摘 要：从古至今，国内外对自然的恋慕与期望，始终藏匿在内心的深处。而湖居带来的悠闲与静谧，穿越时光与空间，成为人居信仰。使用虚拟现实技术设计的湖景别墅，可为用户带来沉浸式、交互式的逼真体验感，推进临湖而居、聚水为财的文化传承。文章围绕临湖景观和智能家居两大方面，基于Unreal Engine 4（UE4）引擎，通过材质编程设计逼真的湖泊，并在湖景周围添加山地和树林等自然景观。别墅内部还添加了电视机、扫地机器人等人机交互，使用户可以更好地感受湖景别墅的智能化居住体验。
关键词：Unreal Engine 4引擎；湖景别墅；材质编程；人机交互
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2025）02-0064-05
Design and Key Technology Implementation of Lake View Villa Based on UE4
XIA Zheng
（Changzhou Vocational Institute of Industry Technology， Changzhou 213164， China）
Abstract： From ancient times to the present， the admiration and expectation for nature at home and abroad are always hidden deeply in the heart. The leisure and tranquility brought by the lake habitation， crossing time and space， becomes a belief in human habitation. The lake view villa designed by Virtual Reality technology can bring users the immersive and interactive realistic experience， and promote the cultural inheritance of lakeside habitation and gathering water for wealth. This paper revolves around two aspects of lakeside landscape and smart home to design the realistic lake by material programming based on Unreal Engine 4 （UE4） engine， and adds natural landscapes such as mountains and woods around the lake landscape. The human-computer interactions such as televisions and sweeping robots are also added inside the villa， so that users can better feel the intelligent living experience of the lake view villa.
Keywords： Unreal Engine 4 engine; lake view villa; material programming; human-computer interaction
DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2025.02.011
0 引 言
UE4（Unreal Engine 4）是由Epic开发的一款游戏引擎。该引擎被广泛应用于游戏开发、虚拟现实（VR）、汽车展厅等领域[1-3]。UE4提供了丰富的功能和工具，包括场景编辑器、材质编辑器、动画编辑器、蓝图可视化编程、物理引擎等，使用户能够体验逼真的游戏场景[4-6]。UE4在游戏画面和沉浸体验方面要明显优于Unity3D引擎。UE4画面效果完全达到3A游戏水准，光照和物理渲染效果也明显优于Unity等不少游戏引擎，这为本文设计出逼真的湖景和智能化的室内交互打下了坚实的基础[7-10]。
本文围绕临湖景观和智能家居两大方面，将自然和智能完美融合，使用户享受惬意的湖居时光。该湖景别墅的搭建基于Unreal Engine 4软件平台，在Maya建模软件中设计独栋别墅、门、灯具、扫地机器人等模型，并导入到UE4中。场景中添加了带有丘陵和小山坡的地形，并生成了一片树林。植被还添加了被风吹动后摇曳的效果以及风的声音，使风吹草动的效果更加逼真。通过材质编程在别墅前添加了湖景，湖泊具有清澈见底、波光粼粼的逼真效果。用户可以在别墅落地窗前观赏湖景和山林景观，享受大自然的熏陶。别墅内部还添加了开关门、开关电视、开关灯、扫地机器人4种人机交互，使用户体验智能化居住体验。
1 总体设计流程
湖景别墅总体设计效果如图1所示。从图中可以看出，远处是连绵不断的山坡，通过指数级高度雾技术，营造了云山雾罩、云烟缭绕的效果。图中央是导入的独栋别墅模型，别墅前是通过材质编程技术设计出的湖泊，湖泊具有多重流动、奔流不息的效果。另外，湖泊旁边还有风中摇曳的垂柳，是生成的树林中的一部分。
别墅内部交互总体设计效果如图2所示。别墅内部完成了基础装修，并添加了门、沙发、桌子、茶几等家具，以及电风扇、电视机、扫地机器人等家电。用户控制的角色可以通过按键，开启这些家电实现人机交互。
1.1 整体地形搭建
通过高度图导入地形，地形包含丘陵、小山坡。在地形上选取一片区域，利用程序化植物生成器生成一片树林，树林包含杨柳、野花、野草、石头等植被。通过材质编程，给树林中的植被添加被风吹动后的摇曳效果。
1.2 湖泊的设计
在材质函数中添加湖泊的灰度图、粗糙贴图、法线贴图，这些贴图在增强渲染效果、提高性能、节约资源和减少模型复杂性方面都发挥着重要作用。通过材质编程设计出湖泊的多重水流效果，并设置湖泊的基础颜色、湖泊深度、反射强度等参数，营造出湖泊清澈见底、碧波荡漾的逼真效果。
1.3 别墅室内人机交互
用户不仅可以享受优美的临湖景观，还可以体验智能化居住体验。在别墅内部添加4种人机交互，包括开关门、开关电视、开关灯、启动扫地机器人。用户可以按键盘开门，进入别墅。用户可以按键盘打开电视，电视会播放多段视频。用户靠近灯具后会显示文字提示，提醒用户开灯，用户可以按键盘开灯，调整室内灯光效果。用户还可以按键盘启动扫地机器人，扫地机器人遇到家具、家电、墙体等障碍后会停止前进，然后改变方向继续移动。
2 湖景别墅关键技术实现
2.1 地形整体设计
2.1.1 地形导入
在UE4中从选择模式切换到在地形模式，导入地形高度图。通过设置导入地形的分段大小和组件数量，确定地形的大小。在地形缩放选项中，地形Z轴方向的数值从默认的100调低到20左右，防止地形中的山坡和丘陵过于锐利。最后点击导入地形，地形中包含了多处丘陵和小山坡。
2.1.2 生成树林
首先使用程序化植物工具，要在偏好设置中打开（通用—试验性功能—程序化植物），或者是搜索Procedural打开程序化植物；其次创建静态网格体植物，用来识别静态网格体，传给程序化植物生成器；再次创建程序化植物生成器；最后创建程序化植物体积，规定生成范围。
如图3所示，程序化植物生成器添加了4种植被，包括柳树、野花、野草、岩石，从而确定树林中植被的种类。
具体实现方法是，首先导入fbx格式的植被模型，包括柳树、野花、野草、岩石等。随后对导入的植被模型分别创建静态网格体植物，设置植被的大小和碰撞属性。最后将上述创建的柳树、野花、野草、岩石对应的静态网格体植物添加到程序化植物生成器中，点击重新模拟按钮，一键生成包含上述植被的树林。
2.1.3 添加风吹草动的效果
首先添加材质参数集，设置风的强度、风速和风的权重三个参数，其中风的强度设置为0.05，风速设置为0.2，风的权重设置为3。然后添加材质函数，如图4所示，将风的强度、风速和风的权重三个参数分别连接到SimpleGrassWind节点的WindIntensity属性、WindSpeed属性和WindWeight属性，完成材质的摇曳效果。
最后打开植被不同部位的材质球，例如树叶、花朵、树干等。如图5所示，将创建好的材质函数和权重值10相乘，乘积连接到植被材质球的世界场景偏移属性，使植被的树叶、花朵、草等部位产生风吹草动的效果。
2.2 湖泊的设计
2.2.1 基础颜色设置
创建材质球，首先设置河流的基础颜色，分别设置R、G、B三个通道的值为0、0.05、0.77，达到深蓝色的效果。
2.2.2 水流效果设置
如图6所示，选择水波纹的法线贴图，使用Panner节点进行制作UV动画效果。通过Panner节点，分两个组来进行分别调节不同轴向的移动速度和纹理大小，这样可以让水波纹产生一些随机变化。分别设置灰度贴图、粗糙贴图、法线贴图X和Y方向的偏移速度， 其中X方向速度设置为0.01，Y方向速度位置为0.02，模拟水流在不同方向上的流速。同时，为了营造不同方向的水流汇聚的效果，继续新增一个Panner节点，设置和上一个Panner节点完全不同的X和Y方向的偏移速度，并通过Add节点将上述两个Panner节点进行叠加，达到多重水流汇集的效果。
把材质球的透明模式打开，同时开启半透明体积，同时激活半透明和法线通道。用DepthFade节点来制作水面的透明度信息，该节点可以根据场景深度信息来控制水的透明度，比如在河岸边水比较浅的地方，水会比较清澈，在河中心颜色会比较深。
2.2.3 透明度设置
如图7所示，通过Depth Fade节点设置湖泊的透明度和深度距离，其中透明度参数设置为1.5，深度距离参数设置为10，营造湖泊清澈见底的效果。
2.2.4 折射设置
使用Fresnel节点设置折射指数，将环境光遮挡指数设置为1.5，模拟光照反射。
2.3 别墅基本交互
2.3.1 开关门交互
如图8所示，导入门的模型，并给门添加盒体碰撞，当用户控制的角色进入门的盒体触发范围时，会显示提醒用户开门的文字提示，并启用键盘输入，用户可以按键盘E开门。通过时间轴节点，添加两个关键帧。第一个关键帧时间设置为0秒，对应的值也为0；第二个关键帧时间设置为3秒，对应的值为90，也就是门在3秒的时间内转动的角度为90度，完成开门。通过FlipFlop节点实现开门关门的交替执行，用户在完成开门后，再按键盘E可完成关门操作。最后，将时间轴输出的轨道连接到设置相对旋转节点的Z轴，门绕着Z轴旋转90度。
2.3.2 开关电视交互
准备视频资源：首先，将MP4格式的视频文件放置在项目的“Content/Movies”文件夹中。
创建媒体播放器：在UE4编辑器中，通过右键点击内容浏览器并选择“Media”gt;“Media Player”来创建一个媒体播放器。
配置媒体播放器：打开媒体播放器设置，选择视频源。对于本地视频，可以使用“FileMediaSource”并指定视频文件在硬盘上的路径。如果需要播放视频流，则可以使用“StreamMediaSource”并输入视频流的URL。
创建媒体纹理和材质：在配置媒体播放器的同时创建媒体纹理（MediaTexture），这是视频帧将被渲染到的纹理。通过媒体纹理创建材质，并将该材质应用于电视机模型的屏幕材质上，以显示视频帧。
集成到电视机模型中：将之前创建的材质应用于电视机模型上，以显示视频帧。此外，可以添加控制按钮（如播放/暂停按钮）并编写相应的蓝图逻辑来控制视频的播放。
如图9所示，在事件图表中添加如下节点，通过打开源节点，用户按键盘1可以打开电视机，使电视机模型播放导入的电视视频。
2.3.3 开关灯交互
导入灯具模型，在灯具上方添加光源Spot Light。如图10所示，给光源添加盒体碰撞，当用户控制的角色进入门的盒体触发范围时，启用键盘输入，用户可以按键盘E开灯，同时，门的前方出现提示语，提醒用户按键盘E开门。当用户离开盒体触发范围时，提示语消失并禁用键盘输入，用户不能再通过按键盘E开门。在盒体触发范围内，可视性节点的New Visibility选项上打钩，将光源Spot Light设置为可见，完成开灯操作。离开盒体触发范围后，可视性节点的New Visibility选项上不打钩，将光源Spot Light设置为不可见，完成关灯操作。通过FlipFlop节点实现开关灯的交替执行，用户在完成开灯后，再按键盘E可完成关灯操作。
2.3.4 扫地机器人交互
如图11所示，创建扫地机器人蓝图类，在设置场景位置节点的Sweep选项上打勾，如果在位移过程中遭遇家具家电等障碍，扫地机器人会中途停止位移。添加Bool类型变量，命名为是否启动。如果扫地机器人当前是启动的状态，则设置该变量为False，如果扫地机器人当前不是启动的状态，则设置该变量为True。
如图12所示，在扫地机器人蓝图类添加自定义事件，并根据bool类型变量的值，切换是否启动变量的状态。如果是启动的状态，则切换为False，如果不是启动的状态，则切换为True，从而实现扫地机器人开关的切换。
如图13所示，在角色蓝图类添加扫地机器人的对象引用，并调用扫地机器人蓝图类中定义的启动事件，完成蓝图通信。当用户控制的角色按键盘1时，触发启动事件，扫地机器人开始位移。
3 结 论
本文使用了地形材质编程技术和人机交互蓝图编程技术，实现了优美如画的临湖景观和智能化的家居体验。在搭建树林的过程中使用了程序化植物生成器，该技术可以快速生成大面积的原始森林，大面积生成其他网格体，就像是地形植被的延伸功能。在设计湖泊的过程中采用了多重Panner节点叠加的技术，使湖泊更加清澈见底、水光潋滟。在设计人机交互的过程中重点采用了盒体碰撞技术和时间轴技术，角色进入触发范围后，可以在设置的时间内完成相应的交互。
随着城市化进程和生活节奏的加快，人们更渴望拥抱自然，领略宁静与繁华的居住体验。本文提出的湖景别墅设计方案，将自然与现代完美融合，让用户既能享受湖居的惬意时光，又能享受智能家居的交互体验。未来湖景高品质住宅的发展和应用空间会更加广阔。临湖而居，享受梦幻湖景的理念将会成为不少人的人生追求。
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作者简介：夏政（1994—），男，汉族，江苏常州人，助教，硕士，研究方向：虚拟现实技术。
收稿日期：2024-06-15
