基于UE4的虛擬展館設計與開發

楊艷瑜　曾雪峰　李廣松　劉樹林　官澤良

關鍵詞：“南派”醒獅；虛擬引擎；虛擬展館；虛擬仿真

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8228（2023）11-79-04

0 引言

元宇宙浪潮下，虛擬現實在教育教學、汽車制造、醫療服務、娛樂影音等領域應用越來越廣泛。虛擬現實技術是指，在構建的三維虛擬空間中與場景內部對象發生交互行為，沉浸式感知場景的構建及內部事件的發生[1-2]。構建的虛擬空間可以來自真實的物理世界空間，也可以是在此基礎進行加工形成符合物理世界規律的疊加效果[3-4]。將虛擬現實技術應用在傳統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，節約時間、金錢成本。經過百度百科、知網檢索等方式調查，并未發現以“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設計以傳統文化“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習“南派”醒獅的文化、醒獅動作動畫，給用戶帶來逼真的體驗感和醒獅文化的洗禮，從而提升大眾整體的文化鑒賞水平，解決當前異地參觀展覽的困境。

1 虛擬展館需求分析

虛擬展館實現的功能包含交互層、表現層和數據邏輯層。交互層在展館風格、展館畫面、展館體驗層面具有一定程度的決定性，是能否吸引體驗者的關鍵要素。表現層主要包括虛擬展館的空間建構、人物角色的選擇、人物動作動畫的表現形式、展柜、壁畫的逼真程度等層面。數據邏輯層是顯示虛擬展館的關鍵，每個展館功能模塊都具有獨立的藍圖結構，通過在不同藍圖之間建立藍圖通信，實現藍圖之間的對象引用與調用。本研究中，虛擬展館藍圖結構主要包括劉關張獅子、玩家控制邏輯、AI 自由巡邏人自動巡邏、第三人稱角色漫游行走、UI 交互功能、換裝游戲功能的實現。

獲取真實完整的體驗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，了解展館所傳達的文化底蘊；其次，進入展館開始參觀，體驗者可以借助UI 提示界面查閱劉關張獅子的來源及其背后的文化，360°旋轉查看對象，規避了物理世界環境下對文物的損害；亦可通過UI 交互按鈕獲得醒獅服裝換裝體驗。最后，參觀結束彈出參觀結束UI 界面。

2 虛擬展館整體設計

2.1 設計思路

本研究是以非物質文化遺產“南派”醒獅為主題構建的虛擬展館，目的在于讓當代學生能夠正確認知、深入了解非物質文化遺產“醒獅”，爭當非遺文化傳承人。本虛擬展館選擇虛幻四引擎，能夠支持PC端、移動端、Hololens 等多平臺。本虛擬展館設計并開發了兩種交互展示虛擬展館，便于隨時查看的移動端AR 虛擬仿真教學虛擬展館，和PC 端VR 虛擬仿真教學虛擬展館，具體功能結構如圖1 所示。

2.2 技術路線

⑴ 三維模型構建

虛擬現實技術浪潮下，3ds Max 軟件在三維場景設計和實體行為設計中發揮著至關重要的作用[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、劉關張醒獅模型、醒獅服裝、展柜、壁畫等靜態三維對象的模型構建，并創建AI 自由巡邏人骨骼和第三人稱角色骨骼?？臻g結構的搭建直接影響參觀者對虛擬展館的體驗感，角色骨骼直接影響角色行走動畫，故其也是不可獲取的一部分。

⑵ 二維圖像識別

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

⑶ 程序邏輯設計

UE4（Unreal Engine 4）虛擬引擎具有強大的圖形渲染能力，代碼完全開源[6-7]，支持C++和藍圖開發。藍圖（Blueprint）是一種可視化編輯語言，將可執行的功能打包封裝成節點，根據需求邏輯將對應功能實現節點連接編程。本研究中主要使用UE 4 進行虛擬展館的程序開發，以可視化藍圖開發為主在對象與對象之間建立關聯，實現虛擬展館功能邏輯與交互，獲得較好的體驗感。

2.3 系統架構

本虛擬展館設計的目的是讓用戶不受時空限制，能夠體驗身臨其境的非物質文化“南派醒獅”博物館。本虛擬展館的開發分為五個步驟：①利用二維圖像識別技術軟件對虛擬展館中的建筑模型等三維模型進行貼圖繪制與制作、UI 交互界面設計；②利用3dsMax 對醒獅模型及博物館中其他三維物體進行模型制作，并導入UE4 引擎中，將制作好的貼圖賦給三維模型，使其最大程度上實現逼真效果；③在UE4 中進行三維場景搭建和光照構建，增強用戶的沉浸式體驗感；④利用藍圖節點實現場景跳轉與邏輯結構，借助UMG、碰撞檢測、動畫藍圖等實現與用戶的交互邏輯⑤打包exe 格式并測試，發現虛擬展館開發過程中存在的不足與Bug。非遺文化“南派”醒獅虛擬展館開發流程與技術路線如圖2 所示。

3 虛擬展館功能實現

本虛擬展館分為PC 端VR 虛擬展館和移動端AR虛擬展館兩個版本，虛擬展館使用UE4 虛幻引擎開發平臺，支持PC 端、移動端等平臺發布，且移動端AR 虛擬展館是基于VR 虛擬展館內容開發、改進與打包[8]，故本研究重點闡述PC 端VR 虛擬展館的主要開發過程。

3.1 虛擬展館環境搭建

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

虛擬展館場景設置為環形開口結構，順時針方向依次為屏風、壁畫、劉關張獅子模型、視頻動畫區域、展柜、壁畫等。整個虛擬展館環境以獅子紋理映射醒獅主題，突出醒獅文化特色。虛擬環境搭建時務必規避違反物理世界現象發生，如“穿墻”、“穿?！?，因此在設計時為對象添加了物理碰撞盒子，避免在漫游體驗時發生違反物理規律的現象。

3.2 角色動畫制作

本虛擬展館設置兩個重要的角色，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者自身，因此需要對兩個角色設置模擬人物行走的動畫。

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域中隨機行走?？赏ㄟ^添加“Nav MeshBounds Volume”組件設置行走區域，按P 鍵綠色部分為可行走區域。本虛擬展館中的自由巡邏人以人工智能AI 方法實現，主要依托AIBehavior Tree、AIBlackboard 、AI Controller 及AI Character 等功能結構，如圖5 所示，各結構之間相互鏈接，互通互融，共同實現人工智能AI 自由巡邏人的行走控制。AIController 的作用主要是運行AIBehavior Tree；故其藍圖結構中只需添加一個節點“Run Behavior Tree”，BTAsset 選擇AIBehavior Tree；AI Blackboard 存放用于AIBehavior Tree 中Task 節點調用的Keys；AIBehavior Tree 中限定了自由巡邏人的Task 及任務處理優先級。具體如圖6 所示。

⑵ 第三人稱漫游動作

第三人稱漫游是指體驗者以第三人稱視角進入虛擬展館，虛擬展館中會提供一個人物模型作為體驗者，第三人稱漫游動作以Animation 的方法設計與實現，主要依托Animation Blueprint、Blend Space 1D、AnimationSequence 等功能結構。各結構之間相互鏈接，互通互融，相輔相成，共同實現第三人稱任務角色漫游。

依次選擇[Animation] - [Blend Space 1D] -[Ch23_nonPBR_Skeleton]，創建綁定骨骼的角色混合空間1D 動畫文件，在Asset Brower 中將Swagger_Walk動畫序列拖動到Speed 時間軸，生成行走動畫。依次選擇[Animation] - [Animation Blueprint] - [Ch23_non-PBR_Skeleton]，創建綁定骨骼的動畫藍圖，在動畫藍圖中設置角色的Walk Speed。依次選擇[BluePrint Class]-[Character]-[ Ch23_nonPBR_Skeleton]，創建Character角色藍圖，在其Details 面板中綁定骨骼及動畫，實現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

虛擬展館中設置了換裝模塊，當角色靠近醒獅展臺，彈出UI 提示界面，提示體驗者可以通過按R 鍵穿上或脫下完成換裝。Character 靠近感應區域，Character 獲得Player Controller 并獲取按鍵輸入權限，按R 鍵設置Body 的可視性。利用Flip Flop 節點靈活處理按鍵次數，奇數次穿上舞獅服裝，偶數次脫下舞獅服裝，體驗者能夠更為真實地感知醒獅文化。Character 換裝藍圖如圖8 所示。

4 虛擬展館測試

測試是開發行業中必不可少的一步，其目的是發現在虛擬展館開發過程中存在的不足與BUG，給體驗者提供更完備的優質體驗。為此，將開發調試好的VR 虛擬展館選擇在PC 端平臺打包，生成可直接執行的非物質文化遺產“南派”醒獅虛擬展館。主要從場景切換、UI 展示、UI 交互、動畫播放與暫停、角色換裝等多方位、多角度展開測試。

通過訪談并總結53 位不同虛擬展館體驗者的體驗感受，總結如下：虛擬展館能夠正常運行，沒有明顯Bug 提示，場景及UI 交互界面顯示良好，能夠根據體驗者需求實施更新實現數據更新與界面切換，無閃退現場；角色換裝體驗很有創意，能夠全方位體驗醒獅文化；在可行走區域中人工智能AI 角色運動軌跡良好，能夠完成基礎交互與指引。游戲過程中參數顯示正常，無亂碼、黑屏等現象。

5 總結與展望

本研究中的虛擬展館打破傳統文化傳統時空局限，從更新傳統文化傳播形式的角度出發，設計并開發了PC 端VR 虛擬展館和移動端AR 虛擬展館兩個版本，創建良好的視覺體驗效果，提供完備的虛擬展館功能和游戲的體驗，大大增加了遠程體驗文化展館的真實性。借助先進的UE4 虛幻引擎展開傳統文化“南派”醒獅虛擬展館的設計與開發，通過使用引擎自帶的可視化藍圖編程虛擬展館實現各個功能，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校層面上進行測試與應用，將其應用范圍擴展至全市、全省是后續進一步研究的內容。