引言

三維場景提供全面直觀的視覺信息，在數(shù)字孿生[1]、虛擬現(xiàn)實(shí)[2]、游戲開發(fā)[3]、技能訓(xùn)練[4]等眾多領(lǐng)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(yàn)，但這需要高質(zhì)量的三維場景設(shè)計(jì)工作。三維場景的設(shè)計(jì)工作涉及三維設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)兩個(gè)領(lǐng)域，涵蓋的知識(shí)范圍廣、門檻高。此外，三維場景設(shè)計(jì)工作細(xì)節(jié)較多，并且開發(fā)過程中需要持續(xù)進(jìn)行修改和迭代，工作內(nèi)容重復(fù)繁瑣是常見問題。為了簡化開發(fā)流程、減少工作負(fù)擔(dān)，可視化工具被引入到越來越多的三維場景開發(fā)產(chǎn)品中。

可視化工具使開發(fā)人員能夠以圖形化方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用其直觀、模塊化的優(yōu)勢(shì)，簡化設(shè)計(jì)開發(fā)工作，降低學(xué)習(xí)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(qiáng)大且泛用的三維場景開發(fā)功能。作為Unity3D產(chǎn)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(shè)計(jì)的三維模擬軟件，José教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)該軟件的教學(xué)內(nèi)容實(shí)施難度高，于是使用Autodesk Inventor軟件，向架構(gòu)中加入可視化任務(wù)構(gòu)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(píng)。

根據(jù)產(chǎn)品所面向用戶群體的區(qū)別，三維場景設(shè)計(jì)工作相關(guān)的可視化工具呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。以Dynamo為代表的可視化工具面向設(shè)計(jì)師群體，以快速構(gòu)建、批量處理三維模型為目標(biāo)。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(dòng)態(tài)內(nèi)容。而面向程序設(shè)計(jì)的可視化工具，如PlayMaker、BluePrint等，在簡化程序開發(fā)的同時(shí)可進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。但這類工具需要用戶輸入程序邏輯，存在學(xué)習(xí)門檻，設(shè)計(jì)師無法使用。在現(xiàn)有工具幫助下，設(shè)計(jì)師仍很難觸及有關(guān)程序設(shè)計(jì)的三維場景動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)部分。

因此，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)面向三維場景的可視化工具軟件，關(guān)注動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，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(nèi)容和執(zhí)行邏輯。軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶輸入的準(zhǔn)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(xiàn)以供組裝并實(shí)現(xiàn)基本的程序邏輯，即通過可視化編程的方式對(duì)三維場景進(jìn)行設(shè)計(jì)。

優(yōu)質(zhì)的視覺效果是三維場景設(shè)計(jì)工作的目標(biāo)，但現(xiàn)實(shí)中受限于網(wǎng)絡(luò)、硬件等物理?xiàng)l件，且三維應(yīng)用需求大量的運(yùn)算資源，最終視覺效果容易出現(xiàn)卡頓問題。在關(guān)鍵信息延遲過大時(shí)，三維應(yīng)用效果更差。因此本文設(shè)計(jì)了關(guān)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(xué)因素，考慮動(dòng)態(tài)注意力理論，即強(qiáng)調(diào)動(dòng)態(tài)元素（如運(yùn)動(dòng)物體）對(duì)注意力的吸引。Wooley基于眼動(dòng)追蹤技術(shù)探討了動(dòng)態(tài)內(nèi)容如何影響視頻廣告中的視覺注意力[6]，結(jié)果表明動(dòng)態(tài)內(nèi)容（如運(yùn)動(dòng)物體）確實(shí)能夠顯著影響觀眾的視覺注意力。除了動(dòng)態(tài)內(nèi)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(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度范疇，將在此加入調(diào)度算法，以重要任務(wù)優(yōu)先處理，縮短視覺延遲為目標(biāo)。

實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度算法的目標(biāo)是根據(jù)特定的需求、約束，在給定若干實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)確定執(zhí)行順序。任務(wù)價(jià)值是調(diào)度的重要特征，價(jià)值導(dǎo)向是提高靈活度，改善效率的重要方向。價(jià)值最高最優(yōu)先算法、價(jià)值密度最大最優(yōu)先（Highest Value Density First, HVDF）算法等價(jià)值導(dǎo)向的調(diào)度算法通過不同方式依據(jù)價(jià)值大小對(duì)任務(wù)順序進(jìn)行控制[7]。但李龍?zhí)岬浆F(xiàn)有價(jià)值優(yōu)先調(diào)度算法中模型均為獨(dú)立任務(wù)集，過于理想化[8]，并未考慮任務(wù)之間的依賴關(guān)系和執(zhí)行難度等，且會(huì)導(dǎo)致被搶占任務(wù)延遲過高。除價(jià)值導(dǎo)向外，時(shí)間導(dǎo)向算法也常被用于保障各個(gè)任務(wù)的執(zhí)行延遲。經(jīng)典最早截止期優(yōu)先算法以截止期作為關(guān)鍵參數(shù)，最小富余時(shí)間優(yōu)先調(diào)度算法（Least Slack First, LSF）在預(yù)估任務(wù)執(zhí)行時(shí)間后，按延遲時(shí)間不斷提高優(yōu)先級(jí)[9-10]。但這類算法并未考慮任務(wù)價(jià)值。在價(jià)值、影響力等優(yōu)先級(jí)導(dǎo)向的算法中加入時(shí)間參數(shù)是一種更為綜合且平衡的考慮，可以改善低優(yōu)先級(jí)任務(wù)處理消極的問題[11]。為進(jìn)一步完善三維場景編輯工具，本文提出了結(jié)合任務(wù)價(jià)值、影響力以及緊迫度三種要素的動(dòng)態(tài)任務(wù)調(diào)度算法。算法關(guān)注視覺效果影響大的高價(jià)值任務(wù)，同時(shí)綜合考慮了調(diào)度靈活度和低優(yōu)先級(jí)任務(wù)延遲等問題，最終構(gòu)建評(píng)價(jià)函數(shù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)調(diào)度。

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作者信息：

席柏意，王斌，高鴻儒，焦冬冬

（華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所，北京 100083）