基于UE4的自然场景制作要点分析与关键技术实现

摘  要：随着计算机软硬件技术的发展，人们对于虚拟场景视觉效果的要求越来越高，UE4作为当前主流的游戏引擎和开发工具，在场景制作和渲染方面具有出色的表现，成为游戏开发和VR设计中自然场景制作的首要选择。文章以自然场景的地形、天气变化、四季交替三种情况为研究对象，探索基于UE4引擎的自然环境制作的技术要点和实现方法。

关键词：UE4;蓝图;自然场景;关键技术

中图分类号：TP391.9     文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）24-0158-04

Abstract： With the development of computer software and hardware technology， people have higher and higher requirements for the visual effects of virtual scenes. As the current mainstream game engine and development tool， UE4 has excellent performance in scene production and rendering and becomes the premier choice for natural scene production in game development and VR design. This paper takes the terrain of natural scenes， weather change， and four seasons change as the research objects， and explores the technical points and implementation methods of natural environment production based on the UE4 engine.

Keywords： UE4; blueprint; natural scene; key technology

0  引  言

真实的自然场景一直是众多游戏设计、虚拟现实设计、动画和影视作品所热衷追捧的效果，而除了3DMax、Maya、C4D、ZBrush等三维建模软件制作精细的三维模型以及Photoshop、BP 3D Paint、Substance Painter等真实精致的贴图绘制之外，Unity3D、Unreal Engine等游戏引擎，也在真实自然场景制作中发挥着重要作用，特别是Unreal Engine引擎强大的蓝图编辑功能、地形编辑和实时渲染那能力，在自然场景制作中一直独占鳌头，受到众多游戏开发者和影视动画制作者的青睐[1]。本文主要是利用Unreal Engine4的蓝图技术来实现对于自然场景中的地形、植被、水体、雨雪、雾气的效果制作，总结归纳真实自然环境的技术实现方法。

1  Unreal Engine4引擎概述

Unreal Engine4作为大名鼎鼎的游戏引擎，在GTA5、PUBG等游戏制作以及虚拟现实、影视动画领域都具有重要應用。Unreal Engine4在自然场景制作中的特色优势主要表现在以下几点：

首先是强大的渲染功能。UE4引擎与Unity3D、CryEngin引擎相比，尽管都是基于Dx、OpenGL、PhyX技术的，但是UE4疫情的几何体渲染、光栅化和GBuffer、渲染和纹理、像素着色器和材质、静态光照和静态阴影、动态光照和动态阴影、雾和半透明等实时渲染功能，让UE4具有快速且高质量地渲染优异表现[2]。

其次具有新材质管道。UE4基于物理模型的shading，提供了前所未有的材质控制方式，让开发者可以更为直观地观察和感受材质的质感、纹理、色彩。比如对于材质最终渲染效果具有重要影响的材质输入引脚，对主要是对于材质的基础颜色、高光、粗糙度、自发光材质、不透明度、世界位移、折射、环境遮挡等属性进行调节来实现不同的材质效果。

再次，强大的蓝图系统。UE4可视化编辑的蓝图系统让游戏开发者不用再写劳神费力编辑代码，就快速原型和建立玩家内容。强大的蓝图编辑系统，让开发者充分发挥创造的想象力在拖拽中创建级别、对象和玩家行为、调整输入控制、修改用户界面等操作。

最后，虚幻商城中提供了丰富的范例游戏、场景、模型、材质、贴图、蓝图逻辑、C++代码等海量丰富的素材，让用户可以借助素材快速完成项目开发，制作出高质量的自然环境。

2  自然环境制作的技术要点分析

在三维项目开发展中，真实自然场景的制作要点主要涉及地形制作、植被、材质、光影、特效等内容。

2.1  地形

地形是真实自然场景创建的技术，也是植被、光影、建筑、角色等其他物体承载的基础，因此在三维自然场景创建中根据创意设计进行山地、丘陵、草堆、河流等地形的创建是非常关键的。对于自然场景的创建，UE4引擎提供了功能强大的地形工具，可以帮助开发者制作山地、丘陵、高原、盆地等不同于地形。地形作为真实自然场景的载体，UE4地形的制作方法主要有三种，一是创建或导入地形之后，通过创建地形图层来雕刻和绘制地形的基础，从而更高效地操纵和维持地形;二是通过自制或下载的高度图，以png格式导入灰度图，自动生产地形;三是在从地理空间数据云获得指定区域的地理数据之后，将地理数据转换成World Machine可识别的格式，既可以World Machine将现实中的地形于UE4中准确呈现[3]。

2.2  材质

尽管任何材质都可用于地形，但是UE4的材质系统也特意为地形提供了一些材质节点，有助于更好地优化地形纹理。UE4材质编辑器提供了地形层混合节点、混合层、地形层坐标节点、地形层切换节点、地形层权重节点、地形可视性遮罩节点等六种特殊节点，为地形提供了各式各样的材质[4]。比如地形层混合节点（Landscape Layer Blend节点）可以通过权重比例的调整、节点的输入和输出来混合“Grass”“Dirt”“Snow”等多个纹理或材质网络。

2.3  光影

光与影的视觉、形式、明暗等关系，赋予自然场景以曼妙多变的可能性，意境纷然，因此在真实自然场景制作中对于光影的处理是至关重要的。UE4引擎所提供点光源、聚光源和定向光源，现在放置到场景中之后，主要通过对于其强度、光源颜色、衰减半径、源半径和长度等参数进行调整，以获得真实、自然的光照环境。并且UE4还提供了环境光源混合器、HDRI背景、IES光源、光源函数、光照通道、发射环境、Lightmass门户等方式来提高光照的质量。另外对于增强自然场景真实性、营造场景氛围的阴影也是自然场景制作的关键因素，在UE4中主要是通过胶囊体阴影来为角色在直接光照区域中形成柔和阴影，而对于自然场景真实阴影的创建主要是借助静态光源、定向光源级联式阴影贴图、定向光源级联式阴影贴图、动态阴影等方式来快速地渲染出令人印象深刻的栩栩如生的视觉效果[6]。

2.4  天气系统

对于真实的自然场景而言，除了基本的地形、材质、植物、光影之外，还有雨、雪、雾等天气变化以及春、夏、秋、冬等四季更替变化。UE4引擎自身强大的粒子系统、蓝图系统以及丰富的插件，为真实自然场景天气的变化提供了可能，比如在制作昼夜更替变化的效果时，可以使用虚幻自带的Sky Sphere，通过改变定向光源的旋转，然后用Sky Sphere自带的刷新函数Update Sun Direction就可以根据定向光源的旋转来实现太阳高度的变化，进而实现天空颜色的变化[6]。

3  自然环境制作的关键技术实现方法

游戏开发、虚拟现实、影视动画等项目常见的自然场景制作中，尽管UE4引擎具有更为人性化的工具，可以帮助开发者快速制作出较为真实的地形、材质、植物、天气变化等效果，但仍然是目前开发者在自然场景制作中的难点与重点。下面以自适应地形、光影效果、雨雪天气变化三种关键技术为例，探索UE4引擎制作真实自然场景的实现方法，具体如下。

3.1  自适应地形

自使用地形材质作为UE4制作真实自然场景的重要技术，其原理主要是dot点积相乘，即地面是朝上的代表Z轴B蓝色，悬崖是朝向XY轴RB红绿色的，借助基本的轴向关系和RGB色彩通道实现材质的变化来实现材质的变化，UE4自适应地形材质技术点的诞生原因、作用原理、整体架构如图1所示。

UE4自适应地形材质的制作方法，首先要准备好做需要的各类材质，比如草地、岩石、白雪等材质的纹理贴图、法线贴图;其次，创建蓝图节点。选中系统材质属性节点，将“Use Material Attributes”属性勾选，设置为自定义材质，并根据所制作自适应材质的种类创建多种地貌制作材质属性节点“Break Material Attributes”。将所创建草地材质基础材质、岩石材质为顶层材质，将两种材质的纹理贴图和法线贴图的“Testures Sample”节点的RGB数值作为输出连接到“Break Material Attributes”的“BaseColor”和“Normal”节点。再次，创建“dot”节点将当前的绝对世界坐标，归一化到（0～1）齐次空间，然后取出Z坐标（Z坐标就是当前地形的高度）数据，并将其转化为“HeightTexture”并以“Alpha”的数据形式连接到“Matlayer Blend_Standard”，最终所形成的自适应地形材质的他蓝图逻辑如图2所示，所形成的最终自适应地形材质的自然场景效果如图3所示。

3.2  光影效果

在自然场景中太阳光的位置决定了光线与阴影的位置，控制好太阳光的位置能够为自然场景光影创造独特气氛，即使是一个基本的线性渐变，也能产生形与环境的变化与结果。因此利用不同层次的光影变化可以达到物象本身难以表达的效果，形成强烈的视觉效果，增加了视觉趣味，也体现了鲜明的主题与形象感、烘托主题与气氛。比如自然场景的太阳光，作为主要的光线来源和阴影的创造者，太阳的东升西落以及高度变化对于场景中光照的颜色、强度和阴影的长短、浓淡都具有重要的影响。对于太陽光东升西落的效果，首先需要创建蓝图类选择Actor，打开蓝图类并在事件图表中，创建三个变量类型分别为Directional Light、BP Sky Sphere、Sky Light，分别为场景中的平行光（Light Source），天空球（Sky Sphere），天光（Sky Light），并将场景中的对应的物体拖入三个变量当中，为太阳光东升西落效果的制作做好准备。对于太阳东升西落效果制作的核心技术主要是借助变量来控制平行光的旋转，即将平行光（Light Source）选入变量中，并且将Light Source更改为可移动，使用Tick事件节点来实现平行光在Y轴方向上的旋转，并使用 Update Sun Direction节点更新天空球，就可以实现太阳升起落下的效果，如图5所示。

3.3  雨雪天气变化

天气系统作为真实自然场景的重要组成部分，丰富的环境变化系统，四季变换、白天黑夜带给玩家带来更为沉浸的游戏体验，比如游戏《代号：夏娃》就是采用了UE4引擎，为玩家还原和打造了一个几乎涵盖了现实中所有天气情况的丰富多彩的真实世界。UE4引擎借助插件和蓝图系统来驱动动态云动力天气、时间和季节系统，相比较Unity3D等引擎而言具有更大的灵活性和优质性能。以雨雪天气的变为例，其关键技术的实现方法如图6所示。

最终实现的雨雪天气变化效果，即开始大雨滂沱，雨水落到平静的湖水面后形成涟漪效果，下雨后场景中的山地、草原、树木、石头等所有物体变成湿漉漉的效果，雨水过后开始下雪，物体表面开始慢慢积雪，世界变成银装素裹的样子，营造了一个真实的雨雪天气变化效果，如图7所示。

4  结  论

本文在分析了真实自然场景制作的关键因素和制作要点的基础上，以自适应地形、光影效果、雨雪天气变化三种效果的制作为例，探索了基于UE4蓝图技术的实现方法。真实的自然场景是游戏开发、虚拟现实、影视动画等领域一直不断追求的效果，并且随着Unreal Engine引擎功能的不断强大，会为我们奉献更为真实惊艳的自然场景。

参考文献：

[1]符清芳，张茹.基于UE4蓝图的自然场景制作与关键技术实现 [J]，电脑知识与技术，2016，12（31）：188-189.

[2] 张帆，刘嘉森，丁一淳，等.基于UE4的滑雪可视化系统设计与实现 [J].科学技术创新，2021（28）：55-58.

[3] 胡丹玲.基于虚拟现实环境中自然光照实时渲染的方法研究 [D].长春：吉林大学，2016.

[4] 李龙.基于Unity3D的虚拟环境模拟与人机交互应用研究 [D].成都：电子科技大学，2018.

[5] 朱佳华，吴昊，陈煌玲，等.VR自然灾害场景体验模拟系统 [J].科学技术创新，2019（35）：29-30.

[6] 余肖翰，余麒祥.基于UE4引擎的海洋虚拟可视化初探 [J].应用海洋学学报，2017，36（2）：295-301.

作者简介：潘舒洁（1984—），女，汉族，江苏苏州人，讲师，本科，研究方向：计算机教学、虚拟现实。