UE5运动系统在虚拟人物运动模拟中的应用

UE5运动系统在虚拟人物运动模拟中的应用

李邦玮，马铭杰，尤磊，周冬冬，王窈佳

(北华大学132000)

摘要：

针对突发事件应对中存在的实际问题，本文提出一种基于虚拟现实技术的防疫货运系统的开发。本文利用blender制作三维模型、模型动画和模型优化等完成三维场景的开发。通过虚拟现实开发平台UE5完成人机交互部分。结果表明：UE框架下的高级运动系统成功与货运功能耦合，实现了简单的货运系统，证明了通过UE引擎开拓虚拟世界的可行性。

关键词：

UE5；运动系统；虚拟人物；运动模拟

一、引言

随着虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术的日渐普及，虚拟人物运动模拟成为科技研究的热点之一。UE5运动系统凭借其卓越的技术特性，成为了对虚拟世界进行研发的不二选择。而且，UE5运动系统提供了丰富的动作库和强大的自定义功能。这种灵活性和多样性使得UE5运动系统能够满足不同领域对虚拟人物运动模拟的需求。其精确性、真实性和灵活性为相关领域的研究与实践提供了有力的支持。

二、案例开发过程

2.1项目流程设定

根据初步研究，案例背景设定在新冠疫情开放初期，玩家作为志愿者承担起运输医疗物资的责任。首先作为承担任务的志愿者，UCharacter必须具备翻越，攀爬，跳跃，下蹲，甚至翻滚等行为。并能成功与货运物资进行交互，为了增强虚拟沉浸感，还需再UE原有的摄像机系统上进行完善，丰富视角动画，增强步态，设立脚步IK与手部IK等一系列润色细节的设计。

2.2地编建模

在城市景观模拟与构建环节中，为了确保真实性和准确性。在项目的初期阶段，搜集了涵盖建筑、道路、植被等多个方面的城市模型素材。利用blender对搜集素材进行整合，构建出初步的城市模型。注重模型的几何结构和空间布局，确保模型在形态上符合城市景观的实际特征。为提升模型的真实感和细节表现，进一步采用UE引擎进行模型的耦合与渲染。以实现高质量的视觉效果。在UE引擎中，对模型进行精细的调整和优化，包括光照设置、材质调整等，以确保模型在视觉上达到最佳表现。同时为城市模型添加了精细的纹理贴图，如建筑表面的细节纹理、道路标线等，利用细节元素丰富模型的视觉效果，增强模型质感。同时，通过调整大气光等参数，模拟出不同时间段和天气条件下的城市景象，使场景更加生动逼真。旨在打造出真实感强、细节丰富的城市地编环境。图2-1为搭建完成的地编环境。

图2-1

2.3人物建模

为了实现独特的志愿者模型，系统采用Marvelous Designer为模特设计服装，并利用Blender建模工具，参照UE5标准骨骼SK_Mannequin，手动配置精确的骨骼结构和权重分配，以确保模型在实际应用中能够达到最佳效果。为了节省模型开销，之后在Blender中进行生成三脚面等优化和调整工作。同时调整模型姿态检查和调试，确保其符合人体运动规律。图2-2为角色模型网格体示意图。

图2-2

2.4制作动画资源

为赋予游戏角色真实、生动的动作表现，当前阶段的主要任务是在UE中，制作角色的翻越、攀爬、跳跃、下蹲、翻滚以及交互等核心动作动画。根据障碍物高度不同，需制作高，中，低三种高度的攀爬动画；针对不同滞空时间的跳跃动画等；为了确保动画效果的自然与流畅，利用混合空间将不同取值状态的同类动画进行整合，并列举Action枚举，将其中动画整合成蒙太奇使用。

为了使运动系统更加自然，项目组将UE传统的变量优化为利用骨骼中及文件中的动画曲线进行传值，相比传统方案能得到更平滑的过度值。

三、UE中进行系统开发

3.1根据设想创建枚举、结构体、数据表等

这一阶段为系统建立的准备阶段，在UE中，枚举用于定义一系列固定的值，这些值通常用于表示游戏中的不同状态或类型。其中包括角色状态枚举（CharacterState）如 Idle、Walking、Running、 Jumping、 Falling；动作类型枚举（ActionType）MoveForward、 MoveBackward：、TurnLeft、。TurnRight、Jump等等。结构体则用于组合多个不同类型的数据项，以形成一个有意义的数据单位。如用于传递运动参数的角色运动数据结构体（CharacterMotionData），其中包含三维向量Position、 Velocity、 Acceleration；旋转四元数Rotation。用做动画标签的角色动画数据结构体（CharacterAnimationData）等等。至于数据表（Data Tables）在系统中则用于存储和管理结构体，将庞大的数据得以集成。，当角色的状态改变时，系统可以查询数据表以播放相应的动画。同样，角色运动数据结构体和角色物理参数数据表也相互关联，以便在物理模拟和动画渲染时使用正确的数据。

3.2构建摄像机系统

在项目中摄像机系统的实现方式有所创新，不同于传统的弹簧臂+摄像机的组合。通过创建名为“Player Camera Manager”的管理类来进行操作。允许对摄像机进行解耦处理，在Player Camera Manager类中存储了包含了目标Actor的指针和视点的信息的重要结构体FTViewTarget。相较传统摄像机系统，采用球形通道检测防止相机穿模等bug发生，还能做到检测角色锚点实现动态跟随、镜头抖动与模糊效果、多视角支持等一系列功能。

3.3构建运动系统

为了搭建生动的运动系统，首先要实现平滑而自然的步态切换。为构建一个全面的步态库，在角色蓝图中包含了角色在不同速度、方向和地形条件下的步态枚举，以调用不同动画。例如，一个角色可能拥有多种行走步态（慢走、快走、小跑等）和多种奔跑步态（慢跑、中速跑、冲刺等）。每个步态都与特定的移动参数相关联，如速度阈值和地形类型。 角色使用同一姿势移动时，其速度会实时变化。所以需要通过检测角色的当前速度，并将其映射到步态库中的相应参数范围，来确定应该使用哪种步态。例如，当角色速度低于某个阈值时，系统可能会选择慢走步态；当速度增加时，采用动画混合技术，在两个步态动画之间进行混合，创建出一个自然的过渡效果，系统才会会平滑过渡到快走步态或奔跑步态。除了速度之外，地形也是影响步态选择的重要因素。系统在角色蓝图中能够识别角色当前所在的地形类型（如平地、上坡、下坡、空中等），并根据地形调整步态选择。例如，当角色走上坡路时，系统可能会选择一种更适合爬坡的步态，以确保角色能够更有效地攀登。进一步提高了游戏或交互式媒体中角色的动作真实感，还增强了玩家的游戏体验。

3.4运动系统耦合货运系统

为了实现货运系统，需要在已经建立的运动系统基础上，扩展其手部IK的功能，并做到将运动过程与搬运动画蒙太奇进行混合。具体步骤可以粗略的解释为，在交互物体上（货运物资）设定IK目标，应用之前于blender中制作的骨骼链，通过解算器（Solver）计算骨骼链从手部末端（如手指尖）到根部（如手腕）的骨骼链的旋转。解算器会根据目标位置和当前位置之间的差异，计算出需要旋转的角度和方向。同时还要考虑手部运动符合真实情况，

不能超过其生理范围，以确保其运动是合理的。：最后，系统会将计算得到的手部运动应用到虚拟角色上，实现实时的交互效果。这可以让用户在虚拟环境中感受到真实的手部运动体验，增强沉浸感和交互性。

为保持系统具有良好的封装性及维护性，耦合两种功能时，货物蓝图通过自定义交互组件实现逻辑判断与动画演绎。图3-1为货运系统运行示意图。

图3-1

四、结语

本文深入探讨了通过地编建模、人物建模以及构建摄像机系统、运动系统、货运系统搭建系统等多个环节，来打造一个富有教育意义的虚拟环境。这一综合性的过程不仅展示了数字建模和系统集成的前沿技术，更在教育和培训领域展现了巨大的潜力。

参考文献

【1】[美] Stanley B. Lippman / [美] Josée Lajoie / [美] Barbara E. Moo，《C++Primer》[M].中国公信出版集团/电子工业出版社,2013

【2】[美]EpicGames,《UE5官方文档》[OL]

【3】[日]掌田津耶乃，《UNREAL ENGINE4蓝图完全学习教程》[M].北京：中国青年出版社，2017

【4】[英]Ryan Shah，《精通Unreal游戏引擎》[M],人民邮电出版社，2015

Application of UE5 motion system in virtual character motion simulationAbstract:

In view of the practical problems in emergency response, this paper proposes the development of a virtual epidemic prevention system based on virtual reality technology. This paper uses blender to make 3D model, model animation and model optimization to complete the development of 3D scene. The human-computer interaction part is completed through the virtual reality development platform UE5. The results show that the advanced motion system under the UE framework is successfully coupled with the freight function, and a simple freight system is realized, which proves the feasibility of developing the virtual world through UE engine.

Key words:

UE5; Motor system; A virtual character; Motion simulation;

大创名称《抗疫有我虚拟疫情防控模拟系统》

项目编号：202210201019