基于UE4的虚拟展馆设计与开发——以“南派”醒狮为例.pdf

计算机时代 2023年 第11期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DOI:10.16644/33-1094/tp.2023.11.016基于UE4的虚拟展馆设计与开发*以“南派”醒狮为例杨艳瑜1，曾雪峰1，李广松1，刘树林2，官泽良1(1.广东职业技术学院，广东 佛山 528000；2.广州华商学院)摘要：应用虚拟仿真技术设计开发传统文化“南派”醒狮虚拟展馆。该虚拟展馆解决了传统文化传播方式单一的问题，将文化以数字化三维空间、虚拟仿真的新型形式再现，以文字、音视频、模型、动画等形式全方位展示文化内核。系统支持用户与对象进行双向交互，提供沉浸式的文化体验。经测试，虚拟展馆中无明显Bug，场景切换、动画播放与暂停、角色换装等功能运行流畅，UI交互界面动态显示良好，具有较强的体验性，值得推广。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)11-79-04Design and development of virtual exhibition hall based on UE4：taking the South lion dance as an exampleYang Yanyu1,Zeng Xuefeng1,Li Guangsong1,Liu Shulin2,Guan Zeliang1（1.Guangdong Vocational and Technical College,Foshan,Guangdong 528000,China;2.Guangzhou Huashang College）Abstract：Using virtual simulation technology,a virtual exhibition hall of traditional culture South lion dance is designed anddeveloped.It solves the problem of a single way of traditional cultural dissemination,reproduces culture in a new form of digital3D space and virtual simulation,and comprehensively displays the cultural core in the form of text,audio and video,models,andanimations.The system supports bidirectional interaction between users and objects,and provides an immersive cultural experience.After testing,there are no obvious bugs in the virtual exhibition hall.The functions such as scene switching,animation playbackand pause,and character changing run smoothly,and the UI interaction interface shows good dynamic display.It has a strongexperience and is worth promoting.Key words：South lion dance;virtual engine;virtual exhibition hall;virtual simulation收稿日期：2023-07-19*基金项目：广东省攀登计划重点项目“手势交互式虚拟现实应用研究”（pdjh2022a0825）；广东职业技术学院虚拟仿真教育教学改革专项项目“虚拟仿真实训教学与课程思政元素的融合路径探析”（XNFZ202216）；广东职业技术学院虚拟仿真教育教学改革专项项目“虚拟仿真实训资源校企协同开发模式研究”（XNFZ202214）；广东职业技术学院常规科研项目“基于UE4的 南派醒狮虚拟现实仿真 教学平台开发”（XJKY202235）作者简介：杨艳瑜（1993-），女，河南安阳人，硕士研究生，助教，主要研究方向：软件技术、虚拟现实开发技术。79Computer Era No.11 2023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 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。图1虚拟展馆功能结构 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。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：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；利用 3dsMax对醒狮模型及博物馆中其他三维物体进行模型制作，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；在UE4中进80计算机时代 2023年 第11期行三维场景搭建和光照构建，增强用户的沉浸式体验感；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。图2虚拟展馆开发流程与技术路线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 虚拟展馆环境搭建图3导入选项界面启动软件，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。图4虚拟展馆场景Top视图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。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、AIController 及 AICharacter 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；81Computer Era No.11 2023AIBehavior 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。图5AI自由巡逻人功能结构图6AI自由巡逻人相关蓝图文件 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、Ani-mation Sequence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。图7第三人称角色漫游动作实现（关键蓝图结构）依 次 选 择 Animation-BlendSpace1D-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。图8Character换装蓝图（部分）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。(下转第89页)82计算机时代 2023年 第11期Pattern Recognition,2022:5637-5646.11 ZHOU W,ALAN B,HAMID R S,EERO P.Simoncelli.imagequalityassessment:fromerrorvisibilitytostructuralsimilarityJ.IEEETransactionsonImageProcessing,2004,13(4):600-612.12 Zhang H,Zu K,Lu J,et al.EPSANet:An efficientpyramidsqueezeattentionblockonconvolutionalneural networkC/Proceedings of the Asian Confer-ence on Computer Vision,2022:1161-1177.13 Zamir S W,Arora A,Khan S,et al.Multi-stageprogressive image restorationC/Proceedings of theIEEE/CVFconferenceoncomputervisionandpattern recognition,2021:14821-14831.14HuJ,ShenL,SunG.Squeeze-and-excitationnetworksC/Proceedings of the IEEE conference oncomputer vision and pattern recognition,2018:7132-7141.15 Zeng Y,Fu J,Chao H,et al.Aggregated contextualtransformations for high-resolution image inpaintingJ.IEEETransactionsonVisualizationandComputerGraphics,2022.16 Wang Q,Wu B,Zhu P,et al.ECA-Net:Efficient channelattention for deep convolutional neural networksC/Proceedings of the IEEE/CVF conference on computervision and pattern recognition,2020:11534-11542.17 He K,Zhang X,Ren S,et al.Deep residual learning forimage recognitionC/Proceedings of the IEEE con-ference on computer vision and pattern recognition,2016:770-778.18 Charbonnier P,Blanc-Feraud L,Aubert G,et al.Twodeterministichalf-quadraticregularizationalgorithmsforcomputedimagingC/Proceedingsof1stinternational conference on image processing.IEEE,1994,2:168-172.19 TAO L,ZHU C,XIANG G,et al.Llcnn:a convolutionalneural network for low-light image enhancementC/Proceedings of the 2017 IEEE Visual Communicationsand Image Processing.Piscataway:IEEE,2017:1-4.20GuoX,LiY,LingH.LIME:Low-lightimageenhancement via illumination map estimationJ.IEEETransactions on image processing,2016,26(2):982-993.21 Zhang Y,Zhang J,Guo X.Kindling the darkness:Apracticallow-lightimageenhancerC/Proceedingsofthe27thACMinternationalconferenceonmultimedia,2019:1632-1640.22 Fan C M,Liu T J,Liu K H.Half wavelet attention on M-Net+forlow-lightimageenhancementC/2022IEEEInternationalConferenceonImageProcessing(ICIP).IEEE,2022:3878-3882.5 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。参考文献(References):1 保罗 米粒.虚拟现实VR和增强现实AR从内容应用到设计M.北京:人民邮电出版社,2019.2 沈忠杰.基于 UE4 的建筑可视化漫游应用研究D.桂林:桂林电子科技大学,2021.3 高义栋,闫秀敏,李欣.沉浸式虚拟现实场馆的设计与实现以高校思想政治理论课实践教学中红色VR展馆开发为例J.电化教育研究,2017,38(12):73-78,85.4 张美霞.新媒体技术支持下的场馆建设与场馆学习以现代教育技术博物馆为例J.中国电化教育,2017(2):20-24.5 唯美世界.3ds Max2016从入门到精通M.北京:中国水利水电出版社,2018.6 杨艳瑜.基于UE4塔防游戏设计与开发J.信息技术与信息化,2022(3):62-65.7 李南希.基于 UE4 的虚拟现实交互实验虚拟展馆设计与实现D.上海:东华大学,2022.8 左德遥,高峰.一种VR/AR红色文化虚拟仿真教育虚拟展馆设计与实现J.计算机时代,2022(2):66-68,79.(上接第82页)CECE89