（解密AirSim-初稿）第二章：开始使用 AirSim

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安装配置完成后，我们将正式开始使用 AirSim 仿真平台。本章从创建和使用虚幻商城中的游戏场景出发，以 “山脉景观” 场景为例，详细讲解如何在场景中添加 AirSim 插件，并进行 AirSim 仿真。在实例中，您将初步了解一些虚幻引擎的操作小技巧，后续会在恰当的阶段在不同的实例和内容中逐步引入虚幻引擎的一些操作，为以后的仿真奠定基础。
2.1 虚幻引擎游戏场景介绍

虚幻商城中的海量环境场景都可以直接应用到 AirSim 中，这是 AirSim 仿真平台的一大突出特点。AirSim 是作为虚幻引擎的一个插件存在的，需要在虚幻引擎场景工程的基础上才能完成仿真。学习使用 AirSim 之前，必须首先掌握如何创建和使用虚幻引擎的虚拟场景。
虚幻商城里面有各式各样海量且逼真的游戏场景可供使用，虽然大部分都是收费的，但也有很多非常逼真的免费场景提供下载。虚幻商城中的虚拟场景按照创建方式可以分为3种类型：

• 具有完整工程文件的场景（可以直接下载安装）
  
• 作为外部资源的场景（需要添加到已经存在的场景工程中）
  
• 作为插件形式的场景（需要安装到已经存在的场景工程中）
  

后续我们会逐步介绍这3类场景如何使用。这些场景都需要在 Epic Games 启动器中下载、安装和设置。下图展示的是虚幻商城中的 “环境” 类型的虚拟场景。



虚幻商城中的场景

除了虚幻商城，还有很多第三方网站提供非常丰富的三维模型等可以选择，比如 https://www.turbosquid.com/ 和 https://www.cgtrader.com/ 这两个网站上有种类非常丰富的三维物体模型和环境场景，如下图所示。将这些模型导入到虚幻引擎中去使用还需要进行一些操作，在本书后续的章节有相关的讲解。



turbosquid网站上的场景模型



CGTrader 网站上的三维模型分类

2.2 使用虚幻商城中的场景工程

2.2.1 下载安装“山脉景观”场景工程

“山脉景观” 是非常经典的官方教学用虚拟场景，它包含了完整的虚幻引擎工程文件，它可以在 Epic Games 启动程序中免费下载和安装。本节的实例以 “山脉景观” 场景为例，详细讲解如何使用虚幻商城中第一类已有完整工程文件的场景。同时设置 CV Mode 模式，在新建的场景中自由浏览，初步感受一下虚幻引擎中逼真的视觉渲染效果。
在Epic Games 启动程序中点击 “示例” 选项卡，向下滑动，找到 “UE旧版示例” 中的 “山脉景观”，如下图所示。



Epic Games启动器中的山脉景观场景工程

打开之后，点击 “创建工程”。注意，这里的工程名称和文件夹路径都不能包含中文字符，一定要改成英文的，如下图所示。点击 “创建” 即可自动下载整个工程附件并创建好工程。注意这里的为工程选择引擎版本最高仅支持到 4.24，所以必须要安装 4.24 版本的虚幻引擎才可以下载安装 “山脉景观” 场景。



创建工程时的路径和命名中不能包含中文字符

在 Epic Games 启动程序的左下角有个 “下载” 按钮，这里可以看到当前下载和安装的进度等详细信息。下载安装完成后，就会在刚刚选好的安装路径中自动创建好 “LandscapeMountains” 文件夹，这里包含了这个工程的所有文件，如下图所示。



山脉景观工程文件夹中 uproject 工程文件

其中的文件 “LandscapeMountains.uproject” 的文件格式 “.uproject” 是虚幻引擎的工程文件默认格式。每个项目工程都有一个与之对应 “.uproject” 文件，它是你创建、打开或保存工程必须用到的文件。
“山脉景观” 场景最高仅支持到虚幻引擎 4.24 版本，如果没有安装 4.24 版本的虚幻引擎，则是无法打开的。因为虚幻引擎 4.27 版本向下兼容，可以打开 4.24 版本的工程文件，所以需要将 “山脉景观” 工程需要的虚幻引擎版本手动设置为 4.27。右击 “LandscapeMountains.uproject” 文件，打开方式中选择用记事本打开，将其中的 "EngineAssociation" 设置为 “4.27”，如下所示。



修改 uproject 工程文件中的引擎版本

修改完并保存后，双击文件 “LandscapeMountains.uproject”，则会自动打开虚幻引擎 4.27 版本的关卡编辑器。
因为虚幻引擎要求每个工程至少有一个源文件才能进行编译，所以我们需要首先新建一个 C++ 类，这样才能正常创建 Visual Studio 的 “.sln” 工程文件。点击左上角菜单栏的 “文件”，选择 “新建C++类”。如下图所示。



新建的工程需要添加C++类

在弹出的对话框中，父类默认选择 “无”，点击下一步，如下图所示。


命名和路径都保持默认即可（注意这里不能有中文字符），最后点击  “创建类”。这时虚幻引擎会自动编译C++代码，在当前工程文件夹下生成名为 “LandscapeMountains.sln” 的 Visual Studio 工程文件，同时会自动打开 Visual Studio 2022。




此时不要直接关闭 Visual Studio 2022，要等待其后台处理完成后才能关闭。点击左下角的小方框即可看到此时的后台有没有在处理过程中，下图展示的是 Visual Studio 2022 的后台正在进行分析代码。同时注意要把编译模式设置为 “DebugGame Editor” 和 “Win64”。另外右侧的解决方案管理器中，要把 “LandscapeMountain” 设置为启动项目（具体如何设置参见 1.3.3 节）。



新建工程后 Visual Studio 中的设置

至此 “山脉景观” 场景工程创建完成。可以把 Visual Studio 和虚幻引擎都关闭了，来准备下一节添加 AirSim 插件。
2.2.2 添加 AirSim 插件

有了虚幻场景工程，还不能做仿真，下面的步骤是把 AirSim 作为一个插件安装到这个场景工程中。
首先到 AirSim 源码文件夹中找到 “AirSim\Unreal\Plugins” 文件夹（需要编译后才能获得，1.3.2节），并将其复制到 “LandscapeMountains” 文件夹中，如下图所示。



复制 Plugins 文件夹到工程文件夹中

然后用记事本打开 “LandscapeMountain.uproject” 文件，修改其中的内容，如下图所示，添加 AirSim 的插件支持。（注意一定要用英文输入法，同时注意不要忘记逗号等分隔符，如果这里修改的有语法错误，则后面可能会出现错误。）修改完之后保存并关闭文件。


使用记事本打开 “LandscapeMountains\Config\DefaultGame.ini” 文件，在最后一行添加 +MapsToCook=(FilePath="/AirSim/AirSimAssets")，以确保虚幻场景工程可以识别 AirSim 的资源，并将其包含进来，如下图所示。修改后保存并关闭文件。


使用记事本打开 “LandscapeMountains\Config\DefaultGame.ini” 文件，在最后一行添加 +MapsToCook=(FilePath="/AirSim/AirSimAssets")，以确保虚幻场景工程可以识别 AirSim 的资源，并将其包含进来，如下图所示。修改后保存并关闭文件。


Tip：如果右键菜单中没有这个选项，那么可以尝试重启电脑，如果仍然没有，可以尝试打开 “LandscapeMountains.uproject” 文件，然后点击 “文件” -> “刷新Visual Studio工程”。
生成成功后，双击打开 “LandscapeMountains.sln”，在 Visual Studio 中设置编译选项为 “DebugGame Editor” 和 “Win64”，同时将 “LandscapeMountains” 设为启动项，如 2.4 节设置 Block 环境时一样。等待Visual Studio 后台处理完成后，点击  “调试” -> “开始调试”，或者直接点击 “本地 Windows 调试器”，这时会自动打开虚幻引擎的关卡编辑器。此时，虚幻引擎编辑器右下角出现了“新插件可用”的提示，说明虚幻引擎已经能够识别到 AirSim 插件了。
在关卡编辑器中，将右侧 “世界场景设置” 中的 “游戏模式重载” 设置为 “AirSimGameMode”，如下图所示。点击 “保存当前关卡” 来保存设置好的环境，这样以后再次打开时就不用再次设置 “游戏模式重载” 了。
Tip：如果关卡编辑器右侧没有 “世界场景设置”，则可以点击菜单栏中的 “窗口”，选中 “世界场景设置”。



添加了 AirSim 插件的Unreal工程

点击工具栏中的 “运行”，就可以运行仿真了，在跳出的对话框中点 “否”，如下图所示。


如果是第一次仿真运行这个 “山脉景观” 场景，点击 “运行” 后，视口中一偏空白的话，不要紧张，可能需要一些时间来渲染画面，随着渲染的进行，画面会一点点展示出来。不同性能的计算机的渲染时间也不一样。如果渲染的较长时间的话，也不用担心，因为仅第一次打开的时候需要渲染，第一次渲染完成后，后面的仿真操作就可以直接加载了。渲染完成之后，视口中就会出现一个飞行的四旋翼，如下图所示。点击工具栏的 “停止” 按钮，即可退出仿真。


至此 AirSim 插件已经加载到虚幻引擎场景工程中了。
2.3 实例1：浏览游戏中的美景

2.3.1 设置为 CV Mode

上一节运行仿真时，是在开始时选择无人机或者无人机车仿真模式。除了这种方式外，还有一种可以提前设置仿真模式的方法。AirSim在仿真启动时会自动读取 “C:\Users\用户名\Documents\AirSim” 文件夹下面的 “settings.json” 文件内容，并进行初始化设置，如下图所示。电脑第一次运行AirSim时应该会自动创建这个文件，如果没有的话，需要手动创建。在以后的仿真学习中，我们会经常使用到这个设置文件。



settings文件所在位置

AirSim 的仿真模式有3种，除了四旋翼无人机仿真和无人车仿真，还有一种是 “Computer Vision” 模式。在这种模式下，仿真中没有任何无人机或无人车，也没有动力学模型，但是可以用键盘控制视角，或者也可以使用 APIs 来控制相机的位置和角度，以此来收集很多图片作为数据集。
我们可以添加或修改 “settings.json” 中的内容，来手动修改 AirSim 的一些默认设置。使用写字板打开 “settings.json” 文件，添加 “SimMode” 标签和内容（其他已有的内容不需要修改），如下图所示。



修改 settings 文件

这里的 “SimMode” 标签就是设置 AirSim 的仿真模式，如果想做多旋翼无人机仿真，就设置成 “Multirotor”，如果想做无人车仿真，就设置成 “Car”。本节我们体验一下 “Computer Vision” 仿真模式。修改好之后，保存并关闭文件。
在Unreal关卡编辑器中，点击上方工具栏的 “运行”，跟之前不一样的是，此时没有了询问是否选择无人机车的窗口，而是直接开始仿真。视口中没有任何无人机和无人车。将鼠标移动到视口中并点击鼠标左键，此时就进入了浏览模式。在浏览模式下，鼠标是不显示且不能移动的，键盘上同时按 “Shift” + “F1” 则可以退出浏览模式。所以要想停止仿真或者关闭窗口等操作，都需要先退出浏览模式。
2.3.2 设置初始位置

在仿真开始的时候，视口中所处的场景中的位置是在比较高的高空中，使用键盘移动的话，很久才能移动到地面上。如果使用无人机仿真，在仿真开始的时候，无人机是在半空中，会直接往下掉，所以需要将初始位置放置到一个合适的地面上。
在 “世界大纲视图” 中搜索 “Player Start”，可以发现有好几个类似名字的 Actor，如下图所示。


“Player Start” Actor 在虚幻引擎中是 “玩家出生点” 的设置，是指在游戏世界场景中玩家开始游戏的地点。在 AirSim 仿真中，会自动读取这个位置，然后将仿真开始时将初始位置设置在这个点。我们只需要修改这个点的位置，即可控制 AirSim 仿真的初始位置。
“山脉景观” 场景中有14个 “Player Start” Actor，可以只留下第一个，将其他的都删除掉。首先要退出仿真，双击 “Player Start” Actor，视口中会自动移动到此 “Player Start” Actor 所在的位置，如下图所示。



设置初始位置

右下角参数面板中的 “位置” 可以设置 “Player Start” 在虚幻引擎场景中的位置，可以直接修改坐标来改变其位置，这里的坐标是虚幻引擎世界坐标系下的坐标，修改起来非常麻烦。还有一种方法，将鼠标放在在中间的白点或者红绿蓝三个坐标轴上时，就可以用鼠标左键拖动 “Player Start” Actor了。将其移动到期望的位置，然后保存当前关卡。修改完成后，点击 “运行”，仿真开始的位置就是刚刚修改的位置。
如果出现 “BAD Size” 标识，如下图所示，说明此初始位置与其他 Actor 发生了碰撞，需要将其移出。


2.3.3 视角控制

在浏览模式中，视角是可以控制的，视角的运动包括3个方向的平移运动（上下、左右、前后）和2个方向的旋转运动（俯仰、偏航）。使用键盘可以控制视角完成自由运动，键盘按键与视角运动的对应如下：

• 上下箭头按键：控制视角前后平移运动
  
• 左右箭头按键：控制视角左右平移运动
  
• PgUp、PgDn：控制视角上下平移移动
  
• W、S按键：控制视角俯仰旋转运动
  
• A、D按键：控制视角偏航旋转运动
  

在关卡编辑器中点击 “运行” 后，把鼠标移动到中间的视口中，点击鼠标左键，即可进入浏览模式，此时就可以用键盘自由地控制视角在场景中移动，浏览美景。在浏览模式中，鼠标是不能移出视口的，更不能点击视口以外的按钮，当需要退出时，需要同时按键盘上的 “Shift” + “F1” 键，即可退出浏览模式。
2.3.4 Actor 参数调节

场景是由很多的 Actor 组成的，其中的山、路、云、树木等都可以看做是一个 Actor，例如下图中所示，“山脉景观” 场景中一段桥梁就是一个 Actor。每个 Actor 都有其相应的参数，如位置信息等，这些参数都可以调整。


原始的 “山脉景观” 场景中有比较大的雾气，影响了浏览美景的视野，只需要将雾气有关的 Actor 的雾密度参数调低就可以减小雾气的浓度。
在关卡编辑器右侧的 “世界大纲视图” 中搜索 “fog”，搜索出来两个跟雾气有关的 Actor，（只有在仿真进行中才会有 “ExponentialHeightFog”）。点击选中 “ExponentialHeightFog” Actor，将参数面板的 “雾密度” 参数设为 0，如下图所示。这时在仿真中视野可见度会好很多，景色也会更美。关于天气的控制，后续会有更详细的介绍。


后续可以使用这样的方法调节各种 Actor 的参数，来达到自己想要的效果。