中文引用格式： 席柏意，王斌，高鴻儒，等. 面向三維場景動態(tài)設計的可視化工具設計與實現[J]. 電子技術應用，2024，50(6)：61-65.
英文引用格式： Xi Boyi，Wang Bin，Gao Hongru，et al. Design and implementation of visualization tools for three-dimensional scene dynamic design[J]. Application of Electronic Technique，2024，50(6)：61-65.
引言
三維場景提供全面直觀的視覺信息，在數字孿生[1]、虛擬現實[2]、游戲開發(fā)[3]、技能訓練[4]等眾多領域都發(fā)揮著重要作用。出色的三維展示效果能有效提升用戶體驗，但這需要高質量的三維場景設計工作。三維場景的設計工作涉及三維設計和程序設計兩個領域，涵蓋的知識范圍廣、門檻高。此外，三維場景設計工作細節(jié)較多，并且開發(fā)過程中需要持續(xù)進行修改和迭代，工作內容重復繁瑣是常見問題。為了簡化開發(fā)流程、減少工作負擔，可視化工具被引入到越來越多的三維場景開發(fā)產品中。
可視化工具使開發(fā)人員能夠以圖形化方式進行設計，利用其直觀、模塊化的優(yōu)勢，簡化設計開發(fā)工作，降低學習曲線，并有助于二次迭代、交流合作等工作開展。Unity3D是目前代表性面向游戲的三維引擎，具備強大且泛用的三維場景開發(fā)功能。作為Unity3D產品下最受歡迎的開發(fā)工具之一，PlayMaker被眾多成功開發(fā)案例所使用，而其核心功能即是提供可視化編程的開發(fā)方式。Autodesk Fusion 360是一款面向工程設計的三維模擬軟件，José教授團隊發(fā)現該軟件的教學內容實施難度高，于是使用Autodesk Inventor軟件，向架構中加入可視化任務構建的方案，從而改善了問題[5]。此外，Autodesk公司的Dynamo、虛幻引擎中BluePrint工具等都是面向三維場景開發(fā)的可視化編程工具且受到好評。
根據產品所面向用戶群體的區(qū)別，三維場景設計工作相關的可視化工具呈現出不同的特點。以Dynamo為代表的可視化工具面向設計師群體，以快速構建、批量處理三維模型為目標。這類工具適合靜態(tài)三維場景開發(fā)，卻很少涉及三維場景中的動態(tài)內容。而面向程序設計的可視化工具，如PlayMaker、BluePrint等，在簡化程序開發(fā)的同時可進行動態(tài)設計。但這類工具需要用戶輸入程序邏輯，存在學習門檻，設計師無法使用。在現有工具幫助下，設計師仍很難觸及有關程序設計的三維場景動態(tài)設計部分。
因此，本文設計實現了一個面向三維場景的可視化工具軟件，關注動態(tài)設計，并能簡化開發(fā)邏輯，降低門檻。借助該工具，用戶可按需編輯操作內容和執(zhí)行邏輯。軟件實現了對用戶輸入的準確執(zhí)行，提供了通俗邏輯到程序邏輯的映射。所有操作都以模塊化的形式呈現以供組裝并實現基本的程序邏輯，即通過可視化編程的方式對三維場景進行設計。
優(yōu)質的視覺效果是三維場景設計工作的目標，但現實中受限于網絡、硬件等物理條件，且三維應用需求大量的運算資源，最終視覺效果容易出現卡頓問題。在關鍵信息延遲過大時，三維應用效果更差。因此本文設計了關鍵信息優(yōu)先處理策略。在信息的重要程度判斷方面，本文納入生物學因素，考慮動態(tài)注意力理論，即強調動態(tài)元素（如運動物體）對注意力的吸引。Wooley基于眼動追蹤技術探討了動態(tài)內容如何影響視頻廣告中的視覺注意力[6]，結果表明動態(tài)內容（如運動物體）確實能夠顯著影響觀眾的視覺注意力。除了動態(tài)內容，環(huán)境切換和視角改變等變化都能很大程度影響視覺效果，同樣為重要操作。軟件中的多操作控制模塊屬于實時任務調度范疇，將在此加入調度算法，以重要任務優(yōu)先處理，縮短視覺延遲為目標。
實時任務調度算法的目標是根據特定的需求、約束，在給定若干實時任務時確定執(zhí)行順序。任務價值是調度的重要特征，價值導向是提高靈活度，改善效率的重要方向。價值最高最優(yōu)先算法、價值密度最大最優(yōu)先（Highest Value Density First, HVDF）算法等價值導向的調度算法通過不同方式依據價值大小對任務順序進行控制[7]。但李龍?zhí)岬浆F有價值優(yōu)先調度算法中模型均為獨立任務集，過于理想化[8]，并未考慮任務之間的依賴關系和執(zhí)行難度等，且會導致被搶占任務延遲過高。除價值導向外，時間導向算法也常被用于保障各個任務的執(zhí)行延遲。經典最早截止期優(yōu)先算法以截止期作為關鍵參數，最小富余時間優(yōu)先調度算法（Least Slack First, LSF）在預估任務執(zhí)行時間后，按延遲時間不斷提高優(yōu)先級[9-10]。但這類算法并未考慮任務價值。在價值、影響力等優(yōu)先級導向的算法中加入時間參數是一種更為綜合且平衡的考慮，可以改善低優(yōu)先級任務處理消極的問題[11]。為進一步完善三維場景編輯工具，本文提出了結合任務價值、影響力以及緊迫度三種要素的動態(tài)任務調度算法。算法關注視覺效果影響大的高價值任務，同時綜合考慮了調度靈活度和低優(yōu)先級任務延遲等問題，最終構建評價函數實現優(yōu)先級調度。
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作者信息：
席柏意，王斌，高鴻儒，焦冬冬
（華北計算機系統(tǒng)工程研究所，北京 100083）
