基于UE4 的滑雪可视化系统设计与实现

张 帆 刘嘉森 丁一淳 许晓琦 李 攀＊

（防灾科技学院信息工程学院，河北 三河 065201）

自虚拟现实技术被提出以来，因其借助计算机系统及传感器生成的三维环境，通过调动用户的视觉、听觉、触觉、嗅觉等，可给用户提供十分逼真的、身临其境的体验，依此特点虚拟现实产品在国内受到了大众市场的欢迎。凭借我国优良的信息技术建设成果以及当前的5G 浪潮的来临，虚拟现实技术得以突飞猛进地发展。虚拟现实技术所涉及到的领域十分广泛，如游戏、影视、教育、医疗等，虚拟现实游戏通过将网络游戏与虚拟现实技术相结合，使得游戏行业的发展更上一步台阶，游戏的多元化得到进一步的强化。

1 虚拟现实游戏

一款游戏的可玩性可拆分为：可用性层、游戏层、类型层、情感层。可用性层即游戏是否能够很好地上手，若不容易记忆操作步骤，可能体验就会很差。沉浸性是虚拟现实游戏的一大特点，借助虚拟现实技术在模拟环境、生物感知、自然技能、传感设备等方面的优势，通过虚拟现实技术反馈回的大量信息，使得玩家可以高度沉浸在特定的真实场景中。在可用性层和游戏层两方面，虚拟现实技术从游戏本身实体之外丰富了游戏的可玩性，拥有传统电子游戏无法取得的优势。

2 游戏系统设计

2.1 游戏概要设计

滑雪运动是我国一项重要的冬季体育项目, 特别是在我国北方地区,深受广大群众的欢迎和喜爱。然而，由于高山滑雪运动具有较高的危险性，令许多民众望而却步。秉着游戏源于生活但奇幻于生活之上的理念，仅简单的滑雪操作并不能彰显VR 游戏的特点，因此在游戏中，设计人员以图像视觉为核心，并从听觉、触觉等方面入手，打造了滑雪系统、三维场景系统、音效系统、粒子系统、体感系统等游戏系统，建造代入感强的虚拟现实场景，通过设备反馈多元的信息，从而使用户高度沉浸在游戏中，游戏世界观也更加真实。该系统以滑雪为游戏核心，增添躲避障碍、收集金币、时间系统、评分系统等扩展系统。

2.2 游戏场景设计

游戏场景主要为几座白雪皑皑的雪山，风格为偏动画风，通过在场景中放置石块，树木等静态物体，设置奔跑的鹿和站立的狼，使场景更加生动有趣。为使体验者在游戏中拥有更加立体的世界观，在场景中设计了鸟瞰区、眺望区、俯视区：（1）鸟瞰区。以过场动画的方式让玩家体验乘滑翔机来到滑雪场的环节，雪山美景尽收眼底。（2）眺望区。在玩家初选择游戏模式时，矗立与悬崖边，可以俯视山下的滑雪场概况。（3）俯视区。玩家从悬崖处一跃而下，体验视觉上的刺激。雪山的路况主要以平坦为主，并经多次测试，在合适的地方设计上坡或飞跃的地形，使得游戏节奏不会低迷，设计出可以使体验者在舒缓和紧张中进行舒适切换的节奏。

2.3 游戏模块设计

2.3.1 滑雪模块设计

作为滑雪类游戏，能否有良好的滑雪体验感，必定为评判该游戏的首要标准。滑雪板的设计参考UE4 官方的悬空滑板系统，设计了实时监测放侧翻、矫正滑板倾斜等系统，避免了滑板因地形原因出现倾斜而导致的侧翻的情况，并增添滑板重置的功能，即时光倒流，可以解决滑板因模型碰撞卡在地形中无法动弹的情况。

为考虑游戏的真实性，增添滑板的摩擦系统，研究并参考关于滑雪速度建模仿真研究的论文，得出摩擦力主要分为：干摩擦阻力、接触摩擦阻力、流体摩擦阻力和空气摩擦阻力。本游戏中摩擦力的设计与规划如下：

2.3.1.1 干摩擦力。干摩擦力主要由晶体微凸体联结点的剪切引起，干摩擦力的计算公式如图1 所示，（建模仿真模拟研究中取滑雪者的体重默认为75kg，身高默认为175cm）。

图1 干摩擦力计算公式

图2 空气阻力计算公式

Ai= (0.00607×hei+0.0127×wei-0.0698)×0.5×0.9-0.038 wei: 运动员的体重,hei: 运动员的身高,Vi为速度。

滑雪杆长度设计为滑雪运动普遍认可的高度减去15cm 到5cm。滑板加速系统秉着模拟现实的思想设计，滑板的速度大小应与VR 手柄在Y 轴上滑动的速度成线性正比关系，滑板加速度的体验感分析表如表1 所示。

表1 VR 手柄转换系数与滑板加速效果体验感的关系

2.3.2 声音系统设计

滑雪体验感的营造，不仅需要使人感受到真实的画面，也需要使人身临其境的音效。为了带给玩家更真实的体验，声音系统的设计分为两大块，分别为环境音以及玩家在滑雪中的声音，游戏中是烘托室外滑雪氛围的存在，环境音部分应该贴近于现实中冬天室外山间给人带来的感受，而玩家在滑雪中的声音则分为很多种情况，需要根据具体情况进行细分，例如加速减速时风声的变化，玩家突然摔倒，滑雪板腾空而起等对声音的影响都是需要考虑的。

2.3.3 障碍干扰系统设计

为给游戏增加难度和可玩性，参照雪山冬天的气候并加入了少量的游戏元素，设计了例如从山坡突然滚下的石头、被积雪压到的树和因被滑雪者惊动而四处奔跑的动物等障碍元素。不仅可以起到对体验者干扰的作用，使得游戏难度增加，并且可以集中体验者的注意力，增添游戏的紧张感。不同障碍物与人物发生碰撞时，将对人物产生力的作用，继而对滑雪者的运动状态产生影响，然而对速度的影响也应根据当前人物的速度有关，因此需经过力、速度、摩擦等多重因素的考虑，经过公式的计算后，才可影响到速度上。

2.3.4 滑痕系统设计

在实际生活中无论是我们走在陆地上、在水中游泳或者是飞机在空中飞翔，都会在移动过的位置上留下一些痕迹。同理在生活中我们走在雪上也会留下脚印。或者是在雪地上翻滚、滑行，在重力的影响下都会使得雪产生形变。在VR 滑雪游戏中我们为更加真实的营造玩家滑雪体验，也加入了这个功能。其主要的表现方式是玩家在走上滑板之前，如果身体与地上的雪产生交互就会使得雪地根据交互面积产生形变，同理如果滚石、其他的小动物经过雪地也会产生形变。反之走在山体上或者没有雪的地面行则不会形变。

2.3.5 收集金币系统设计

成功游戏可以让玩家不断地参与其中，它的可玩性使玩家的期望在游戏的过程中获得满足。对运动类和竞速类游戏进行深入的研究分析，并对其特征进行系统的分析和归纳后，总结得出在“地铁跑酷”、”天天酷跑”等游戏中，对游戏物体的收集过程可以给玩家带来强烈的满足感，增加玩家对游戏的好感度和征服欲。

3“飞跃巅峰”游戏功能实现

3.1 游戏场景实现

雪山场景分为地形和材质两部分。地形部分使用MAYA 建造出大致的雪山地形，利用UE4 的地形编辑工具对地形进行二次修改，以达到美化的目的。游戏场景如图3 所示。

图3 游戏场景鸟瞰图

除雪山地形的场景之外，其余的树木、动物、石块等模型，对于树木、动物等细节描写较多的物体，尽可能的利用官方提供的3D 模型，因为官方制作的3D 模型更为精美，也可节省游戏的开发成本。而在游戏中因需要特定的石块去阻挡道路或扮演滚石的”角色”，因此使用3DMax 和MAYA 去特别定制。

3.2 游戏模块实现

3.2.1 滑雪系统的实现

为了使滑雪板在整个游戏过程中可以平衡滑行，而不出现侧翻、倒置等影响体验者体验的情况，在滑雪板的蓝图中使用Event Tick 节点多分支的进行检测滑雪板当前的状况，如滑雪板的倾斜度数、滑雪板是否发生了侧翻、滑雪板正常状态下的位置以及旋转量等参数。

滑雪杆系统主要为挥动手柄控制滑板和初始高度设定两个部分。挥动VR 手柄的动作是否可以影响滑雪板速度，以游戏中滑雪杆是否接触到地面为标准，但若用传统的碰撞检测会出现在非平坦地形中出现误差或检测不到的情况，因此改用以VR手柄处向地面发射射线检测来代替碰撞检测，检测是否与地面接触，射线的长度即为滑雪杆的长度，射线检测返回的碰撞结构体经过解析后并加上逻辑判断，实现判断是否接触了地面的功能。参照滑雪杆长度普遍为身高-40～50cm 的标准，初始化适合的滑雪杆长度。

3.2.2 声音系统的实现

声音系统的实现采用了UE4 的声音系统（Sound Cue），使用Sound Cue 可以轻松的将多种所需音效程序化的调用，并且可以进行基础的混音，调音等操作，声音系统的实体关系图（ER图）如图4 所示。

图4 声音系统的子系统及其影响因素

在现实的滑雪过程中，随着自身速度的增大，耳遍的风声也会随之增大，当自身各种外力的达到平衡之后，身体基本保持匀速运动，风声达到最大值，在减速时，风声则逐渐减小，与环境中的风声保持一致。

3.2.3 障碍干扰系统实现

障碍物的模型主要以Maya 和3Dmax 制作，树木折断和动物奔跑的动画通过Maya 工具制作。在游戏的特定地点设置机关盒子，当体验者在游戏中经过时触发，相对应的障碍物，或滚石或树木等障碍干扰行为通过蓝图通信被触发。在不同的障碍物蓝图中，将物体对人物的撞击力初始化为变量，当撞到物体时，将力变量通过蓝图通信传递给滑雪板蓝图，在滑雪板蓝图中将力带入到影响速度的公式中，得出削减或增加后的速度大小，再增加到蓝图状态中。

3.2.4 滑痕系统实现

开发方式主要是制作特定的“雪”材质，以及一个可以使得雪产生形变的组件。在场景搭建的过程中将所有的雪地、雪山使用特制的“雪”材质，而在人物、动物、滑雪板、大石头等物品上加入“融雪组件”。在玩家移动过程中如果检测到交互位置为”雪”材质，将会把此位置反馈给材质上，通过修改材质参数使得雪有形变的效果。同时在“雪”材质上分为三层：第一层是雪，第二层是土地，第三层是岩石。三层是用渐变的转化，当雪因受力向下变形时将会露出下层材质。系统使用渲染来渲染目标，因此会影响GPU 性能。可以通过降低渲染目标分辨率针对低性能平台进行优化。默认情况下，分辨率为2048x2048，所有渲染目标将占用24 MB 的GPU 内存。

3.2.5 收集金币系统实现

经过研究和分析其他具有收集元素的游戏的成功案例，对被收集物的特点进行归纳，金币的外观为了突出游戏主题和搭配环境风格，设计为雪花的样子，且为了和通体的白色背景形成对比，颜色设计为随机的多种颜色。音效使用Adobe Audition 制作，制作多种风格的音效，嵌入到游戏中，可以在游戏初始化阶段供体验者进行选择。收集到的金币的积分会显示到UI 中，并在最终结算阶段纳入到评分系统中。

4 结论

VR 技术的成功应用为体育新媒体的传播带来了一种全新的创新路径，本游戏的灵感来自于使普通人能足不出户就低成本的体验极限运动，前期团队收集了各种关于滑雪运动和成功的游戏案例经过分析和研究，得出适合本游戏的设计模式，经过不断的努力开发，最终实现了一款多元的可玩性高的VR 滑雪类游戏。体验者通过佩戴虚拟现实设备，在任何地点任何时间，就可体验一场紧张刺激的滑雪运动，不仅可娱乐日常的生活，并且能起到一定的锻炼作用。VR 游戏摆脱了传统游戏模式固有的局限性，打开了一扇新的奇幻世界的大门。VR 滑雪游戏将VR 技术和体育运动结合，为市场带来了新的游戏体验，可以激发全民对体育运动的热情和兴趣，降低运动带来的损伤的同时，丰富人们的体育运动经验。