基于虚拟现实技术的三维校园漫游系统设计与实现.pdf

第 13 期2023 年 7 月无线互联科技Wireless Internet TechnologyNo.14July,2023作者简介:张玉婷(1980),女,江苏南京人,讲师,硕士;研究方向:数字媒体技术,虚拟现实技术。基于虚拟现实技术的三维校园漫游系统设计与实现张玉婷(金肯职业技术学院 人工智能与信息工程学院,江苏 南京 210000)摘要:文章以金肯职业技术学院为例,通过 3Ds Max 软件进行三维模型的创建,使用 Photoshop 处理照片,Substance Painter 编辑材质贴图,再导出模型到 Unreal Engine 4 虚幻引擎中完成整个场景的搭建和运行。应用 Unreal Engine 4 自带的蓝图可视化脚本或者 C+语言,添加多样的人机交互,再连接到VR 设备,通过控制手柄,完成沉浸式的虚拟现实校园漫游系统。关键词:虚拟现实;漫游;Unreal Engine 4中图分类号:TP391 文献标志码:A0 引言 随着三维技术和虚拟现实技术的发展,现实场景的数字化可以更好、更便捷地展示特定的区域、场馆、风景。其科技性、艺术性和身临其境的观感,可以给人们提供跨越时间和空间的沉浸式体验。近年来,国内外各大高校一直努力进行硬件、软件的数字化、智能化、信息化的建设。在以往传统的校园场景三维建筑动画的基础上,融入新的虚拟现实技术,增加体验效果。本文以金肯职业技术学院为例,介绍基于虚拟现实技术的三维校园漫游系统的设计与实现。1 总体设计 首先确定了应用虚拟现实技术实现三维校园漫游的方案。使用 CAD、3ds max 制作三维模型,在三维软件中对建筑物、地形、实体对象进行模型的创建和优化、展开 UV,再导出 FBX 文件到 Unreal Engine 4(以下简称“UE4”)中进行整合和搭建场景。在其中完成植被、灯光、材质、碰撞等设置。通过蓝图可视化脚本或者 C+语言,添加有趣、恰当的交互设计,最后与 VR 硬件设备进行打包安装、测试发布,完成虚拟校园的三维漫游系统的设计与制作1。2 漫游系统的开发与实现2.1 数据采集 真实场景的数字化还原要有准确的校园各场景建筑物分布信息。金肯学院有南、东、西 3 个校区,已有的 CAD 图纸不完整。通过实地勘测与拍照结合的方式,采集、整理了地形图和建筑设计图等数据,绘制了校园内的各教学楼、体育馆、图书馆、宿舍区、食堂、办公楼、实训楼等区域分布图,划分出主干道和建筑小品的区域2。2.2 模型创建和导入 在前期绘制的 CAD 图纸的基础上,通过照片建模的方式,在三维软件 3Ds Max 中,1 1 还原各主要建筑物的外观模型。由于整个场景数字化数据较大,因此在创建过程中,务必要做好模型面数的控制,及时优化、处理错漏面,最后导出 为 FBX 格式的文件。打开 UE4,在新建项目中选择蓝图,选择第一人称,创建空白项目。点击导入命令按钮,将 FBX 文件导入引擎中。第一次导入的时候,通常需要选择设置选项卡。可以根据系统要求设置“自动创建碰撞体”“创建灯光 UV 视图”“合并模型”等项目内容。此外,还可以选择“新建材质”或者“导入纹理”来决定导入模型时,是否创建材质球和附带相关的材质素材。将地形、建筑物等模型依次导入后,UE4 会对导入有问题的部分进行提醒,通常要一一查看模型、材质球、纹理贴图等效果是否需要修改。必要的时候,要返回到三维模型软件中进行调整。解决问题后,对各个文件进行分类整理,方便以后调取使用。2.3 材质贴图制作 由于整个校园的建筑外立面设计独特、风格统一,系统采用了大量拍摄的实景照片,使用 Photoshop软件进行后期处理,Substance Painter 软件绘制纹理,作为建筑的贴图使用。此外,使用 UE4 虚幻引擎自带的材质系统为模型添加外观效果3。打开 UE4 虚幻引擎,在内容浏览器空白处单击鼠标右键,选择创建新材质。双击材质球,打开 UE4的材质编辑器,在界面中空白位置按下数字键 3,创建一个三维数组。点击 Constant 色块可以设置具体的 RGB 颜色。按住鼠标左键不松手,拖拽连接到基础颜色的节点上,完成材质颜色的创建。同样的原理,按住数字键1,创建一个一维数组,设置参数在01 的任意数值,再拖拽到粗糙度或者高光度的节点上,就可以设置相对应的效果。之后返回场景中,将材质球附在模型上,就可以看到实际效果。漫游系统19第 13 期2023 年 7 月无线互联科技软件开发No.14July,2023中,可以通过复制已有的材质球,在编辑器中修改其中的某些参数,来得到另一个新的材质。基础材质如图 1 所示。图 1 基础材质在系统中,有些模型需要添加纹理贴图。可以在材质编辑器界面中,按住 U 键的同时单击鼠标左键,就会创建新的节点纹理坐标。在其中导入处理好的贴图,将输出端连接到 UV 引脚上。在左下角的界面中输入数量,可以调整贴图的比例以适应模型的大小。2.4 交互设计 本系统设置了第一人称的视角,带上 VR 眼镜之后,仿佛置身于现实场景中。参观者通过对手柄的控制,实现走、跑、跳跃、转向、瞬移等运动效果,模拟真实场景中人的基本运动动作。系统添加了对话系统。当人物走进特定的区域,或者点击场景中的某个道具,画面中会出现相关的校园介绍。为了增加参观者的体验感,这些内容以动态文字、动画视频结合的方式呈现,伴以适合的音乐,提升氛围感和视觉效果。系统设计了自动导航,默认情况下顺着设计好的路线进行漫游。通过右上角的同步小地图,体验者可以一目了然地掌握所在位置。同时,考虑到校区区域范围大,在制作系统时,设计了通过快捷键或者操作VR 设备配套的手柄,可以跳转到不同的校园区域,精准定位到各场景,实现空间的交互。为了添加趣味性,系统特地增加了一些交互小游戏。比如在漫游到湖心亭的时候,体验者通过手柄射线点击 UI 界面上的按钮,开启材质贴图的样式和颜色的切换功能,欣赏由“一键换装”带来的春夏秋冬不同的风景。2.5 多视角角色的创建和切换 高职院校各类实训室、工作室的建设,也体现学院的成果和特色。系统特意增加了室内漫游的内容,因此系统需要实现 360室外场景自由旋转查看的功能和用于室内漫游的角色,以及两种角色相互切换控制权的设置。在 UE4 中选择蓝图类创建 Pawn,创建一个能被操控的角色。在编辑界面中,添加组件里面新建弹簧臂组件。以这个点做一个牵制,以弹簧臂组件为父类,添加摄像机组件为子类,弹簧臂就能牵制摄像机进行 360的旋转查看。接着点击弹簧臂组件,在细节面板中勾选使用 Pawn 控制旋转,弹簧臂会跟着鼠标进行旋转。接下来,通过蓝图输入一些控制逻辑,来实现鼠标输入的事件。在事件列表界面中,输入 Turn,调取“输 入 轴 Turn”;再 输 入 LookUp,调 取“输 入 轴LookUp”。将“输入轴 Turn”里面的 Axis Value 连接关联的“添加控制器 Yaw 输入”,其中 Yaw 设置的是Z 轴。将 Lookup 连接关联的“添加控制器 Pitch 输入”,Pitch 对应的是 Y 轴。设置完成之后,摄像机就可以跟随鼠标旋转。接着把蓝图类放置在场景中,调整位置、高度。可以通过调整摄像机的目标臂长度的数值,将视角调整得远或者近一些。设置完成回到场景,在细节面板中,自动控制玩家选择“玩家 0”。保存文件进行编译,查看设置效果。如果旋转生硬,可以在蓝图类中选择弹簧臂组件,启动摄像机旋转延迟。这样旋转角度时,就会更加丝滑自然。接下来继续创建第二个用于室内场景漫游的角色。在内容浏览器中单击鼠标右键,选择蓝图类,创建一个有碰撞的 Actor 角色,用来模仿人在场景中真实漫游。先添加弹簧臂组件和摄像机。摄像机放在弹簧臂组件的子类里面,但弹簧臂长度要改成 0,用来模拟人的头部旋转查看场景。在右侧的编辑面板中,勾选“使用 Pawn 的控制旋转”。在设置完 Z 轴 Y 轴坐标后,还需要设置角色前后左右的移动。在场景漫游角色的事件图表界面中,添加“输入轴 Move Forward”和“输入轴 Move Right”,再调出“获取控制旋转”,在Return Value 右键引出“分割结构体引脚”,使用 Z 轴Yaw 创建旋转体,Return Value 中获取向前向量,再获取向右向量 Add Movement,添加移动输入。系统已经封装好能够让角色移动的蓝图节点,只要传入对应的参数即可。设置完成之后,当按下键盘 W,就会返回数字+1,按下 S 就会返回数字-1,如果没有输入,就会返回数字 0。有数值之后,角色就会移动。当按下W 键,传入的是+1,移动的方向就会参考向控制器正前方移动;当按下 S 键,传入的是-1,向前的向量乘以-1,变成向后的向量,就会向后移动。同样的原理,按下 A 键输入的是-1,向左移动;按下 D 键输入的是+1,向右移动。将设置好的 Actor 角色拖动到场景中编译测试。如果角色移动速度或快或慢,可以在Character Movement 组件中设置最大行走速度,改成29第 13 期2023 年 7 月无线互联科技软件开发No.14July,2023适合的数值即可。最后,设置两个角色控制权的切换。为了能够快速地实现功能,可以把这些蓝图写在关卡蓝图里面。打开关卡蓝图界面,先创建两个自定义事件,一个是切换到场景漫游,另一个是切换到 360 度自由查看。接下来将两个蓝图类拖拽到关卡蓝图界面。新建“获取玩家控制器”节点,连接“使用混合设置视图目标”,引脚连到“切换到场景漫游”,再将“场景漫游角色”连接到 New View Target,Bland Time(混合时间)设置成 2.0。设置的效果是经过 2 s 时间,将当前的画面,混合到新的画面。Bland Func(混合函数)选择“VT 混合交叉缓动”,就会有缓动效果。再用同样的方法,完成从另一个角色的跳转设置,实现 2 个镜头之间的混合。之后,在事件图表界面中输入 F 键、空格键和键盘,直接跳转到键盘事件,用 FlipFlop 制作一个流程控制。按下 F 走 A,再按一下走 B,再按一下再走 A,往复循环的功能。实现由 A引出切换到场景漫游,由 B 切换到 360全景漫游。2.6 场景中播放视频 为了更好地展示和介绍学院信息,系统在场景中设置了几处通过屏幕播放视频的组件。先提前制作好相关的 mp4 格式的视频文件。在内容文件夹里面创建新文件夹存储相关文件。在空白处单击鼠标右键,在弹出的快捷菜单中选择 Media里面的 Media Player。再次单击鼠标右键,在弹出的快捷菜单中选择创建蓝图类,选择 Actor 角色,命名之后双击打开编辑界面。在左侧的组件中选择 Cube,调整尺寸大小,做成类似显示屏的模型,用来播放视频使用,再根据需求设置材质。在关卡蓝图中,调出 Event BeginPlay 事件。创建变量,选择 Media Player 中的 Object Reference 对象引用。在默认值中选择创建的 Media Player。再将Media Player 拖入编辑区,拖出引脚连接 Open Source打开源。在下方选择需要播放的视频。再将创建的Actor 拖入场景,并编译保存。此时场景中可以播放视频画面,但缺少声音。这是因为这种播放视频的原理是将视频作为材质附在模型上。因此需要再设置声音。双击打开 Actor 编辑界面,在 Cube 组件中找出Media Sound 组件。在编辑器的 Media Player 里面找到创建的播放器。再次编译,视频画面和声音都同步出现了。3 结语 本系统使用了三维软件、虚幻引擎和 VR 设备,创建了校园的虚拟现实漫游系统,对现实场景数字化构建、虚拟交互体验,进行了实践操作。由于相关技术难度较大,更新换代较快,目前国内的研究还需要学习和补充一些国外的技术和思维。随着技术的发展,还会有更多的虚拟数字化应用,适用于更多不同的领域,拓展时间和空间的范围4。参考文献1叶玉萍.基于虚拟现实技术的三维校园漫游系统研究J.电脑与信息技术,2020(28):14-16.2庄姗姗.基于虚拟现实技术的漫游校园 VR 系统的研究与开发J.信息记录材料,2021(22):227-229.3苏雨晴,李彦雪,严进轩.虚拟现实技术在校园景观漫游中的应用研究J.现代园艺,2022(7):121-123.4刘崧印,朱学芳,李川.基于 VR 技术的虚拟图书馆全景漫游系统的设计与实现J.图书馆学研究,2022(11):47-56.(编辑 沈 强)Design and implementation of 3D campus roaming system based on virtual reality technologyZhang Yuting School of Artificial Intelligence and Information Engineering Jinken College of Technology Nanjing 210000 China Abstract Taking JinKen Vocational and Technical College as an example the system uses 3ds Max software to create a three-dimensional model uses Photoshop to process photos Substance Painter to process material maps and then exports the model to the Unreal Engine 4 virtual engine to complete the construction and operation of the entire scene.Apply Unreal Engine 4 s own blueprint visualization script or C+language add various human-computer interactions and then connect to VR devices.Through the control handle complete an immersive virtual reality campus roaming system.Key words virtual reality roam Unreal Engine 439