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『UE4数字孪生』开发流程浅析2022版(持续更新）

是充分利用等待数据，集成多学科、多物理量、多规模、多概率的模拟过程，在虚拟空间中完成映射，反映相应物理设备的整个生命周期过程。并使用大的挖掘数据潜力，提高数据价值等前沿技术。

大家好，我是石几衣束，Shader不写，视频不剪，蓝图不连。...来当一段时间。

出乎意料的是，自21年3月发表这篇文章以来，一年后，我们从不同的角度获得了大量来自同一行业的交流和解释，每个人都克服了困难，同时也把我孜孜不倦的解决问题推向了更高的层次。到目前为止，感谢您的鼓励和支持！

这个版本的更新是我自发布以来对数字双胞胎的新理解作品，我会尽我所能，给大家带来全面、深刻、阐述和讲解。

■代表趋势■代表重要

  • 3DMax（格式转换 场景整合 Datasmith导出）

  • Maya（模型骨骼动画）

  • Blender(天下第一)

  • SketchUp（面数低）

  • Revit(1:1参数化建模)

  • Rhino(高精度地形)

  • 倾斜摄影OSGB数据(作为外部环境模型)

  • Marvelous Designer(布料解算)

  • Daz studio(人体表现)

  • CityEngine CGA规则(快速生成低模城市集群)

  • PointCloud点云数据(作为大远景背景)

  • Houdini(程序化建模)

  • Bentley(实景建模)

  • *欢迎与其他相关的三维软件交流...

Houdini UE是不是无敌？

  • Landscap根据灰度图生成地形(灰度图来源:国家地质信息网，美国国家地质网)

  • 手工勾勒雕刻山脉 三维模型堆叠地形环境UE4商场地形素材)

  • CAD图纸结合WorldMap产生可视化地形

  • WorldCreator2结合灰度图模拟真实地形(效果最好)

  • WorldMachine结合DEM灰度图由数据生成

  • 手工二次拓扑地形(效果好，性能好)根据生成模型制作

  • 手工建模：适用于定制崎岖不规则道路

  • 模块化程序道路:适用于井字整齐排列道路(参考商场资源:Roads Generator Pack)

  • Landscape样条线路：适用于山脉字形道路（参考商场资源：Brushify Country Roads Pack）

  • GIS矢量数据生成道路：适用于城市高密度复杂道路CityEngine）

  • 低精度建筑：基础GIS矢量数据<shp.>生成(成熟方案:CityEngine） 低模放置低模材料，或手绘shp可控配楼景观直接生成数据)。

  • 中精度建筑：模块化程序建筑 3D66中精度素材 UE4商场资源结合精模位置摆放。

  • 高精度建筑：按甲方要求设计制造建模软件。

  • SpeedTree材料库，根据卫片刷Landscape近景建议逐一种树，远景建议直接大规模刷Billboard片。（*注意控制性能消耗)

  • 虚幻商城相关资产积累：绿化丛、花草丛、点缀植被。（eg：桃花树，杏树)

  • 推荐在Twinmotion中刷植被，调整植被参数后，通过TM插件导入UE,该方案效率高，效果好。

  • 湖泊，河流，海洋，池塘，瀑布素材库积累，结合船只，码头等配景。

  • 物理水粒子（eg：喷泉、消防模拟..等）

  • 进阶模拟可以参考Asher的SPH水粒子方案。

  • 大神级模拟可以参考Youtube上ImaginaryBlend大佬的作品：

    https://www.youtube.com/watch?v=EfzhMqZyilI

，时长06:24

其它一些地编装饰物，例如：风车、飞鸟蝴蝶鱼群、路灯、车流+人流、动物、公共交通载具、天空球等......

*特别提醒：目前UE4支持将Twinmotion的模型以及材质100%还原到UE4内（水材质除外），这一点极大的优化了地编流程，特别是对于重点表现的建筑区域进行精细化处理。

  • 漫反射 Diffuse

  • 颜色 BaseColor

  • 反射 Specular

  • 金属度 Metalness

  • 反射率 Reflectivity

  • 菲涅尔反射（玻璃属性）

  • 法线 Normal

  • 粗糙度 Roughness

  • 阴影 AmblientOcclusion

  • 高度图 Height

    *常见的材质属性

1.SubstanceDesgener（制作PBR材质）

2.Marmoset Toolbag3.俗称：八猴（预览PBR效果）

3.Unfold3D(展UV）

4.Xnormal(烘焙法线）

  • 实际应用：UE4数字孪生 OD线、水体流体气体模拟、烟雾、火焰、灯光、等动态视效....

  • Color Grading LUT(润色）影视级调色

  • PPM 后期材质（设置景深用于表现独立建筑，扫描特效，Mesh描边）

  • Ambient Cubemap 环境光遮罩

  • Motion Blur 控制动态模糊

  • Misc 控制全局分辨率（不建议大于200）

  • Film（影视调色）

  • Bloom 太阳光晕调节

  • Exposure 人眼适应曝光

  • Temperature 色温

  • Fade Out Distance 控制阴影距离

  • SSR 控制屏幕空间反射效果

  • RayTracing（光线追踪）-着重表现金属，玻璃，全局AO等等

  • 离线烘焙（Lightmass）-可用于降低配置消耗，不过占用内存较大（目前的GPU Lightmass烘焙效率高，效果与CPU渲染并无太大差异）

  • Lumen -实时全局GI,混合追踪管线，每条管线解决它所擅长解决的，UE5正式版已经支持了对Landscape的渲染

  • 虚拟纹理-是一种以时间换空间的纹理流送技术，它最大的好处在于能够让我们使用多种高分辨率纹理，而不像传统流送一样受到内存和带宽限制

  • 距离场阴影 -能很好的解决级联阴影无法设置过远的阴影距离问题，对远距离阴影进行补充

  • 屏幕空间全局光照SSGI-是一个非常廉价的实时GI方案

  • PathTracing-与其他渲染模式相比，追踪器具有以下优势：

  1. 可生成高品质的逼真渲染效果，以及物理合理。

  2. 无需额外设置，或者只需很少设置，即可获得与其他离线渲染器相当的效果

  3. 缩小与类似的再现效果之间的差距。

  4. 与序列器和渲染渲染完整集成，以支持设备质量等级的渲染输出。

程序的底层架构&UMG可以直接参考大钊老师专栏里有关GamePlay架构的文章即可：https://zhuanlan.zhihu.com/p/22813908

  • 天气系统

  • 昼夜交替系统

  • 四季切换系统

  • 模拟（非数据）交通系统

  • 程序化夜景车流，路灯，窗户效果

  • 数据可视化大屏嵌入

  • 自定义POI镜头事件

  • 程序化道路系统

  • 程序化交通系統

  • 动态模型扫描系统

  • 模型切割透视效果

  • 自定义景深选择带描边

  • *详情参见：UE4数字孪生开发路线图

  • 全局参数设置（eg：分辨率，阴影距离，音效质量等）

  • Config配置产品运行参数

  • WebUI(UE4数字孪生 WebUI前端控制功能浅析)

  • 产品启动真实读取&加载

  • 分布式控制：远程内网ipad控制交互（TCP&UDPsocket）

  • APK加密&解密

  • 生成安装包

  • GIS数据的应用

  • Plugin插件集成和应用

  • 像素流多端应用-虚幻引擎像素流白皮书：比较 HTML5、WebGL 和像素流送

  • API接口设计(SDK工具集）可参考51API:http://superapi.51aes.com/guide

  • VR&AR应用

  • 视频流的接入（RTSP/RTMP/HTTP）

  • 数据库接入（Mysql、Oracle、Redis...）

  • RPC广域网多人联机

  • 音视频接入（可参考腾讯游戏语音 GVoice）

  • 独立GUI模块（基于Slate重新定义UMG）

  • 实时OSGB加载（支持以T为单位的倾斜摄影数据实时加载）

  1. ：数据包括但不限于：点、线、面（格式通常为Json/GeoJson以及CSV、Shp等）同时可以支持MySQL, SQL Server,Oracle, Hive, PostgreSQL, 等数据库。

  2. ：可以通过LowEntryHttpRequest、LowEntryJson插件读取中台数据。

  3. ：通常数据都是按照经纬坐标集成的，这里我们需要将经纬坐标转为引擎坐标，推荐插件（SimulationPlugin），4.27已内置。然后进一步解析其它需要的参数即可。

  4. ：将数据转化为可视的效果，例如：当地停车场位置以及内部信息。

    *常见数据驱动效果有：热力图、OD线（UE4数字孪生 OD线）、标签POI、路网。

这是非常关键的一个环节，根据经验来讲，产品开发过程中50%的工作可能都要放在后期的优化上。

特别推荐：NAVIDA DLSS目前支持4.25版本以上，可大幅度提升性能，并且提高分辨率，和光线追踪同时使用效果更佳。（UE5相应推出时序超级分辨率用于对标英伟达的DLSS）

优化前的注意事项：

  1. 记得在独立模式下运行（standalone Mode）

  2. 记得最小化编辑器

  3. 切记关闭帧率平滑turn off Frame rates smoothing

  4. 用控制台命令r.VSync=0关闭垂直同步

  • 少用Tick（要记住如果你的场景和世界中，有许多Actor的“Tick”函数在运行。那就会严重拖累游戏的流畅度。）*替代方案：Timeline、Timer

  • Manual toggling of Actor Tick 手动切换Tick（手动禁用和开启Tick，比如禁用那些距离玩家太远的Actor，它们不在摄像机里，在你靠近他们的时候再重新启用。）

  • Reducing the tick interval （减少Tick的时间间隔.）

  • Event drien systems （事件驱动&蓝图时间驱动）

  • C++的“RotatingMovementComponent”就是个很好的方法。它用于让对象自旋，但假如你还想进一步榨取性能，你就可以用顶点着色器实现它。

  • 如果你制作的3D游戏会用到动画蓝图，记得要使用Fast Path，基本上动画蓝图中的这种闪电图标越多就越好。

性能消耗大的几个函数：

GetAllActorsOfClass
ForLoop
SpawnActorXXX

*在只有需要访问数据的时候才调用这个函数。然后把数据全部存到数组中。

 美术优化 

影响美术渲染性能的主要因素：

  • 大量使用半透明材质：当半透明材质占据屏幕比例越大，且半透明材质越多的时候，性能影响越大

  • 网格体拥有的材质数量越多，则需要调用的渲染指令越多，不同的材质需要调用其他着色器模型。比如绘制8600万三角形的个只有一个材质的平面是15fps，而绘制10万个有50个由以上材质组成的平面绘制是5fps

  • UE4场景是逐对象绘制的（也就是通常意义上的DrawCall），与前一个绘制对象相同材质的对象一般会优先绘制，绘制对象越多，调用绘制指令越多，则渲染需要的时间越长

  • 开启相同质量的动态阴影情况下，组成模型网格体三角面越多，绘制开销越大

  • Mesh的三角面数量低，并且使用频繁，可合并；

  • 远距离的模型，一般可以合并；

  • 保证合并的Mesh在同一个区域；

  • 保证合并的是共享相同材质的Mesh；

  • 保证合并的Mesh是缺少碰撞或简单碰撞的；

  • 保证合并的Mesh非常小或只接受动态光照

  • LOD细节层次：

    *LOD：（Level of Details），简称为多细节层次。LOD技术根据模型的节点在显示环境中所处的位置(Screen Size)和重要度，来决定物体渲染的资源分配，降低非重要物体的面数和细节数，从而获得高效率的渲染计算。一般后一个层级的模型面数只有前一个50%;

    *HLOD:主要在渲染材质上做了优化，近距离下，原模型可能使用了20个Material，但是远距离下，会统一的使用一个材质示例进行显示。

  1. 在项目>Movies>StartupMovies直接添加视频（会自动在Content文件夹内生成Movie文件夹，这样打包后的安装包就可以包含我们的视频了）

  2. 创建以下4种类型的文件，并将MP4指定到MediaPlayer，然后将MediaPlayer指定MediaTexture，最后将MediaTexture拖入材质即可。

  3. 添加带有透明通道的视频需要修改材质的混合模式，参考如下：

角色动画可以直接参考奶帆大佬的专栏里有关《UE4动画系统那些事》的文章即可：

资产打包&DLC可以直接参考循迹研究室里查l利鹏有关《UE4动热更新》的文章即可：

Vue

React

Angular

智慧城市、智慧楼宇、智慧校园、智慧工厂、智慧医院、智慧展馆、智慧旅游、智慧乡村、智慧水利、智慧能源、智慧交通、智慧商场、智慧机场、智慧小区、智慧酒店、智慧BIM、智慧港口。

 Lumen 在实时全局光照领域，将成为挑战光线追踪技术的硬核法宝，并且，其仅通过软件（不借助硬件）计算。*目前UE5早期体验版：在折射、反射、透明物等方面和光追还有一定的差距。并且会出现严重的漏光现象，比如墙体过薄。

 Nanite 彻底解决了模型的面数限制，在某种程度上达到了‘’无限面‘’，其动态Lod效果相对传统的手工Lod，效果显得非常细腻自然。*不过对于已经属于无法优化的物体（比如一个引擎底层的12面cube）表面会存在不显示材质的Bug。

 Mass AI 人群和交通系统，就是UE5实现的ECS框架。

 WorldPartition  自动化的大世界流送系统。是一种全新的数据管理和流送系统。使用世界分区功能后，世界场景会以单个持久关卡的形式存在，并且场景会被划分成数个网格，数据会根据你的需求进行局部加载，因此你再也不用将世界划分成无数的子关卡来管理流送。

 Temporal Super Resolutio 更高分辨率显示。

 MetaSounds 程序化音频系统。

 MetaHuman 下一代数字人。

 虚拟阴影贴图 得益于Nanite、Lumen和世界分区系统，虚拟阴影贴图能够提供稳定且高品质的次世代阴影效果，可用于为电影级品质的资产和大型开放世界生成阴影。

 Mega Assemblies 全新资产类型。

 Game Feature Plugins 游戏功能插件(用更模块化的方式构建和发布游戏内容。

 Animation Motion Warping 动画运动扭曲(允许操作角色的根移动动画)。

 Control Rig 控制骨骼绑定。

10.Control R10.Control Rig控制绑定；ig控制绑定；

元宇宙：在你眼中是游戏，科学家眼里是人和 AI 的「无限战场」

当一个新的时代蓄势待发，如果不懂它，就不能帮助创造它

最为我们熟悉的，大约是电影《头号玩家》海报精选合集里的场景：

事实上，在工业界也有一个相似的概念，叫“数字孪生”（Digital Twins），指人们用软件来模仿和增强人类世界的行为

美国的互联网科技大拿最早对元宇宙进行了布局。014年，Facebook（FB.O）就用20亿美金收购了虚拟现实技术公司Oculus。Facebook 的CEO马克扎克伯格提出，在未来五年内要将Facebook从社交媒体公司转型为一家元宇宙公司。

硬件厂商Nvidia (NVDA.O) 推出了号称工程师的元宇宙虚拟协作平台Omniverse。Nvidia CEO黄仁勋预测说：“元宇宙的经济规模会比实体世界更大。”，8月24日，英伟达公司的市值超越了腾讯，达到5500亿美金。因为它的芯片业务，实实在在地受益了元宇宙的潮流。游戏是元宇宙的第一个应用场景，数据中心受益于元宇宙应用爆发带来的算力需求爆发，专业可视化受益于元宇宙与现实世界的交互模拟，这三块业务占据了英伟达95%的收入体量——元宇宙巨头，非它莫属。

借助于元宇宙，世界各个玩家将角逐到未来增长的蛋糕，而游戏可谓是一个绝佳杠杆与推手。

回顾人类的发展，推动世界向前发展的，往往是科幻及人们的好奇心！

2020年，腾讯（00700.HK）马化腾提出“全真互联网”的概念，即一个能够“由实入虚，帮助用户实现更真实的体验”的概念网络，这一概念与“元宇宙”概念十分类似。

为此，腾讯投资引擎技术供应商Epic game，后者通过UE4引擎提供虚拟建模服务，同时次世代引擎虚幻5也已发布概念宣传，预期能达到更加真实的虚拟效果。2021年4月份，Epic Games在元宇宙概念的加持下共获得10亿美元投资。

详情请参考:cityengine官网，ACG可以理解为一个全自动的场景生成算法，通过数据直接还原真实世界。单说就是一个脚本，告诉shp该如何生成建筑体块。

可以使用WebUI插件，通过数据接口调用前端H5的交互界面，中间的通信数据结构推荐Geojson，实现前后端的数据和交互通信。

  1. ^UE4官方文档

  2. ^UE5官方文档

 

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