『UE4数字孪生』开发流程浅析(持续更新）

数字孪生

是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。

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先不废话，直接上作品：

石几衣束的B站数字孪生作品空间https://space.bilibili.com/66186575https://space.bilibili.com/66186575

大家好，我是石几衣束，正在UE4技术美术的道路上越挖越深......

关于UE4数字孪生的一些思考&梳理（持续更新）：

1. 3D模型&场景地编「全要素生成」

2. PBR材质表现&Emitter/Nigarra粒子&PPV

3. 光线追踪&非光线追踪

4. 程序功能架构&HUD

5. 物联网大数据同步

6. 全局程序&美术优化

7. 多媒体视频播放

8. 角色&场景动画

9. 资产打包&更新

10. 进阶实战开发

三维模型

首先整理一下涉及到的3D建模软件以及作用：

• 3DMax（格式转换+素材整合+Datasmith导出）

• Maya（模型骨骼动画）

• Blender(天下第一）

• SketchUp（面数低）

• Revit（1:1参数化表现）

• Rhino（高精度地形）

• 倾斜摄影OSGB数据（大面积建模）

• Marvelous Designer(布料解算）

• Daz studio(人体表现）

• CityEngine CGA规则（城市集群快速生成）

• UE4 PointCloud点云数据（作为大远景背景）

• 欢迎交流其它相关软件.....

*UE4目前支持CityEngin Vitruvio插件可以直接实时执行ACG规则生成建筑和道路

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场景地编

城市地编

地形插件：

• 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+三位模型堆砌地形环境（模型来自UE4商城地形素材）

• CAD图纸结合WorldMap生成可视化地形

• WorldCreator2结合灰度图模拟真实地形（效果最好）

• WorldMachine结合DEM数据生成灰度图

道路：

• 手工建模道路：适用于定制化崎岖不规则道路

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

• Landscape样条线道路：适用于山脉之字形道路(参考商城资源：Brushify Country Roads Pack）

建筑:

建筑分级：V1,V2,V3。（V1:低精度配楼V2:中精度点缀景观楼V3:手工定制精模）

• 低精度配楼：根据GIS矢量数据生成（成熟方案：CityEngine）+低模素材根据卫片手工摆放(或者手工绘制shp数据直接生成可控的配楼景观）

• 中精度配楼：模块化程序建筑+3D66中精度素材+UE4商城资源结合精模区位摆放

• 高精度配楼：根据甲方要求设计制作即可

植被

• SpeedTree素材库，根据卫片刷在Landscape上，近景建议一个一个种树，远景建议直接大范围刷上，山脉地形处需要细刷。

• 相关素材积累：绿化丛，花草丛，点缀性植被。（eg：桃花树，杏树）

水

基于UE4 4.26水系统

• 湖泊，河流，海洋，池塘，瀑布素材库积累，结合船只，码头，喷泉等配景。

• 物理水粒子（锦上添花）

其它

• 风力风车，鸟蝴蝶鱼群，电线塔，大桥,车流+人流，动物，草地，花圃灌木丛，星空天空球......

素材推荐：

1. Moudule City资源包

*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。

Twinmotion可以联动UE4啦！这个功能我都不敢想！太牛了！_哔哩哔哩 (゜-゜)つロ 干杯~-bilibilihttps://www.bilibili.com/video/BV11A411s73Dhttps://www.bilibili.com/video/BV11A411s73D

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PBR材质---基于物理的渲染过程。

1. 漫反射 Diffuse

2. 反射 Specular

3. 金属度 Metalness

4. 反射率 Reflectivity

5. 菲涅尔反射（玻璃属性）

6. 法线 Normal

7. 粗糙度 Roughness

8. 阴影 AmblientOcclusion

*常见的材质属性

PBR材质工具

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）

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UE4Niagara粒子

Niagara系统（坑先挖好）

白狸奴：UE4-Niagara基础解析https://zhuanlan.zhihu.com/p/138088668https://zhuanlan.zhihu.com/p/138088668

• 实战场景：可视化车流、物理液体、烟雾气流、特效展示、等等.....

PostProssesVolume

PostProssesVolume（后期盒子）

• LUT(润色）影视级调色

• 后期材质（设置景深用于表现独立建筑，扫描特效，Mesh描边）

• 环境遮罩（Ambient Cubemap）

• 禁用动态模糊（Motion Blur）

• Misc控制全局分辨率（不建议大于200）

• Film（偶尔调色出奇的好用）

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光线追踪&非光线追踪（离线烘焙Lightmass）

RayTracing

• 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）

其它光线技术：

• 虚拟纹理-可以吧生成动态纹理

• 距离场阴影 -对大型场景的性能优化作用显著

• 屏幕空间全局光照

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程序功能架构

参考大钊老师专栏里有关GamePlay架构的解析：

InsideUE4https://www.zhihu.com/column/insideue4https://www.zhihu.com/column/insideue4

个人整理的开发目录结构：

Content目录结构

数字孪生涉及的功能点：

• 天气系统

• 昼夜交替系统

• 季节系统

• 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（表现核心区域）

• c程序化交通系統（重点表现车流）

• 动态扫描系统（可全局控制）

• 程序化自定义景深（带效果）

• 模型切割透视效果

• 季节切换系统

• 自定义景深选择带描边

• .....

其它功能点：

• 全局参数设置（eg：分辨率，阴影质量等）

• config配置运行

• 产品启动真实读取&加载

• 远程内网ipad控制交互（TCP&UDPsocket）

• APK加密&解密

• 生成安装包

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物联网大数据同步

物联数据

1. 获取数据：数据包括但不限于：点、线、面（通常为Json/GeoJson数据）

2. 读取数据：LowEntryHttpRequest、LowEntryJson插件读取云数据。

3. 处理数据：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），github可捡。

4. 应用数据：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、标签POI、路网。

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全局程序&美术优化

全局优化

这是非常关键的一个篇章，根据经验来讲，产品流程成熟之后，产品开发70%的工作可能都要放在后期的优化上。（这里的优化包含但不限于对效果进行修改的工作）

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，和光追同时使用效果更佳。

程序优化：

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. 且用控制台命令r.VSync=0关闭垂直同步

方案：

• 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：

所有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。

玄冬Wong：[UE4]性能优化指南(美术向)​zhuanlan.zhihu.com

进阶开发

1. GIS数据的应用

2. Plugin插件集成和应用

3. 像素流多端应用

4. API接口设计(SDK工具集）

5. VR&AR应用

6. 视频流的接入（RTSP/RTMP/HTTP）

7. 数据库接入（Mysql）

8. RPC广域网多人联机

9. 音频接入（可参考腾讯游戏语音 GVoice）

数字孪生的项目分类

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。

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UE5带来的技术革命：

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。

Q&A板块（欢迎小伙伴们提问）：

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1.ACG规则生成建筑?是个什么东东?

这个规则是由51World创建并定义的，具体详情可参考官网。我这里做一个简单的总结：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。

2.怎么样让UE4和网页交互?

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。

敬此

共勉

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