融合虚幻引擎，万博DataVis打造逼真数字孪生世界

王言培

当你操控游戏角色在数字构建的城市、林海中恣意穿梭时，虚拟感官与真实的快意交错，是否曾幻想将这种神奇体验带到三次元？换个可行的思路，我们能否将三次元的真实景象进行三维建模，通过数据映射的方式在二次元世界中拥有超能力？



图：游戏《EURO TRUCK》中模拟真实公路

事实上，现代产业数字化变革过程中，智慧城市、智慧工厂、智慧医疗等领域已经开始了相关探索与实践，并赋予了它新的概念——数字孪生。



图：虚幻引擎城市构建示例项目（图片来源于虚幻引擎官网）

数字孪生是典型的实践先行，再被概念化的名词。在数据可视化实践中，物联网设备记录的数据中包含大量与三维空间相关的数值信息，如有形的设备结构、地形扫描等，再如无形的设备温度场、流体速度等。这些大量的三维数据很难用二维图形呈现，因此需要三维画面来展现空间分布及数值变化。当三维模型与现实世界数据同步映射时，就成为了数字孪生。
目前，两类平台最受数字孪生开发者喜爱：基于浏览器的3D环境和3D虚幻引擎（unreal engine）。其中基于浏览器通过WebGL实现的数据可视化展示便于共享，能够呈现实时数据流可视化，普适性更强。除此之外，更加擅长3D渲染的虚幻引擎也将其适用范围扩大到娱乐领域之外，推出城市数据集使用工具等。随着数字孪生需求的多样性发展，越来越多的开发者开始将目光转向虚幻引擎，使用虚幻引擎渲染更加真实广阔的场景、更加细腻的物体建模，构筑更具真实感的数字孪生世界。



图：虚幻引擎构建的城市（图片来源于虚幻引擎官网）

什么是虚幻引擎
为什么适用于数字孪生？
提起虚幻引擎大家可能比较陌生，但说起由虚幻引擎制作的游戏《PUBG》、《黑神话：悟空》等想必很多人都耳熟能详。简单来说，虚幻引擎是由Epic开发的用于制作PC游戏、手机游戏、建筑动画、景观世界等的３D引擎，与Unity并为游戏行业最出众的3D引擎。随着其应用范围的专业化拓展，逐渐应用于工业可视化设计、智慧城市、医疗模拟等专业领域。





图：使用虚幻引擎制作的游戏画面（图片来源于游戏官网）

为什么虚幻引擎适用于数字孪生？纵观CG（Computer Graphics）相关领域，处于发展最前沿的始终是游戏，那些令人经验极致视效与交互往往出现在3A大作中。相对来说，现代工业、城市、医疗等行业的数字孪生应用虽然也涉及大量3D场景搭建，但在视觉效果上仍有很大发展空间。
如今，随着虚幻引擎越发成熟，其优势也普及各行各业，对于注重视觉效果数字孪生项目来说，虚幻引擎天然具备更加复杂的场景交互能力，且支持构建更加逼真的场景，因此开发者们更偏向于采用虚幻引擎实现更为灵活的场景交互，构建逼真级3D数据可视化。此外虚幻引擎配套资源丰富，支持VR、AR等前沿展示形式，未来将可进一步拓展数字孪生的展示与交互形式。

融合集成虚幻引擎
打造真实细腻的数字孪生世界
2020年，虚幻引擎5的发布轰动了许多行业，不但次世代游戏领域掀起新一轮变革，其突破性新工具可用于生成高度逼真、精细的大规模开放世界，在模拟行业具有重大意义。万博思图在数字孪生领域具备成熟的方案逻辑，同时也在持续关注前沿技术升级。虚幻引擎5发布后，万博思图进行了方案整合，将虚幻引擎4、虚幻引擎5集成至自研平台万博DataVis中，实现双模式双向通信，让细腻画质的数字孪生应用成为可能。


一、万博DataVis实现与虚幻引擎的双模式双向通信
随着虚幻引擎在专业应用领域的不断探索，虚幻引擎与外部程序的双向数据通信有着重要价值。简单来说，虚幻引擎与外部程序的协作、交互均依于虚幻引擎与外部程序之间的通信。因此，虚幻引擎与外部程序双向通信对于智慧城市、智慧工厂、智慧能源等数字孪生项目起到基础性、关键性的作用。
万博DataVis是万博思图自研的数据可视化平台，在构建智慧城市、智慧工厂等数字孪生场景构建中具有成熟的解决方案。此次技术升级中，万博DataVis在平台中集成了虚幻引擎4、虚幻引擎5，并且实现了虚幻引擎双模式双向通信、UE云渲染流送。

• 高效构建双向通信，提高与虚幻引擎交互应用开发效率
  

实际操作中，用户只需在万博DataVis的W-Max（高品质可视化大屏）产品中选择“组件”模块，直接修改流送IP地址即可实现虚幻引擎与外部程序的双向数据通信。用户在构建数字孪生的过程中无需重复打包项目，提升了开发及后期维护效率。

通过万博DataVis集成虚幻引擎
https://www.zhihu.com/video/1581640192775110656

• 以可视化界面的方式配置交互指令
  

W-Max作为成熟的数据可视化产品，内置丰富的数据可视化展示、交互可配置项。一方面，现实世界的数据可以同步映射至数字孪生世界，实现数字孪生；可视化界面可以通过UE通信模发送UE指令、图表组件发送指令事件、驱动UE场景切换等。另一方面，当虚拟世界的场景出现故障警告、危机预警等情况时，可通过平台进行UI层的弹窗、闪烁等进行显示预警。
实际应用中，用户可以通过W-Max中的图表、按钮、组件等进行个性化数字孪生配置，自定义图表样式、图表交互、切换联动图表等，让数字孪生世界真正发挥其智慧价值。



图：W-Max中丰富的可配置选项

• 两种模式实现双向通信，双重优势满足不同客户所需
  

万博DataVis支持两种模式：万博DataVis实现基于虚幻Pixel Streaming的双向通信、基于虚幻WEB UI实现像素流的双向通信。为客户提供更多灵活配置方式选择。

万博DataVis 实现基于虚幻Pixel Streaming的双向通信
既然3A游戏需要具备高配显卡的PC才能运行，那么由虚幻引擎构建的数字孪生是不是也需要高性能GPU支持呢？答案是肯定的。但如此一来，数字孪生项目的外出演示、移动设备交互、多人共享等则会非常不便。虚幻引擎官方也意识到这一问题，推出了Pixel Streaming这一技术。Pixel Streaming的字面意思是像素流，其原理即是通过引擎附带的一组Web服务，在桌面PC或云服务器上运行打包的虚幻引擎应用程序，而开发者可以自主选择平台，使用任何现代Web浏览器进行连接，并从虚幻引擎应用程序中流式传输渲染的帧像素和音频。
考虑到数字孪生项目的交互性、便携演示性等需求，万博思图在使用虚幻引擎构建数字孪生中使用了Pixel Streaming技术。以自研万博DataVis平台为基础，通过云端渲染、指令通信交互实现模型交互展示，并支持多实例模式并发访问。在万博DataVis中集成虚幻引擎的方式便于BS架构系统集成及云渲染，开发者只需浏览器即可发布应用。如此一来，用户可以用便携笔记本电脑展示可视化项目，也可以通过ipad实现多人同步交互等，解决了虚幻引擎对硬件苛刻要求的难题。



图：万博思图数字孪生web集成UE场景

万博DataVis基于虚幻WEB UI实现像素流的双向通信同时，万博DataVis还支持以松耦合集成的方式在web界面嵌入虚幻引擎打包客户端，并通过封装基于Web UI组件的插件集成万博DataVis可视化页面。可视化界面通过虚幻引擎通信模块接收数字孪生场景指令，实现双向通信交互。同样能满足丰富交互指令的配置，实现高画质数字孪生。这种模式更适合于客户端发布的数字孪生，其虚幻引擎的场景渲染效果更佳。



图：万博思图数字孪生UE集成web模式

二、发挥虚幻引擎的天然优势，实现L4、L5级别模型渲染
数字孪生是基于模型的体系级虚实映射工程，模型的精度决定了数字孪生呈现在用户眼中的画面。模型更加真实细腻，管理者则能够更准确的通过孪生世界对物理空间进行诊断、预测和决策。
数字孪生世界中的精度大致可以分为5个级别，从L1-L5逐步提升：L1为低精度、L2为中精度、L3为高精度、L4为高拟真、L5为全拟真。一般来说，大部分中等规模城市和园区的智慧城市、智慧工厂等普遍适配L2-L3精度，而万博思图通过虚幻引擎构建的数字孪生能够达到L4、L5级别。更细腻的模型渲染不仅能传达更多艺术化视觉效果，同时也意味着能够实现更近的观察距离、更复杂的模型结构，以此来呈现更为精准的虚实数据映射。
如在万博思图集成虚幻引擎构建的数字孪生中，镜头可以拉至城市近景，展现沿海城市的大美风光。



图：万博思图使用虚幻引擎制作的孪生场景

三、虚幻引擎全局光渲染，使数字孪生场景更加贴近真实世界
如果将传感器比作物理实体的“眼睛”，那么数字孪生体则是数据的“皮肤”。“皮肤”的真实感一方面取决于其内在骨骼，即高精度建模，同时还需要依靠引擎渲染实现光感、气雾等营造视觉效果。
在建模环节，万博思图基于实地调研进行三维仿真建模，技术美术人员逐一放大局部细节并进行精细刻画，实现L5级模型构建。同时依托虚幻引擎的全局光效果环境渲染，数字孪生场景得以模拟真实世界的物理现象和自然规律，如四季变换、晴雨交替等，极尽可能地还原现实世界。

万博思图使用虚幻引擎制作的孪生
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万博思图是深耕数据可视化领域15年的老江湖，但使用虚幻引擎制做数据可视化案例仍然是一次突破性尝试。在最新案例中，万博思图使用最新版虚幻引擎5搭建，不但建模精度高达L5级别，结合仿真材质渲染与高精地表展示呈现出极为贴近真实世界的虚拟场景。
海天一线，层云渐染。进入数字孪生世界，呈现在眼前的画面较之照片多了一些梦幻感，较之3D游戏多了一些真实感。这样的效果是依托虚幻引擎中海洋环境系统渲染、道路景观渲染、动态轨迹与火焰轨迹等技术综合实现的。

万博思图使用虚幻引擎制作的孪生
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当然，逼真细腻的画质并不影响其数字化功能，数字孪生就像将游戏中的“超能力”实用化化，使隧道可以实时发出险情预警提示，使用户可以在其中进行消防演练模拟。不仅于此，虚拟引擎构筑的数字孪生能够进行精确的日照分析、光反射分析、结构分析与声学分析，这些动态计算结果对实际工程仿真、险情预警等能提供更大帮助。

持续深挖虚幻引擎应用价值
探索数字孪生未来
从数据可视化分析与展示的发展趋势来看，数字孪生已经成为智慧工厂、智慧城市等解决方案的核心能力。虚幻引擎作为世界领先的虚幻引擎，其高精度模型处理能力与渲染效果更加适用于广阔的孪生环境，以及精细化物体建模。但与此同时，基于虚幻引擎的构建数字孪生需要更加复杂技术美术开发环节，对硬件渲染能力压力，且不符合信创标准，让部分企业对这一开发方式犹豫不决。
然而，技术本身是无法定义对错的，以探索的精神面对新技术，才能开拓行业新思路。面对虚幻引擎，部分数据可视化企业选择将开源技术二次开发，在完善技术的同时破解信创难题。万博思图选择发挥自身在行业经验上的丰富积淀，深挖虚幻引擎应用，将其应用至智慧工厂、智慧城市，乃至机械设备、航空航天等领域。通过对虚幻引擎应用的专业性挖掘，打开数字孪生解决方案的新思路。