基于UE的仿真災(zāi)害系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘" 要：隨著全球自然災(zāi)害頻發(fā)，災(zāi)害預(yù)防和應(yīng)對變得日益重要。傳統(tǒng)的災(zāi)害教育方式存在局限性，難以讓參與者深刻體驗(yàn)災(zāi)害的嚴(yán)重性。該研究利用Unreal Engine游戲引擎和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個仿真災(zāi)害系統(tǒng)，旨在為公眾提供一個逼真且安全的災(zāi)害體驗(yàn)平臺。此舉旨在創(chuàng)新災(zāi)害教育方式，提高公眾的防災(zāi)減災(zāi)意識和應(yīng)對能力，為災(zāi)害教育的普及和推廣貢獻(xiàn)力量。研究的意義在于探索更直觀、生動的災(zāi)害教育手段，為社會的災(zāi)害防范工作提供有力支持。

關(guān)鍵詞：災(zāi)害；UE；仿真；VR；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號：T391.9" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）32-0051-04

Abstract： With the frequent occurrence of natural disasters around the world， disaster prevention and response have become increasingly important. Traditional disaster education methods have limitations and make it difficult for participants to deeply experience the severity of disasters. This research uses Unreal Engine game engine and virtual reality technology to design and implement a disaster simulation system， aiming to provide the public with a realistic and safe disaster experience platform. This move aims to innovate disaster education methods， improve public awareness and response capabilities of disaster prevention and reduction， and contribute to the popularization and promotion of disaster education. The significance of the research lies in exploring more intuitive and vivid disaster education methods to provide strong support for social disaster prevention work.

Keywords： disaster; UE; simulation; VR; system design

隨著全球自然災(zāi)害的頻發(fā)，災(zāi)害預(yù)防和應(yīng)對已成為社會關(guān)注的焦點(diǎn)。傳統(tǒng)的災(zāi)害教育方式，如課堂教學(xué)和圖文展示，受限于其無法真實(shí)模擬災(zāi)害場景的問題，使得參與者難以深刻理解災(zāi)害的嚴(yán)重性和緊迫性。探索一種更為直觀、生動的災(zāi)害教育方式顯得至關(guān)重要。近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)的快速發(fā)展為災(zāi)害教育提供了新的可能性。VR技術(shù)能夠創(chuàng)建逼真的虛擬環(huán)境，使參與者身臨其境地體驗(yàn)災(zāi)害，從而提高他們的防災(zāi)減災(zāi)意識和應(yīng)對能力。本研究旨在利用Unreal Engine（UE）游戲引擎，結(jié)合VR技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個仿真災(zāi)害系統(tǒng)，為公眾提供一個安全且逼真的災(zāi)害體驗(yàn)平臺。通過本研究，我們期望能夠?yàn)闉?zāi)害教育提供一種創(chuàng)新的解決方案，提高公眾的災(zāi)害防范意識和應(yīng)對能力，同時為災(zāi)害教育的普及和推廣作出貢獻(xiàn)。

1" 研究的意義與目的

1.1" 研究背景與意義

近年來，地震、洪水、火災(zāi)等全球自然災(zāi)害的頻發(fā)，對人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。然而，傳統(tǒng)的災(zāi)害教育方式，如課堂教學(xué)和圖文展示，往往無法真實(shí)模擬災(zāi)害場景，使參與者難以深刻理解災(zāi)害的嚴(yán)重性和緊迫性。尋找一種能更直觀、生動地展示災(zāi)害的教育方式變得尤為重要。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)的快速發(fā)展，人們開始關(guān)注其在災(zāi)害教育領(lǐng)域的應(yīng)用。VR技術(shù)能夠創(chuàng)建逼真的虛擬環(huán)境，讓參與者身臨其境地體驗(yàn)災(zāi)害，從而增強(qiáng)人們的防災(zāi)減災(zāi)意識和應(yīng)對能力。本研究的目標(biāo)是利用VR技術(shù)建立一個仿真災(zāi)害體驗(yàn)館，為參與者提供一個安全且逼真的災(zāi)害體驗(yàn)平臺。

本研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣泛的應(yīng)用前景。通過建立VR仿真災(zāi)害體驗(yàn)館，不僅可以為參與者提供一個安全且逼真的災(zāi)害體驗(yàn)平臺，還可以提高人們的防災(zāi)減災(zāi)意識和應(yīng)對能力，拓展教育方式。

1.2" 研究目的與任務(wù)

本研究的核心目的是通過開發(fā)VR仿真災(zāi)害體驗(yàn)館，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為公眾提供一個身臨其境的災(zāi)害模擬環(huán)境，以增強(qiáng)人們的防災(zāi)減災(zāi)意識和應(yīng)對災(zāi)害的能力。隨著全球自然災(zāi)害的頻發(fā)，如何有效地進(jìn)行災(zāi)害預(yù)防和應(yīng)對已成為社會關(guān)注的焦點(diǎn)。傳統(tǒng)的災(zāi)害教育方式往往局限于理論知識的傳授，缺乏實(shí)際操作和體驗(yàn)，導(dǎo)致公眾對災(zāi)害的認(rèn)識和應(yīng)對能力有限。本研究旨在通過創(chuàng)新的技術(shù)手段，為災(zāi)害教育提供一種新的解決方案。

2" 研究的創(chuàng)新點(diǎn)

2.1" 技術(shù)融合創(chuàng)新

本研究將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與人工智能技術(shù)創(chuàng)新性地結(jié)合，有效地突破了傳統(tǒng)災(zāi)害教育的局限，為該領(lǐng)域注入了新的活力。使用VR技術(shù)，用戶可以身臨其境地體驗(yàn)災(zāi)害現(xiàn)場，感受災(zāi)害的沖擊和威脅。這種沉浸式的體驗(yàn)不僅可以讓用戶直觀地了解災(zāi)害的成因、發(fā)展過程和可能的危害，還可以讓他們深刻地認(rèn)識到防災(zāi)減災(zāi)的重要性。用戶可以通過與虛擬數(shù)字人的對話互動，學(xué)習(xí)災(zāi)害預(yù)防、災(zāi)害發(fā)生的原因以及應(yīng)對方式。這種智能交互方式不僅增強(qiáng)了災(zāi)害教育的趣味性和吸引力，還能根據(jù)用戶的需求和特點(diǎn)提供個性化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和反饋。

2.2" 交互性強(qiáng)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的運(yùn)用在科普教育中引發(fā)了革命性的變革。具有較高的互動性與沉浸感，使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)增加科普過程中的趣味性，同時也增強(qiáng)代入感、沉浸感，幫助用戶提高應(yīng)對火災(zāi)的能力。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能模擬逼真的場景，讓用戶在安全的環(huán)境中體驗(yàn)災(zāi)害的緊迫感和危險性。用戶可以觀察災(zāi)害的發(fā)生和發(fā)展，同時學(xué)習(xí)并掌握正確的滅火方法和逃生技巧。這種互動式的學(xué)習(xí)方式不僅增加了學(xué)習(xí)的趣味性，而且能幫助用戶在遇到災(zāi)害時迅速做出正確的反應(yīng)，提高他們的應(yīng)對和自救能力。

對話AI能根據(jù)用戶需求提供定制化學(xué)習(xí)內(nèi)容，滿足個性化需求，從而提高學(xué)習(xí)效果和效率。這種高度交互和個性化的學(xué)習(xí)方式，不僅增強(qiáng)了用戶對災(zāi)害知識的理解和記憶，還提高了他們在實(shí)際應(yīng)用中的應(yīng)對能力和決策效率。

2.3" 成本降低與知識普及

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)降低了制作災(zāi)害體驗(yàn)館的成本，使得災(zāi)害知識的普及更加容易和方便，同時也降低了學(xué)習(xí)成本，提高了學(xué)習(xí)效率。這種低成本、高效率的知識傳播方式有助于提高公眾的災(zāi)害防范意識和應(yīng)對能力。

3" 基于UE的仿真災(zāi)害系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1" UE的介紹與優(yōu)勢

Unreal Engine（UE）是一款由Epic Games開發(fā)的次世代游戲引擎，多用于開發(fā)第一人稱設(shè)計(jì)游戲[1]。近年來UE在虛擬現(xiàn)實(shí)、建筑可視化、影視制作和科學(xué)研究等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。UE的主要優(yōu)勢是其強(qiáng)大的實(shí)時渲染能力，其先進(jìn)的圖形渲染技術(shù)和有效的資源管理策略。利用UE，開發(fā)者能夠生成逼真的光影效果、精細(xì)的紋理貼圖和流暢的動態(tài)場景，從而為用戶提供沉浸式的視覺體驗(yàn)[2]。

本項(xiàng)目也用到了UE5的Nanite和Lumen技術(shù)。Nanite是一種虛擬化幾何體技術(shù)，其能夠快速渲染大量的三角面，并且能夠無損地將許多三角面壓縮得非常小。Nanite能夠展示像素級別的細(xì)節(jié)，幾何體中的三角形通常是像素大小的，這種級別的幾何體細(xì)節(jié)要求陰影能夠精確到像素。Lumen是一種動態(tài)全局光照技術(shù)，其可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時光線反射。通過Lumen，只要移動光源，光線反彈效果就會實(shí)時變化。Lumen能夠?qū)崟r響應(yīng)場景和光照的變化，而且無需專門的光線追蹤硬件。這可以使項(xiàng)目更加逼真和生動，從而提高項(xiàng)目的沉浸感和交互性，可以讓項(xiàng)目更加逼真和生動，提升項(xiàng)目的沉浸感和交互性。

3.2" 系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

本系統(tǒng)采用VR+AI的創(chuàng)新方式，結(jié)合2種方式的特點(diǎn)以學(xué)習(xí)+體驗(yàn)的學(xué)習(xí)方法，加深學(xué)習(xí)效果。體驗(yàn)館分為2部分：展示區(qū)和體驗(yàn)區(qū)。在展示區(qū)內(nèi)不同的科普區(qū)域，分別有AI知識科普區(qū)、災(zāi)害知識科普區(qū)、消防器材展示區(qū)。在AI知識科普區(qū)內(nèi)設(shè)有虛擬數(shù)字人，虛擬數(shù)字人接入了對話AI，使用人可以與虛擬數(shù)字人交流、學(xué)習(xí)相關(guān)的災(zāi)害知識。在災(zāi)害知識科普區(qū)內(nèi)設(shè)有相關(guān)的災(zāi)害知識科普展板，展板的內(nèi)容包括地震、洪水等常見災(zāi)害，介紹了預(yù)防災(zāi)害發(fā)生的方法、常見器材的使用方法等知識。在消防器材展示區(qū)內(nèi)陳列日常生活中常見的消防器材的高精度模型，使用人可以近距離觀察和學(xué)習(xí)相關(guān)的器材使用方法，以便火災(zāi)來臨時可以正確地使用這些器材。在體驗(yàn)區(qū)內(nèi)使用人可以到體驗(yàn)區(qū)內(nèi)親身體驗(yàn)災(zāi)害來臨時的場景，使用人要根據(jù)指示完成逃生，如圖1所示。

4" 基于UE的仿真災(zāi)害系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1" 虛擬三維場景創(chuàng)建

為了盡可能地重現(xiàn)災(zāi)害現(xiàn)場的真實(shí)環(huán)境，設(shè)計(jì)相關(guān)災(zāi)害的三維場景是一項(xiàng)十分重要的任務(wù)。通過收集災(zāi)后的照片和視頻資料，可以更好地重現(xiàn)災(zāi)害現(xiàn)場的環(huán)境特征、物品分布和破損程度。

在建模階段，我們使用如3D MAX和Maya等專業(yè)的3D建模軟件來創(chuàng)建場景所需的物品。這些軟件可以幫助我們精確地重現(xiàn)災(zāi)后場景的細(xì)節(jié)，無論是倒塌的建筑物還是散落的碎片。建模完成后，將模型導(dǎo)入Substance Painter進(jìn)行貼圖繪制。Substance Painter是一款出色的紋理繪制軟件，其可以使我們創(chuàng)建的模型更加逼真和精細(xì)。通過這款軟件為模型添加各種紋理、顏色和細(xì)節(jié)，使模型更接近真實(shí)物體的表面。最后，將場景導(dǎo)入到UE中進(jìn)行搭建。UE提供了豐富的材質(zhì)系統(tǒng)和光照工具，通過調(diào)整各種材質(zhì)參數(shù)，如高光度和摩擦度，以實(shí)現(xiàn)更逼真的視覺效果。使用UE內(nèi)置的物理碰撞系統(tǒng)，進(jìn)一步提高了三維場景的真實(shí)性和交互性。該系統(tǒng)能模擬現(xiàn)實(shí)世界的物理規(guī)律，如重力、碰撞和摩擦力，確保場景中的物體在受到外力作用時符合真實(shí)的物理規(guī)律。通過這些設(shè)計(jì)和處理可以高度還原災(zāi)害現(xiàn)場的真實(shí)情境[3]。

4.2" VR交互方式實(shí)現(xiàn)

主要的交互功能由VR手柄完成。具體操作方式如下：①觸摸板用于確定落點(diǎn)和控制移動。②在UI交互界面中，扳機(jī)鍵的單擊可以確定操作，這種設(shè)計(jì)符合用戶的使用習(xí)慣，提高了交互的便捷性。在特定場景下，如握持滅火器時，按住扳機(jī)鍵可以使滅火器噴出干粉進(jìn)行滅火操作，這種模擬真實(shí)世界的交互方式增強(qiáng)了用戶的沉浸感和體驗(yàn)感。③側(cè)鍵可以撿起毛巾或滅火器。

4.3" 功能模塊的實(shí)現(xiàn)

4.3.1" 展示區(qū)設(shè)計(jì)

進(jìn)入體驗(yàn)館后可以在展館內(nèi)進(jìn)入不同的區(qū)域?qū)W習(xí)相關(guān)的災(zāi)害知識，可以學(xué)習(xí)展板上的災(zāi)害知識，同時也可以通過多媒體面板學(xué)習(xí)相關(guān)的知識。除此之外還可以近距離觀察高精度的消防設(shè)備模型，學(xué)習(xí)其使用方法。

4.3.2" AI虛擬數(shù)字人模塊設(shè)計(jì)

在展區(qū)內(nèi)特別設(shè)立了AI知識科普區(qū)，在AI知識科普區(qū)內(nèi)的亮點(diǎn)是一個仿真的虛擬數(shù)字人結(jié)合的人工智能技術(shù)，為人們提供了一個全新的學(xué)習(xí)體驗(yàn)[4]。

這個虛擬數(shù)字人內(nèi)置了ChatGPT，通過OPENAI提供的API可以接入ChatGPT。ChatGPT作為一個強(qiáng)大的語言模型，能夠?yàn)楦鞣N復(fù)雜問題提供富有邏輯和易于理解的回答。問答過程可以展示在交互界面上，使得使用者能夠輕松地與虛擬數(shù)字人進(jìn)行對話，并獲得所需的災(zāi)害知識。

為了實(shí)現(xiàn)更加真實(shí)自然的科普學(xué)習(xí)方式，該系統(tǒng)還集成了語音識別功能。利用微軟azure服務(wù)器可以將使用者的語音轉(zhuǎn)換成文字信息，通過藍(lán)圖實(shí)現(xiàn)，如圖2所示，確保了轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性和效率。轉(zhuǎn)換后的文字信息被即時輸入給GPT進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)了語音提問到文字回答的無縫轉(zhuǎn)換。

當(dāng)GPT完成回答后，相關(guān)的文本信息會被傳輸回azure服務(wù)器，文本被轉(zhuǎn)換成語音信號輸出，提供更加直觀和易于理解的回答形式。通過藍(lán)圖邏輯交互設(shè)計(jì)，如圖3所示，系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)與回答內(nèi)容相關(guān)的動畫播放和語音輸出的同步進(jìn)行。這種多維度的呈現(xiàn)方式不僅豐富了使用者的感官體驗(yàn)，還進(jìn)一步加深對災(zāi)害知識的理解和記憶。

4.3.3" 火災(zāi)逃生設(shè)計(jì)

火災(zāi)的場景設(shè)計(jì)在日常生活的小區(qū)中，交互界面為全3D設(shè)計(jì)，更加具有立體感，在過程中增加沉浸感。在聽到警報(bào)后，需要根據(jù)指引到浴室拿起毛巾，拾取功能由藍(lán)圖完成，如圖4所示，在場景中使用了粒子系統(tǒng)，增加煙霧，在逃生過程中需要低頭前進(jìn)，防止吸入煙霧昏迷。在過程中設(shè)置了在火災(zāi)中經(jīng)常發(fā)生的爆鳴情況，在逃生過程中需要躲開爆炸的房間，利用滅火器澆滅過道的火，避開樓道堆放雜物的火焰，并根據(jù)路線指引逃出火災(zāi)現(xiàn)場。

4.3.4" 泥石流逃生設(shè)計(jì)

泥石流的場景設(shè)計(jì)在野外，模擬在野外突發(fā)泥石流的情況。使用人需要根據(jù)指引在泥石流發(fā)生的初期快速逃到高處，并注意躲避山上的落石完成逃生過程。為了模擬泥石流的效果，使用了Fluid FluxV2流體插件。通過該插件可以制作出逼真的流體效果，在泥石流發(fā)生的初期，通過調(diào)整流速、流向和流體密度等參數(shù)，模擬了從山坡上涌下的泥石流。再加入泥流的粒子特效可以很好地模擬泥石流效果，包括飛濺的泥漿、飄散的塵土等。同時在場景中加入了模擬的天氣效果，在泥石流發(fā)生的初期，天氣逐漸變黑，并開始下起小雨。隨著時間的推移，天空變得越來越黑，雨勢也逐漸加大，最終演變成傾盆大雨。在場景中設(shè)置了明確的逃生指引，指引中包括了在泥石流災(zāi)害來臨時的一些逃生技巧。玩家需要按照這些指引快速行動，以躲避泥石流的沖擊。

4.3.5" 地震逃生設(shè)計(jì)

地震的場景設(shè)計(jì)在學(xué)校中，模擬在學(xué)校突發(fā)地震的情況。使用人需要根據(jù)指引在地震開始時躲避到桌子下，等待余震結(jié)束后根據(jù)指引，穿過廢墟，跑到指定的空曠安全區(qū)域。在過程中使用UE的chaos系統(tǒng)來模擬建筑坍塌的效果，在UE中要被破碎的模型被視為Geometry Collection，可以是由多個StaticMesh構(gòu)成的幾何體合集，在通過對Geometry Collection的多種劃分方式達(dá)到需要的效果，劃分出的Geometry Collection會構(gòu)成Cluster，通過對不同Cluster設(shè)置不同的破碎強(qiáng)度可以達(dá)到隨機(jī)破碎效果，從而得到一種更為真實(shí)的破碎感。

5" 結(jié)束語

本研究利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，結(jié)合Unreal Engine游戲引擎，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種仿真災(zāi)害系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過逼真的虛擬環(huán)境和交互式的學(xué)習(xí)方式，為參與者提供了一個安全且身臨其境的災(zāi)害體驗(yàn)平臺。這種創(chuàng)新的災(zāi)害教育方式不僅增強(qiáng)了公眾對災(zāi)害的認(rèn)識和應(yīng)對能力，還提高了學(xué)習(xí)效果和效率。該系統(tǒng)的成本較低，易于普及和推廣，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣泛的應(yīng)用前景。本研究為災(zāi)害教育領(lǐng)域提供了一種新的解決方案，展示了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在災(zāi)害教育中的巨大潛力和應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李楠，謝海同，閆雪松，等.基于UE4藍(lán)圖的火災(zāi)逃生虛擬體驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].北華航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，28（2）：1-4.

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