基于firemonkey 技術的3D動畫設計

張翔宇++蔡文齋++劉劍鋒

摘 要該天線仿真工程需要制作一款監控軟件，當設備運行時能夠在計算機屏幕上展現出簡單的3D動畫效果。使用Delphi開發工具設計并制作了該軟件。利用新版工具中的firemonkey技術實現了動畫效果。利用布局組件技術設計了3D界面上2D組件顯示效果。使用光及光源材質，照相機控件、3D模型等一系列組件渲染出3D圖形，使用動畫組件施作用于3D模型，通過網絡數據讀取得到另外計算機傳來的輸入數據。當程序發生變化后驅動3D模型運動，最終制作出實用的工程3D動畫軟件。

【關鍵詞】仿真測試 照相機 材質源 3D模型 網絡通信

要求開發一套天線仿真訓練系統，訓練操作員操作真實設備的能力。要求制作出與原測控設備外形一樣的全套仿真系統。某承研單位負責地面天線類設備的全套研發，其中某功能要求能在某臺計算機上制作出具有3D效果的天線3D動畫。分析了該種需求后，開發組成員討論各實現途徑。經查詢各種資料，常用的3D類開發軟件開發方法為：微軟的Direct Draw技術、Delphi開發工具的第三方組件類DelphiX技術、Delphi開發工具之GLScence庫技術、虛擬現實開發工具unity 3D技術。一般3D類開發需要學習的相關知識較多，程序員短期內很難達到正式開發的技術水平，工程任務緊，短期內較難完成工程任務。

1 網絡通信問題

通過分析Rad Studio新版工具，firemonkey技術已從XE2版本處于不斷完善中，雖然這方面資料不多，查電子文檔發現英文版例子看起來開發一個簡單的3D動畫類軟件較之其它開發工具要便捷。于是決定使用該技術實現工程項目中3D展示需求。firemonkey技術是Embarcadero公司推向全球的跨平臺的開發技術，使用Delphi或C++builder開發Android、OS X、IOS、Windows平臺下任何應用軟件。新版XE10.2.1已支持LINUX開發。工程中的需求轉化為軟件需求后需要解決兩個問題：網絡通信和3D展示。

firemonkey下的很多組件屬性特性已同平時2D下的開發組件特性不大一樣。需要按例子認真試驗。工程用3D展示主要設計思路為：由天線控制計算機通過網絡接口傳來天線實時位置信息：方位、俯仰值，在3D展示進程（另外獨立軟件）收網絡數據完成3D展示。Firemonkey技術下的網絡通信不同于一般的windows 網絡編程，最好使用該工具軟件下的組件開發，這樣編程既簡單有快捷，在3D進程中，使用indy（Internet direct socked）UDP服務器組件實現網絡數據收。indy組件庫是開源組織提供的全套網絡組件庫。該組件庫提供了幾十個網絡組件，支持各種網絡協議通信，indy庫已經內嵌在Rad Studio 開發工具中。網絡通訊部分開發與2D開發相當。重載IdUDPServer1組件的服務器讀函數。IdUDPServer1組件需要設置DefaultPort參數，設置該參數數值后，再將網絡組件Active激活，則網絡服務器已處于自動收狀態，該組件是基于線程通信的，一旦網絡上有數據到來，則該組件的procedure TForm1.IdUDPServer1UDPRead（AThread： TIdUDPListenerThread；

const AData： TIdBytes； ABinding： TIdSocketHandle）函數（回調函數）則自動讀到數據并放置于AData緩沖區，ABinding中可以得到發送方的地址， 開發者是看不到真正網絡讀語句的，從緩沖區直接取數據即可。

從網絡AData緩沖區復制內容到自己的緩沖區是不能夠使用CopyMemory函數的，該函數屬于Win32API，在該處是無法使用的，只有使用循環賦值語句。從內存數據到浮點數的轉換使用Delphi的內存對齊技術，在聲明中寫為

Var

B4：Array[0..3] of Byte；

F：single absolute b4；

則表示浮點數f與內存B4共享同一內存空間。將從網絡緩沖區傳來的數據Data首先傳給B4，則f中直接得到浮點數f。這與C語言的聯合是一樣的，使用了該技術后，則3D進程就得到了天線控制機傳來的方位、俯仰變量值了。

2 3D效果展示

建立3D工程，建立后應用界面就是一個3D類窗中，在XE10開發工具中，直接拖Firemonker組件到該界面，注意，這不同于2D界面設計，當首次使用界面可視組件放置在窗口時你可能有時看不到。第一個需要解決的問題是，怎樣在3D界面中設計出2D界面。拖一個Layer3D組件，設置投影效果為Projection=screen，這時Layer3D會出現一個白色的邊框，將對齊方式設為MostRight，此時你的窗口右側即出現一個2D組件容器區，這樣2D組件就有了一個容器，界面中其它2D組件就可以放置在該容器上了。注意3D Form中是放不進2D組件的。

3D圖形在界面上要顯示需要以下幾個要素：

一個或多臺照相機組件，

一個或者多個光源組件（光源分方向，點光源、聚光燈），

材質源組件，材質源分為顏色材質源，紋理材質源，光材質源

3D模型組件（基本的3D模型在Rad Studio開發工具已具備，比如TCube等），復雜的3D模型需要使用3D Max，Maya等工具制作，或者從AutoCAD軟件中導入，該工程中天線模型我們是從結構研究室的AutoCAD軟件直接導入的*.obj文件，3D模型文件有很多種格式各不相同，但可借助3D模型轉換軟件互相轉換。當導入界面后，你會發現有時看不見，將放大比例放大，調整燈光方向，調整照相機角度將會最終看到該3D物體，在3D世界，人眼看到的東西實際是照相機鏡頭看到的東西，所以適當調節光，照相機、材質才能看到3D效果。選中3D模型組件，調整位置與旋轉參數（全是三維向量）會發現3D模型在運動，簡單的3D動畫效果就制作出來了，用一組變化的網絡數據注入數據，觀察3D接收程序執行的效果，發現天線運動并不是想象的形式，終查證分析，可能問題出在坐標系統中，網絡傳來的是極坐標值（A、E），而轉動參數為三維向量（x、y、z），這樣顯然是給不出正確的結果的。一想到要進行坐標轉換，又需要很多試驗要做，很多參數不知道怎么確定。只有另辟思路了，天線3D模型旋轉在真實世界中是天線頭安裝在一個底座上，方位負責水平運動，俯仰負責垂直運動，只要想出一種方法，將這兩種運動分離就可能出現預期效果。

3d動畫制作是較復雜的，要作出象Unity 3D一樣的效果需要學習的知識較多，但制作一個簡單的動畫對Rad Studio工具而言并非難事，動畫表現有兩大類，一類為照相機動，一類為3D模型在動，運動又分為位置和旋轉，在開發工具內這些運動參數表現為向量（x，y，z），動畫可以使用兩種方式實現，一種你自己控制時序改變向量值，一種方法為使用動畫組件定制動作即可。該開發工具已經內置了動畫組件，驅動一個簡單的3D模型運動幾乎使用很少代碼就可實現，在試驗階段，作者試用了BitmapAnimation1，ColorAnimation1，TFloatAnimation，GradientAnimation1等等動畫組件制作了許多例子程序，發現TFloatAnimation功能強勁，一般的各種動態方式都支持（PropertyName），在3D界面中放置一個TCube組件，在該組件的depth屬性值內右擊鼠標產生一個TFloatAnimation，在TFloatAnimation的屬性頁定制動畫參數并激活，你沒有寫一句代碼，簡單的動畫就制作完成了。

3 3D模型定位

查資料后，發現Dummy組件有可能會達到目的。Dummy是個虛擬3D模型，英文字面上為仿制品，經試驗，將Dummy作為Model3D1的父組件。組件父子關系的建立與關聯，使用開發工具中的Structure頁面直接拖動，呼出界面，使用鼠標拖動方式，改變組件之間的隸屬關系，子組件位于父組件的下一層，如圖2所示。

將model3d組件放置在Dummy組件上后，發現光材質源又不起作用了，再試驗，發現材質源只能作用于mesh（網格），再加一個mesh組件，在Form 創建時加

procedure TForm1.Form3DCreate（Sender： TObject）；

var

Mesh ： TMesh；

begin

for Mesh in Model3D1.MeshCollection do

Mesh.MaterialSource ：= LightMaterialSource1；

Mesh：=Mesh1；

這樣3D模型才被賦予了材質。這樣在運動時天線模型在不同位置光照是不同的，渲染效果才能夠出現，在該工程項目中，天線3D模型的運動是受另外計算機控制的[6]，在網絡收函數內，分別旋轉Dummy和Model3D組件則達到工程制作目的，不使用動畫組件一樣可以達到效果。

4 其它設計

為了使3D效果展示部分獨立于監控程序本身，需要設計網絡配置端口為變量，軟件執行后，如果改變該參數則網絡重新激活。為了觀察從天線控制機傳來的數據變化，又設計了值顯示組件TMemo，定時清除時鐘，否則使用TMemo組件顯示讀取到的數值時如果運行時間過長將會超出內存，定時清除，是一種保護性設計。

5 結束語

firemonkey技術是近年引入的新技術，雖然在Delphi開發工具中仿佛與VCL基礎庫一樣提供了面向對象的高效組件，但底層已由開發公司全部重寫，支持多平臺開發。原Borland公司經典的Delphi曾經給業界Windows應用程序開發帶來過驚喜，使用新版Rad Studio后，制作3D類簡單應用項目同樣使人感到新意滿滿，所見即所得的開發方式使程序員節約了許多時間，較之其它3D開發技術入門門檻不太高。文中以一個具體工程項目為例演示了3D相關開發技術，望對讀者有益。

參考文獻

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[3]（美）拉西諾維奇等著，深入解析Windows操作系統（第5版·英文版）[M].人民郵電出版社，2009（09）：161-170.

[4]周愛民著.Delphi源代碼分析[M].電子工業出版社，2004（09）：193-205.

[5]Rad Studio Topics.Embarcadero Rad studio 10.2 Help system （2017）.http：//www.Embarcadero.com

[6]蘇春曉，王鵬等.基于網絡的數字示波器遠程集中軟件平臺[J].太赫茲科學與電子信息學報，2014，12（06）：884-889.

[7]（美）Scott Myrers，侯捷譯 More Effctive c++ 55個改善編程與設計的有效方法[M].北京工業出版社，2017（04）：151-158.

作者簡介

張翔宇（1983-），河北省秦皇島市人。碩士學位。工程師。主要研究方向為遙感信息接收與處理、計算機仿真等。

蔡文齋（1962-），陜西省西安市人。工程碩士。高級工程師。主要研究方向為航天測控工程開發研究、工程控制類應用開發研究，軟件測試等。

劉劍鋒（1972-），黑龍江省綏化市人。博士學歷。高級工程師。主要研究方向為遙感信息接收與處理、系統仿真。

作者單位

1.北京市遙感信息研究所 北京市 100011

2.中國電子科技集團公司第39研究所 陜西省西安市 710065