基于Delta3D 的虛實融合系統(tǒng)技術分析*

余云燦

（廣州工商學院，廣東 廣州 510800）

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)技術主要是指一種基于各類高新信息技術，能夠通過配套設施，如計算機等，構(gòu)建出一個能夠為人們帶來逼真的三維視覺、觸覺等感官體驗的虛擬世界的系統(tǒng)技術。而Delta3D 是一款開放源碼的全功能游戲與仿真引擎，此款引擎目前被廣泛應用在了各領域的建模和仿真軟件中，讓軟件為使用者帶來更佳的體驗，因此，將Delta3D 應用到該系統(tǒng)技術中，可以促進該技術的順利實現(xiàn)，優(yōu)化該技術所帶來的感官體驗。

1 Delta3D 的概述

Delta3D 是一款游戲仿真引擎，其應用主要是通過提供一套可行、簡單的API 函數(shù)庫，讓操作者可完成所有虛實結(jié)合系統(tǒng)軟件可視化基本要素的構(gòu)建。在此過程中，該引擎使用了模塊化設計，并通過將Library、Character Animation 等底層模塊予以封裝、隱藏處理，使這些模塊可以整合在一起，由此構(gòu)建出了一個應用更為便捷的高級API 函數(shù)庫。在此背景下，可以通過運用底層函數(shù)，對引擎進行二次開發(fā)，使其功能滿足具體的使用需求，這讓Delat3D 的使用更加靈活。在該引擎的使用上，該引擎不僅具有dtCore、dtChar、dtABC 等內(nèi)部功能模塊，還可以為使用者提供仿真、BSP 編譯器、訓練等實用工具，這讓其實用性更強。同時，該引擎還具備一套功能強大、集成度高的仿真模塊體系，如DAL、ABC等，讓使用者在虛實結(jié)合系統(tǒng)的開發(fā)中，可以運用該引擎，實現(xiàn)系統(tǒng)初始化、設置動態(tài)角色與道具、控制管理器等功能，而且該引擎在地景模塊上，運用了動態(tài)裝載算法，這種算法能夠支持以星球為單位的數(shù)據(jù)規(guī)模的裝載，由此能夠讓虛實融合系統(tǒng)的環(huán)境仿真構(gòu)建獲得更好的效果。此外，在具體的操作上，該引擎支持Linux、Windows 操作系統(tǒng)，而且其所有底層內(nèi)核，均能夠支持多平臺，使用者僅需對引擎的源代碼，加以小范圍的修改，即可構(gòu)建出適用各類平臺的應用程序?；诖?，就目前來看，Delta3D 已經(jīng)被廣泛地應用到了各個領域的建模和仿真軟件中，尤其是在虛擬融合軟件的開發(fā)上，通過在圖像處理環(huán)節(jié)運用此引擎，可以讓軟件的視覺呈現(xiàn)效果更佳，由此優(yōu)化軟件使用者的體驗。

2 Delta3D 的頂層構(gòu)成

在虛實融合系統(tǒng)技術下，Delta3D 的頂層構(gòu)成相對較為簡單，架構(gòu)如圖1 所示，主要是由三個主要子系統(tǒng)組成，即Manager、Actor、Components。其中，Manager 系統(tǒng)的功能包括信息傳遞、角色管理，負責在其他兩個系統(tǒng)之間起到通信導管的作用。Actor 系統(tǒng)是虛實融合系統(tǒng)中的主體，這部分主體主要包括兩個部分，即代理主體、角色主體。其中，代理主體負責為管理供給泛型的數(shù)據(jù)訪問接口，角色主體是物體對象，具有相對應的Logic。Components，即組件，負責接收消息，并對所接收的消息進行反應。

圖1 Delta3D 頂層架構(gòu)圖

3 虛實融合系統(tǒng)技術概述

虛實融合系統(tǒng)技術，即虛擬與現(xiàn)實相互結(jié)合的技術。這種技術可以被具體地闡釋為一種能夠構(gòu)建和感受虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)技術。在該技術的應用中，可以借助計算機構(gòu)筑出一個模擬環(huán)境，讓使用者對該環(huán)境產(chǎn)生沉浸式的體驗。在此過程中，該技術通過使用現(xiàn)實世界中的數(shù)據(jù)，借助計算機技術，將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電子信號，再將這些電子信號與各類傳輸設施結(jié)合使用，讓電子信號轉(zhuǎn)化成可為使用者帶來感官體驗的現(xiàn)象，而這些現(xiàn)象可以是使用者在現(xiàn)實世界中可見的物體，也可以是不可見的物質(zhì)。一般來說，這些現(xiàn)象都是以三維模型呈現(xiàn)，但由于這些現(xiàn)象存在于計算機技術模擬出的現(xiàn)實世界中，是由虛擬與現(xiàn)實融合產(chǎn)生的現(xiàn)象，所以，稱為虛實融合［1］。

現(xiàn)階段，虛實融合系統(tǒng)技術逐漸被更多的人所認可。在該技術下，使用者可以在該技術構(gòu)建的虛擬世界中，體驗真實世界的感受，同時，配套技術的不斷進步，讓虛實融合系統(tǒng)技術所模擬出的環(huán)境，在真實性上越來越接近現(xiàn)實世界，能夠為使用者帶來身臨其境的感受，尤其是在視覺方面，Delta3D 引擎、5G 等技術的應用讓虛實融合系統(tǒng)技術下的圖像處理水平得到了顯著的提升，讓人機交互過程中的視覺體驗更加真實，這使虛實融合系統(tǒng)技術逐漸被應用到娛樂、教育、醫(yī)學、軍事、設計等各行業(yè)的領域內(nèi)，助力各領域的生產(chǎn)和發(fā)展。截止到目前，在科學技術、社會生產(chǎn)力的持續(xù)發(fā)展下，各領域?qū)μ搶嵢诤舷到y(tǒng)技術的需求越來越旺盛，這在一定程度上也推動了該技術的進步，并讓虛實融合系統(tǒng)技術成為了一個新的技術領域［2］。

4 基于Delta3D 的虛實融合系統(tǒng)技術分析

4.1 物理仿真技術

物理仿真技術是虛擬世界構(gòu)建中常用的虛實融合系統(tǒng)技術。此項技術可以被闡釋為，用于構(gòu)建虛擬世界中物理現(xiàn)象的虛實融合系統(tǒng)技術。在該技術的應用中，為了模擬出較為真實的物理現(xiàn)象，如力與沖量、摩擦力、重力等，需要運用Delta3D 引擎，將物理要素集成為物理仿真體系，由此構(gòu)建出一個能夠根據(jù)現(xiàn)實世界基礎物理規(guī)律運行的虛擬世界，以有效實現(xiàn)虛實融合系統(tǒng)技術。其中的物理要素，即一系列物理算法包的集合。但在實際操作中，若全部采用自行開發(fā)的方式構(gòu)建這些算法包集合，所耗費的成本過高，因此，大多數(shù)情況下，都需基于現(xiàn)有的開源資源進行開發(fā)?，F(xiàn)階段，物理仿真技術操作中，常用的開源資源以ODE 為主，其需要模擬的物理現(xiàn)象，包括線速度、外作用力、摩擦力、重力、物體質(zhì)心位置、質(zhì)量、碰撞反彈、動量守恒等［3］。

在物理仿真技術的應用中，基于Delta3D 引擎，運用ODE 構(gòu)建的物理仿真過程通常包括以下幾個步驟。

第一，創(chuàng)建與設置，需要先創(chuàng)建仿真世界、碰撞世界、物體、碰撞幾何體、聯(lián)結(jié)、聯(lián)結(jié)組，然后設置物體狀態(tài)、聯(lián)結(jié)與物體綁定、聯(lián)結(jié)參數(shù)，由此構(gòu)建出物理現(xiàn)象的發(fā)生環(huán)境。

第二，創(chuàng)建一個Loop，首先，按需向物體施加力，再調(diào)整相應的聯(lián)結(jié)參數(shù)。其次，運用碰撞檢測，為每個碰撞點，創(chuàng)造對應的接觸聯(lián)結(jié)，再把這些聯(lián)結(jié)放在之前創(chuàng)建的聯(lián)結(jié)組中，之后執(zhí)行一個模擬步。最后，將之前用于存放接觸聯(lián)結(jié)的聯(lián)結(jié)組中的所有聯(lián)結(jié)去掉，由此即可構(gòu)建出一個物理現(xiàn)象發(fā)生路徑，使得一個力出現(xiàn)時，虛擬世界中就會出現(xiàn)相應的物理現(xiàn)象。

第三，銷毀動態(tài)世界、碰撞世界，然后對物體之間，以及物體與靜態(tài)環(huán)境中的碰撞進行處理，由此讓物體與物體、物體與靜態(tài)環(huán)境之間的碰撞能夠遵循上述構(gòu)建出的物理現(xiàn)象發(fā)生路徑，實現(xiàn)對物理現(xiàn)象的仿真［4］。

在上述物理現(xiàn)象仿真構(gòu)建完成后，還要進行碰撞檢測?？紤]到在現(xiàn)實世界中，如果物體沒有被破壞，那么2 個或以上的物體，無法同時占用同一空間區(qū)域，所以，此項物理仿真技術環(huán)節(jié)，主要是用于檢測2 個或以上數(shù)量的物體在接觸時，相互之間是否會出現(xiàn)穿透的現(xiàn)象，由此保證物理仿真技術的落實效果。在此過程中，常用的碰撞檢測算法如表1 所示。

表1 物理現(xiàn)象仿真中常用碰撞檢測算法表

4.2 3D 場景管理技術

在虛實融合系統(tǒng)技術中，3D 場景管理技術是一項關鍵的應用技術，此技術的主要應用作用是，管理場景模型中大量的動作、渲染，以保證虛實融合系統(tǒng)技術的視覺呈現(xiàn)效果［5］。就目前來看，部分仿真軟件中的物體模型，可以包含超過2 000 個視覺元素，而且這些元素的拓撲關系也較為復雜。這種情況下，一般需要運用3D 場景管理技術實現(xiàn)不同格式的模型載入管理、動畫管理、節(jié)點管理、渲染狀態(tài)管理等，而Delta3D引擎支持大規(guī)模的數(shù)據(jù)容量，可以有效滿足3D場景管理需求。為此，在場景管理方面，運用Delta3D 引擎運行3D 場景管理技術，可以有效地實現(xiàn)讀取、渲染過程中的信息處理，以提高虛實融合系統(tǒng)技術的應用效果。在3D 場景管理技術的應用中，Delta3D 引擎的應用需要基于一個場景庫，該場景庫作為場景管理運作的平臺，支持各項管理項目的運行，而OSG 開放式場景庫，可支持大規(guī)模場景的管理，且開放源代碼，同時其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為SG，能夠?qū)鼍凹捌鋵傩越M織成為一個場景樹，以呈現(xiàn)出一個場景制作的全部流程，由此讓使用者可以更好地應用Delta3D 引擎中的相關功能，完成3D 場景管理，提高虛實結(jié)合系統(tǒng)技術的呈現(xiàn)效果［6］。

在基于Delta3D 的3D 場景管理技術下，借助OSG 場景庫運行的場景管理，能夠支持讀取數(shù)據(jù)格式類型如表2 所示，因此，在場景管理中，可以對表2 格式的數(shù)據(jù)進行讀取，由此完成各類模型的加載管理。待加載完成后，還要按照屬性將各類物體設置為相應的節(jié)點，然后通過對節(jié)點的管理，實現(xiàn)場景中的交互管理。以節(jié)點的隱藏管理為例，可以采用深度優(yōu)先遞歸法，搜索出相應的節(jié)點，然后將該節(jié)點的屬性設置為隱藏，同時，在控件目錄樹中，去除掉此節(jié)點下屬全部子節(jié)點名稱前的標識，由此即可管理各個節(jié)點在交互過程中的視覺呈現(xiàn)效果。其中，深度優(yōu)先遞歸法的節(jié)點搜索流程如圖2 所示。

表2 OSG 場景庫支持的數(shù)據(jù)格式類型表

圖2 深度優(yōu)先遞歸法的節(jié)點搜索流程圖

4.3 3D 仿真環(huán)境實現(xiàn)技術

3D 仿真環(huán)境實現(xiàn)技術作為一種常用的虛實融合系統(tǒng)技術，其主要作用是構(gòu)建出一個模擬現(xiàn)實世界的背景環(huán)境，讓使用者能夠得到身臨其境的體驗。在該技術的應用中，Delta3D 引擎加載大規(guī)模的數(shù)據(jù)，讓地形環(huán)境、天空環(huán)境等背景環(huán)境更加逼真，優(yōu)化使用者的視覺體驗。由此可見，在3D 仿真環(huán)境現(xiàn)實技術操作中，Delta3D引擎也具有極高的應用價值。

在3D 仿真環(huán)境實現(xiàn)技術中，通常會基于Delta3D 引擎，運用天空盒、離子系統(tǒng)、特效渲染的方式，來構(gòu)建背景環(huán)境。在此過程中，目前常用的天空盒方法是使用多張、連續(xù)的空間照片，作為虛擬環(huán)境合成所需的素材，所用的連續(xù)空間照片，需要按照前后、上下、左右六個方位，排列成為一個六面體盒子的狀態(tài)，同時將該盒子的矢量方向，均設置為指向盒子內(nèi)部。在具體的操作中，首先，運用Delta3D 引擎中的stage 編輯器，設立一個skybo×，及其節(jié)點actor。其次，設置好6 個面的圖片，再將這6 張圖片保存輸出為×ml 文件。最后，運用Delta3D 引擎，對輸出文件中的actor 加以解析，渲染出天空盒。但此時得到的天空盒，為靜態(tài)的，與現(xiàn)實生活中的自然環(huán)境存在顯著的差別，因此，為了讓背景環(huán)境更加逼真，需要建立一個三維云模型，對現(xiàn)有的天空盒加以改造，使其呈現(xiàn)出動態(tài)的視覺效果。為此，需要運用Delta3D 引擎創(chuàng)建一個平面，然后在上面設置云紋圖片，并對云紋理的坐標進行動態(tài)更新，由此即可形成動態(tài)效果。在此過程中，云的模擬，均可以由Delta3D 引擎的dtABC實現(xiàn)。

在3D 仿真環(huán)境實現(xiàn)技術中，所構(gòu)建出的粒子系統(tǒng)主要用于模擬汽車尾氣、雨雪天氣等環(huán)境元素。其中，粒子系統(tǒng)是由簡單的粒子單元素組成，這些簡單的元素有其對應的屬性，如顏色、速度、位置等，可通過運用這種元素，構(gòu)建出環(huán)境中煙、霧、火、水等復雜的物質(zhì)，而Delta3D引擎通過將這些粒子進行封裝，即可完成風、雨等自然現(xiàn)象的模擬，實現(xiàn)3D 環(huán)境仿真，效果如圖3 所示。

圖3 自然景象仿真效果圖

而特效渲染，則需要運用Delta3D 引擎操作的同時，使用高級著色語言HLSL。HLSL 是Delta3D 引擎中像素著色器的編程語言，可以將其看做一個自定義小程序，其主要作用包括投影變換、視圖變換等。在3D 仿真環(huán)境的實現(xiàn)上，通常要遵循使用者的實際需求，構(gòu)建出可靈活變換的特效，在此基礎上，還要盡量減少對仿真平臺源碼的編譯和修改，因此，還可以結(jié)合GLSL著色語言的使用，利用此著色語言使用便利的特點，在無需大規(guī)模編譯和修改源碼的條件下，完成特效的靈活變換，提高虛實融合系統(tǒng)技術的落實效果。

4.4 仿真人群實現(xiàn)技術

在虛實融合系統(tǒng)技術中，仿真人群實現(xiàn)技術是構(gòu)建虛擬世界的重要應用技術，這種虛實融合系統(tǒng)技術通過構(gòu)建三維模型，結(jié)合基于Delta3D引擎的軟件設計，可以模擬出與現(xiàn)實世界極為相似的人群環(huán)境，由此為使用者帶來更加逼真的體驗。

在仿真人群實現(xiàn)技術中，需要先構(gòu)建出Delta3D 引擎所需的人群三維模型，作為引擎的操作對象。而在該三維模型的構(gòu)建上，需要解決三個主要問題，即人群移動路徑尋找、碰撞問題處理、穿透矯正。其中，在人群移動路徑方面，可以根據(jù)幾何計算的思路，構(gòu)建虛擬的全局導航圖，并為每個個體設置相應的起點和終點，同時結(jié)合Astar 尋路算法的應用，即可讓人群中的個體按照相應的路徑移動，形成人群移動的背景。在碰撞問題上，可以將人群中的每個虛擬人作為一個agent，并構(gòu)建感知區(qū)域，如圖4 所示。

圖4 每個agent 的感知區(qū)域

其中，D 為感知區(qū)域半徑，當其他虛擬人進入感知區(qū)域內(nèi)，agent 主體會觸發(fā)碰撞規(guī)避反應。這意味著當有其他虛擬人靠近到一定距離時，agent 會根據(jù)事先設定的碰撞規(guī)則來做出相應的行動以避免碰撞發(fā)生。d 為碰撞區(qū)域半徑，其他虛擬人若進入該區(qū)域，則會做出碰撞決策，并實現(xiàn)穿透矯正。r 為agent 主體的圓柱體半徑。在現(xiàn)實世界中，按照中國成年人的平均體型數(shù)據(jù)，我們可以估算其所占的立面空間，大約為體厚（0.25 m）乘以肩寬（0.4 m），即0.1 m2?？紤]到安全區(qū)域和投影面積，我們可以取一個中間值，即0.5 m 乘以0.5 m，來表示成年人所占的有效空間。在穿透問題上，現(xiàn)實世界內(nèi)的人與人之間，一般需要維持一定的距離，若兩者的距離太近，那么心理作用會讓人避讓，由此始終保持一定的距離，但目前的仿真人群實現(xiàn)技術中，受計算誤差、碰撞算法缺陷的影響，個體之間很容易出現(xiàn)碰撞，并呈現(xiàn)出穿透的效果，所以，應當建立針對性的碰撞規(guī)則，來規(guī)避穿透問題，優(yōu)化模型的構(gòu)建效果，由此得到更加真實的人群仿真場景。

待上述模型構(gòu)建完畢后，即可運用Delta3D引擎，控制上述三維模型中的人群動畫演示、人群數(shù)量，同時構(gòu)建該三維模型的輸入組件，如鍵盤響應、游戲事件發(fā)送等。在此過程中，需要運用Delta3D 引擎進行程序參數(shù)的初始化設置，并對人群的骨骼動畫類進行自定義，同時也要運用Delta3D 引擎中的類，按照上述對路徑尋找、碰撞問題處理、穿透問題處理的設計，設置分別對應路徑尋找、行走、碰撞規(guī)避的運行方法，由此實現(xiàn)人群模擬仿真，具體仿真流程如圖5 所示。

圖5 人群模擬仿真流程圖

4.5 仿真界面設計

仿真界面設計環(huán)節(jié)是虛實融合系統(tǒng)技術中的關鍵技術環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)的實現(xiàn)通常需要運用Delta3D 引擎的dtQt 模塊。此模塊的主要作用是處理界面開發(fā)工具Qt 與Delta3D 引擎之間的集成，并借此將開發(fā)工具嵌入到引擎中，以推進后續(xù)開發(fā)工作的順利完成。在仿真界面設計中，需要先下載并解壓Qt 源碼包，再遵循平臺發(fā)送的提示指令，進入Qt 文件目錄中，再運行configure，然后運用nmake 完成編譯和安裝操作。此后，設置環(huán)境變量。在變量設置中，需要先新建一個OT_ROOT，然后將其的值設置為Qt的安裝路徑，由此實現(xiàn)引擎與開發(fā)工具之間的整合，構(gòu)建出通用的開發(fā)模板，實現(xiàn)仿真界面的設計。但在整體的仿真界面設計中，應當注意，首先，應遵循一致性原則，制定出明確的標準，確保信息提示用語、控件顯示等方面都顯示出一致的風格，以保證使用的舒適度。其次，每個窗口對應唯一話題，這樣使用者才能在打開窗戶后，對內(nèi)容一目了然，這樣不僅能夠提高使用的便捷性，而且還可以讓維護、升級操作更加簡便。再次，交互界面的轉(zhuǎn)換應當具有較高的連貫性，確保界面前后呈現(xiàn)出的信息內(nèi)容相互連貫，以免影響人際交互效果。最后，合理地組合信息元素，考慮到人的事物處理、記憶能力是有限的，所以，應當遵循人腦對事物的認知、處理規(guī)律進行信息元素的組合，讓使用者去瀏覽信息，而非要求其記憶信息。為此，在仿真界面的設計上盡量減少使用者操作期間需要記憶的信息，由此提高仿真界面的設計效果，

綜上所述，在虛實融合系統(tǒng)技術的應用中使用Delta3D 引擎，可以優(yōu)化該系統(tǒng)的運行效果，使其能夠被更好地應用到創(chuàng)建三維游戲、模擬、交互應用程序和體驗的場景中。在虛實融合系統(tǒng)技術上，Delta3D 引擎在物理仿真、場景管理、環(huán)境實現(xiàn)等方面具有良好的應用效果，能夠讓使用者與現(xiàn)實相分離，同時又能夠給予使用者身臨其境的平臺，由此強化使用者與系統(tǒng)交互的真實性，優(yōu)化使用者的體驗，因此，Delta3D 引擎在虛實融合系統(tǒng)技術的操作上具有極高的應用價值。