虚拟现实场景设计与制作

**章?? 概述 **节?? 虚拟现实场景设计与制作的主要应用领域 虚拟现实场景设计与制作主要是指使用虚幻引擎（Unreal Engine）进行三维空间场景设计制作的过程。其关键要素有两个：**，对于引擎技术的掌握，本书主要是使用虚幻引擎，指导大家学习使用虚幻引擎中关于三维场景制作的各种重要工具和相关技巧；第二，三维虚拟现实场景具体案例的设计制作，即在引擎中设计并制作出具有较高专业水准的虚拟现实三维场景，本书将指导大家制作一个具有较高复杂度、较多场景相关元素及较大交互空间的三维 场景。 虚拟现实场景设计与制作相关内容的应用范围非常广泛，可以应用于各种 领域的三维场景，包括虚拟现实 VR/AR 场景、游戏场景、影视 CG 场景、虚拟 仿真场景，等等。除以上内容以外，主流的交互内容设计领域，如工业产品互动 设计、互动展示设计等都会应用到虚拟现实场景制作的关键技术和相关流程。 1. 虚拟现实 VR/AR 场景 虚拟现实场景设计与制作应用*广泛的领域之一是虚拟现实 VR/AR 场景。 图 1-1-1 所示为虚拟现实 VR 项目《甲午海战 VR》中的场景截图，该项目中 的虚拟现实场景使用虚幻引擎设计制作。在该 VR 项目案例中，我们戴上 VR 设备可以置身大东沟海域的海面，身临其境地感受到当年甲午海战时清政府北 洋水师和日军联合舰队激烈对战的场景。虚幻引擎对三维场景设计制作具有丰 富的表现力，它不但可以设计制作出超写实的三维场景，还可以制作出与众不 同的风格化创意内容。 图 1-1-2 所示为本教材后面将学习到的虚拟现实场景案例截图。该场景是 一个相对比较复杂的场景，其中包含一个相对比较完整的虚拟现实游戏关卡内 容，我们既可以在这个关卡不同方位的道路上跑动，也可以在不同空间中查看 交互道具及相关特效环境。 2. 游戏场景 游戏引擎为游戏而生，所有游戏都是通过专业游戏引擎制作完成。虚幻引擎的本质就是游戏引擎。因此，虚幻引擎技术能够完美地为游戏场景的设计制作服务。图 1-1-3 所示的是笔者于 2014 年带队开发的一款三维手机游戏中的场景截图。从中可以看到，即便 2014 年性能非常受限的手机平台，依然可以使用虚幻引擎设计制作出画面效果丰富的三维游戏场景。 3. 影视 CG 场景 由于游戏和虚幻引擎技术多年来保持着持续高速发展势头，当今的虚幻引擎已经拥有强大的制作功能，所以不少电影项目、电视项目或者 CG 动画项目逐步开始使用引擎技术进行制作。图 1-1-4 显示的是一部游戏 CG 短片中的场景， 该 CG 短片由笔者于 2013 年带队设计制作。可以看到，游戏 CG 动画具有不亚 于电影或电视作品的质量和丰富的画面效果。使用当前的虚幻引擎技术完全可以制作出同等质量的影视或游戏 CG 场景。 第二节?? 虚拟现实场景设计与制作的主要内容 在引擎中制作场景与在 Maya 中制作场景有着显著的区别。在 Maya 等软件制作的三维动画场景中，我们制作的通常是透过摄像机镜头看到的画面，只要有利于丰富摄像机画面的内容，我们都会认真设计制作；而摄像机画面以外看不到的内容，我们通常不会制作。因此 Maya、3DMax、Blender 等三维软件制作的通常是镜头场景，即针对特定视角、特定范围的有限场景，而在引擎中设计制作的场景则呈现出显著的区别。在引擎中设计制作场景通常是制作一个完整的空间，人们在这个空间内往往可以自由行走，或与环境进行交互。用游戏关卡的思维来讲，可能更符合引擎场景的设计制作，即引擎场景是一个相对完整的空间，包括路径、空间及所有可以交互的环境物件或建筑道具等。 在引擎的虚拟现实场景设计中，我们通常要设计两部分内容：一是关卡内在核心功能的场景要素部分，这部分设计是内在的、功能化的，甚至不直接显现的，我们通常称之为关卡核心功能设计部分，如关卡空间、关卡道路、关卡交互要素。二是外在视觉呈现部分，即将前面关卡功能模块设计的关卡空间、关卡道路、关卡交互要素等进行视觉化，让人们看到视觉丰富的虚拟现实场景，如台阶、地板、树木、岩石、建筑、道具。 1. 虚幻引擎场景的内在核心功能设计 虚幻引擎场景的内在核心功能设计主要包括关卡路径、关卡空间、关卡节点等，以其独特的运行机制作用于虚拟现实场景的底层设计中，它们多是从游戏设计延伸过来，是游戏或虚拟现实场景设计中的核心功能部分。只有满足既定功能的设计才是有用的设计。这部分内容通常是通过游戏或虚拟交互过程中某些特定事件的发展顺序、空间感知的过程等与现实世界极为相似的感知逻辑进行设计。图 1-2-1 显示的是游戏与虚拟现实场景设计过程中的关卡路径、关卡空间、关卡节点等相关场景核心功能的关卡设计图。 2. 虚幻引擎场景的主要可视化元素的设计与制作 虚幻引擎场景的主要可视化元素的设计与制作具体涉及虚拟现实场景中具体的空间组件、道路、植被、建筑、道具及特效等元素，即人们在游戏或虚拟现实场景中可以直接看到的主要内容。图 1-2-2 为游戏或虚拟现实场景设计的**阶段关卡的基础设计。我们通常会使用一些基本的几何体来建造*基础的关卡空间和路径，并通过控制角色在场景中的路径和空间内不停地跑动来检查关卡设计的合理性和各位置的基础效果。 图1-2-3是在关卡设计的基础上，逐步丰富完善的道路和空间环境效果截图。可以看到，路面和道路两旁的石块栏杆都已经制作完毕，我们可以通过控制角色在场景中跑动来测试道路、空间及道具的摆放是否合理和美观，同时也可以通过植物、光影等场景元素丰富场景视觉效果。 第三节?? 虚拟现实场景设计与制作的流程 虚拟现实场景设计与制作的流程是指我们从概念想法到视觉设计，再到引擎制作等，虚拟现实场景设计与制作过程中涉及的各关键环节及逐步推进的完整过程。我们可以将虚拟现实场景设计与制作简要地分为前期基础设计、中期制作与细化、后期功能的细化与优化三个主要环节。 1. 前期基础设计 前期基础设计主要是指虚拟现实场景的前期设计阶段，包括绘制关卡设计图、使用 BSP 搭建简模关卡、摆放基础地形、通过调整灯光营造基础场景氛围等。前期基础设计涉及场景概念图设计与关卡设计图，场景概念图设计主要侧重场景的视觉效果，而关卡设计图更偏向于交互设计空间。图 1-3-1 中的左图主要是关卡平面设计图，右图是根据关卡设计图在引擎中搭建的基础关卡。 2. 中期制作与细化 中期制作与细化是将场景的空间、道路、建筑、道具及植被等场景主体元素制作呈现的过程，是引擎关卡制作中的主体环节。在这个环节中，我们主要把握如何对虚拟现实场景的路径与空间进行细化，如何设计与安排建筑与道具，如何细化植被及相关元素等。在场景基本路径和空间搭建完成后，设计工作也基本接近尾声，此时场景制作的重点就会倾向于更加外显的视觉元素，如模型材质、动态特效及光影氛围等元素。图 1-3-2 中的左图是本书案例中所搭建的基础关卡场景，从中我们可以看到它与之后细化过的场景（右图）之间的联系与区别。右图是在左图的基础上细化完成的。 3. 后期功能的细化与优化 后期功能的细化与优化是指对在上一环节制作完成的场景进行功能上的细化与视觉效果方面的优化。所谓功能的细化是指游戏或虚拟现实场景设计之初的核心功能，在制作的场景中进行具体的隐性或显性的制作细化，以满足关卡场景设计过程中应该有的核心功能。在这一阶段，我们将指导大家构建虚拟现实场景中的交互环境、交互道具、视觉特效等相关功能要素，并对其进行细化和呈现。 此外，制作引擎场景*为重要的环节之一就是性能优化。这部分的工作主要围绕场景的功能、视觉效果及实际运行效率（帧速率等）进行调整优化和平衡。游戏与虚拟现实项目中，稳定的性能和舒适的呈现是**要素。我们要在确保项目基本稳定运行和舒适体验的基础上，呈现更优秀的视觉效果。