学生用虚幻和VR快速开发复杂的天文馆节目

By Hyunwoo Lee |
2021年1月20日
Hyunwoo Lee目前正在首尔艺术大学数码艺术系进修,他一直积极创作交互式的展会内容,将虚幻引擎与各种传感器关联。Hyunwoo在开发和设计内容时,通常致力于在项目的美术和技术方面作贡献。他和同学Kyuri Kim、Yesong Lee、Joo-yeol Kim和Jiwon Kim组成了一个五人团队来开展《ONENESS》项目,并以监督和技术美术的身份领导该团队。
大家好,我们是韩国首尔艺术大学的一个学生团队,成员包括四名数码艺术系学生和一名实用音乐系学生。我们要向你介绍我们创作《ONENESS》项目的过程,我们已经在果川国立科学馆的天文馆和2020年秋季学生作品集锦中展示了它。
 


首尔艺术大学提供的虚幻引擎教学

首尔艺术大学提供优秀的虚幻引擎教学,这是我们作为学生能够完成这么大的项目的主要原因。首尔艺术大学早就认识到了虚幻引擎用于创作媒体艺术的可能,从2011年起就向数码艺术系的学生教授虚幻引擎。学生们可以学习虚幻引擎的基础知识,并从事建筑可视化、电影和游戏开发评估,探索虚幻引擎的各种不同用途。

通过这一过程,许多学生高效地积累了可以应用于VR、AR、交互式表演和展会等专业领域的经验。我们的团队也从这些教学中受益良多,过去的两年里,我们一直在使用虚幻引擎创作各种项目,比如影片、互动美术和媒体表演。
 

回顾《ONENESS》从开始到最终展示的全过程

《ONENESS》项目最初是VR视频内容,旨在让人看到可信的空间。在开发过程中,我们听说果川国立科学馆举办了一个电影节,所以我们按照这个活动的要求修改了项目。 

但是这带来了严重的时间问题。创作用于大型天文馆穹顶的内容通常需要耗费大量时间与成本。我们要在短短三个月内完成15分钟的视频。但我们认为这对我们是个天赐的良机,因为我们可以在一个直径25米的天文馆里展示我们的作品,最重要的是,我们相信虚幻引擎强大的实时渲染将使这个项目成为可能。 
果川国立科学馆天文馆的外景和内景
天文馆展示中的一幕

设计

《ONENESS》项目的主题是人类和宇宙。我们想要传达的信息是,宇宙的历史是另一种形式的人类记忆。所以我们把从大爆炸到人类文明起源的漫长历史浓缩为一个15分钟的长镜头,让观众仿佛在观看人生。我们还想做出超越时间与空间的可视场景,而且整个项目开发和关键的场景都要有科学依据。为此我们的团队研究了许多宇宙科学理论来规划场景,还咨询了一些天体物理学教授和研究者。如果没有虚幻引擎的蓝图系统和Niagara,把我们的设计变为现实将会很困难。
这个场景展示的是最后普遍共同祖先(LUCA)的诞生

Niagara粒子

《ONENESS》中的大部分场景是在宇宙空间中,因此抽象分子(而非实际物体)的可视化是这部影片的美学关键。正是由于这个原因,粒子在我们的项目中是重要的一环。我们很自然地决定积极利用虚幻引擎的新粒子系统Niagara。

Niagara的模块化堆栈方法非常直观,第一次使用这种系统的美术师也能轻松创建所需的粒子。但是在Niagara中创建用于Sequencer的粒子的精美细节时,我们发现了创建一般效果的局限性。 

Niagara粒子必须与其他各种因素的时机以及Sequencer的关键帧动画匹配,但是我们在Niagara中使用的方法很难准确把握复杂的时机。因为所有的可视化都是在Sequencer中完成的,所以我们需要一种在Sequencer中预览和控制Niagara的实时方法。 

好在Niagara的用户定义参数提供了我们所需的功能。在Sequencer中,我们可以从Niagara调用用户定义的参数,并使用关键帧进行控制。
我们的Niagara和Sequencer工作空间
我们把所有需要根据导演意图动态控制的模块化变量(例如不透明度、大小和速度)都替换成了用户定义的参数,从Sequencer加以控制。和其他Actor一样,Niagara粒子也可以在Sequencer中实时查看,这使我们能够即时查看最终场景,大大改进了电影制作过程。这反过来也使我们能够开展更复杂的制作,快速尝试不同的视觉效果。
使用Niagara进行场景转换
对于一部只有一个镜头的影片而言,在Sequencer中灵活控制Niagara尤为关键。同时查看和控制各种Niagara系统的功能帮助我们实现了主要场景过渡的流畅衔接,不需要进行剪辑或使用障眼法。 

使用蓝图创建模拟

在《ONENESS》中,大部分主要场景再现了宇宙历史中的关键事件和物理现象。和大多数电影制作过程一样,《ONENESS》也使用Sequencer的关键帧动画来创建这些场景。也有一些特别有挑战性的场景,无法使用Sequencer动画方法再现,例如表现大爆炸后几微秒到38万年后的时期的场景。在这个场景中,质子和中子在电磁力作用下合并与分开,形成四种类型的原子核。我们必须表现原子核所需的质子和中子联成一体的原子形成过程。
这是质子和中子形成的原子核结构
这种复杂的相互作用必须遍及整个宇宙环境,所以要将这种逻辑应用于数以百计的对象,这是我们无法靠自身力量完成的关键帧动画。我们的团队需要使用Sequencer以外的其他方法来高效地做出这个场景。

蓝图就是我们的答案。我们的想法是,定义质子与中子形成氦元素的过程,并使用蓝图使粒子自动地移动和反应,如此一来,单靠这种模拟就能完成这个场景,不需要制作Sequencer的关键帧动画。我们在这个过程中,首先定义质子与中子类。
Neutron蓝图和定义图
上图显示了我们是如何定义质子和中子类的。所有粒子一开始都在太空中漂浮,直到重叠反应发生,并根据其状态出现各种行为。例如,当一个质子遇到一个重氢原子时,它们就会形成氦-3原子核,当这个氦-3原子核与另一个氦-3原子核相遇时,就会形成氦-4的原子核,并在此过程中释放出两个质子。我们使用蓝图时间轴功能代替Sequencer,创作了粒子移动和反应时的材质动画。 

使用蓝图创作出物质的相互作用和动画之后,我们就能完成后续的场景,不需要复杂的Sequencer动画了。我们只是简单地在Sequencer中添加了几个事件关键帧,用于在需要时触发多种类事件。
质子形成模拟
原始太阳系的行星形成模拟
这些科学现象是极难在Sequencer中再现的。借助蓝图处理自动模拟的功能,我们高效地完成了这些复杂场景,从而能把更多时间用于其他场景。

在VR天文馆中的预可视化

这个项目最大的挑战是为半球形天文馆制作视频内容。当我们第一次在天文中查看我们未完成的作品时,发现虽然制作时考虑了穹顶环境,它还是与我们的想象完全不同。这让我们意识到了这个项目真正的难度有多大。 

第一个问题是,银幕直径有25米左右,这超出了我们在结构和规模方面的预期。我们意识到需要设计一个新结构,并根据这个巨大的天文馆银幕调整布局。第二个问题是半球形银幕造成的畸变。当平面图像被投影到半球形的3D银幕时,边缘会发生严重的畸变。这些问题使内容无法观看,需要我们在工作室和天文馆之间来回奔波,频繁进行故障排除。
渲染图像与实际结果的对比
但是,真正的问题是故障排除过程效率不高。我们的团队无法预见我们的视频在天文馆中展示时会出现什么问题,我们测试它的唯一办法就是实地走访天文馆,而一个月只能进行两次测试展示。雪上加霜的是,一次正规的测试需要花大约两天时间准备。 

由于我们离电影节只剩两个月,我们很快意识到四次测试不足以解决这些问题。我们需要用新的办法来革新故障排除过程,通过集思广益,讨论了各种不必走访天文馆来测试影片的方法后,我们意识到VR是解决我们的问题的良方。我们的想法是创建一个虚拟天文馆,以VR形式测试它。
我们的虚拟天文馆
这个VR天文馆的目标是构建相同的环境来模拟实际的场馆和体验。因此,我们再现了一个反映实际环境的虚拟天文馆,其中包括25米的半圆形穹顶,10度的倾角,以及座椅布置和合适高度。然后我们确保在穹顶网格体上使用材质来映射图像和视频源。我们在虚幻引擎中成功再现了符合真实场馆情况的天文馆,并以虚拟现实的方式体验了这个天文馆。
使用VR表现虚拟天文馆
结果很成功。实际天文馆的体验几乎与VR天文馆体验完全相同。我们再也不必花费大量时间准备银幕,而且每当我们需要测试时,就能立即在VR中获得反馈。我们的天文馆视频内容制作过程现在具备了实时引擎所提供的即时反馈能力。与以前的反馈过程相比,我们调整布置和合成的新工作流程能够以前所未有的速度解决畸变问题。
 

我们的团队使用这种方法,使我们的天文馆内容一直到电影节提交日期都保持稳定,在紧张的时间限制下圆满完成了《ONENESS》项目的制作。

总结

《ONENESS》为期三个月的制作过程就此结束。我们在紧张的时限内取得了高品质的成果,如果没有虚幻引擎的实时渲染、强大的电影制作功能和直观的可视化脚本,《ONENESS》项目是不可能完成的。虚幻引擎是一种极其强大的工具,它使我们的想象成为现实。今后我们的团队将继续使用虚幻引擎创作各种内容。

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