收稿日期：2023-08-11
DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.05.031
摘" 要：以虚拟现实技术作为研究切入点，探索元宇宙图书馆建设的技术实现路径。通过文献调研对比分析现有的虚拟现实技术，寻找一种适合高校图书馆自主研发的技术实现方法，并通过具体案例验证该方法的现实可行性。研究发现基于Unreal Engine的虚拟现实技术具有低成本、低代码量、可扩展等优点，适合经费少、计算机人才短缺的高校图书馆。对高校图书馆推进元宇宙图书馆建设具有一定的参考价值。
关键词：元宇宙；图书馆；虚拟现实；Unreal Engine
中图分类号：TP39" " 文献标识码：A" 文章编号：2096-4706（2024）05-0144-05
Application of VR Technology Based on Unreal Engine in Metaverse Library
WANG Tieliang， YUAN Yuan
（Library of Zhejiang International Studies University， Hangzhou" 310023， China）
Abstract： Virtual Reality technology is used as the research entry point to explore the technical realization path of metaverse library construction. This paper compares and analyzes the existing Virtual Reality technologies through literature research to find a technology realization method suitable for independent research and development of university libraries， and verifies the realistic feasibility of the method by specific cases. The study shows that the Virtual Reality technology based on Unreal Engine has the advantages of low cost， less code and expansibility， which is suitable for university libraries with a little funding and shortage of computer talents. It has certain reference value for university libraries to promote the construction of metaverse libraries.
Keywords： metaverse; library; Virtual Reality; Unreal Engine
0" 引" 言
2021年10月国外著名社交平台Facebook更名为“Meta”，引发各国政府和各行各业的极大关注，英伟达、微软、苹果、腾讯等科技巨头纷纷布局元宇宙，2021年也被定义为元宇宙元年。
关于元宇宙的概念目前尚未有明确的定义，杨新涯认为元宇宙是整合VR/AR、云计算、人工智能和区块链等信息技术构建的虚拟世界与现实世界相结合的互联网应用，具有相对独立的经济系统和逐渐生长的文明体系，为用户提供沉浸式体验并鼓励用户进行内容生产的虚拟社会[1]。
元宇宙的火爆出圈，同样受到图书馆领域的极大关注。元宇宙沉浸式、不受时空限制等特点，对未来图书馆重新构建服务模式有着重要的意义。学界对元宇宙图书馆的研究也日趋火热。邢璐等学者通过文献计量与主题分析发现，国外研究元宇宙图书馆侧重于元宇宙图书馆相关技术的实践研究，国内则更侧重于元宇宙图书馆的定位、服务等宏观层面的理论研究，对元宇宙技术在图书馆的应用研究还很少[2]。
虚拟现实技术作为元宇宙的关键技术之一，是元宇宙图书馆建设的技术实现路径上不可或缺的一环。目前高校图书馆正面临经费缩减、编制减员等问题，将现实的图书馆搬到元宇宙的虚拟世界中，无论是从资金上还是人才储备上都面临着严重挑战。
本文通过文献调研，对比现有的虚拟现实技术实现方法，提出一种基于Unreal Engine的虚拟现实技术方案，并通过浙江外国语学院图书馆建筑虚拟化案例，验证该方案的现实可行性。
1" 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[3]。
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，截至2014年，全球已有800多个图书馆参与其中[4]。美国得克萨斯Aamp;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[5]。
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。
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：一种基于360°全景技术和另一种基于三维建模技术。
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。
该技术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[6]。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[7]。
这种实现方式的缺点是1）后期无法拓展更多的虚拟现实功能。例如虚拟数字人、VR阅读、虚拟讨论等都是很难实现的。2）交互功能单一。360°全景技术的虚拟现实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°全景技术只适合功能单一的虚拟导航和全景展示，并不适合构建复杂的元宇宙图书馆体系。
1.2" 三维建模技术
三维建模技术是虚拟现实领域最常用的技术，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。
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。一种是获取建筑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。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、3Ds Max、Maya和SketchUp等，一般Revit、3DsMax和SketchUp支持直接导入AutoCAD文件，在建筑领域应用较多，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、Unreal Engine、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，支持跨平台的软件发布。
基于三维建模实现虚拟现实的案例有很多。吕朝华等用3Ds Max和Quest3D实现了虚拟图书馆漫游[8]。庄楚鑫等基于Unity3D和3DsMax实现了图书馆虚拟阅读系统[9]。
这种基于三维建模技术实现虚拟现实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。开发虚拟现实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、可扩展性强，是目前开发虚拟现实的主流技术。基于三维建模的虚拟现实技术，可以在同一个平台实现建筑虚拟化、图书虚拟化、虚拟数字人和VR阅读等功能，更符合元宇宙图书馆未来的发展趋势。
2" Unreal Engine
2.1" Unreal Engine简介
Unreal Engine（虚幻引擎）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。Unreal Engine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Unreal Engine在图书馆领域的应用还比较少。2013年高义栋等基于UDK实现了虚拟图书馆漫游系统[10]。2016年日本游戏美术师Aiko Shinohara基于Unreal Engine引擎制作了牛津大学图书馆。2016年，刘向晖等探索了Unreal Engine引擎在乌兰察布集宁附中图书馆建筑可视化中的应用[11]。
2.2" Unreal Engine对比Unity 3D
在基于三维建模技术的虚拟现实方案中，Unreal Engine和Unity3D是当下虚拟现实领域应用最多的两款引擎，两款引擎的差异如表1所示。
表1" Unreal Engine对比Unity3D
引擎 Unreal Engine Unity3D
经济成本 创作者版：开源，免费 个人版：不开源，免费
编程语言 蓝图、C++ C#、JavaScript
跨平台支持 是 是
商店资源 少、贵、质量好 多、便宜、参差不齐
社区资源 少 多
1）Unreal Engine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。Unreal Engine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Unreal Engine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Unreal Engine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）Unreal Engine和Unity3D都支持跨平台的打包输出，但是Unreal Engine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，这也是为什么Unity3D在手机领域很受欢迎。
4）虽然Unreal Engine的商店资源质量普遍比Unity3D的好，但是免费的资源Unreal Engine很少。
5）由于Unreal Engine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，Unreal Engine和Unity 3D在非商业用途上的经济成本都是很低的。虽然Unreal Engine 在低端硬件的支持上和学习资料等方面不及Unity 3D，但是Unreal Engine的可视化编程可以不写代码开发，以及Unreal Engine的开源特性，在扩展性和定制方面比Unity 3D强。对于经费少、计算机人才缺乏的高校图书馆而言，基于Unreal Engine自主开发虚拟图书馆是不错的选择。
3" 基于Unreal Engine的图书馆建筑虚拟化实现
以浙江外国语学院新图书馆为例，如图1所示，基于Unreal Engine 4.26的图书馆建筑虚拟化开发主要分为四个步骤。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3Ds Max软件中进行三维建模。第三步，将模型导入Unreal Engine，对模型进行材质设置和人机交互设置。第四步，打包输出各平台的可执行文件。
图1" 基于Unreal Engine开发的实现框架
3.1" 图书馆建筑CAD文件处理
对于图书馆建筑模型来讲，主体结构主要由墙面和窗户等组成。如图2所示，CAD图纸中有很多人防以及内部管道等冗余图层信息，对三维建模是没有用的，因此，在导入3Ds Max之前首先要去掉这些图层，只留下墙面、柱子和窗户等相关的图层。
3.2" 导入到3Ds Max软件中进行三维建模
建筑CAD图纸导入3Ds Max后，根据CAD图纸中的墙面进行布线，并通过平面拉伸、旋转等方式建立三维模型。对于窗户、柱子等可重复利用的小部件一般都单独建模，最后拼接到建筑模型里，如图3所示。在制作模型部件的同时，要将部件的UV展开，为Unreal Engine中上材质做准备。在UnrealEngine4中需要准备两套UV，分别用于材质贴图和光照贴图。对于少量的小模型一般采用FBX文件进行3Ds Max和Unreal Engine之间的交互，但是对于有大量部件的建筑模型来说就很不方便。这里我们应用Unreal Datasmith Exporter for 3Ds Max插件来进行交互，Datasmith插件可以一次性将3Ds Max中拼装好的三维模型转化为.udatasmith格式导入到Unreal Engine中。
3.3" 在Unreal Engine中制作材质球
现实中墙面、窗户、栏杆等都是由不同的材质构成，在Unreal Engine中用材质球的方式来是呈现水泥、玻璃、金属等不同的视觉效果。Unreal Engine本身自带了很多材质球供我们使用，对于特殊的材质，比如学校Logo，我们需要准备颜色贴图、法线贴图等来自定义材质球，如图4所示，在Unreal Engine中通过蓝图来自定义材质球的设置。
3.4" 软件发布
Unreal Engine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。这里选择Windows平台进行打包测试，运行生成可执行的.exe文件，如图5所示，用户可以通过WASD按键进行游览虚拟图书馆。
图5" 打包发布软件
4nbsp; 结" 论
基于Unreal Engine的虚拟现实技术开发元宇宙图书馆具有现实可行性，Unreal Engine低成本，高画质，低代码开发等特点，非常适合目前大多数高校图书馆经费少、计算机人才短缺的情况。虽然基于360度全景照片方案是成本最低，但基于三维建模的虚拟现实技术具有立体感和沉浸感强、交互体验好、可扩展性强等优点，可以在同一平台实现虚拟图书馆漫游、虚拟数字人咨询、VR阅读等各种图书馆服务，更符合元宇宙图书馆未来的发展趋势。未来随着ChatGPT等AI技术和物联网技术的发展，元宇宙图书馆将更加贴近现实和更加智慧化。
参考文献：
[1] 杨新涯，钱国富，唱婷婷，等.元宇宙是图书馆的未来吗？ [J].图书馆论坛，2021，41（12）：35-44.
[2] 邢璐，郝群，张立彬.国内外元宇宙图书馆研究与应用综述 [J].图书馆理论与实践，2023（4）：128-136.
[3] 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.
[4] 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.
[5] 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.
[6] 钦蒋承，沈宏良，胡志刚.运用二维码技术构建虚拟与现实相融合的图书馆馆藏服务 [J].物联网技术，2020，10（4）：80-81.
[7]" 邢福生.基于虚拟现实技术的平面设计展示系统 [J].现代电子技术，2021，44（10）：135-138.
[8] 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.
[9] 庄楚鑫，刘宏宇.基于Unity3D的图书馆虚拟阅读系统 [J].软件导刊，2020，19（3）：168-171.
[10] 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.
[11] 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.
作者简介：汪铁良（1987—），男，汉族，浙江杭州人，助理馆员，硕士，研究方向：数字图书馆；袁圆（1981—），女，汉族，浙江杭州人，助理馆员，本科，研究方向：平面设计、视觉传达。
