摘要：新冠疫情以来，非接触式的在线教育成为各大中小学的主要授课方式。为满足师生的需求，图书馆的服务重心也从线下转到了线上。虚拟现实作为一种沉浸式、非接触式的技术在图书馆的线上服务中的应用价值日益凸显。如何实现虚拟图书馆一直是图书馆领域的研究热点，文章通过对比基于UE4游戏引擎的实现方案与其他几种虚拟现实技术实现方案，分析得出基于UE4游戏引擎实现虚拟图书馆是符合当下VR发展趋势和高校图书馆现状的可行性方案。
关键词：UE4；Unreal Engine；图书馆；虚拟现实
1.引言
新冠疫情以来，教育部要求各地大中小学校推迟开学，并倡议利用网络平台开展“停课不停学”。各教学单位也积极响应号召，开展了线上教学的活动。高校图书馆作为教辅单位也积极配合各学院开展在线服务的工作。目前各图书馆在线服务主要以微信、QQ、电子邮件和网站等方式提供信息咨询和文献传递等服务，一些常规的线下聚集型的活动无法开展。
例如，入馆教育作为高校图书馆的一项常规服务，疫情之前浙江外国语学院每月都会以线下培训讲座的方式进行图书馆入馆知识的普及和教育。新冠疫情期间师生都无法返校，带学生实地参观图书馆和面对面教学已经不现实。阅读推广活动也是图书馆的一项常规服务，和学生社团一起做游戏推广图书馆资源也很难实现。
如何将这些常规的服务搬到线上来进行是对各个高校图书馆一个很大的挑战。常见的做法是通过在线直播、发布录制视频和微信推文等方式进行线上活动。然而这种方式存在一定的局限性，学生只能通过文字、图片、PPT等来了解图书馆，这种二维的平面信息无法对图书馆形成直观的感受，读者对图书馆存在空间距离感和缺少亲切感。虚拟现实（Virtual Reality, VR）技术可以很好地弥补这个缺点。
2.虚拟现实技术
虚拟现实技术是一种通过计算机图形学和虚拟仿真“重现”真实世界的场景，让读者有身临其境的体验的技术。随着5G、物联网和虚拟现实技术的日渐成熟，传统的教学方式、学习环境正在由“实体”向“虚拟”转变[1]。
2003年林登实验室推出Second Life虚拟社区游戏，玩家可以在游戏里吃饭、旅行、购物、建房子等活动，很多大学、公司、博物馆和图书馆纷纷加入，截止2014年，全球已有800多个图书馆参与其中[2]。美国得克萨斯 A＆M 大学的伊万斯图书馆通过虚拟仿真技术，让使用者通过远程接入的技术漫游图书馆，在虚拟环境中利用导航、浏览、阅读、聆听了解图书馆图书情报[3]。
2008年9月，中国国家图书馆正式推出了“虚拟现实系统”用户体验区。用户可在中国国家图书馆中进行新馆漫步，虚拟地“参观”，足不出户即可了解国家图书馆的业务布局和建筑风格。
2.1实现原理分析
虚拟现实技术的实现方式有很多种，目前流行的主要分两类：基于360°全景技术和基于三维建模技术。
2.1.1 360°全景技术
360°全景技术是一种结合数码摄影、计算机图像和计算机网络的静态图像技术。
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图1 基于360°全景技术的虚拟图书馆实现原理
以虚拟图书馆为例，该技术的实现原理，首先通过相机在水平方向按每隔一定角度拍摄一张环绕360°，然后顶底各拍摄一张。再将这些图片导入到全景图合成软件制作成一张全景图，并通过flash等技术添加语音、文字和热点等交互信息，最后发布到网站上。
司占军等人利用单反相机、Photoshop CC和PTGui Pro软件实现了全景图制作，并在720云平台上发布完成了天津科技大学河西校区图书馆漫游系统的制作[4]。李慧利用Nikon D90、JTS-Rotator全景云台等设备实现了校园全景图的制作[5]。
这种实现方式的缺点是（1）后期无法拓展更多的VR功能。例如参考咨询、VR阅读、虚拟讨论等都是很难实现的。（2）交互功能单一。360°全景技术的VR产品很多都是固定的漫游路线，只能通过点击场景中的热点来行走，缺乏自由度。优点是，工作量小，容易实现，开发成本低，并且实地拍摄的照片看起来也真实。因此，360°全景技术适合功能单一的虚拟导航和全景展示。
2.1.2 三维建模技术
三维建模技术是VR领域最常用的技术，是CG（Computer Graphic）领域的典型技术，广泛应用于影视、动画、游戏、建筑等领域。市场上常见的3D电影、3D游戏、房地产广告等都基于这种技术。
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图2 基于三维建模技术的虚拟图书馆实现原理
基于三维建模技术的虚拟图书馆实现通常分为以下几个步骤：收集图书馆建筑数据、三维软件建模、导入人机交互软件和打包发布软件。
（1）收集图书馆建筑数据
获取图书馆建筑数据一般有两种方式。一种是拿到电子CAD图纸。新造的图书馆一般可以要求建筑设计单位提供CAD图纸。国内建筑企业大多用天正建筑CAD制作电子图纸，这种图纸符合AutoCAD软件格式标准，只需安装AutoCAD软件即可查看。另一种是在图书馆实地测量，自己画平面图纸。一些老的图书馆很多都没有CAD图纸，只能现场勘测。
（2）三维软件建模
三维软件建模是将二维的建筑数据用三维的方式展现出来。目前市场上的三维软件主要有Revit、C4D、3DMax、Maya和SketchUp等，一般Revit、3DMax和SketchUp支持直接导入AutoCAD文件，在建筑领域用的比较多，而C4D和Maya在影视动画和游戏等领域应用的比较多。三维建模是整个工作流中最复杂、工作量最大的部分。三维建模工作需要配合人机交互软件来进行，不同的人机交互软件对三维模型有不同的要求。例如有些要求提供两套UV，有些对模型的三角面数有限制，有些对模型的格式有要求等等。
（3）人机交互软件
人机交互软件的主要功能是给导入的三维模型添加人机交互逻辑和图形渲染功能。人机交互逻辑包括AI、物理、碰撞、触发器、UI界面等，一般需要编程实现。图形渲染方面主要为模型添加材质贴图、光照等信息。常见的用于开发VR的人机交互软件有VRML、X3D、UE4、Unity3D、Quest3D和中视典的VRP等。
（4）打包发布软件
软件发布要考虑各种平台系统。例如，桌面版的Windows、Linux、MacOS系统，移动版的Android、IOS、TVOS等系统。人机交互软件一般都带有相应的软件打包功能，一个好的的人机软件往往支持各种平台的软件发布。
基于三维建模实现VR的案例有很多。吕朝华等用3DMax和Quest3D实现了虚拟图书馆漫游[6]。庄楚鑫等基于Unity3D和3Dmax实现了图书馆虚拟阅读系统[7]。
这种基于三维建模技术实现VR的方式有以下几个缺点：（1）开发技术要求高。开发者需要掌握二维CAD软件，三维建模软件，人机交互软件，还需要懂Photoshop等图片处理技术。（2）工作量大。从实地勘测、三维建模到实现人机交互需要大量的时间和精力。（3）对硬件要求高。开发VR的这些三维软件对显卡、内存的要求很高，一般都需要图形工作站才能胜任。
优点是立体感和沉浸感强、交互体验好、功能扩展性强,是目前开发VR/AR的主流技术。
3.基于UE4游戏引擎的方案探讨
3.1 UE4引擎简介
Unreal Engine 4 (简称UE4，中文名虚幻引擎4)是世界著名的游戏公司Epic Games于2014年发行的一款殿堂级的游戏开发引擎与编辑器，前身是UDK（Unreal Development Kit）。《战争机器》、《虚幻竞技场》、《绝地求生：刺激战场》、《堡垒之夜》等知名游戏都是基于Unreal Engine开发的。Unreal Engine之前由于高昂的授权费用，一般都是在大公司使用，直到2015年3月Epic公司宣布Unreal Engine 4开源免费，才逐渐在业界流行起来。UE4由于其照片级逼真的画质、强大的实时渲染功能，在建筑、影视、动画等领域被广泛应用。
目前UE4在图书馆的应用还比较少。2013年高义栋等基于UDK实现了虚拟图书馆漫游系统[8]。2016年日本游戏美术师Aiko Shinohara基于UE4引擎制作了牛津大学图书馆。2016年，刘向晖等探索了UE4引擎在乌兰察布集宁附中图书馆建筑可视化中的应用[9]。
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图3 基于UE4引擎的牛津大学图书馆
3.2 UE4引擎的优缺点
UE4引擎是基于三维建模技术的，相比于360°全景技术，UE4引擎的功能更强大，可以实现多人交互、VR阅读等功能。当然，技术实现比360°全景技术复杂，开发周期也长，对硬件的要求高。
在基于三维建模技术的VR方案中，UE4和Unity3D是当下VR领域应用最多的两款游戏引擎。下面通过对比这两款引擎来说明UE4的优缺点，两款引擎的差异如表1所示。
表1
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（1）UE4和Unity3D都有免费的版本，但是Unity3D的免费版不能定制发布软件的Logo，没有性能优化调试工具，源代码不开源。UE4是开放源代码的，可以自定义Logo，内部集成各种性能优化调试工具，对开发者而言UE4的自由度更大。
（2）蓝图是可视化编程语言，只需拖拽图形即可完成编程。虽然UE4引擎的底层是C++实现的，但是它可以通过蓝图来实现不写一行代码完成交互逻辑。所以，即使是不懂程序的关卡设计师和美术师都可以独立完成游戏逻辑。相比之下，Unity3D对开发人员的要求比较高，Unity3D原生是不支持可视化编程的，所以开发人员需要有C#等语言的编程基础。
（3）图形画质上，UE4作为公认的AAA级游戏引擎，比Unity3D要略微高一个档次。
(4)UE4和Unity3D都支持跨平台的打包输出，但是UE4一直以来主攻桌面游戏和主机游戏领域，对移动端的支持没有Unity3D做得好，这也是问什么Unity3D在手机AR领域很受欢迎。
(5)虽然UE4的商店资源质量普遍比Unity3D的好，但是免费的资源UE4少的可怜。
(6)由于UE4从2015年开始才开源免费，而Unity3D从开始发布就推行免费策略，社区的人数Unity3D一直保持领先，社区的文档资料等自然也是Unity3D多得多。
综上所述，UE4具有对不会编程的开发者比较友好，图形画质高，比较适合写实风格的桌面式VR/AR开发等优点，也具有对低端硬件的支持比较差，免费的商店资源不多，学习资料少等缺点。
3.3基于UE4引擎的简单尝试
以浙江外国语学院新图书馆为例，基于UE4引擎进行快速原型开发。
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图4 基于UE4引擎原型开发技术路线
第一步，从校园建设处获取图书馆新馆的CAD文件。第二步，将CAD文件整理好后，导入到3DMax软件中进行三维建模。第三步，将模型导入UE4，用UE4引擎自带的第三人称模板创建项目，模板包含基本的光照环境和一个可以四处跑动机器人。对模型进行简单的材质设置。第四步，打包输出Windows平台的可执行文件。
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图5 浙江外国语学院新图书馆模型在UE4中的表现
进过测试，基于UE4开发虚拟图书馆还是挺方便的。UE4提供了多种现成的项目模板，大大缩短了开发周期。3Dmax和UE4之间通过datasmith免费插件进行连接，可以一次性整体导入建筑，不需要将建筑分解成一个一个FBX文件再导入，非常方便，有效地减少了中间环节的出错概率。UE4支持跨平台打包输出，可以根据自己的需求发布桌面版、移动版、VR眼镜版、智能电视版等格式，减少了开发者的工作量。
4.结语
综上分析，对于实现简单的虚拟图书馆漫游目的，360度全景照片方案是成本最低、最容易实现的。如果想让虚拟图书馆作为一个平台，可以增加参考咨询、VR阅读、VR讨论等交互性功能的，三维建模方案是最优的。UE4游戏引擎具有免费，高画质，不用写代码就能完成开发等特点，非常适合目前大多数图书馆馆员不会编程的情况。UE4引擎为图书馆自主开发虚拟现实技术提供了可能。至于UE4对硬件要求高的缺点，大多高校都有配有图形工作站和计算机机房等设施，可以解决。
随着AI、5G和物联网时代的到来，VR技术在图书馆的应用会越来越广。疫情期间，图书馆如果可以利用虚拟现实技术配合线上教学开展图书馆服务，既可以给读者带来全新的服务体验，也可以提高图书馆的线上服务水平。
参考文献
[1]王运彬,叶曦,林君雅,等.面向非正式学习的图书馆虚拟学习空间建构研究[J].图书馆理论与实践,2020,(1):118-124.
[2]周晓燕,崔然.国外VR技术与虚拟图书馆研究综述[J].情报科学,2018,36(3):164-168,176.
[3]王文韬,谢阳群,李力.虚拟现实技术在图书馆中的应用前景分析[J].图书馆,2016,(5):10-14,20.
[4]司占军,张姣姣,耿浩.基于虚拟现实技术的图书馆全景漫游场景的设计与实现[J].电脑知识与技术,2017,13(32):214-215.
[5]李慧.刍议校园360度全景展示技术的实现[J].科技资讯,2012,(18):211-212.
[6]吕朝华,顾容,程祥春.虚拟校园图书馆漫游系统的设计和实现[J].中国教育信息化,2011,(3):76-79.
[7]庄楚鑫,刘宏宇.基于Unity3D的图书馆虚拟阅读系统[J/OL].软件导刊,2019,(10):26-29.
[8]高义栋,李曼曼,雍炎炎,等.基于UDK引擎的图书馆虚拟漫游系统的设计与实现[J].现代教育技术,2013,23(10):121-126.
[9]刘向晖,陈天博.VR与UE4在建筑设计中的实践探索[J].建筑技艺,2016,(11):114-115.
Research on the Application of UE4 Game Engine in Virtual Library
Wang Tieliang, Yuan yuan
(Zhejiang International Studies University Library, Zhejiang Hangzhou 310023)
Abstract: Since COVID-19 outbreak, non-contact online education has become the main teaching method for major schools. In order to meet the needs of teachers and students, the service focus of the library has also shifted from offline to online. The application value of Virtual Reality，an immersive and non-contact technology，in the online services of libraries is becoming increasingly prominent. How to implement a virtual library has always been a research hotspot in the field of libraries. By comparing the implementation scheme based on the UE4 game engine with several other virtual reality technologies, the article concludes that implementing a virtual library based on the UE4 game engine is a feasible method in line with the VR development trends and the current status of university libraries.
Keywords: UE4; Unreal Engine; Library; Virtual Reality
[作者简介]
汪铁良（1987-），男，瑞典克里斯蒂安斯塔德大学嵌入式系统专业硕士，研究方向为图书馆信息化、虚拟现实、物联网。
袁圆（1981-），女，杭州师范大学艺术学院视觉传达设计专业本科，研究方向为平面设计、视觉传达。