基于UE4技术平台的赣南苏区红色文化遗址建筑群三维虚拟仿真关键技术研究

王志强 邓琦 罗瑶

基金项目：2020年度江西省教育厅科学技术研究项目（GJJ200837）；2023年度江西省大学生创新创业训练计划项目（S202310418021）

第一作者简介：王志强（1979-），男，博士，副教授。研究方向为动画电影文化、数字虚拟仿真应用。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.037

摘  要：随着科技的发展，数字化技术在保护和传承文化遗产方面发挥着越来越重要的作用。红色文化遗址作为我国重要的文化遗产，具有独特的历史价值和文化意义。然而，由于这些遗址往往年代久远，且受到自然和人为因素的侵蚀，保护和传承难度较大。基于UE4技术平台的三维虚拟仿真技术为红色文化遗址的保护和传承提供新的解决方案。该文旨在探讨基于UE4技术平台的赣南苏区红色文化遗址建筑群三维虚拟仿真关键技术研究，以期为数字化保护和传承红色文化遗产提供理论和实践支持。

关键词：UE4技术平台；赣南苏区红色文化遗址；建筑群三维虚拟仿真；交互体验；数字化保护

中图分类号：TP391.9      文献标志码：A          文章編号：2095-2945（2024）12-0159-05

Abstract： With the development of technology， digital technology is playing an increasingly important role in protecting and inheriting cultural heritage. The Red Culture Site， as an important cultural heritage in China， has unique historical value and cultural significance. However， due to their ancient age and erosion by natural and human factors， it is difficult to protect and inherit these sites. The three-dimensional virtual simulation technology based on the UE4 technology platform provides a new solution for the protection and inheritance of red cultural relics. This paper aims to explore the key technology research of three-dimensional virtual simulation of red cultural heritage buildings in the Gannan Soviet Area based on the UE4 technology platform， in order to provide theoretical and practical support for digital protection and inheritance of red cultural heritage.

Keywords： UE4 technology platform; Red Culture Site in Gannan Soviet Area; 3D virtual simulation of building clusters; interactive experience; digital protection

UE4（全称为Unreal Engine 4，中文译为虚幻引擎4）作为全球三大游戏引擎之一，是Epic Games公司于2014年全新升级的一款游戏引擎技术平台，由预先编写的核心代码组成的集成工具，供游戏开发人员使用。因其强大的VR非线性交互和即时渲染功能，常被用作建筑可视化的技术手段，为建筑行业的虚拟仿真服务[1]。自Epic Games公司把UE4升级并作为开放软件以来，全球各地建筑师事务所已经开展应用并获得了较高的成效，如美国SOM建筑设计事务所、德国Immersive Design Studios及法国ECDM建筑事务所均已广泛引入UE4作为建筑可视化表现方式，Transbay海湾项目（SOM建筑设计事务所，2015年）、Lvndon Baines Johnson图书馆项目（Immersive Design Studios，2016年）、Paris Apartment建筑项目（ECDM建筑事务所，2017年）等均是这方面的典型应用。而赣南苏区红色文化遗址建筑群，作为我国革命精神的载体，具有重要的历史和文化价值。在自然气候和人为破坏等系列因素下，红色文化遗址群体面临严重破坏，甚至坍塌消亡的状态。因此，从保护与传承视野，充分利用数字化技术对红色遗址群的虚拟仿真研究具有重要意义。

1  UE4技术平台在建筑群虚拟仿真应用现状

UE4（Unreal Engine 4）是由Epic Games公司开发的一款实时渲染引擎，发布以来受到了多媒体行业的广泛关注，在游戏、动漫、虚拟现实领域都发挥了极大的优势和灵活性。通过其制作出高品质室内场景，适合用在虚拟仿真领域[2]。在三维虚拟仿真方面，UE4提供了丰富的工具和资源，包括高精度模型库、材质贴图、照明和阴影技术、物理模拟等，可以帮助开发者实现高度逼真的虚拟场景[3]。

UE4技术平台在建筑群虚拟仿真应用方面表现出了强大的实力（图1），使建筑师和规划者可真实地模拟建筑群的设计和规划，以便虚拟评估其可行性和效果。在模型方面，UE4技术平台可以提供高精度的建筑模型，并以1∶1的比例还原真实的建筑场景，让其能够真实地评估模态效果。同时，UE4技术平台在模拟自然环境和天气条件上具有优势，如光照、阴影、气候等，根据实现虚拟建筑群在不同环境下的自然效果。沉浸式虚拟现实功能也是UE4技术平台的重要技术，让用户在虚拟环境中沉浸式体验。在UE4的虚拟现实功能下，用户群体可以在虚拟环境中进行互动，以更加直观的方式评估建筑设计的效果。因此，UE4技术平台可以从各方面提供完整的数据分析和可视化工具，帮助用户分析和评估各类建筑的设计效果，准确地评估其性能和质量。

2  赣南苏区红色文化遗址建筑群三维虚拟仿真技术模块分析

2.1  赣南苏区红色文化遗址建筑群及其数字化保护价值

赣南苏区红色文化遗址建筑群是中国革命历史的重要见证，具有珍贵的历史价值和文化意义。这些建筑群包括众多的革命历史建筑、纪念碑、纪念馆等，承载着中国共产党领导下的革命历程和红色文化[4]。通过对这些遗址的数字化保护和传承，可以更好地保存历史记忆，弘扬红色文化，同时为历史研究提供可靠的资料。因此，赣南苏区红色文化遗址建筑群作为中国革命历史的重要见证，具有以下数字化保护价值。

1）历史价值。赣南苏区红色文化遗址建筑群是中国革命历史的重要载体，记录了中国共产党领导下的革命历程和斗争史实。通过数字化保护，可以永久保存这些珍贵的革命历史信息，为后人提供真实的历史见证。

2）文化价值。赣南苏区红色文化遗址建筑群是中国革命文化的独特体现，具有深刻的文化内涵和艺术价值。通过数字化保护，可以传承和弘扬这种红色文化，促进文化交流和传承。

3）教育价值。赣南苏区红色文化遗址建筑群是中国革命教育的重要素材，可以用于开展爱国主义教育、革命传统教育、红色旅游等。通过数字化保护，可以更好地发挥这些遗址的教育作用，让更多的人了解和认识中国革命历史[5]。

4）旅游价值。赣南苏区红色文化遗址建筑群具有独特的旅游价值，吸引着大量游客前来参观和学习。通过数字化保护，可以更好地保护这些遗址，同时为游客提供更加便捷的参观体验和服务[6]。赣南苏区红色文化遗址建筑群的数字化保护价值非常丰富，不仅可以保存历史记忆，弘扬红色文化，同时也可以为历史研究提供可靠的资料，促进文化交流和传承，发挥重要的教育作用和纪念意义，并推动红色旅游的发展。

2.2  赣南苏区红色文化遗址建筑群三维虚拟仿真技术分析

对苏区红色文化遗址建筑群的三维虚拟仿真技术模块分析，可从以下几方面进行探讨。

1）建筑模型建立（图2）。首先需要对苏区红色文化遗址建筑群进行详细的测绘和调查，获取建筑物的几何数据、材质信息、纹理信息等。然后利用三维建模技术，如3D扫描、建模软件等，建立建筑物的三维模型。

2）场景渲染与环境模拟（图3）。利用渲染引擎對虚拟环境进行渲染，模拟出建筑物的外观、光照、阴影等效果。同时，也可以模拟自然环境和天气条件，如植被、地形、天空等，以营造出更加真实的虚拟环境。

3）交互体验与沉浸式游览。通过虚拟现实技术，用户可以在虚拟环境中进行沉浸式的体验，自由浏览和感受红色文化遗址建筑群的历史和文化氛围。同时，也可以通过增强现实技术，将虚拟元素与现实环境相结合，提供更加真实和直观的体验。

4）数据可视化和数据分析。利用数据可视化和数据分析工具，可以将建筑群的相关数据以图表、图像等形式呈现出来，帮助用户更好地理解和评估建筑群的设计和质量。

5）模块化设计与可扩展性（图4）。针对不同的应用需求，可以将各个模块进行拆分和组合，以实现更加灵活和可扩展的系统架构。同时，也可以根据需要对系统进行升级和优化，以适应不断变化的应用需求和技术发展。

总之，对于苏区红色文化遗址建筑群的三维虚拟仿真技术模块分析，需要结合具体的项目需求和技术条件，进行详细的分析和设计。同时，也需要注重技术创新和人才培养，以推动该领域技术的不断发展和进步。

3  UE4技术在赣南苏区红色文化遗址建筑群三维虚拟仿真的关键技术

基于UE4技术平台，赣南苏区红色文化遗址建筑群三维虚拟仿真关键技术主要通过使用实时渲染、三维建模、物理引擎等先进技术，重现赣南苏区红色文化遗址建筑群的历史风貌和文化底蕴[7]。首先介绍了UE4技术平台的特点和优势，以及其在三维虚拟仿真中的应用。然后，对赣南苏区红色文化遗址建筑群的历史背景、文化价值及现有的数字化保护手段进行了概述。接着，详细阐述了使用UE4技术平台进行三维虚拟仿真的关键技术，包括场景建模、材质贴图、灯光渲染和物理模拟等。

3.1  场景建模

在场景建模部分，本文讨论了如何使用UE4的蓝图和雕刻工具进行高效的3D建模。材质贴图部分，则讨论了如何使用UE4的材质编辑器和纹理映射技术，以实现逼真的材质效果。使用UE4的蓝图和雕刻工具进行高效的3D建模，根据历史文献和现场勘查数据，构建出逼真的红色文化遗址建筑群场景。在场景建模阶段，需要收集和整理关于赣南苏区红色文化遗址建筑群的历史文献和现场勘查数据。这些数据可能包括建筑的设计图纸、历史照片、文字描述等。然后，可以使用UE4的蓝图和雕刻工具进行高效的3D建模。首先，可以在UE4中创建一个新的场景，并使用蓝图构建基本的场景元素，如地形、道路、建筑物等。在构建建筑物时，可以使用雕刻工具来创建详细的建筑模型，包括建筑的立面、屋顶、门窗等。为了使模型更加逼真，可以在雕刻过程中参考历史文献和现场勘查数据，注意细节的处理，如砖墙的纹理、门窗的样式等。除了建筑模型，还可以创建其他场景元素，如植被、人物、交通工具等。这些元素也可以使用蓝图和雕刻工具进行创建，并可以根据需要进行定制和调整。在完成场景建模后，可以对场景进行渲染和测试，检查模型的质量和效果是否达到预期。如果需要，可以对模型进行修改和优化，以达到更好的视觉效果和交互体验。

3.2  材质贴图

通过使用UE4的材质编辑器和纹理映射技术，还原建筑群的材质和纹理，包括砖墙、木门、玻璃窗等细节，以实现逼真的视觉效果。在材质贴图阶段的目标是让建筑物的表面材质和纹理更加逼真，以增强虚拟场景的真实感。首先，需要为建筑物的不同部分创建材质。在UE4的材质编辑器中，可以使用节点和贴图来定义各种材质的属性和纹理。例如，可以使用纹理贴图来定义砖墙的纹理和颜色，使用透明贴图来定义玻璃窗的透明度等。为了使材质更加逼真，还需要考虑光照对材质的影响。可以使用UE4的光照模型和阴影技术来模拟自然光和人工光源对建筑物的照射效果。通过调整材质的反射、折射、漫反射等属性，可以实现逼真的光照效果。还需要考虑材质的细节层次和纹理映射。细节层次是指在不同距离下材质的精细程度，纹理映射则是指将材质的纹理映射到模型表面的过程。通过合理设置细节层次和纹理映射，可以实现更加逼真的材质效果。最后，还需要对整个建筑群进行全局材质优化，确保不同建筑物之间的材质协调一致，以增强虚拟场景的整体感。

3.3  燈光渲染

灯光渲染部分，详细介绍了UE4的照明和阴影技术，包括全局光照、反射、折射等。在灯光渲染阶段，其目标是利用UE4的照明和阴影技术，模拟自然光和人工光源对建筑群的影响，以营造出历史时期的氛围和情境。首先，需要考虑自然光对建筑群的影响。使用UE4的天空盒贴图、光照模型来模拟自然光的照射效果。通过调整天空盒贴图的色温、光照强度，模拟不同时间、季节、天气的光照效果。除了自然光，还需要考虑人工光源对建筑群的影响。人工光源可以是室内的灯光、室外的路灯、街头的霓虹灯等。可以使用UE4的动态光源和阴影技术来模拟人工光源对建筑物的照射效果。通过调整光源的位置、颜色、强度，可以模拟不同类型的人工光源对建筑物的影响。为了营造出历史时期的氛围和情境，还可以在虚拟场景中添加历史时期的灯光和特效。例如，可以在虚拟场景中添加旧式的灯泡、烛光等，以模拟历史时期的照明效果。此外，还可以添加烟雾、火花等特效，以增强场景的视觉效果。最后，还需要对整个虚拟场景进行全局光照优化，确保不同光源之间的光照协调一致，以营造出更加逼真的场景氛围。

3.4  物理模拟

物理模拟部分则讨论了如何使用UE4的物理引擎，模拟建筑群的风吹草动、人物行走等动态效果，增加虚拟场景的真实感和互动性。在建筑群的动态效果下，使用UE4的刚体动力学和碰撞检测技术来模拟建筑物的移动和碰撞效果。例如，可以通过设置建筑物的质量、摩擦力等物理属性，模拟建筑物在风力作用下的摇晃效果。人物行走的动态效果是可以使用动画蓝图和角色控制器来模拟人物的行走。通过设置动画蓝图的动画序列和时间，可以实现不同行走动作的动画效果。此外，还可以添加声音效果，如风声、脚步声等，以增强虚拟场景的听觉体验。最后，还需要对整个虚拟场景进行全局物理优化，确保不同物理元素之间的协调一致，以增加虚拟场景的整体感和真实感。

3.5  交互体验

在交互体验阶段，其目标是利用UE4的交互功能，为虚拟场景添加用户交互元素，以提高参观者的参与度和体验感。在UE4中，可以使用蓝图和自定义事件来创建虚拟导游，并通过设置蓝图中的条件和动作，实现不同场景的切换和动画效果的播放。同时，自定义事件可以处理用户的输入和反馈，如语音识别、手势识别等。除了虚拟导游，语音解说功能的添加，可以利用文本到语音转换技术来实现。通过文本转换为语音并播放出来，为参观者提供详细的解说和介绍。此外，语音识别技术用来处理参观者的语音输入和反馈是提升虚拟仿真功能的重要途径。在UE4中，蓝图条件和动作的设置，可以实现不同展品的切换和动画效果的播放。同时，还可以使用自定义事件来处理用户的输入和反馈，如按钮点击、触摸屏幕等[8]。为了提高交互体验的质量和效果，对虚拟场景中的交互元素进行优化和调整。例如，可以调整虚拟导游的语音速度和语调，以适应不同的参观者和场景需求。此外，还可以优化互动展示的动画效果和切换逻辑，以增强参观者的参与感和体验感。最后，还需要对整个虚拟场景进行全局交互优化，确保不同交互元素之间的协调一致和流畅性。同时，还需要考虑不同设备平台和网络环境下的交互体验优化，以满足不同用户的需求和期望（图5）。

4  结束语

基于UE4技术平台，赣南苏区红色文化遗址建筑群三维虚拟仿真利用现代数字化关键技术重现了这一历史文化遗产的风貌。在实现过程中，不仅使用了实时渲染、三维建模、物理引擎等先进技术，还结合了历史文献和现场勘查数据，以尽可能还原建筑群的原貌。通过这一研究，不仅为红色文化遗产的保护和传承提供了新的思路和方法，还为公众提供了更为直观、真实的文化体验。同时，大众也认识到数字化保护工作的重要性，为深入研究UE4技术平台的应用，提高三维虚拟仿真的质量和效果，为更多文化遗产的保护和传承作出贡献。展望UE4技术平台未来发展，更高的实时渲染质量、更精细的物理模拟及更丰富的交互体验将为赣南苏区红色文化遗址建筑群提供全面的数字视角来呈现其本体与文化。显然，这种全面的视角不仅展示了UE4技术平台在数字化保护和文化传承方面的应用，也指出了未来可能的发展方向。

参考文献：

[1] 李渊，郭晶.基于三维虚拟地理环境的历史街道空间感知研究——以厦门鼓浪屿为例[J].中国名城，2023，37（6）：50-59.

[2] 吴迪，饶靖雯，万磊.基于UE4的汽车座椅生产线虚拟仿真系统设计[J].数字制造科学，2023，21（1）：21-25.

[3] 尹再龙，邓伍英.基于UE4虚幻实时渲染动画的《铜官古镇》设计解析[J].湖南包装，2022，37（2）：65-69.

[4] 许晓琦，魏佳丰，吴啸宇，等.虚拟仿真斗拱抗震性能体验馆设计与实现[J].科学技术创新，2021（28）：157-159.

[5] 王文龙.浅谈UE4对线路工程展示的作用[J].科技风，2021（12）：17-18.

[6] 胡峻晓，张文军，骆駪駪.电影虚拟化制作的发展前沿探究[J].现代电影技术，2021（2）：28-32.

[7] 王志强，黄凡.赣南苏区红色艺术的价值探析[J].江西理工大学学报，2014，35（4）：91-94.

[8] 刘洁，李毅，朱江平.基于双相机捕获面部表情及人体姿态生成三维虚拟人动画[J].计算机应用，2021，41（3）：839-844.