摘要：針對目前主流的三維交互開發(fā)工具編程技術門檻較高，以及水利業(yè)務中可視化應用不充分等問題，開展了可視化平臺設計與實踐工作。結合水利工程項目需求，提出了基于UE5圖形引擎開發(fā)可視化平臺的技術路線，通過藍圖編輯器調用封裝好的編程語言模塊進行交互功能的開發(fā)。該平臺不僅有精美直觀、加載流暢的場景效果，而且實現(xiàn)了用戶界面管理、漫游位置切換、天氣和晝夜調節(jié)，以及工程設備運行模擬等核心功能。研究成果應用在多個水利項目中，提升了三維交互功能開發(fā)的效率和實現(xiàn)方法的多樣性，為工程設計、施工和運維階段提供輔助，賦能水利工程數字孿生建設。

關鍵詞：UE5；可視化；藍圖；水利工程

中圖分類號：TV1 文獻標識碼：A 文章編號：1001-9235（2024）04-0026-07

Visualization Platform Design and Implementation of Water Conservancy Engineering Based on UE5

QIU Yuke，CHEN Bingqing，CHEN Jiewen

（China Water Resources Pearl River Planning，Surveying amp; Designing Co.，Ltd.，Guangzhou 510610，China）

Abstract： Given the high programming technology threshold of mainstream 3D interactive development tools and insufficient visualization application in the water conservancy business，this paper carries out visualization platform design and application.Combined with the requirements of water conservancy projects，the technical visual platform route based on the UE5 graphics engine is proposed，and the interaction function is developed by calling the encapsulated programming language module via the blueprint editor.This platform not only has exquisite and intuitive scene effects with smooth loading，but also achieves core functions such as user interface management，roaming position switching，weather and day-night adjustment，and simulation of engineering equipment operation.The application of research results in multiple water conservancy projects improves the efficiency of 3D interactive function development and the diversity of implementation methods.Meanwhile，assistance is provided for the engineering design，construction，operation，and maintenance stages，which enables the digital twin construction of water conservancy engineering.

Keywords：UE5;visualization;blueprint;water conservancy project

當前中國水利信息化水平不斷提升，水利行業(yè)對工程可視化的要求越來越高，高質量的可視化平臺通過所見即所得、沉浸可交互的場景為設計評估、施工管理、設備運維、災情預演等提供參考，對水利數字孿生建設具有重要意義。水利部明確“十四五”時期建設可視化模型和建設數字模擬仿真引擎的任務，滿足數字孿生建設的模型管理、場景配置、仿真模擬和綜合展示等需要^［1］。隨著數字化、智慧化、智能化的新一代信息技術與水利業(yè)務的深度融合，各學者基于Cesium.js、Three.js、Unity3D和Unreal Engine（UE）等三維引擎積極開展了交互式可視化平臺的研究和實踐。

權西瑞等^［2］基于Three.js技術開發(fā)全景漫游產品，使用JavaScript作為前端開發(fā)語言、Java作為服務端開發(fā)語言，實現(xiàn)了場景瀏覽、場景組展示和路徑漫游等功能；鄧理思等^［3］基于ArcGIS API for JavaScript開發(fā)實景三維可視化淹沒分析系統(tǒng)；于亞東^［4］結合BIM和Unity3D技術搭建海塘工程三維可視化場景，通過編寫C#腳本增加交互功能；王治中等^［5］在Unity3D中運用C#語言實現(xiàn)二維模型計算成果的三維動態(tài)表達，開發(fā)了模擬流凌過程的三維可視化系統(tǒng)；曾慶達等^［6］基于UE搭建調蓄池數字孿生BIM管理平臺，利用C++語言開發(fā)實時讀取數據的功能；黃方貞^［7］使用UE整合工程數字資產，利用Vue前端框架和Cesium進行漫游、定位、圖層等功能的二次開發(fā)，構建工程匯演平臺。綜上，當前工程可視化的研究均以各類編程語言為主進行交互功能開發(fā)，具有較高的編程技術門檻，可視化團隊中視覺設計和程序開發(fā)之間存在一定的技術壁壘。

UE作為Epic Games旗下的開源圖形引擎，目前更新到第5代，其強大的實時渲染技術、材質編輯能力和全局光照系統(tǒng)為可視化應用提供了身臨其境的交互體驗，其藍圖編輯器（Blueprint Editor）通過調用、連接封裝好的編程語言模塊實現(xiàn)功能開發(fā)，為可視化團隊提供了零代碼、易入門的功能開發(fā)方式，相對其他三維引擎具有更佳的視覺真實度和更低的開發(fā)成本。相關學者對于UE藍圖編輯器在游戲、影視、建筑、交通、教育和消防等領域的應用進行了積極探索^［8-12］，但面向水利業(yè)務需求的應用仍然較少。

針對上述研究的局限性，結合“十四五”時期水利部的要求和水利業(yè)務需要，本文提出基于UE5的水利工程可視化平臺解決方案，將藍圖編輯器作為主要的交互功能開發(fā)工具，通過對關卡藍圖（Level Blueprint）、控件藍圖（Widget Blueprint）和其他藍圖類的編輯，實現(xiàn)基礎漫游、界面交互、環(huán)境調節(jié)和設備運行模擬等功能，旨在提升三維交互功能開發(fā)效率，降低可視化產品研發(fā)成本。

1 可視化平臺設計

1.1 總體思路

水利工程可視化平臺直觀展現(xiàn)工程效果，開發(fā)流程包括基礎數據處理、UE5中的場景搭建、基于藍圖的功能開發(fā)和實際項目應用，總體技術路線見圖1。基礎數據包含采集的地形數據和輕量化處理后的可視化模型；場景搭建基于UE5的地形編輯器、材質編輯器、粒子系統(tǒng)和Cesium插件等，對自然背景、流場動態(tài)、水利工程和機電設備等數字資產進行整合優(yōu)化，形象展示自然環(huán)境和水利對象的真實狀態(tài)；功能開發(fā)基于UE5的關卡藍圖、控件藍圖，以及Actor、Pawn、玩家控制器等藍圖類進行三維交互程序的編寫，完成自由漫游和點擊事件等交互設計；平臺應用在設計成果展示、工程管理運維、數字孿生等業(yè)務中，針對不同項目替換模型和場景。本文重點探討總體技術路線中的“功能開發(fā)”流程和方法，通過藍圖編輯器以零代碼的方式實現(xiàn)三維交互功能。

1.2 功能設計

根據工程可視化業(yè)務需求和水利工程特性，平臺通過基礎漫游和模擬運行功能直觀展現(xiàn)工程靜態(tài)與動態(tài)效果，通過環(huán)境調節(jié)功能演示不同時間和氣候下的工程狀態(tài)，通過界面交互功能提升易操作性和用戶體驗感，功能框架見圖2。

a）基礎漫游。通過操控鍵盤和鼠標實現(xiàn)第一人稱視角的移動、旋轉和縮放，同時可改變漫游速度；通過點擊按鈕切換位置，滿足大場景中快速跳轉漫游起始點的需求；使用像素流技術將本地端實時渲染的圖像傳入VR設備中進行全景漫游。

b）運行模擬。在工程核心范圍內，通過鍵盤按鍵或界面按鈕觸發(fā)工程設備運行的動態(tài)模擬，輔助用戶對工程的理解，包括水庫項目中的閘門開關和水庫泄洪、泵站項目中的水泵運行和水流狀態(tài)、通航設施項目中的船閘和升船機運行，以及通用的船只行駛和水位升降等三維動態(tài)效果。

c）環(huán)境調節(jié)。提供調節(jié)晝夜效果的服務，模擬一天中不同時間的光照和天空變化；提供晴天、多云、陰天、降雨、起霧和降雪等不同天氣的切換服務，其中降雨分為小雨（＜10 mm）、中雨（10～25 mm）、大雨（25～50 mm）、暴雨（50～100 mm）、大暴雨（100～250 mm）和特大暴雨（＞250 mm），霧分為輕霧（1 000～10 000 m）、大霧（500～1 000 m）、濃霧（200～500 m）、強濃霧（50～200 m）和特強濃霧（＜50 m），降雪分為小雪（0.1～2.4 mm）、中雪（2.5～4.9 mm）、大雪（5.0～9.9 mm）和暴雪（＞10 mm）^［13］。

d）界面交互。用戶界面（UI）和交互設計符合易用性、秩序性、簡約性、有效性和審美性原則^［14］；各級菜單欄實現(xiàn)動態(tài)切換；在三維場景中插入始終面向用戶視口的圖標，點擊圖標查看對應模型信息；點擊按鈕彈出小窗口播放動畫視頻，介紹工程內容；鼠標懸停在按鈕上出現(xiàn)提示窗口，顯示對應功能。

2 核心功能實現(xiàn)

可視化平臺所有交互功能均通過UE5的藍圖編輯器實現(xiàn)。限于篇幅，本文僅探討較通用的漫游位置切換和用戶界面切換功能，以及與水利業(yè)務較密切的工程運行模擬和天氣晝夜調節(jié)功能的實現(xiàn)方法。

2.1 位置與界面切換

2.1.1 位置切換

水利工程可視化場景包含工程建筑物和周邊地形，往往面積較大，工程關鍵點之間距離較遠。位置切換功能可以通過點擊界面按鈕實現(xiàn)漫游起始位置在多個關鍵點之間的跳轉，提高漫游效率，如水庫項目中漫游視角在主壩、副壩、管理樓和監(jiān)測站等建筑物之間的切換。該功能通過在控件藍圖中設置Pawn變量的移動和玩家控制器的旋轉、在關卡藍圖中配置藍圖類和變量來實現(xiàn)。其中，玩家控制器用以設置基本漫游操作和漫游視口；Pawn是指游戲語境下場景中的玩家角色；控件藍圖用以創(chuàng)建用戶界面與按鈕點擊事件，需在關卡藍圖中設置顯示；關卡藍圖控制總體的交互流程。本功能實現(xiàn)的關鍵是控制Pawn空間位置的變化：Pawn在場景中作為漫游起始點；控件藍圖中新建Pawn類型的變量用以儲存新位置坐標數據并接入按鈕點擊事件；因為Pawn本身不屬于控件藍圖，因此必須在關卡藍圖中匹配Pawn類型變量的內容為場景中的Pawn、目標為變量所在的控件藍圖，才能成功編譯相關藍圖，邏輯見圖3。

2.1.2 界面切換

漫游起始點切換的同時，用戶界面也切換至相應的二級菜單，包含對應的工程簡介、查看圖紙、模擬運行和數據變化等功能，本文對比了2種方法探討點擊按鈕切換界面功能的實現(xiàn)。

通常的做法是分別為每個二級菜單創(chuàng)建控件藍圖，在每個控件藍圖中編寫對應的按鈕點擊事件，通過連接“添加到視口”和“從父項中移除”節(jié)點以及用戶控件類型的變量實現(xiàn)界面切換^［15］。與前文配置Pawn類型的變量同理，因各個控件藍圖之間是平級而非隸屬關系，需要在關卡藍圖中逐一顯示用戶控件并對應配置用戶控件類變量，才能完成藍圖編譯，此方法編寫的藍圖節(jié)點較為復雜且冗長，要在關卡藍圖中添加所有用戶控件，又要在各個控件藍圖中添加或移除某些用戶控件，容易產生程序沖突，不適用于多界面的切換（圖4）。

通過主控件藍圖做界面管理的方法可簡化藍圖節(jié)點，即為每個二級菜單的界面創(chuàng)建子控件藍圖，添加在主控件藍圖里統(tǒng)一管理，將子控件藍圖中的按鈕點擊事件通過“事件分發(fā)器”委托給主控件藍圖，使用“設置可視性”節(jié)點和用戶控件類變量來實現(xiàn)界面切換。此方法的功能主要在主控件藍圖中編寫，用戶控件類變量及其對應的控件藍圖均屬于主控件藍圖，無需在關卡藍圖中進行配置，極大地簡化了關卡藍圖和其他子控件藍圖的節(jié)點數量，便于藍圖管理，提升藍圖編寫效率，實現(xiàn)思路見圖5。

2.2 工程設備運行模擬

通過按鍵觸發(fā)一系列的模型運動來模擬工程設備運行狀態(tài)，直觀展示工程設備運行動態(tài)效果，輔助用戶對工程設計的理解。在UE5中使用Actor藍圖進行功能編寫，Actor指三維場景中的物體，而Actor藍圖是不可見的、可編程的Actor，可用來綁定模型組件，控制模型運動。

a）船閘運行模擬。該功能包括船只行駛、閘門開關和水位升降等模型動態(tài)效果，其核心是通過關鍵幀技術在每一個時間點給模型設置一個新的位置和方向。在Actor藍圖中綁定船只、閘門和水面等模型組件，通過“設置相對位置”和“設置相對旋轉”節(jié)點控制模型組件的運動軌跡，通過“時間軸”節(jié)點控制模型運動的先后順序；在Actor藍圖里添加一個空對象Box作為用戶啟動交互的觸發(fā)區(qū)域，設置該Box的“開始重疊”事件和“結束重疊”事件，當用戶漫游進入Box區(qū)域內即啟動交互功能，否則不可交互，實現(xiàn)在特定區(qū)域內動態(tài)模擬的功能。藍圖邏輯見圖6。

b）升船機運行模擬。該功能包括船只行駛、閘門開關、承船廂與水位升降等流程，藍圖編寫邏輯與船閘運行模擬功能類似。

c）水壩泄洪模擬。該功能通過按鈕點擊事件實現(xiàn)，正向流程包括打開閘門、產生水流效果、產生水汽效果和上下游水位變化等，逆向流程包括關閉閘門、水流逐漸消失和水汽逐漸消失等。采用粒子系統(tǒng)制作水流模型，編輯粒子的重力、橫向作用力、水滴材質、水滴最大最小值和噴射周期等參數模擬泄洪效果，編輯粒子的煙霧材質和相關參數制作水汽效果；將閘門模型、水流模型、水面模型綁定到Actor藍圖，編寫模型運動軌跡和順序，實現(xiàn)水壩泄洪的模擬功能。

2.3 晝夜和天氣調節(jié)

a）滑條控制晝夜。使用定向光源模擬太陽和月亮，綁定時間參數、定向光源的位置、光照強度和HDR（High-Dynamic Range，高動態(tài)范圍）環(huán)境貼圖，使用變量控制光源的旋轉角度并綁定日時間值，通過改變日時間值影響場景的光照和晝夜效果，封裝成天空工具包后預留修改時間和光照強度的接口。在控件藍圖中調用天空工具包，通過“事件預構造”設置時間的默認值，將時間值與滑條變更事件綁定，即可實現(xiàn)拖動滑條改變光照角度和晝夜效果的功能。

b）按鈕切換天氣。其關鍵是通過粒子系統(tǒng)制作水汽、降雨和降雪模型，借助碰撞事件（Collision Event）體現(xiàn)濺起水花的效果，綁定物體材質參數實現(xiàn)潮濕和積雪等效果；使用不同天氣效果的HDR貼圖作為場景背景，通過體積霧（Volumetric Fog）表現(xiàn)云和霧，將天氣模型固定在玩家控制器前方，僅在視口范圍內模擬天氣效果，以節(jié)省性能。封裝成天氣工具包后可切換晴天、多云、陰天、降雨、起霧和降雪等不同天氣，可動態(tài)調節(jié)云層量、降雨量、霧濃度和降雪量等粒子效果。在控件藍圖中調用天氣工具包，通過“事件預構造”設置天氣的默認值，將不同天氣狀態(tài)與按鈕點擊事件綁定，實現(xiàn)點擊按鈕切換天氣的功能。

3 項目應用

研究成果應用在了珠江流域的水利工程項目中，為水庫管理、通航設施設計、管理區(qū)建設等水利業(yè)務提供可視化服務和技術支撐，提升工程設計、施工和運維等各階段可視化水平，實現(xiàn)水利數字化高級應用。

a）數字孿生水利樞紐可視化平臺集成了現(xiàn)有的水庫孿生場景和設計階段的通航設施工程模型，超過400 km²的場景，2套水利項目包括主壩、副壩、碼頭、橋梁、電站、船閘、升船機和管理樓共計8組工程建筑物，通過圖形引擎、藍圖編程、傾斜攝影、VR/AR以及各類插件等關鍵技術，實現(xiàn)分級加載、三維漫游、位置切換、查看信息、界面管理、天氣變化、晝夜變化、水庫泄洪模擬、船閘運行模擬和升船機運行模擬等10個交互功能模塊，平臺打包為.exe文件在PC端安裝運行，通過像素流技術進行Web端加載，接入VR設備實現(xiàn)全景漫游（圖7）。

b）智慧水利數字中心可視化平臺展示水利信息化建設成果，包括工程管理區(qū)各樓層的仿真場景，提供精美直觀且交互流暢的室內外第一人稱行走漫游服務，達到身臨其境的效果，平臺打包為.apk格式在Android端安裝運行（圖8）。

4 結語

a）針對當前水利工程可視化應用的局限性，本文提出了基于UE5的可視化平臺總體建設思路，探索了以藍圖編輯器作為主要開發(fā)工具的功能實現(xiàn)方法，以較低的編程門檻實現(xiàn)三維交互設計，極大地提升了項目開發(fā)效率。平臺整體內容符合水利專業(yè)要求，具備精美的視覺效果、流暢的交互邏輯，加載幀率保持在60幀每秒以上，用戶體驗良好。其技術路線為水利業(yè)務的數字化高級應用提供了標準化、系統(tǒng)化的解決方案，相關方法對同類型可視化平臺的快速開發(fā)具有借鑒意義。

b）三維交互式可視化平臺以水利工程知識和BIM數據為基礎，重點研究圖形引擎、模型輕量化、VR等關鍵技術，實現(xiàn)三維漫游、運行模擬、環(huán)境調節(jié)等功能，基本滿足實際項目的成果展示需求，但對于計算模型的應用仍然不足。如降雨、泄洪造成的積水和水位變化僅通過改變水面模型的Z軸數值實現(xiàn)可視化表達，缺乏基于數字高程模型（DEM）的精確的淹沒分析模型以及基于水動力學的動態(tài)的洪水演進模型。

c）未來可進一步挖掘用戶的潛在需求，繼續(xù)提高可視化水平，深化UE5藍圖的應用。一是通過藍圖編輯器充分利用藍圖節(jié)點實現(xiàn)更多交互功能，探索算法驅動的計算模型方法，配合C++語言實現(xiàn)更高效的開發(fā)；二是借助物聯(lián)網技術接入監(jiān)測設備讀取實時數據，集成實時采集、智能分析和遠程控制技術，滿足智慧水利建設要求；三是加強VR交互和AR巡檢的應用，豐富可視化交底形式，助力水利高質量發(fā)展。

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（責任編輯：向 飛）