基于firemonkey 技术的3D动画设计

张翔宇++蔡文斋++刘剑锋

摘 要该天线仿真工程需要制作一款监控软件，当设备运行时能够在计算机屏幕上展现出简单的3D动画效果。使用Delphi开发工具设计并制作了该软件。利用新版工具中的firemonkey技术实现了动画效果。利用布局组件技术设计了3D界面上2D组件显示效果。使用光及光源材质，照相机控件、3D模型等一系列组件渲染出3D图形，使用动画组件施作用于3D模型，通过网络数据读取得到另外计算机传来的输入数据。当程序发生变化后驱动3D模型运动，最终制作出实用的工程3D动画软件。

【关键词】仿真测试 照相机 材质源 3D模型 网络通信

要求开发一套天线仿真训练系统，训练操作员操作真实设备的能力。要求制作出与原测控设备外形一样的全套仿真系统。某承研单位负责地面天线类设备的全套研发，其中某功能要求能在某台计算机上制作出具有3D效果的天线3D动画。分析了该种需求后，开发组成员讨论各实现途径。经查询各种资料，常用的3D类开发软件开发方法为：微软的Direct Draw技术、Delphi开发工具的第三方组件类DelphiX技术、Delphi开发工具之GLScence库技术、虚拟现实开发工具unity 3D技术。一般3D类开发需要学习的相关知识较多，程序员短期内很难达到正式开发的技术水平，工程任务紧，短期内较难完成工程任务。

1 网络通信问题

通过分析Rad Studio新版工具，firemonkey技术已从XE2版本处于不断完善中，虽然这方面资料不多，查电子文档发现英文版例子看起来开发一个简单的3D动画类软件较之其它开发工具要便捷。于是决定使用该技术实现工程项目中3D展示需求。firemonkey技术是Embarcadero公司推向全球的跨平台的开发技术，使用Delphi或C++builder开发Android、OS X、IOS、Windows平台下任何应用软件。新版XE10.2.1已支持LINUX开发。工程中的需求转化为软件需求后需要解决两个问题：网络通信和3D展示。

firemonkey下的很多组件属性特性已同平时2D下的开发组件特性不大一样。需要按例子认真试验。工程用3D展示主要设计思路为：由天线控制计算机通过网络接口传来天线实时位置信息：方位、俯仰值，在3D展示进程（另外独立软件）收网络数据完成3D展示。Firemonkey技术下的网络通信不同于一般的windows 网络编程，最好使用该工具软件下的组件开发，这样编程既简单有快捷，在3D进程中，使用indy（Internet direct socked）UDP服务器组件实现网络数据收。indy组件库是开源组织提供的全套网络组件库。该组件库提供了几十个网络组件，支持各种网络协议通信，indy库已经内嵌在Rad Studio 开发工具中。网络通讯部分开发与2D开发相当。重载IdUDPServer1组件的服务器读函数。IdUDPServer1组件需要设置DefaultPort参数，设置该参数数值后，再将网络组件Active激活，则网络服务器已处于自动收状态，该组件是基于线程通信的，一旦网络上有数据到来，则该组件的procedure TForm1.IdUDPServer1UDPRead（AThread： TIdUDPListenerThread；

const AData： TIdBytes； ABinding： TIdSocketHandle）函数（回调函数）则自动读到数据并放置于AData缓冲区，ABinding中可以得到发送方的地址， 开发者是看不到真正网络读语句的，从缓冲区直接取数据即可。

从网络AData缓冲区复制内容到自己的缓冲区是不能够使用CopyMemory函数的，该函数属于Win32API，在该处是无法使用的，只有使用循环赋值语句。从内存数据到浮点数的转换使用Delphi的内存对齐技术，在声明中写为

Var

B4：Array[0..3] of Byte；

F：single absolute b4；

则表示浮点数f与内存B4共享同一内存空间。将从网络缓冲区传来的数据Data首先传给B4，则f中直接得到浮点数f。这与C语言的联合是一样的，使用了该技术后，则3D进程就得到了天线控制机传来的方位、俯仰变量值了。

2 3D效果展示

建立3D工程，建立后应用界面就是一个3D类窗中，在XE10开发工具中，直接拖Firemonker组件到该界面，注意，这不同于2D界面设计，当首次使用界面可视组件放置在窗口时你可能有时看不到。第一个需要解决的问题是，怎样在3D界面中设计出2D界面。拖一个Layer3D组件，设置投影效果为Projection=screen，这时Layer3D会出现一个白色的邊框，将对齐方式设为MostRight，此时你的窗口右侧即出现一个2D组件容器区，这样2D组件就有了一个容器，界面中其它2D组件就可以放置在该容器上了。注意3D Form中是放不进2D组件的。

3D图形在界面上要显示需要以下几个要素：

一个或多台照相机组件，

一个或者多个光源组件（光源分方向，点光源、聚光灯），

材质源组件，材质源分为颜色材质源，纹理材质源，光材质源

3D模型组件（基本的3D模型在Rad Studio开发工具已具备，比如TCube等），复杂的3D模型需要使用3D Max，Maya等工具制作，或者从AutoCAD软件中导入，该工程中天线模型我们是从结构研究室的AutoCAD软件直接导入的*.obj文件，3D模型文件有很多种格式各不相同，但可借助3D模型转换软件互相转换。当导入界面后，你会发现有时看不见，将放大比例放大，调整灯光方向，调整照相机角度将会最终看到该3D物体，在3D世界，人眼看到的东西实际是照相机镜头看到的东西，所以适当调节光，照相机、材质才能看到3D效果。选中3D模型组件，调整位置与旋转参数（全是三维向量）会发现3D模型在运动，简单的3D动画效果就制作出来了，用一组变化的网络数据注入数据，观察3D接收程序执行的效果，发现天线运动并不是想象的形式，终查证分析，可能问题出在坐标系统中，网络传来的是极坐标值（A、E），而转动参数为三维向量（x、y、z），这样显然是给不出正确的结果的。一想到要进行坐标转换，又需要很多试验要做，很多参数不知道怎么确定。只有另辟思路了，天线3D模型旋转在真实世界中是天线头安装在一个底座上，方位负责水平运动，俯仰负责垂直运动，只要想出一种方法，将这两种运动分离就可能出现预期效果。

3d动画制作是较复杂的，要作出象Unity 3D一样的效果需要学习的知识较多，但制作一个简单的动画对Rad Studio工具而言并非难事，动画表现有两大类，一类为照相机动，一类为3D模型在动，运动又分为位置和旋转，在开发工具内这些运动参数表现为向量（x，y，z），动画可以使用两种方式实现，一种你自己控制时序改变向量值，一种方法为使用动画组件定制动作即可。该开发工具已经内置了动画组件，驱动一个简单的3D模型运动几乎使用很少代码就可实现，在试验阶段，作者试用了BitmapAnimation1，ColorAnimation1，TFloatAnimation，GradientAnimation1等等动画组件制作了许多例子程序，发现TFloatAnimation功能强劲，一般的各种动态方式都支持（PropertyName），在3D界面中放置一个TCube组件，在该组件的depth属性值内右击鼠标产生一个TFloatAnimation，在TFloatAnimation的属性页定制动画参数并激活，你没有写一句代码，简单的动画就制作完成了。

3 3D模型定位

查资料后，发现Dummy组件有可能会达到目的。Dummy是个虚拟3D模型，英文字面上为仿制品，经试验，将Dummy作为Model3D1的父组件。组件父子关系的建立与关联，使用开发工具中的Structure页面直接拖动，呼出界面，使用鼠标拖动方式，改变组件之间的隶属关系，子组件位于父组件的下一层，如图2所示。

将model3d组件放置在Dummy组件上后，发现光材质源又不起作用了，再试验，发现材质源只能作用于mesh（网格），再加一个mesh组件，在Form 创建时加

procedure TForm1.Form3DCreate（Sender： TObject）；

var

Mesh ： TMesh；

begin

for Mesh in Model3D1.MeshCollection do

Mesh.MaterialSource ：= LightMaterialSource1；

Mesh：=Mesh1；

這样3D模型才被赋予了材质。这样在运动时天线模型在不同位置光照是不同的，渲染效果才能够出现，在该工程项目中，天线3D模型的运动是受另外计算机控制的[6]，在网络收函数内，分别旋转Dummy和Model3D组件则达到工程制作目的，不使用动画组件一样可以达到效果。

4 其它设计

为了使3D效果展示部分独立于监控程序本身，需要设计网络配置端口为变量，软件执行后，如果改变该参数则网络重新激活。为了观察从天线控制机传来的数据变化，又设计了值显示组件TMemo，定时清除时钟，否则使用TMemo组件显示读取到的数值时如果运行时间过长将会超出内存，定时清除，是一种保护性设计。

5 结束语

firemonkey技术是近年引入的新技术，虽然在Delphi开发工具中仿佛与VCL基础库一样提供了面向对象的高效组件，但底层已由开发公司全部重写，支持多平台开发。原Borland公司经典的Delphi曾经给业界Windows应用程序开发带来过惊喜，使用新版Rad Studio后，制作3D类简单应用项目同样使人感到新意满满，所见即所得的开发方式使程序员节约了许多时间，较之其它3D开发技术入门门槛不太高。文中以一个具体工程项目为例演示了3D相关开发技术，望对读者有益。

参考文献

[1]王艳平.Windows网络与通信程序设计（第2版）[M].人民邮电出版社，2009（01）：203-210.

[2]（美）Jeffrey Richter著.王书洪，刘光明译.Windows高级编程指南[M].清华大学出版社，1999：263-269.

[3]（美）拉西诺维奇等著，深入解析Windows操作系统（第5版·英文版）[M].人民邮电出版社，2009（09）：161-170.

[4]周爱民著.Delphi源代码分析[M].电子工业出版社，2004（09）：193-205.

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

[6]苏春晓，王鹏等.基于网络的数字示波器远程集中软件平台[J].太赫兹科学与电子信息学报，2014，12（06）：884-889.

[7]（美）Scott Myrers，侯捷译 More Effctive c++ 55个改善编程与设计的有效方法[M].北京工业出版社，2017（04）：151-158.

作者简介

张翔宇（1983-），河北省秦皇岛市人。硕士学位。工程师。主要研究方向为遥感信息接收与处理、计算机仿真等。

蔡文斋（1962-），陕西省西安市人。工程硕士。高级工程师。主要研究方向为航天测控工程开发研究、工程控制类应用开发研究，软件测试等。

刘剑锋（1972-），黑龙江省绥化市人。博士学历。高级工程师。主要研究方向为遥感信息接收与处理、系统仿真。

作者单位

1.北京市遥感信息研究所 北京市 100011

2.中国电子科技集团公司第39研究所 陕西省西安市 710065