基于Unreal Engine 4 虛擬引擎模擬《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》最短路徑問題

王家偉 雷茵寧 張錦鵬 李 攀

（防災(zāi)科技學(xué)院 信息工程學(xué)院，北京101601）

1 概述

目前高校教師授課的積極性不高，一部分原因就是學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)了影響教師授課的積極性?，F(xiàn)在的大學(xué)生普遍存在著浮躁的心態(tài)，學(xué)習(xí)的熱情不太高，學(xué)習(xí)的自覺性也不太強(qiáng)。上課遲到、早退、曠課現(xiàn)象比較嚴(yán)重。有些學(xué)生即使人在教室，卻是“人在曹營心在漢”，沒有把注意力放在聽課上。

學(xué)生學(xué)習(xí)熱情不高的一方面原因與老師上課所使用的教學(xué)課件有關(guān)，傳統(tǒng)的PPT 課件無法再提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此我們團(tuán)隊通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來輔助老師課堂教學(xué)，以此增強(qiáng)學(xué)生的上課積極性。

近幾年隨著計算機(jī)設(shè)備端的不斷地發(fā)展與創(chuàng)新，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開始受到社會重點(diǎn)關(guān)注與發(fā)展，并逐漸成為了成熟的信息化技術(shù)之一。人們開始將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到生活當(dāng)中，比如現(xiàn)在從一些醫(yī)院、旅游景點(diǎn)等地方，我們就可以看到VR 項(xiàng)目。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以生動逼真的還原場景及過程，給人以真實(shí)感。

Unreal Engine 4 是由Epic Games 開發(fā)的，具有成熟的虛擬現(xiàn)實(shí)模擬技術(shù)的引擎。是目前大多數(shù)的VR 項(xiàng)目開發(fā)的首選引擎。Unreal Engine 4 可以與在3dMax、Maya 中構(gòu)建的模型完美結(jié)合，給人以真實(shí)感，從而增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。Unreal Engine 4 所具有的強(qiáng)大的物理模擬能力，可以很好的模擬出教學(xué)課件所需要的場景、建筑、路徑以及它們之間的變化過程。演示開始時，每個建筑之間的路徑及其距離長度將會自動顯示。當(dāng)比較選擇不同路徑時相應(yīng)距離大小的變化時，Unreal Engine 4 還可以實(shí)現(xiàn)通過不同動畫顯示出其路徑距離比較過程的效果。除此之外，Unreal Engine 4 還具有強(qiáng)大的畫面渲染能力，其優(yōu)秀的粒子系統(tǒng)與材質(zhì)系統(tǒng)可以模擬出真實(shí)的場景及其特效變化，這是目前其他軟件所無法比擬的。通過更加生動有趣的課件，可以幫助同學(xué)們更加充分的了解《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程最短路徑的計算過程，增加其學(xué)習(xí)興趣。

本項(xiàng)目通過使用3Ds Max 制作場景三維模型，使用Unreal Engine 4 制作場景及其動畫，來實(shí)現(xiàn)計算機(jī)專業(yè)課程中《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程最短路徑的計算過程。從而實(shí)現(xiàn)輔助老師課堂教學(xué)的目的。

2《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程最短路徑演示項(xiàng)目總體設(shè)計

2.1 選擇合適場景模型

我們團(tuán)隊運(yùn)用了大數(shù)據(jù)的方法，分析了大多數(shù)高校學(xué)生較為感興趣的課件表現(xiàn)方式，最終選擇用3Ds Max 對城市房屋建筑與公路進(jìn)行建模，真實(shí)地還原城市場景，這樣可以給學(xué)生以代入感，以實(shí)際情況為例幫助學(xué)生更好的學(xué)習(xí)專業(yè)知識。

2.2 功能設(shè)計

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程最短路徑演示項(xiàng)目包括了模型、動畫演示、材質(zhì)、藍(lán)圖等系統(tǒng)。模型是用于還原教學(xué)內(nèi)容，動畫演示則是用于老師講解教學(xué)內(nèi)容，藍(lán)圖則是用于實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容各個機(jī)制。

2.3 整體實(shí)現(xiàn)

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程最短路徑演示項(xiàng)目主要是通過Unreal Engine 4 引擎進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)，3Ds Max 實(shí)現(xiàn)場景構(gòu)建，演示動畫、建筑材質(zhì)則是用Unreal Engine 4 中的動畫、材質(zhì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。同時，通過Unreal Engine 4 引擎中的藍(lán)圖功能進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的底層機(jī)制實(shí)現(xiàn)。

3《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程最短路徑演示項(xiàng)目的詳細(xì)設(shè)計

首先對于課件表現(xiàn)方式，我們選取了城市房屋建筑與公路作為模型，盡可能的還原一種真實(shí)感，當(dāng)學(xué)生在學(xué)習(xí)該部分知識時，這種更加貼近實(shí)際的方式往往能激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。然后我們對《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程最短路徑的計算過程進(jìn)行了解和分析，確定具體演示步驟的實(shí)現(xiàn)方式。

當(dāng)教師開始使用課件進(jìn)行教學(xué)時，課件上將會顯示出所有的建筑以及連接建筑之間的公路，在公路上方會顯示出路徑的距離大小，同時在另一側(cè)會出現(xiàn)一張表，表的作用是記錄起始點(diǎn)到每其他一點(diǎn)的最短距離大小。在課件開始演示后，根據(jù)《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程最短路徑的計算方法，第一步，從規(guī)定的起始點(diǎn)開始，每條與起始點(diǎn)相連的路徑都會依次高亮顯示出來，其距離大小將會記錄進(jìn)表中，從中選擇距離最短的一點(diǎn)開始進(jìn)行下一步操作，并將到每一點(diǎn)的最短距離進(jìn)行標(biāo)注。第二步，從下一點(diǎn)開始，重復(fù)第一步操作，但要與上一步記錄的最短距離相加進(jìn)行計算，如果該點(diǎn)與其相鄰點(diǎn)相加得到的距離小于表中原有距離，那么表中數(shù)據(jù)將進(jìn)行更新，反之則順延上一步表中數(shù)據(jù)，直到不重復(fù)走完所有點(diǎn)，此時表中所標(biāo)記的數(shù)據(jù)就是起始點(diǎn)到其他每一點(diǎn)相應(yīng)的最短距離。

3.1 建模

項(xiàng)目中的所有模型，除了所有城市房屋建筑與公路，還包括交通載具，花草樹木的模型，我們團(tuán)隊均采用了3Ds Max 進(jìn)行建模。并將完善后的模型導(dǎo)入Unreal Engine 4 中進(jìn)行搭建。

3.2 UI 設(shè)計

為方便教師教學(xué)使用，我們簡化了課件的UI，教師只需點(diǎn)擊課件中的“開始演示”按鍵，課件將通過藍(lán)圖控制自動進(jìn)行演示，并且可以隨時暫停，方便教師對重要知識點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)。

3.3 動畫演示

Unreal Engine 4 引擎具有優(yōu)秀的動畫演示系統(tǒng)，在演示中，在進(jìn)行每一步演示時，被選擇做比較的路徑都播放會相應(yīng)的動畫，并配以相應(yīng)文字解釋，同時表中數(shù)據(jù)將會同步計算結(jié)果進(jìn)行更新，全新的課件表現(xiàn)方式配合教師的教學(xué)，既可以激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又可以幫助學(xué)生更好地理解專業(yè)知識。

結(jié)束語

雖然現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)的水平在不斷提高，但目前許多高校的課堂教學(xué)方式仍然較為單一，使用PPT 課件進(jìn)行課堂教學(xué)仍然是目前許多高校所采用的主流方式。過于單一的教學(xué)方式成為了學(xué)生上課積極性不高的原因之一。在近幾年里，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，給了高校課堂教學(xué)一種新方式，那就是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將專業(yè)知識以另一種形式生動、真實(shí)地展現(xiàn)在學(xué)生面前，不再局限于書本，從而讓學(xué)生能更直觀、更深入地了解專業(yè)知識，提高學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識的積極性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與課堂教學(xué)的結(jié)合不只是局限于計算機(jī)專業(yè)，經(jīng)過進(jìn)一步實(shí)踐后將來還可以應(yīng)用于其他專業(yè)，服務(wù)于非計算機(jī)專業(yè)的教師與學(xué)生。