擎中的其他系統(tǒng)緊密集成，實現(xiàn)復(fù)雜的互動效果。然而，對于需要高精度MIDI控制的應(yīng)用，MetaSound的處理可能不如專門的數(shù)字音頻工作站。Max/MSP通過“midiin”對象和“midiparse”對象提供強大的MIDI控制能力，可以精確地接收和解析MIDI數(shù)據(jù)。同時，Max/Msp支持復(fù)雜的MIDI映射和實時控制，適合需要精細(xì)調(diào)控的音頻和互動創(chuàng)作。值得注意的是，雖然這些功能十分強大，但Max/Msp的MIDI控制系統(tǒng)可能需要一個學(xué)習(xí)和適應(yīng)過程。

4 結(jié)語

本研究深入探討了虛幻引擎5中MetaSounds與Niagara系統(tǒng)在音畫交互設(shè)計中的應(yīng)用價值。通過對該引擎的系統(tǒng)介紹與技術(shù)功能解析，展示了其在聲音與畫面融合、交互機(jī)制構(gòu)建以及觀感體驗優(yōu)化等方面的卓越表現(xiàn)。與傳統(tǒng)音畫交互設(shè)計軟件Max/Msp相比，虛幻引擎5在音畫交互設(shè)計領(lǐng)域具有諸多優(yōu)勢，但在VST音源插件支持和MIDI控制精確性方面仍有提升空間。創(chuàng)作者在選擇平臺和軟件時，需綜合考慮各方面因素，選用合適的創(chuàng)作工具。

參考文獻(xiàn)：

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［3］ 汪鐵良，袁圓.基于Unreal Engine的虛擬現(xiàn)實技術(shù)在元宇宙圖書館中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代信息科技，2024，8（5）：144-148.

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