開源仿真引擎Delta3D在軍用仿真中的應(yīng)用

陳喜春

摘 要： 由于商業(yè)仿真軟件的高昂費用以及源碼的不開放，許多軍事仿真已轉(zhuǎn)而使用開源仿真軟件。Delta3D是一款由美軍開發(fā)的全功能游戲與仿真引擎，通過對底層模塊進行隱藏封裝，將多個相關(guān)功能模塊整合在一起形成一個使用更加方便的高級API函數(shù)庫，目前在軍用仿真領(lǐng)域已經(jīng)較有影響。文章介紹了Delta3D的模塊組成，應(yīng)用程序開發(fā)的基本框架，以及與相關(guān)仿真軟件的配合使用，并就開發(fā)過程中的相關(guān)問題給出了建議。

關(guān)鍵詞： Delta3D； 仿真引擎； 開源軟件； 軍事仿真

中圖分類號：TP319 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2014）02-33-03

0 引言

目前，作戰(zhàn)實驗中大量采用了3D圖形技術(shù)。在游戲和仿真領(lǐng)域，從技術(shù)實現(xiàn)上可將3D圖形技術(shù)分為基礎(chǔ)層、中間層和應(yīng)用層三個層次。基礎(chǔ)層主要是3D加速硬件和廠商提供的基本的API函數(shù)接口；中間層則是根據(jù)游戲和仿真各自不同的需求編寫的公共引擎或軟件（在游戲領(lǐng)域多稱之為游戲引擎，仿真領(lǐng)域則稱之為仿真軟件或仿真環(huán)境）；應(yīng)用層則是具體的游戲產(chǎn)品或仿真應(yīng)用。

一個良好的仿真引擎是仿真應(yīng)用研發(fā)的基礎(chǔ)，在一個相對成熟的仿真引擎基礎(chǔ)上，作戰(zhàn)實驗系統(tǒng)研發(fā)人員能夠根據(jù)需求較快地開發(fā)出相應(yīng)的作戰(zhàn)仿真軟件，仿真軟件廠商也能很快地為客戶建立各種仿真應(yīng)用。

目前仿真軟件中有大量的商業(yè)化軟件，如Id Software公司的Quake、Quake II和Quake III引擎，Epic Megagames公司（即現(xiàn)在的Epic游戲公司）的Unreal Tournament引擎，Monolith公司的LithTech引擎，但這些軟件價格昂貴，且源碼不開放，對作戰(zhàn)實驗這種需要從底層保證其結(jié)果可靠性的應(yīng)用來說，造成很大困難。

美軍較早意識到了這種困難，他們積極轉(zhuǎn)向開源軟件。Delta3D是一款由美國海軍研究生院（Naval Postgraduate School）開發(fā)的全功能游戲與仿真引擎，得到美國軍方巨大的支持與豐厚的投資[1]。該引擎應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，在培訓(xùn)、教育、娛樂行業(yè)和科學(xué)計算可視化領(lǐng)域等方面建模與仿真軟件的開發(fā)中都得到了廣泛的應(yīng)用。它的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計把一些知名開源軟件和引擎如Open Scene Graph（OSG），Open Dynamics Engine （ODE），Character Animation Library（CAL3D），以及Open AL等融為一體。Delta3D通過對這些底層模塊進行隱藏封裝、整合在一起，從而形成了一個使用更加方便的高級API函數(shù)庫，使得開發(fā)者在必要的時候能夠使用底層函數(shù)進行二次開發(fā)。

本文將對開源軟件Delta3D的模塊組成、開發(fā)方法以及與相關(guān)仿真軟件的配合使用進行介紹。

1 Delta3D功能模塊介紹

Delta3D在軟件系列中，處于中間層（Middle layer）的位置上。Delta3D主要目標(biāo)是提供一套簡單可行的API函數(shù)庫，構(gòu)成搭建任何可視化軟件的基本要素。

Delta3D是一個開放源碼的引擎，研發(fā)開始于2002年4月，集成了現(xiàn)有最先進的開源軟件（Open Source projects），并經(jīng)過全球Delta3D關(guān)注者的增補與完善，相對于購買一款價格很高又不開放源代碼的引擎具有很大的優(yōu)勢，使用Delta3d可以任意修改代碼并且定制所需的功能，這是不開放源代碼的商業(yè)引擎無法做到的[2]。

2 Delta3D應(yīng)用程序的基本框架

2.1 Delta3D中的基本概念

在Delta3D的開發(fā)中，有幾個重要概念，如游戲管理器（Game Manager），游戲角色（Game Actor），游戲組件（Game Component），以及游戲消息（Game Message）。

Delta3D提供仿真應(yīng)用程序的基本要素，如場景管理，物理系統(tǒng)，立體音效，對象加載，動態(tài)角色庫，環(huán)境特效，光照，地形支持，相機，以及角色動畫。

在應(yīng)用程序中，游戲管理器負(fù)責(zé)管理整個應(yīng)用程序虛擬世界中存在的所有要素以及角色或組件之間的交互，游戲管理器擁有所有的游戲角色，普通角色，組件以及消息。游戲管理器的主要任務(wù)是：管理消息；維護系統(tǒng)內(nèi)部的所有的角色，包括游戲角色以及普通角色；提供游戲管理組件功能。

普通角色或者稱之為非游戲角色一般指那些游戲世界中靜態(tài)的物體，比如：房子、不移動的燈光、樹木、地形等，游戲角色指那些具有生命的角色。

在Delta3D中，一個很重要的概念是角色代理。游戲管理器只識別游戲角色代理，不直接識別游戲角色。因此游戲角色只能夠通過角色代理與游戲管理器發(fā)生關(guān)系。游戲消息是角色和組件之間互相通信的內(nèi)容。消息通常用來發(fā)送數(shù)據(jù)（比如屬性變化）或者行為（請求或命令）。圖2展示了消息在游戲角色，游戲管理器以及組件之間的流向。

2.2 基本程序框架[3-4]

程序的邏輯順序依次是：創(chuàng)建新的dtABC：：Application對象，加載實體對象，向場景中添加實體對象，設(shè)置實體對象在三維場景中的位置，設(shè)置攝象機，最后進入仿真循環(huán)。

較復(fù)雜的仿真程序主要是在仿真推進中需要將對象的屬性進行更新，所以需要管理的對象數(shù)量、復(fù)雜程度會大大增加。

3 與相關(guān)仿真軟件的配合使用

Delta3D是一套復(fù)雜的軟件，它不僅僅實現(xiàn)了仿真程序框架，而且將其他一些開源項目進行了集成，從而可以實現(xiàn)更復(fù)雜的功能。

3.1 網(wǎng)絡(luò)模塊

如今分布式仿真大行其道，仿真程序的網(wǎng)絡(luò)功能是不可或缺的。HLA是如今仿真開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，Delta3D也對HLA提供了支持。Delta3D提供了HLA組件作為一個消息翻譯器（Game Translator），游戲管理器（Game Manager）對消息的處理首先要經(jīng)過消息翻譯器的處理，然后按照HLA架構(gòu)的要求由rti軟件進行收發(fā)。HLA組件對rti函數(shù)進行了封裝，使用起來比直接調(diào)用rti函數(shù)要大大簡化。rti軟件同樣有開源版本，與Delta3D配合使用時，推薦使用CERTI。

除HLA外，Delta3D還可以使用另外的網(wǎng)絡(luò)通信機制，如使用開源的GNE庫（Game Networking Engine，游戲網(wǎng)絡(luò)引擎）。GNE庫是一個可移植的多線程網(wǎng)絡(luò)函數(shù)庫，它為常用的網(wǎng)絡(luò)程序開發(fā)提供了一套框架，開發(fā)人員可以直接在這個框架之上添加代碼。

3.2 物理引擎

物理引擎主要包含游戲世界中的物體之間、物體和場景之間發(fā)生碰撞后的力學(xué)模擬，以及發(fā)生碰撞后的物體骨骼運動的力學(xué)模擬。Delta3D中對物理引擎的封裝也有幾種不同的實現(xiàn)方式[5]，第一是在dtCore中對ODE（開放動力學(xué)引擎）的封裝，第二通過dtPhysics使用PAL（physics abstract layer）對三種物理引擎Bullet、ODE、Phys的封裝。

在Delta3D中應(yīng)用ODE的時候，可以使用Scene類調(diào)用ODEController，通過ODEController中配置ODESpaceWrap，進行碰撞檢測設(shè)置。

3.3 人工智能

在娛樂游戲或者軍事仿真中，都會涉及到路徑尋找、避障等問題。Delta3D提供了dtAI模塊，通過AIutility工具可以在場景上編輯路點（WayPoint），然后提供包括A*算法在內(nèi)的一些標(biāo)準(zhǔn)程序，實現(xiàn)AI功能。當(dāng)然，人工智能也有很多第三方庫，如NavMesh，采取導(dǎo)航網(wǎng)的方法來進行路徑選擇，同樣可以集成到Delta3D應(yīng)用中。

4 結(jié)束語

本文分析了開源軟件在仿真領(lǐng)域得到重視的原因，并介紹了一種得到廣泛應(yīng)用的開源軟件Delta3D。Delta3D集成了大量的其他開源項目，并開發(fā)了一個易于使用的應(yīng)用程序編程接口，它的開放性、易用性將會為它的未來發(fā)展帶來廣泛的空間。

參考文獻：

[1] Delta3D Homepage[EB/OL].http：//www.delta3d.org/index.php，2013-10-10.

[2] Delta3D Tutorials[EB/OL]. http：//www.delta3d.org/article.php？story=20050720155458456&topic=tutorials，2013-10-10.

[3] Delta3D Forum[EB/OL]. http：//www.delta3d. org/forum/index.php，2013-10-10.

[4] 楊化斌，于振華，林中等.Open Scene Graph3.0三維視景仿真技術(shù)開發(fā)詳解[M].國防工業(yè)出版社，2012.

[5] Delta3D Tutorials in the Wiki[EB/OL]. http：//sourceforge.net/apps/mediawiki/delta3d/index.php？title=Tutorials，2013-10-10.