基于虚幻引擎的心肺复苏科普馆设计与开发

摘" 要：随着虚拟现实技术和虚幻引擎的不断进步，我们积极响应《健康中国行动（2019—2030年）》的号召，致力于普及全民应急救护知识，并全面提升职工在心肺复苏急救技术方面的操作能力。为此，精心策划并实施该项目，其基于Unreal Engine 5进行场景渲染和逻辑功能的编写，同时借助3D MAX、Maya等专业软件完成模型建模。该虚拟展馆突破传统传播方式的局限性，以虚拟仿真的形式将教学和科普内容生动、直观地呈现给用户。通过高度仿真的环境和互动体验，使用户能够在虚拟环境中进行实践操作，从而更深入地理解和掌握心肺复苏等急救技术。研究结果表明，以虚幻引擎开发的虚拟展馆在用户体验、学习效果以及实时反馈等方面均表现出色。它不仅便于用户的学习，还具有高效性、实时性和可升级性等特点。

关键词：心肺复苏；虚幻引擎；虚拟展馆；3D MAX；仿真

中图分类号：TP391.9" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2024）32-0035-05

Abstract： With the continuous advancement of virtual reality technology and Unreal Engine， we actively respond to the call of \"Healthy China Action （2019—2030）\" and are committed to popularizing national emergency rescue knowledge and comprehensively improving employees' ability to operate in cardiopulmonary resuscitation first aid technology. To this end， we carefully planned and implemented this project. It is based on Unreal Engine 5 for scene rendering and writing logic functions， and at the same time， it uses professional software such as 3D MAX and Maya to complete model modeling. This virtual exhibition hall breaks through the limitations of traditional communication methods and vividly and intuitively presents teaching and popular science content to users in the form of virtual simulation. Through a highly simulated environment and interactive experience， users can perform practical operations in a virtual environment， so as to have a deeper understanding and mastery of emergency technologies such as cardiopulmonary resuscitation. The research results show that the virtual exhibition hall developed using Unreal Engine performs well in terms of user experience， learning effect and real-time feedback. It is not only easy for users to learn， but also has the characteristics of high efficiency， real-time and upgradeability.

Keywords： cardiopulmonary resuscitation; Unreal Engine; virtual exhibition hall; 3D MAX; simulation

据统计数据显示，我国每年有大量的心脏骤停事件发生，这使得急救的“黄金四分钟”对于濒危患者而言显得尤为关键。在这短暂的时刻内，心肺复苏成为了拯救生命的关键步骤，因此，也成为了当今社会的热议焦点。为了让更多的人了解和掌握心肺复苏技术，不仅仅局限于传统的现场教学，更希望通过一种更具创新性的方式，使学习者能够身临其境地体验和尝试心肺复苏的实际操作及相关知识。鉴于此，借助现代科技的飞速发展，特别是虚拟现实技术的广泛应用，将这一热门话题与先进的技术相结合。通过利用虚幻引擎，打造了一个以心肺复苏教育为主题的虚拟VR展馆。这一展馆不仅能让体验者更加深入地了解心肺复苏的发展历史，还能让他们直观地认识各种心肺复苏设备，深刻体会CPR的重要性，并掌握正确的急救操作方法。本项目基于Unreal Engine 5引擎进行开发，具备高度的兼容性和可扩展性。希望通过这一创新的教育方式，让更多的人能够轻松学习并掌握心肺复苏技术，为社会的急救事业贡献一份力量[1]。

1" 项目研究的意义与创新点

1.1" 项目研究的意义

目前，尽管国内在心肺复苏教育方面已有所投入，但通过知网查询、百度检索等渠道调查后，遗憾地发现，尚未有以心肺复苏为主题的虚拟科普展馆问世。本项目在研究过程中，充分考虑了用户体验理论与展馆设计理论，发现沉浸式、交互式的用户体验更能赢得大众群体的青睐。在新媒体技术日新月异的今天，将心肺复苏教育与虚幻引擎及VR技术相结合，无疑是科普宣传教育的新方向。相较于传统的图文教育方式，VR心肺复苏虚拟展馆的呈现形式更具立体感，它能够将诸多信息元素巧妙地融合在一起，使内容更为丰富多样。传统的图文教育往往因为冗长的文字描述而使公众产生视觉疲劳，从而失去阅读的兴趣和耐心。然而，通过交互式的虚拟展馆，能够极大地提升用户的参与度和兴趣，使得图文信息的传达更加生动、直观，更易于被公众所接受和理解。借助VR技术打造的心肺复苏虚拟科普展馆，不仅能够为公众提供更为深入、全面的心肺复苏知识，同时也能够提升科普教育的趣味性和实效性，为推动心肺复苏知识的普及和传播发挥重要作用[2]。

1.2" 研究的创新点

1.2.1" 交互性和沉浸感

在精心设计的场馆中，采用3DUI技术能够赋予用户一种前所未有的新奇体验，使其得以深入探索心肺复苏的发展脉络，深刻领会其不可或缺的重要性。通过与场景中布置的仪器进行交互，用户不仅能够清晰地了解心肺复苏仪器的形态与结构，更能在互动中深化对其功能的理解。此外，仿生人的引入更是锦上添花，它们能够在用户面前生动地展示心肺复苏的标准操作要领，使得用户对于这一急救技能的理解与掌握更为深刻与精准。如此设计，不仅丰富了用户的学习体验，也极大地提升了他们对于心肺复苏重要性的认识。

1.2.2" 突破时空的限制

本项目借助UE5技术，能够打造出极具真实感的环境，让学习者不受时间和地点的束缚，随时随地沉浸于场馆之中，深入学习和掌握心肺复苏的知识及处置技能。此外，本项目还突破了传统学习方式的限制，无需特定设备或操作系统的要求，为广大学习者提供了极大的便利与灵活性。

1.2.3" 低成本零风险

通过VR心肺复苏科普馆的设立，得以持续推广心肺复苏教育，从而大幅减少了实地场景构建以及采购相关耗材的费用，显著降低了教育成本。与此同时，借助一人一端的个性化学习模式，学习效率得到了极大提升，无需等待，随时随地都能开启学习之旅。更重要的是，学员们能够在无风险的环境中身临其境地体验心肺复苏操作，不仅安全便捷，更能够加深理解与记忆，实现高效学习与技能掌握[3]。

2" 系统设计

2.1" 设计思路

2.1.1" 展馆设计

鉴于用户群体职业背景多样化，对心脑血管疾病和心肺复苏急救知识的了解程度参差不齐，且每位用户对知识的渴求点各异，本展馆采用开放式流程设计，旨在满足不同用户群体的个性化需求。

2.1.2" 虚拟环境构建

真实感模拟：打造一个高度逼真的虚拟展馆，无论是精细的建模、阳光粒子效果的渲染，还是地板光滑反光的细节处理，都力求为参观者营造出身临其境的沉浸式体验。

环境交互：注重增强参观者在虚拟环境中的互动体验，确保他们能够自由移动、与虚拟角色和物体进行交互，从而更加沉浸于这个虚拟世界。

2.1.3" 教育内容整合

知识呈现：通过文字、图像、动画等多种表现形式，向参观者系统介绍心肺复苏的发展历史、基本概念、原理、所需设备及操作步骤，确保信息传达的丰富性和准确性。

动画全程展示：利用动画技术详细演示急救操作的每一个流程，让参观者能够直观地掌握心肺复苏的流程及动作要领，提升学习效果。

2.1.4" 互动学习体验

模型展示：在展馆中呈现真实建模的心肺复苏设备模型，让参观者能够近距离观摩，加深对实际设备的理解。

互动操作：采用3DUI的形式展示图文信息，使参观者能够方便地控制信息的播放、暂停以及翻页，实现更加个性化的学习体验。

2.2" 系统架构

本项目的核心设计旨在打破时间和地点的束缚，让用户能够随时随地沉浸在心肺复苏科普展馆的虚拟体验之中。整个场馆的开发过程精心划分为5个关键步骤：首先，运用Photoshop等专业的平面设计软件，精心绘制了3DUI所需的精美贴图，为后续的模型构建和场景搭建提供了坚实的基础。其次，利用3D MAX软件对心肺复苏仪器以及场馆内的各种设备进行了细致入微的建模，确保每一个细节都尽可能还原真实场景。接下来，在UE5引擎中，进行了场景的搭建、光照的构建以及粒子效果的渲染，力求打造一个高度逼真的虚拟环境，使用户能够身临其境地体验科普展馆的每一处细节。然后，通过蓝图或C++编程语言实现项目逻辑，结合动画蓝图、碰撞检测、UMG等系统，实现了丰富的交互功能，使用户能够与虚拟环境进行自然而流畅的互动。最后，对项目进行打包和测试，认真查找并修复项目中的bug和不足，以确保用户能够获得最佳的学习与体验效果。通过以上5个步骤的设计与实施，成功打造了一个功能完善、体验出色的心肺复苏科普展馆，为用户提供了一个全新的学习平台。

2.3" 项目主要功能

2.3.1" 三维图形知识展板

对于那些对心脑血管疾病和心肺复苏急救知识知之甚少，或是首次接触相关内容的用户，本展馆特别设计了三维知识展板项目，以助其深入了解。为了营造逼真的体验效果，参照了线下展馆的知识展板设计，但在此基础上进行了创新。采用了3D建模和3D用户界面技术，使得视觉观感更为出色，同时，通过三维化信息存储方式，展板能够承载更为丰富的信息内容。

在体验过程中，用户的主视角会定期释放射线进行检测。一旦射线遭到阻挡，且阻挡物被系统识别为展板时，用户的操作手柄上便会显示一条基准线。这条基准线不仅方便了用户与展板进行交互，获取更多知识，更增强了用户在学习过程中的参与感，从而提升了整体的体验效果。通过这样的设计，旨在为用户提供一个既具互动性又富有趣味性的学习平台，助其更好地掌握心肺复苏急救知识（图1）。

2.3.2" 人体模型动画

对于那些已经对相关知识有了初步认知，但实际操作经验尚显匮乏的用户而言，展馆内特别设置了人体模型动画展示区域。在这里，用户可以通过与三维用户界面的互动，自如地控制动画的播放、暂停与重置。这种虚拟现实的环境为用户提供了一个沉浸式的学习平台，使其能够更加细致地观察CPR急救术的动作细节，从而深化理解，提高学习效果。通过这种方式，用户不仅能够巩固理论知识，更能在模拟实践中逐步积累操作经验，为将来的实际应用奠定坚实基础（图2）。

2.3.3" 除颤仪模型展示

随着AED（自动除颤仪）在公共场所的普及率不断提升，对广大民众进行AED使用培训显得尤为重要，这已然成为急救知识宣传工作的重要任务。为了积极响应这一需求，本展馆特地采用了先进的3D建模技术，精心制作了AED模型，并特别设计了模型展示与使用环节。用户不仅能够通过与3D用户界面的交互，轻松将模型取下进行细致观察，还可以借助操作手柄对AED模型进行真实模拟操作，深入体验仪器的每一个操作细节。该设计旨在让每一位用户都能更加直观地了解AED的使用方法，从而提升其在紧急情况下的应对能力（图3）。

3" 系统功能实现

3.1" AED三维模型的建立

随着三维技术的发展，已经可以使用各种三维建模工具搭建出各种现实中存在或不存在的场所，而该心肺复苏体验馆的目的是帮助未经受过专业培训的普通群众在一个虚拟的三维场景中来大致了解AED装置的操作流程，以避免在现实中遇到需要使用该装置的情况时而手足无措。既然要实现在虚拟场景中AED的操作，那么AED的三维模型是必不可少的。本展馆使用了最常用的三维模型工具Maya来进行模型的初步建立，之后使用RizomUV对其UV结构进行合理拆分，最后将拆分完毕后的模型导入Substance Painter中进行模型贴图的制作与烘焙，完成以上步骤后即可将模型与贴图一并以UE5的输出模板进行导出并在进行使用。

3.2" 交互系统的实现

3.2.1" 三维User Interface交互系统

本展馆着重于与场景的交互，用户主要通过与三维数字化的User Interface交互获取信息。因此，一个可视的交互系统是必要的。本展馆采用Set timer与Line Trace By Channle结合的方式实现这一系统。

首先，为了与User Interface交互，需要在VR Pawn类中添加Widget Interaction Component。然后在VR Pawn类中使用Set timer By Event设定一个执行频率为0.1 s的timer，并将是否为Loop值设为true，然后使用此timer驱动一个Line Trace。Line Trace的Start Point设置为VR Pawn的World Location（可通过GameInstance的Static Member Function获取）。同样地，End Point设置为当前VR Pawn的Forward Vector（获取方式同上）乘以一个延伸值，并与当前VR Pawn的World Location相加即可对VR Pawn前方一定距离的Actor进行Line Trace。如果当前检测对象为三维User Interface，则将Widget Interaction Component的Class Default Setting中的Debug属性值设置为true。通过Debug Line的校准，用户即可通过操作手柄上的trigger与三维User Interface进行交互。

3.2.2" User Interface与Scene通信交互

用户通过与User Interface发送请求后，需要由User Interface将请求发送至对应对象执行。传统的实现方法是，通过获取Scene中所有对象，通过get函数获得对象副本，通过UnReal内置函数Cast to转换为相应类型，执行相应功能。但是，这样的通信交互会造成性能开销过大。出于应用的稳定运行考虑，本展馆采用Blueprint Interface与Event Dispatcher结合的方式降低性能开销，提升系统稳定性与运行流畅度。创建一个Blueprint Interface，命名为IBP_GameMode，在其中声明get函数。然后由VRGameMode类实现该接口，将get函数重载，返回值设置为self。在VRGameMode类中添加Event Dispatcher，命名为OnPlayAnimation。然后在需要实现的类中，如Model Actor中，通过Game Instance的static member function中的get gamemode函数获取当前Gamemode，然后调用前文声明在IBP_GameMode中的函数GetGameModeRef，直接类型转换为VRGameMode，申请绑定Event Dispatcher，将Event Dispatcher与相应函数绑定。最后回到User Interface中，在对应的ButtonOnClick事件中以同样的方式获取VRGameMode，从中申请调用已绑定的Event Dispatcher即可实现User Interface与对应对象的通信交互。

3.3" 动画系统的实现

3.3.1" 动作捕捉的一些准备

在本项目中，选用了诺亦腾公司所生产的先进动作捕捉设备。为确保数据传输的稳定性，特意选择了开阔无遮挡的场地进行测试。这样的场地设计，不仅避免了其他金属设备可能产生的磁场干扰，还使得整个动作捕捉过程更加纯净、准确。同时，考虑到骨骼对应的精准度对于动画效果至关重要，特别挑选了体型偏瘦的组员作为模特。这样的体型特点更有助于精确地捕捉和还原模特的每一个细微动作。在准备阶段，首先需要将定位器通过专业绑带精确地固定到模特的额头、胸口、小臂、小腿及脚背等关键部位。随后，模特需要根据要求摆出特定的姿势，调整T pose，确保所有定位器处于最佳的工作状态。接着，模特还需戴上特制的手套，并根据提示摆出对应的手型，以便获取手指的精确定位。这一过程对于捕捉手部动作的细腻变化尤为关键，有助于在后续的动画制作中还原模特的真实手部动作。最终，当仿生人的动作与模特的动作实现精准的一一对应后，便完成了整个准备工作。

3.3.2" 动作捕捉技术与UE5的结合

本项目使用最新的UE5引擎进行开发，该版本的引擎会自动安装Quixel Bridge插件，可以使用大量的免费模型资源。首先，需要将动捕插件拷贝到引擎目录下，工程打开后在Plugin页面中应用NeuronLiveLink动捕插件，在重启引擎后选择导入所需要的模型，模型导入时提示插件缺失或者设置缺失需点击Enable Missing进行重启。然后，打开导入的模型蓝图，选中Body在右侧Detailgt;Mesh面板中点击放大镜找到模型的Skeletal mesh并双击打开，在右上角找到并打开与Skeletal mesh同名的动画蓝图，在左下角找到预置的Animation graphs并双击打开，添加Live Link Pose节点并连接到Control Rig节点上，生成一个用于驱动Metahuman模型的重定向动画序列连接到Live Link Pose节点前面用于生成该动画资产需要在UE中将目标模型的骨骼调整到数据源骨骼的标准pose，导入存放在Arts目录中的T pose。之后，在动画蓝图页面将刚刚生成的T pose 动画序列资产拖拽到AnimGraph中然后连接到Live Link Pose节点前。最后，完成数据流连接部分，选中Live Link pose 节点Retarget Asset设置为UE Metahuman编译并保存，就可以实现动捕设备与UE5的连接。

4" 结束语

基于虚幻引擎开发的虚拟心肺复苏科普馆项目，通过利用虚拟现实技术的优势，成功构建了一个具有高度真实感和沉浸感的虚拟科普环境。本项目不仅丰富了心肺复苏科普教育的形式和内容，还为广大用户提供了一个便捷、高效的学习平台。通过实际应用和测试，虚拟心肺复苏科普馆在提升用户学习兴趣、加深知识理解以及提高技能掌握程度等方面均取得了显著效果。用户能够随时随地通过该科普馆进行自主学习和实践操作，不受时间和地点的限制，从而提高了学习效率和便利性。综上所述，基于虚幻引擎开发的虚拟心肺复苏科普馆项目在科普教育领域具有广阔的应用前景和重要的实践价值。随着技术的不断进步和完善，虚拟科普馆将在未来发挥更加重要的作用，为提升公众健康素养和急救能力做出更大的贡献。

参考文献：

[1] 陈琪璟，吴笛白，张子扬，等.基于虚幻引擎开发的地震救援模拟系统[J].科技创新与应用，2023，13（12）：36-38，44.

[2] 杜韫雨，杨珍，曹英，等.健康中国背景下居民心肺复苏普及教育问题的思考[J].医学教育研究与实践，2023，31（3）：268-271，277.

[3] 杨艳瑜，曾雪峰，李广松，等.基于UE4的虚拟展馆设计与开发——以“南派”醒狮为例[J].计算机时代，2023（11）：79-82，89.