基于UE4的虚拟展馆设计与开发

杨艳瑜　曾雪峰　李广松　刘树林　官泽良

关键词：“南派”醒狮；虚拟引擎；虚拟展馆；虚拟仿真

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1006-8228（2023）11-79-04

0 引言

元宇宙浪潮下，虚拟现实在教育教学、汽车制造、医疗服务、娱乐影音等领域应用越来越广泛。虚拟现实技术是指，在构建的三维虚拟空间中与场景内部对象发生交互行为，沉浸式感知场景的构建及内部事件的发生[1-2]。构建的虚拟空间可以来自真实的物理世界空间，也可以是在此基础进行加工形成符合物理世界规律的叠加效果[3-4]。将虚拟现实技术应用在传统文化可视化交互中意义重大，在场景中沉浸式感受文化熏陶，更新文化推广路径，节约时间、金钱成本。经过百度百科、知网检索等方式调查，并未发现以“南派”醒狮为主题的虚拟展馆的研究。

因此，本研究基于虚拟引擎技术设计以传统文化“南派”醒狮为主题的虚拟展馆，可以使所有的用户在不同典型、逼真的场景中交互式学习“南派”醒狮的文化、醒狮动作动画，给用户带来逼真的体验感和醒狮文化的洗礼，从而提升大众整体的文化鉴赏水平，解决当前异地参观展览的困境。

1 虚拟展馆需求分析

虚拟展馆实现的功能包含交互层、表现层和数据逻辑层。交互层在展馆风格、展馆画面、展馆体验层面具有一定程度的决定性，是能否吸引体验者的关键要素。表现层主要包括虚拟展馆的空间建构、人物角色的选择、人物动作动画的表现形式、展柜、壁画的逼真程度等层面。数据逻辑层是显示虚拟展馆的关键，每个展馆功能模块都具有独立的蓝图结构，通过在不同蓝图之间建立蓝图通信，实现蓝图之间的对象引用与调用。本研究中，虚拟展馆蓝图结构主要包括刘关张狮子、玩家控制逻辑、AI 自由巡逻人自动巡逻、第三人称角色漫游行走、UI 交互功能、换装游戏功能的实现。

获取真实完整的体验感受需要完整的展馆参观流程，包含虚拟展馆的初始化界面、展馆简介、参观指引、自由巡逻人与参观者。首先，进入初始化虚拟场馆UI 交互界面，通过按钮查看展馆简介，了解展馆所传达的文化底蕴；其次，进入展馆开始参观，体验者可以借助UI 提示界面查阅刘关张狮子的来源及其背后的文化，360°旋转查看对象，规避了物理世界环境下对文物的损害；亦可通过UI 交互按钮获得醒狮服装换装体验。最后，参观结束弹出参观结束UI 界面。

2 虚拟展馆整体设计

2.1 设计思路

本研究是以非物质文化遗产“南派”醒狮为主题构建的虚拟展馆，目的在于让当代学生能够正确认知、深入了解非物质文化遗产“醒狮”，争当非遗文化传承人。本虚拟展馆选择虚幻四引擎，能够支持PC端、移动端、Hololens 等多平台。本虚拟展馆设计并开发了两种交互展示虚拟展馆，便于随时查看的移动端AR 虚拟仿真教学虚拟展馆，和PC 端VR 虚拟仿真教学虚拟展馆，具体功能结构如图1 所示。

2.2 技术路线

⑴ 三维模型构建

虚拟现实技术浪潮下，3ds Max 软件在三维场景设计和实体行为设计中发挥着至关重要的作用[5]。本研究主要通过3ds Max 软件完成虚拟展馆中展馆空间建设、刘关张醒狮模型、醒狮服装、展柜、壁画等静态三维对象的模型构建，并创建AI 自由巡逻人骨骼和第三人称角色骨骼。空间结构的搭建直接影响参观者对虚拟展馆的体验感，角色骨骼直接影响角色行走动画，故其也是不可获取的一部分。

⑵ 二维图像识别

本研究中主要借助二维图像识别技术完成虚拟展馆模型贴图、展柜、刘关张醒狮模型贴图、壁画纹理等三维模型的贴图制作及UI 交互界面设计。良好的交互界面能够带好愉悦的体验感；贴图的质量直接影响模型的精度，从而影响真实体验感，故其也是不可或缺的一部分。

⑶ 程序逻辑设计

UE4（Unreal Engine 4）虚拟引擎具有强大的图形渲染能力，代码完全开源[6-7]，支持C++和蓝图开发。蓝图（Blueprint）是一种可视化编辑语言，将可执行的功能打包封装成节点，根据需求逻辑将对应功能实现节点连接编程。本研究中主要使用UE 4 进行虚拟展馆的程序开发，以可视化蓝图开发为主在对象与对象之间建立关联，实现虚拟展馆功能逻辑与交互，获得较好的体验感。

2.3 系统架构

本虚拟展馆设计的目的是让用户不受时空限制，能够体验身临其境的非物质文化“南派醒狮”博物馆。本虚拟展馆的开发分为五个步骤：①利用二维图像识别技术软件对虚拟展馆中的建筑模型等三维模型进行贴图绘制与制作、UI 交互界面设计；②利用3dsMax 对醒狮模型及博物馆中其他三维物体進行模型制作，并导入UE4 引擎中，将制作好的贴图赋给三维模型，使其最大程度上实现逼真效果；③在UE4 中进行三维场景搭建和光照构建，增强用户的沉浸式体验感；④利用蓝图节点实现场景跳转与逻辑结构，借助UMG、碰撞检测、动画蓝图等实现与用户的交互逻辑⑤打包exe 格式并测试，发现虚拟展馆开发过程中存在的不足与Bug。非遗文化“南派”醒狮虚拟展馆开发流程与技术路线如图2 所示。

3 虚拟展馆功能实现

本虚拟展馆分为PC 端VR 虚拟展馆和移动端AR虚拟展馆两个版本，虚拟展馆使用UE4 虚幻引擎开发平台，支持PC 端、移动端等平台发布，且移动端AR 虚拟展馆是基于VR 虚拟展馆内容开发、改进与打包[8]，故本研究重点阐述PC 端VR 虚拟展馆的主要开发过程。

3.1 虚拟展馆环境搭建

启动软件，依次选择[File]-[Import Into Level]，选择将制作好的3ds Max 2016 导出的醒狮文化虚拟展馆场景.fbx 文件导入UE4 平台，选择场景内容的导入位置（一般保存到Map 文件），选择[FBX SceneImport Options]（保持默认选项，如图3 所示），单击Import 将搭建好的场景和贴图导入到UE4 平台，虚拟展馆场景Top 视图如图4 所示。

虚拟展馆场景设置为环形开口结构，顺时针方向依次为屏风、壁画、刘关张狮子模型、视频动画区域、展柜、壁画等。整个虚拟展馆环境以狮子纹理映射醒狮主题，突出醒狮文化特色。虚拟环境搭建时务必规避违反物理世界现象发生，如“穿墙”、“穿模”，因此在设计时为对象添加了物理碰撞盒子，避免在漫游体验时发生违反物理规律的现象。

3.2 角色动画制作

本虚拟展馆设置两个重要的角色，分别是自由巡逻人和第三人称角色，其中自由巡逻人作为虚拟展馆指引者，第三人称角色作为体验者自身，因此需要对两个角色设置模拟人物行走的动画。

⑴ 自由巡逻人

自由巡逻人作为虚拟展馆指引者，能够在虚拟展馆可行走区域中随机行走。可通过添加“Nav MeshBounds Volume”组件设置行走区域，按P 键绿色部分为可行走区域。本虚拟展馆中的自由巡逻人以人工智能AI 方法实现，主要依托AIBehavior Tree、AIBlackboard 、AI Controller 及AI Character 等功能结构，如图5 所示，各结构之间相互链接，互通互融，共同实现人工智能AI 自由巡逻人的行走控制。AIController 的作用主要是运行AIBehavior Tree；故其蓝图结构中只需添加一个节点“Run Behavior Tree”，BTAsset 选择AIBehavior Tree；AI Blackboard 存放用于AIBehavior Tree 中Task 节点调用的Keys；AIBehavior Tree 中限定了自由巡逻人的Task 及任务处理优先级。具体如图6 所示。

⑵ 第三人称漫游动作

第三人称漫游是指体验者以第三人称视角进入虚拟展馆，虚拟展馆中会提供一个人物模型作为体验者，第三人称漫游动作以Animation 的方法设计与实现，主要依托Animation Blueprint、Blend Space 1D、AnimationSequence 等功能结构。各结构之间相互链接，互通互融，相辅相成，共同实现第三人称任务角色漫游。

依次選择[Animation] - [Blend Space 1D] -[Ch23_nonPBR_Skeleton]，创建绑定骨骼的角色混合空间1D 动画文件，在Asset Brower 中将Swagger_Walk动画序列拖动到Speed 时间轴，生成行走动画。依次选择[Animation] - [Animation Blueprint] - [Ch23_non-PBR_Skeleton]，创建绑定骨骼的动画蓝图，在动画蓝图中设置角色的Walk Speed。依次选择[BluePrint Class]-[Character]-[ Ch23_nonPBR_Skeleton]，创建Character角色蓝图，在其Details 面板中绑定骨骼及动画，实现Blend Space 1D、Animation Blueprint、character 之间的连接。具体如图7 所示。

3.3 换装模式切换

虚拟展馆中设置了换装模块，当角色靠近醒狮展台，弹出UI 提示界面，提示体验者可以通过按R 键穿上或脱下完成换装。Character 靠近感应区域，Character 获得Player Controller 并获取按键输入权限，按R 键设置Body 的可视性。利用Flip Flop 节点灵活处理按键次数，奇数次穿上舞狮服装，偶数次脱下舞狮服装，体验者能够更为真实地感知醒狮文化。Character 换装蓝图如图8 所示。

4 虚拟展馆测试

测试是开发行业中必不可少的一步，其目的是发现在虚拟展馆开发过程中存在的不足与BUG，给体验者提供更完备的优质体验。为此，将开发调试好的VR 虚拟展馆选择在PC 端平台打包，生成可直接执行的非物质文化遗产“南派”醒狮虚拟展馆。主要从场景切换、UI 展示、UI 交互、动画播放与暂停、角色换装等多方位、多角度展开测试。

通过访谈并总结53 位不同虚拟展馆体验者的体验感受，总结如下：虚拟展馆能够正常运行，没有明显Bug 提示，场景及UI 交互界面显示良好，能够根据体验者需求实施更新实现数据更新与界面切换，无闪退现场；角色换装体验很有创意，能够全方位体验醒狮文化；在可行走区域中人工智能AI 角色运动轨迹良好，能够完成基础交互与指引。游戏过程中参数显示正常，无乱码、黑屏等现象。

5 总结与展望

本研究中的虚拟展馆打破传统文化传统时空局限，从更新传统文化传播形式的角度出发，设计并开发了PC 端VR 虚拟展馆和移动端AR 虚拟展馆两个版本，创建良好的视觉体验效果，提供完备的虚拟展馆功能和游戏的体验，大大增加了远程体验文化展馆的真实性。借助先进的UE4 虚幻引擎展开传统文化“南派”醒狮虚拟展馆的设计与开发，通过使用引擎自带的可视化蓝图编程虚拟展馆实现各个功能，提高虚拟展馆的易用性和可拓展性。本虚拟展馆目前只在学校层面上进行测试与应用，将其应用范围扩展至全市、全省是后续进一步研究的内容。