李剛 熊越 顏佳偉 王紹壘

摘 要：文章對基于Unreal Engine4引擎的虛擬校園游覽的開發(fā)思路進(jìn)行了簡潔的描述，并且在此基礎(chǔ)上又綜合分析了其科學(xué)性、先進(jìn)性和創(chuàng)新性，從而為后期開發(fā)打下堅實(shí)的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù)；虛擬校園

[項目名稱：校園數(shù)字化展示與虛擬交互瀏覽平臺建設(shè)——以衡陽師范學(xué)院東校區(qū)為例，項目編號：CX1710]

信息時代背景下，虛擬校園游覽的發(fā)展?jié)摿薮?。以VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實(shí)）為主的創(chuàng)新技術(shù)，為主的科學(xué)發(fā)展，起到了重要的推動作用?；赨nreal Engine4引擎的虛擬校園游覽的開發(fā)，采用了可交互性動態(tài)場景編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了虛擬校園游覽系統(tǒng)的開發(fā)。

一、基于Unreal Engine4引擎的虛擬校園游覽開發(fā)的基本流程

（一）景觀基因識別

利用景觀基因理論和方法，通過現(xiàn)實(shí)校園的建筑學(xué)、文化地理學(xué)等方面的分析，識別和提取了景觀關(guān)鍵特征——景觀基因。

（二）景觀數(shù)據(jù)獲取

利用三維激光測量獲取現(xiàn)實(shí)校園景觀基因的高精度測量數(shù)據(jù)，并通過實(shí)地考察與測量，并結(jié)合高分辨率遙感數(shù)據(jù)，獲得了景觀布局、建筑結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)。

（三）三維場景建模

對于表現(xiàn)現(xiàn)實(shí)校園的關(guān)鍵特征的景觀基因元素，進(jìn)行高精度建模，對于一般的場景要素，進(jìn)行相對簡單的建模，最終構(gòu)建出三維場景模型（圖1）。

（四）虛擬校園游覽系統(tǒng)的建立

作品利用3D圖像引擎虛擬化技術(shù)將現(xiàn)實(shí)校園的場景和提取的景觀基因通過程序語言和數(shù)學(xué)建模研發(fā)了一個虛擬校園游覽系統(tǒng)（圖2）。利用Unreal Engine API（Application Programming Interface，應(yīng)用程序編程接口）和3D模型框架，設(shè)計了初始觀測的起點(diǎn)邏輯和面向FBX模型的兼容性模式；設(shè)置了虛擬控制器用于解決PC端和VR端的IO流映射問題，使得PC端和VR端的游覽者能使用相應(yīng)的控制器進(jìn)行場景的互動，使游覽者能在該程序進(jìn)行可交互式操作；添加了相機(jī)組控制器，該控制器使用了API提供的相機(jī)類指針數(shù)組對場景中的相機(jī)進(jìn)行存儲，然后使用計時器對系統(tǒng)線程進(jìn)行判定并分配相應(yīng)的IO流映射對存儲在指針數(shù)組的相機(jī)類進(jìn)行喚醒，使游覽者可以在游覽過程中查看地圖全貌；優(yōu)化了相機(jī)類、模型容器等類，提高了內(nèi)存的加載速度以及運(yùn)行效率；使用了法線貼圖、AO烘焙技術(shù)以及通過減少場景模型的面數(shù)等方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行了壓縮，降低了場景的搭建中對硬件規(guī)格的要求。通過以上操作建立了大型互動場景，并且對場景物體進(jìn)行原模式排列組合，為了解決場景太大造成的運(yùn)行卡頓和無法啟動，采用了異步加載和高模拓?fù)涞湍＜夹g(shù)。

二、基于Unreal Engine4引擎的虛擬校園游覽開發(fā)的科學(xué)性

虛擬校園游覽的開發(fā)采用敏捷軟件開發(fā)模式，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、高模拓?fù)涞湍＜夹g(shù)和異步加載技術(shù)等，在現(xiàn)有硬件環(huán)境下完美運(yùn)行。利用了景觀基因理論，對于不同文化景觀要素，采用了差異化的建模方案，解決了對現(xiàn)實(shí)校園和模擬效果進(jìn)行三維建模時的數(shù)據(jù)復(fù)雜度和三維場景渲染速度的矛盾問題，既加快了場景渲染的速度，又保證了數(shù)字景觀的原真性。

三、基于Unreal Engine4引擎的虛擬校園游覽開發(fā)的先進(jìn)性

（一）支持跨平臺，交互性強(qiáng)

“虛擬校園游覽系統(tǒng)”能給游覽者帶來雖未親臨卻如親至的感覺，一幀幀畫面將游覽者帶進(jìn)現(xiàn)場，隨著游覽者移動、抬頭或轉(zhuǎn)身，人機(jī)交互功能隨之作出反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)人在畫中游的震撼效果。建立了大型互動場景，設(shè)置了虛擬控制器用于解決PC端和VR端的跨平臺IO流映射問題，使得PC端和VR端的游覽者能使用相應(yīng)的控制器進(jìn)行場景的互動。

（二）對硬件的配置要求低

軟件開發(fā)中使用了法線貼圖、AO烘焙技術(shù)、異步加載和高模拓?fù)涞湍＜夹g(shù)等方法來降低對硬件規(guī)格的要求。

（三）加載速度快，運(yùn)行效率高

采用優(yōu)化技術(shù)對相機(jī)類、模型容器對應(yīng)的類進(jìn)行優(yōu)化，提高了內(nèi)存的加載速度以及運(yùn)行效率。對3D圖像引擎進(jìn)行重新封裝，增強(qiáng)了代碼的可重用性，提高了代碼運(yùn)行的效率。

（四）采用高效、靈活的敏捷軟件開發(fā)模式

采用敏捷軟件開發(fā)模式，由開發(fā)人員搭建了一個測試專用的Debug Editor IDE，并在IDE中編寫了可供美工人員建模的框架，將該IDE遞交給美工人員，美工人員結(jié)合IDE，并通過藍(lán)圖（圖3）完成場景搭建后再由項目組對其進(jìn)行測試封裝成可執(zhí)行程序。這種開發(fā)模式與傳統(tǒng)的由程序員搭建場景和產(chǎn)品測試的開發(fā)模式相比具有很強(qiáng)的靈活性和高效性。

四、基于Unreal Engine4引擎的虛擬校園游覽開發(fā)的創(chuàng)新性

（一）將景觀基因理論和方法應(yīng)用于虛擬校園游覽系統(tǒng)研發(fā)

景觀基因理論是現(xiàn)實(shí)場景文化特征分析的創(chuàng)新理論，基于該理論能夠準(zhǔn)確把握文化景觀的關(guān)鍵特征，并找到文化景觀特征的聯(lián)系。“虛擬校園游覽系統(tǒng)”通過景觀基因理論的應(yīng)用，一方面降低了三維模型的復(fù)雜度，另一方面也保證了數(shù)字化場景對于文化的還原度。

（二）將虛擬技術(shù)和多平臺兼容技術(shù)應(yīng)用于校園游覽

虛擬校園游覽是游覽數(shù)字化校園建立的重要發(fā)展方向，將進(jìn)一步增強(qiáng)數(shù)字化校園的體驗(yàn)性，能夠滿足數(shù)字化校園游覽對文化體驗(yàn)的需求，通過以衡陽師范學(xué)院東校區(qū)為案例的實(shí)驗(yàn)，形成了虛擬校園游覽系統(tǒng)的技術(shù)體系。

（三）虛擬校園游覽系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新

以VR為核心，整合人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)引擎，挖掘現(xiàn)實(shí)校園的人文、歷史等文化IP，進(jìn)行了以下技術(shù)創(chuàng)新：使用虛擬控制器技術(shù)解決PC端和VR端的跨平臺IO流映射問題，增強(qiáng)場景的互動性；使用法線貼圖、AO烘焙技術(shù)以及通過減少場景模型的面數(shù)等方法來降低對硬件規(guī)格的要求；使用3D圖像引擎封裝技術(shù)，增強(qiáng)代碼的可重用性，提高代碼運(yùn)行的效率；使用優(yōu)化技術(shù)，提高內(nèi)存的加載速度；采用敏捷軟件開發(fā)模式，提高了開發(fā)的靈活性和高效。

由于筆者知識水平的局限性和相關(guān)材料還有些許不足，因此有部分內(nèi)容未探討；同時，部分觀點(diǎn)難免會主觀，論述也沒有十分全面。在此，懇請各位專家的批評指正。

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作者單位：

衡陽師范學(xué)院美術(shù)學(xué)院