VR虚拟校园系统基于UE4的研究与实现

摘要：重点探讨以3ds Max和Unreal Engine 4为工具来构建VR虚拟校园系统，结合校园全景拍摄的素材，重点阐述了系统关键功能的设计与实现，包括3ds Max中的三维模型的建立、材质贴图等，以及在Unreal Engine 4中的场景、界面以及交互功能的设计与实现，最后利用Unreal Engine 4自带组件进行系统的功能和性能测试，实现了VR虚拟校园。

关键词：VR;3ds Max;UE4;建模;虚拟校园;

VR(虚拟现实技术)主要指包括计算机、电子信息、仿真技术于一体，其基本实现方式是计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感。虚拟校园，就是将现实中学校的教学环境和校园的三维建筑以及景观利用先进的技术在计算机中虚拟地再现出来。虚拟校园不仅能够构建一个三维的逼真的校园环境，还可以挂到学校网站上，让远程用户下载或者直接观看。有了虚拟校园，学校的对外宣传就不再仅仅局限于文字、图片等传统的宣传方式，它能够更加直观地将学校的情况展现在用户的眼前。通过三维、全景构建的VR虚拟校园系统建设成功之后可以在以下方面发挥重要作用：

1.满足用户网上虚拟校园漫游，使用户更直观地了解校园的布局。

2.在招生宣传工作中发挥作用，方便新生对学校情况进行了解。

3.辅助学校进行校园规划，对于校园信息管理、规划、建设等能够全局掌控。

4.学生通过实时参与到系统的开发和设计，了解了VR制作的流程，更好地学习和应用专业知识。

通过三维、全景构建VR虚拟校园系统，使用合适的开发工具可以提高构建的效率。在构建过程中，遵循规范的开发流程可以确保按时、保质、保量地完成预期效果。

一、开发工具选型

构建VR系统，可以选择的开发工具包含Unity、Unreal、CryEngine、Lumberyard、UE4、3ds Max等，综合考虑虚拟校园需要实时渲染真实效果、物理属性逼真的特点，选取3ds Max和UE4作为工具。其中，3ds Max用来构建三维模型，UE4用来制作和渲染VR效果。

3ds Max是Autodesk公司推出的一款强大的三维动画软件，它在工业产品设计、室内外建筑效果表现、影视广告、动画、游戏制作等方面得到了广泛的应用，是目前最流行的三维软件之一。

UE4(虚幻引擎4)是Epic Game公司开发的3A级引擎，它不仅包含各类工具与资源，还开放了源代码，由上至下提供了一个完整的生态系统。UE4基于C++开发，它可以运行于Windows、Mac OS、Linux等各种不同的桌面操作系统，i OS、Android等移动便携平台，以及其他的一些游戏平台。通过各种渠道进行封装发布将应用的范围涵盖到了游戏、影视、工业制造、房地产、国防军事、公共医疗卫生、公众事业等各个专业领域。

二、开发流程

VR虚拟校园开发流程需要考虑VR制作过程中各步骤的前后关系，以及各角色关注的内容和分工，在实践过程中不断梳理和优化。

(一)全景拍摄

全景拍摄是指以某个点为中心进行水平360度和垂直180度拍摄，将所拍摄的多张图拼接成一张长度与宽度比为2:1的图的照片拍摄及图片拼接的方法。

首先带领学生在晴天的中午或者周末的上午利用鱼眼镜头和三脚架对校园的各种主要建筑进行拍照，再利用PTGUI软件进行拼接得到校园的全景图。

对于校园里的一些不是非常具有立体感的物体，可选择不用3ds Max建模，等后期直接在UE4中通过将这里拍摄的全景图贴图到球体或者其他几何体来实现VR虚拟校园的部分效果，可以减轻很多的工作量，看起来也更加真实。

(二)在3ds Max软件中建模

三维建模技术是整个虚拟校园系统建立的基础，它处于非常重要的地位。它的研究有助于提高虚拟环境的真实感、实时交互的速度以及实际交互的可操作程度，使所构建的校园环境更加直观，让用户感受到真正的“身临其境”。在真实的世界里，人感受到的是三维信息，所以三维建模技术是虚拟现实技术所必需的，它是虚拟现实技术的底层，也是所有应用中的一个非常关键的步骤和技术，模型的准确度、虚拟场景的真实性往往直接关系到整个案例的成败。

在本研究中先对学生分配任务，让每个人负责不同的建筑物，并认识到各种任务模型的重难点和需要注意的地方，再分别将前面拍摄的一些照片导入3ds Max作为建模的参考，通过3ds Max快速创建校园的建筑和环境模型，最后导出成FBX格式的文件。

在建模过程中应注意如下几点事项：

1.建模过程中，应考虑工作量，对于不太重要的元素，可以用纹理贴图实现，尽量采用标准几何体建模，而且要尽量做简模。虚拟现实中运行的画面每一帧都是靠显卡和CPU实时计算出来的，如果模型的面数太多，会导致运行速度急剧下降，甚至无法运行;模型面数过多，还会导致文件容量增大，在网络上发布也会导致用户下载时间增加。

2.提前将场景中所有的材质由VRay材质转换为3ds Max的默认材质。虽然VRay材质在使用中能够获得更加准确的物理照明和更快的渲染，但由于VR虚拟校园的后期制作会在UE4引擎中完成，而UE4不支持VRay材质。

3.项目中相同的物体，只需要保留一个即可，其他的都可以在UE4中复制。这样可以减少需要导入UE4的模型数量。

4.进行整体建筑物的优化时，可以将不同材质的物体附加到一起。打个比方，比如桌子的桌面与桌脚是不同的材质，这时候就可以将两个材质“组合”成一个材质球，以达到减少整个场景的物体数量的目的。如果场景中的模型数量太多会给后面的操作带来非常多的麻烦，特别是会降低运行速度，所以要尽量减少场景中模型的数量。

5.在3ds Max软件内建立的模型都需要将模型进行优化。没经过优化的高模，由于面数太多非常考验电脑的性能，若遇到电脑配置不好会出现直接死机等状况。这样可防止这种情况的发生，以及使项目的运行更加流畅。

6.在建模过程中很重要的操作就是要删除不可见的面，比如空调，靠近墙壁的那面即为不可见面。需要注意的是，在此过程中，要保证是在物体不变形的基础上，再尽量减少物体的面数。还要注意模型的三角网格面尽量为等边三角形，不要出现长条形，因为长条形的面不利于实时渲染，还会出现锯齿、纹理模糊等现象。

7.要注意区分两套UV。第一套UV跟传统的理解是一致的，主要是承载材质的UV信息，即贴图纹理UV;第二套UV是最关键的，它的意义在于承载UE4中的光照信息，即光照UV，如果模型只有第一套UV没有第二套UV，那么模型导入到UE4中，灯光构建完以后会发现模型无法呈现。

光照UV的要求可能会比较繁琐，它要求UV必须是完全分开、没有反转、没有重叠、拆分的合理并且充分利用了UV框，扣除一些比较方正的模型可以通过3ds Max自带的自动拆分UV功能来实现以外，类似书桌、窗帘、沙发之类有褶皱、不规则的模型很多时候都需要人肉拆分，有时候也可以利用ZBrush、Unfold3D等软件辅助，这个步骤需要花费比较多的时间，而且比较枯燥和无聊，除非采用全动态光的形式，否则这是必不可少的一步。

(三)UE4视觉制作

当模型在3ds Max中处理完毕后，就进入到UE4中开始视觉部分的处理。视觉制作包含资源获取、创建场景和导入模型、灯光处理、材质渲染和体积处理。

1.UE4资源获取

现成的UE4资源可以提高UE4视觉制作的效率，由于UE4官方与虚幻引擎商城的创作者合作，免费提供了一些精选内容给UE4社区，学生可以从上面获取很多现成的资源。

2.在UE4中创建场景和导入模型

前面在UE4资源中已经找到了合适的VR模板，它里面已经提供了一些基本的功能，一般都要根据项目的具体情况再进行修改。模板定下来以后，就可以在UE4中继续创建场景，再导入3ds Max中创建的模型和UE4资源里面找到的模型等资源。

3.灯光处理

VRay、MR等传统渲染器在制作流程中修改一张贴图或者一个材质参数都必须重新渲染。而UE4除非改变了灯光和物体，如仅仅替换材质球或更换物体的话则不需要重新渲染。对于高品质的项目，一般都是选择UE4进行视觉部分制作。

而进入UE4的第一步就是灯光处理，需要在模型还没上材质前完成。因为如果在光影还未处理的情况下直接上材质就无法表现出材质本身的特性，也无法展现出物体在正确的光影下所呈现的效果。

灯光处理环节更多的是为了表现光影效果以及场景的氛围，这个过程没有固定的参数，很多时候需要根据实际的情况进行处理，其中最为关键的部分是对布光的理解。因为现有的软件无法模拟自然光源，布光需要基于现实并模拟现实。

4.材质渲染和体积处理

当灯光处理完以后就来到材质部分。要生成具有真实感的校园三维景观，就需要在校园地面及各种建筑物的表面粘贴真实的照片，前面拍的校园的照片也可以在这里派上用场了，这些照片需要经过Photoshop软件处理才能使用，处理工作主要包括倾斜度的调整、障碍物的擦除、颜色的调整等。将处理好的照片贴在相应的建筑物模型上就可以实现真实的效果了。

因为UE4的渲染机制，可以任意地更改材质而不需要重新渲染，所以这个环节对材质理解的要求比较高，操作起来不会很难。

材质处理完以后，UE4视觉部分就只差后期了。通过UE4的后期处理体积，可以更改对比度、色温、饱和度等为画面加分。

(四)UE4蓝图制作

UE4蓝图就是一个基于面向对象的、采用节点界面的可视化脚本系统。开发者只需要在引擎编辑器中创建相关功能模块结点，并按照一定的逻辑连接各节点，便能实施和实现各种行为及功能。这些节点包括每个实例的对象构建、函数、事件和变量。蓝图为开发者提供了以往仅供程序员使用的所有概念和工具。

(五)测试

还有一个重要的环节就是测试环节。这一环节的主要目的就是找bug，如建筑物或者教室内材质的瑕疵、物体是否缺少碰撞处理、里面的摆件是否出现无故跳动等问题就需要在此环节中找出。

(六)高品质场景构建

测试环节结束以后，就可以开始进行高品质场景构建。在测试前都会将各参数调整到比较低的指数，目的是在效果一样的前提下，让项目更好地运行以便快速测试。但由于测试过程中的项目参数低，导致光影不够强烈，比如桌子有锯齿等情况就需要在高品质场景构建中进行优化，将参数提升到正常的指数。

(七)打包

经过反复测试修改无误以后，就可以打包输出成.exe可执行程序。

三、最终效果

操作者需要戴上VR头盔，拿好VR手柄，然后就可以置身于一个虚拟世界中，眼前就是一个校园，可以通过按手柄的前进、后退、左转、右转键愉快地畅游整个校园了。

四、结语

本研究利用VR技术构建了一个沉浸式的虚拟校园，通过全景技术与虚拟现实(VR)技术相结合，将校园的全景720度拍摄、3D多维模型展示以及搭建虚拟场景等方式以1:1的比例原样照搬出来。实现了线上360°旋转实景展示，场景720°无视觉死角进行虚拟漫游。

本文所研究开发的虚拟校园，可通过技术利用VR眼镜，在校园或者任何地方如教学楼、校门口、操场、实验楼、篮球场、食堂等位置实现置身其中、身临其境的体验，VR虚拟校园系统在校园的使用，无疑可以增强校园感染力。它全方位、立体化地展现了校园环境风貌，提高了学校的曝光度和知名度。

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