《電子技術(shù)應用》
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面向三維場(chǎng)景動(dòng)態(tài)設計的可視化工具設計與實(shí)現
電子技術(shù)應用
席柏意,王斌,高鴻儒,焦冬冬
華北計算機系統工程研究所
摘要: 可視化工具能改善三維設計領(lǐng)域中工作復雜繁瑣的問(wèn)題,但現有工具較少同時(shí)兼顧動(dòng)態(tài)設計與低編程門(mén)檻要求。面向設計師群體,設計實(shí)現可視化工具,關(guān)注三維場(chǎng)景中的動(dòng)態(tài)設計內容。使用基于任務(wù)價(jià)值、影響力以及緊迫度的動(dòng)態(tài)任務(wù)調度算法,改善關(guān)鍵視覺(jué)效果的響應延遲問(wèn)題。實(shí)驗及運行結果表明,調度算法能優(yōu)化關(guān)鍵任務(wù)執行,可視化工具有助于簡(jiǎn)易快捷地進(jìn)行三維場(chǎng)景設計。
中圖分類(lèi)號:TP399 文獻標志碼:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.244957
中文引用格式: 席柏意,王斌,高鴻儒,等. 面向三維場(chǎng)景動(dòng)態(tài)設計的可視化工具設計與實(shí)現[J]. 電子技術(shù)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.
Design and implementation of visualization tools for three-dimensional scene dynamic design
Xi Boyi,Wang Bin,Gao Hongru,Jiao Dongdong
National Computer System Engineering Research Institute of China
Abstract: Visualization tools can improve the complex and tedious work problems in the field of 3D design, but few existing tools take into account dynamic design and low programming threshold requirements at the same time. For the designer group, this paper designs and implements a visualization tool, focusing on dynamic design content in three-dimensional scenes. A dynamic task scheduling algorithm based on task value, influence and urgency is used to improve the response delay problem of key visual effects. Experimental and operational results show that the scheduling algorithm can optimize the execution of key tasks, and the visualization tool helps to design three-dimensional scenes easily and quickly.
Key words : 3D scene design;visualization tools;dynamic design;task scheduling

引言

三維場(chǎng)景提供全面直觀(guān)的視覺(jué)信息,在數字孿生[1]、虛擬現實(shí)[2]、游戲開(kāi)發(fā)[3]、技能訓練[4]等眾多領(lǐng)域都發(fā)揮著(zhù)重要作用。出色的三維展示效果能有效提升用戶(hù)體驗,但這需要高質(zhì)量的三維場(chǎng)景設計工作。三維場(chǎng)景的設計工作涉及三維設計和程序設計兩個(gè)領(lǐng)域,涵蓋的知識范圍廣、門(mén)檻高。此外,三維場(chǎng)景設計工作細節較多,并且開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要持續進(jìn)行修改和迭代,工作內容重復繁瑣是常見(jiàn)問(wèn)題。為了簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)流程、減少工作負擔,可視化工具被引入到越來(lái)越多的三維場(chǎng)景開(kāi)發(fā)產(chǎn)品中。

可視化工具使開(kāi)發(fā)人員能夠以圖形化方式進(jìn)行設計,利用其直觀(guān)、模塊化的優(yōu)勢,簡(jiǎn)化設計開(kāi)發(fā)工作,降低學(xué)習曲線(xiàn),并有助于二次迭代、交流合作等工作開(kāi)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(chǎng)景開(kāi)發(fā)功能。作為Unity3D產(chǎn)品下最受歡迎的開(kāi)發(fā)工具之一,PlayMaker被眾多成功開(kāi)發(fā)案例所使用,而其核心功能即是提供可視化編程的開(kāi)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(xué)內容實(shí)施難度高,于是使用Autodesk Inventor軟件,向架構中加入可視化任務(wù)構建的方案,從而改善了問(wèn)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(chǎng)景開(kāi)發(fā)的可視化編程工具且受到好評。

根據產(chǎn)品所面向用戶(hù)群體的區別,三維場(chǎng)景設計工作相關(guān)的可視化工具呈現出不同的特點(diǎn)。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(lèi)工具適合靜態(tài)三維場(chǎng)景開(kāi)發(fā),卻很少涉及三維場(chǎng)景中的動(dòng)態(tài)內容。而面向程序設計的可視化工具,如PlayMaker、BluePrint等,在簡(jiǎn)化程序開(kāi)發(fā)的同時(shí)可進(jìn)行動(dòng)態(tài)設計。但這類(lèi)工具需要用戶(hù)輸入程序邏輯,存在學(xué)習門(mén)檻,設計師無(wú)法使用。在現有工具幫助下,設計師仍很難觸及有關(guān)程序設計的三維場(chǎng)景動(dòng)態(tài)設計部分。

因此,本文設計實(shí)現了一個(gè)面向三維場(chǎng)景的可視化工具軟件,關(guān)注動(dòng)態(tài)設計,并能簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)邏輯,降低門(mén)檻。借助該工具,用戶(hù)可按需編輯操作內容和執行邏輯。軟件實(shí)現了對用戶(hù)輸入的準確執行,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(shí)現基本的程序邏輯,即通過(guò)可視化編程的方式對三維場(chǎng)景進(jìn)行設計。

優(yōu)質(zhì)的視覺(jué)效果是三維場(chǎng)景設計工作的目標,但現實(shí)中受限于網(wǎng)絡(luò )、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(jué)效果容易出現卡頓問(wèn)題。在關(guān)鍵信息延遲過(guò)大時(shí),三維應用效果更差。因此本文設計了關(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,即強調動(dòng)態(tài)元素(如運動(dòng)物體)對注意力的吸引。Wooley基于眼動(dòng)追蹤技術(shù)探討了動(dòng)態(tài)內容如何影響視頻廣告中的視覺(jué)注意力[6],結果表明動(dòng)態(tài)內容(如運動(dòng)物體)確實(shí)能夠顯著(zhù)影響觀(guān)眾的視覺(jué)注意力。除了動(dòng)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(jué)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)調度范疇,將在此加入調度算法,以重要任務(wù)優(yōu)先處理,縮短視覺(jué)延遲為目標。

實(shí)時(shí)任務(wù)調度算法的目標是根據特定的需求、約束,在給定若干實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)確定執行順序。任務(wù)價(jià)值是調度的重要特征,價(jià)值導向是提高靈活度,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)值導向的調度算法通過(guò)不同方式依據價(jià)值大小對任務(wù)順序進(jìn)行控制[7]。但李龍提到現有價(jià)值優(yōu)先調度算法中模型均為獨立任務(wù)集,過(guò)于理想化[8],并未考慮任務(wù)之間的依賴(lài)關(guān)系和執行難度等,且會(huì )導致被搶占任務(wù)延遲過(guò)高。除價(jià)值導向外,時(shí)間導向算法也常被用于保障各個(gè)任務(wù)的執行延遲。經(jīng)典最早截止期優(yōu)先算法以截止期作為關(guān)鍵參數,最小富余時(shí)間優(yōu)先調度算法(Least Slack First, LSF)在預估任務(wù)執行時(shí)間后,按延遲時(shí)間不斷提高優(yōu)先級[9-10]。但這類(lèi)算法并未考慮任務(wù)價(jià)值。在價(jià)值、影響力等優(yōu)先級導向的算法中加入時(shí)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(wù)處理消極的問(wèn)題[11]。為進(jìn)一步完善三維場(chǎng)景編輯工具,本文提出了結合任務(wù)價(jià)值、影響力以及緊迫度三種要素的動(dòng)態(tài)任務(wù)調度算法。算法關(guān)注視覺(jué)效果影響大的高價(jià)值任務(wù),同時(shí)綜合考慮了調度靈活度和低優(yōu)先級任務(wù)延遲等問(wèn)題,最終構建評價(jià)函數實(shí)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

(華北計算機系統工程研究所,北京 100083)


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