虚幻引擎5 MetaSounds与Niagara系统的音画交互研究

摘要：目的：本研究围绕虚幻引擎5，深入探讨其MetaSounds与Niagara系统在音画交互设计中的应用价值，分析其对视听体验的重塑及对新媒体艺术领域的潜在影响。方法：以虚幻引擎5为平台，系统阐释MetaSounds与Niagara系统的功能及蓝图可视化编程工具的作用，详细介绍虚幻引擎5中音画交互设计方法的流程与技术要点。运用对比分析与实践验证相结合的方式，凸显该系统的创新性与特点。结果：在虚幻引擎5中，音画交互设计的实现十分高效且易于优化调试。MetaSounds音频系统通过节点式工作流程、模块化设计等增强了音频处理能力，Niagara视觉系统在色彩映射、纹理渲染等方面表现出专业性与可调性。蓝图实现了音画系统的高效通信，提升了创作效率。此方法增强了音画的协调性与互动性，创造了沉浸式体验，优化了音画数据和通信流程。结论：虚幻引擎5的音画交互系统具有创新意义和广阔的发展前景，能够为音画交互设计提供新的创作思路和技术手段，推动相关领域进步，同时为创作者选择平台和软件提供参考。

关键词：虚幻引擎5；音画交互；MetaSounds；Niagara

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2024）13-0-03

1 虚幻引擎概述

虚幻引擎是一款集图像处理、音频处理和可视化编程功能于一体的强大的游戏引擎，应用于开发游戏和互动内容。其图像处理功能依赖Nanite虚拟几何体系统和Lumen全动态全局光照系统。前者允许处理复杂的几何细节，突破传统多边形限制，确保高精度模型无损展示；后者则通过实时动态光照和反射，大幅增强场景的真实感。在音频处理方面，虚幻引擎支持3D音效与空间化音频，增强听觉沉浸感。借助音频蓝图系统，用户可以通过可视化界面高效创作音频效果，利用节点连接轻松实现复杂的音频设计，丰富互动艺术作品的听觉层次。受传统媒体特性的限制，作品处理同时性事件通常只能采用相互交叠的形式。而计算机媒体则使创作者可以将所有同时发生的事件置于一个网格，允许交互者在它们之间航行，以多种路径提供同时性的行动［1］。在虚幻引擎中，蓝图（Blueprint）系统是可视化脚本工具，降低了编程的复杂性，艺术家和设计师不需要大量的编程经验即可创建复杂的非线性互动逻辑。在音画交互设计中，蓝图通过拖拽和连接节点展现直观的工作流程，与传统代码编程相比，其更加灵活易用。它允许创作者快速迭代和实时调试设计，能够大大提高创作效率。

2 虚幻引擎5音画交互系统

2.1 视觉系统Niagara

Niagara是虚幻引擎5中一款先进的粒子系统，用于创建和管理复杂的视觉效果。其优势是在粒子效果设计方面具有显著的专业性。在视觉艺术中，质感是二维和三维设计的一个元素，并以感知的视觉和物理特性而著称［2］。在音画交互设计中，色彩、纹理、形状、光照、运动等元素可以表达各种信息和情感。Niagara系统在这些元素的设计中具有显著的专业性和丰富的可调性。

2.1.1 动态色彩映射

动态色彩映射功能允许设计师对粒子生命周期内的色彩进行自定义调整。设计师可以基于粒子的属性，如生命周期、速度和位置，通过色彩渐变曲线和插值方法实现复杂的色彩变化。例如，火焰、爆炸等效果可以通过这些功能进行精细调整，以适应不同的视觉需求。Niagara还支持多种色彩运算，如色彩乘法、加法和混合模式，使色彩的计算和调节更加灵活，适应多样化的视觉表现需求。

2.1.2 静态与动态纹理渲染

在纹理渲染方面，Niagara支持静态和动态纹理的应用。通过纹理坐标系统和动态纹理动画技术，设计师能够创建动态的纹理效果，如水面波纹或流动的熔岩。这些效果可通过时间序列控制，增强粒子系统的真实感。Niagara的材质系统集成能力使设计师能够创建多层次的纹理组合，实现高精度的表面细节渲染，如光泽和微观细节等，打造高质量的视觉效果。

2.1.3 几U2gnD1BSJwfnsltg7qK/3A==何形状处理

几何形状处理使设计师可以对粒子的发射形状和形状变换进行精细控制，其支持从简单几何体到复杂形状的粒子系统设计。动态形状变换功能允许粒子在运动过程中变化形状，从而增强视觉表现力。此外，Niagara还支持基于粒子物理属性的高级几何处理，如速度、加速度等，模拟各种自然与非自然现象，使粒子系统在动态视觉效果中展现出极强的真实感。

2.1.4 自发光功能

粒子的自发光功能使其在场景中成为光源或视觉焦点。设计师可以设置粒子的发光强度和颜色，创建闪光、霓虹灯等效果；可以实时动态调整发光效果，如脉动光效、渐变光效等；可以通过控制发光强度和颜色的变化，模拟真实场景中的光照变化，如闪光效果中的光衰减过程。

2.1.5 粒子运动模拟

粒子运动模拟提供高度可定制的粒子运动控制功能，包括初速度、加速度、重力影响、空气阻力等物理属性。通过精细的调节，设计师能够模拟爆炸冲击波、气流拖拽等复杂的运动现象，增强视觉效果的真实感。Niagara还支持粒子行为的系统级建模，涵盖粒子的生命周期管理、碰撞检测和群体行为模拟。例如，通过定义粒子的生成、运动、衰退和消失阶段，设计师可以模拟雨滴、烟雾等自然现象，确保粒子在复杂的环境中表现出一致且高度协调的行为模式。

2.2 音频系统MetaSounds

MetaSounds系统在虚幻引擎中为动态音频设计提供了强大且灵活的工具，特别适用于新媒体艺术和音画交互设计。其图形化编程界面、模块化设计、实时参数调制和高级音频效果等功能，为创作者在音频处理和互动设计上提供了较高的自由度。

2.2.1 点式图形化编程

MetaSounds系统采用节点式图形化编程界面，该界面通过简化音频信号流的设计与操作，为音频创作提供了极大的便利。在这一系统中，每个节点代表一种特定的音频处理功能，如振荡、滤波和调制等。设计师可以通过拖放这些节点，直观地构建复杂的音频信号路径，并实时观察音频信号的变化。这种可视化编程方式降低了编程门槛，即便是没有编程背景的声音设计师也能够轻松参与音频设计。

2.2.2 模块化设计

MetaSounds系统的模块化设计体现在丰富的节点库中，涵盖了生成节点、处理节点、效果节点等多种类型。生成节点负责产生基础音频波形，如正弦波和噪声等；处理节点则应用于各种音频效果，如滤波、混响和延迟等；效果节点则提供特定的音效处理功能。这些节点可以根据需要任意组合，形成复杂的音频处理链条。

2.2.3 实时参数调制

MetaSounds系统支持实时参数调制，这项核心功能允许设计师在音频播放过程中动态调整音频参数，如音量、音高和滤波器截止频率等。这种调制能力基于实时输入数据，如用户交互或传感器数据，使音频体验可以实时响应环境变化。例如，在一个互动式艺术作品中，观众的动作或声音可以实时影响背景音效的变化，创造个性化的沉浸式体验。实时参数调制不仅能增强音频体验的互动性，还能提升音频表现的灵活性和丰富性，使设计师可以根据实际需要调整音效，增强整体沉浸感和用户参与感。

2.2.4 音频数据化

MetaSounds系统还支持音频信号的数据化处理，包括Envelope Follower（包络跟踪器）和Spectrum Analysis（频谱分析）功能。Envelope Follower功能根据音频信号的强度变化驱动视觉效果发生变化，如调整3D模型的震动或变形，使视觉效果与音频同步。Spectrum Analysis功能则提供频率成分的精确控制，适用于复杂的音效设计和音频可视化应用。

2.3 蓝图与音画系统的通信

蓝图作为一种可视化编程，相较于传统的代码编程，更加高效且易于学习上手。虽然虚幻引擎的底层是C++实现的，但它可以通过蓝图来实现不写一行代码完成交互逻辑［3］。蓝图对于不熟悉传统代码的艺术家而言，是一个很好的实现交互逻辑的解决方案，为音画交互设计和创作提供了便利，也提高了效率。

2.3.1 MetaSounds与蓝图的通信

MetaSounds可以通过蓝图进行动态控制和交互。常用的方法包括事件触发、参数绑定、实时更新。MetaSounds能通过蓝图中的事件节点触发和控制，当特定条件满足时，设计者可以利用事件节点启动MetaSounds的播放或调整音效参数，从而在艺术作品中实现精确的音效触发。MetaSounds的参数可以暴露给蓝图进行直接控制，如设置音量、频率等音效参数，并通过变量或函数将这些参数值传递给MetaSounds系统，使音频与视觉效果能够精准同步。此外，MetaSounds支持通过蓝图进行实时参数更新，这一功能在音画交互设计中尤为重要。

2.3.2 Niagara与蓝图的通信

在虚幻引擎5中，设计师可以通过蓝图，动态控制Niagara粒子系统的多个参数，如发射率、速度和颜色等，使视觉效果与音频信号实时同步，实现音画的深度融合。蓝图中的事件驱动功能允许在特定条件下触发Niagara粒子效果，例如，当音频信号达到某个频段的能量阈值时，特定的粒子效果会被激活，从而增强作品的互动性和表现力。

Blueprints在虚幻引擎中的应用大大简化了复杂的交互逻辑，实现了高效、直观的音画同步控制。对不熟悉编程的艺术家来说，Blueprints提供了一种解决方案，即通过可视化编程设计和创作作品，这显著提升了创作效率与作品表现力。

3 虚幻引擎与Max/MSP的对比

Max/Msp是一款可视化编程软件，常被用于音画交互设计。Max/Msp以新颖的方式同时呈现给用户程序结构和人机界面，由于它的可扩展设计和图形化的用户界面，现已成为全世界互动电子音乐设计和演奏的通用编程语言［4］。它提供丰富的音频和视频处理模块，可通过连接不同模块实现复杂交互，但学习成本较高。在音画交互设计与创作中，虚幻引擎能提供诸多便利，但相比传统的音画交互设计软件Max/Msp，创作者在选用平台和软件时需要考虑VST音源插件支持、MIDI控制的精确性这两方面的因素。

3.1 VST音源插件支持

MetaSounds具有强大的内置音频处理功能，允许创作复杂的音频合成和效果，而无须依赖外部插件。但MetaSound不直接支持VST插件，对熟悉音乐制作和音频处理的设计师而言，可能需要额外的桥接工具。Max/Msp通过“vst～”对象，可以直接加载和使用VST插件，极大地扩展了其音频处理能力，允许艺术家灵活地将VST插件集成到复杂的音频信号处理链中。但更细化的功能则需要更多专业的技术和知识才能灵活调用，所以Max/Msp需要进行额外的设置和配置。例如，数字音频工作站Ableton Live的Max for Live集成，就是一款可以将Cycling 74的Max/Msp整合进Live的图形化编程软件。Max For Live作为Live和Max/Msp的集合体，所有设备模块都是可以被编辑的，类似于软件的源代码［5］。这在一定程度上增强了系统的复杂性，同时增加了创作者对软件和代码的学习成本和上手难度。

3.2 MIDI控制的精确性

虚幻引擎中的音频处理是实时的，可以快速响应用户的输入和控制，且通过蓝图，可以将MIDI控制与虚幻引擎中的其他系统紧密集成，实现复杂的互动效果。然而，对于需要高精度MIDI控制的应用，MetaSound的处理可能不如专门的数字音频工作站。Max/MSP通过“midiin”对象和“midiparse”对象提供强大的MIDI控制能力，可以精确地接收和解析MIDI数据。同时，Max/Msp支持复杂的MIDI映射和实时控制，适合需要精细调控的音频和互动创作。值得注意的是，虽然这些功能十分强大，但Max/Msp的MIDI控制系统可能需要一个学习和适应过程。

4 结语

本研究深入探讨了虚幻引擎5中MetaSounds与Niagara系统在音画交互设计中的应用价值。通过对该引擎的系统介绍与技术功能解析，展示了其在声音与画面融合、交互机制构建以及观感体验优化等方面的卓越表现。与传统音画交互设计软件Max/Msp相比，虚幻引擎5在音画交互设计领域具有诸多优势，但在VST音源插件支持和MIDI控制精确性方面仍有提升空间。创作者在选择平台和软件时，需综合考虑各方面因素，选用合适的创作工具。

参考文献：

［1］ 柴秋霞.数字媒体交互艺术的沉浸式体验［J］.装饰，2012（2）：73-75.

［2］ 吴敏洁.氛围音乐概念下的音画交互设计研究［D］.杭州：中国美术学院，2019.

［3］ 汪铁良，袁圆.基于Unreal Engine的虚拟现实技术在元宇宙图书馆中的应用［J］.现代信息科技，2024，8（5）：144-148.

［4］ 白小墨.基于Max创作平台的电子音乐在声音装置中的应用研究［D］.成都：四川音乐学院，2015.

［5］ 沈忱.解析Max For Live的声音设计与应用［D］.成都：四川音乐学院，2014.