基于实例和约束的三维场景概念设计和系统实现

计算机科学２００８Ｖｏ１．３５Ｎｏ．１　基于实例和约束的三维场景概念设计和系统实现　）　江澜　岳小莉　冯柏岚　，。　李良军　曹存根。　（首都师范大学＆中科院计算所联合实验室　北京１０００３７）　（中国科学院计算技术研究所　中科院智能信息处理重点实验室　北京１０００８０）　（中国科学院研究生院）。　摘要３Ｄ场景设计是ＶＲ建模中最重要也最耗人力的工作之一，如何解决该问题是一项重要的课题。本文提出一　种新的基于实例和约束的三维场景概念设计方法。首先，根据所获取的场景实例中所蕴涵的不同层次的语义信息，对　其进行场景元素过滤和场景语义标注，并由此构建三维场景实例库。相应地，对场景中可能出现的元素类别进行分类　和语义标注，并建立场景元素库。接着，应用基于实例的方法，并结合场景设计过程中所涉及到的知识（约束），给出三　维场景概念设计的一般方法；最后以一个实例对该方法做进一步的说明。研究表明，该方法符合人们对场景设计的一　般过程。此外，由于场景实例和场景元素具有丰富的语义信息，使得所生成的场景除了常规的可视效果，还可以直接　应用于虚拟现实环境以及三维动画等数字内容制作中。　关键词场景实例，语义约束，场景概念模型　Ａ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｃａｓ￣ａｎｄ　Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ－ｂａｓｅｄ　Ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　３Ｄ　Ｓｃｅｎｅｓ　ＪＩＡＮＧ　Ｌａｎ　ＹＵＥ　Ｘｉａｏ—Ｌｉ　ＦＥＮＧ　Ｂａｉ—Ｌａｎ　’。ＬＩ　Ｌｉａｎｇ－Ｊｕｎ　ＣＡＯ　Ｃｕｎ－Ｇｅｎ。　（Ｕｎｉｔｅ　Ａｃａｄｅｍｅ　ｏｆ　ＩＣＴ　ａｎｄ　ＣＮＵ　Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００３７）　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８０）　（Ｇｒａｄｕａｔｅ　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）０　Ａｂｓｔｒａｃｔ　３Ｄ　ｓｃｅｎｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｙｅｔ　ｌａｂｏｒ－ｉｎｔｅｎｓｉｖｅ　ｔａｓｋｓ　ｉｎ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｗｏｒｌｄ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ａ　ｎｅｗ　ｃａｓｅ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｒａｉｎ卜ｂａｓｅｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ　３Ｄ　ｓｃｅｎｅ　ｄｅｓｉｇｎ．　Ｆｉｒｓｔ，ｗｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ　ａ　３Ｄ　ｓｃｅｎｅ　ｃａｓｅ　ｂａｓｅｄ　ｂｙ　ｆｉｌｔｒａｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｍａｒｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｃｅｎｅ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｌｅｖｅｌｓ　ｏｆ　ｓｅｍａｎｔｉｃ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ　ａ　３Ｄ　ｓｃｅｎｅ　ｅｌｅ—　ｍｅｎｔ　ｂａｓｅ　ｂｙ　ｃｌａｓｓｉｆｙｉｎｇ　ａｎｄ　ｍａｒｋｉｎｇ　ｐｒｅ－ｍｏｄｅｌｅｄ　ｓｃｅｎｅ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ．Ａｎｄ　ｔｈｅｎ，ｗｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ａ　ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　３Ｄ　ｓｃｅｎｅｓ　ｉｎ　ｗｈｉｃｈ　ｓｃｅｎｅ　ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ　ａｒｅ　ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｗｅ　ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ．Ａｓ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ，ｏｕｒ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｃｃｏｒｄｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｈｕｍａｎ　ｓｃｅｎｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｓｃｅｎｅｓ　ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｇｅｎｅｒ—　ａｔｅ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｒｅａｌｉｔｙ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｉｇｕｒｅ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｓｕｃｈ　ａｓ　３Ｄ　ａｎｉｍａｔｉｏｎ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｌｅｎｔｙ　ｏｆ　ｓｅｍａｎｔｉｃ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｗｈｉｃｈ　ｉＳ　ｉｎｃｌｕｄｅｄ　ｉｎ　ｓｃｅｎｅ　ｃａｓｅｓ　ａｎｄ　ｓｃｅｎｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｃａｓｅｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　Ｓｃｅｎｅ　ｃａｓｅ，Ｓｅｍａｎｔｉｃ　ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ，Ｓｃｅｎｅ　ｃｏｎｃｅｐｔ　ｍｏｄｅｌ　１　引言　在影视动画和游戏制作中，场景设计提供剧中人物的活　动环境，其制作技术的好坏，直接关系到影片的造型质量。场　景设计的基本内容包括基本场景的搭建以及场景中的道具选　在计算机上，大量的时间仍然要耗费在一些常规的、无需创意　的工作上。自动生成一个符合故事内容基本要求（不包括创　意要求）的场景已经成为一项迫切的需要。　场景自动生成从最早的基于几何约束的空间自动布局到　基于语义的场景构建、从人工干涉到系统自动生成，关于场景　自动生成的研究已走过二十多年的历程，取得了许多有益的　成果。从技术和功能实现的角度来划分，目前已有的研究可　择和布局。传统场景设计的一般过程是：场景设计之初，在大　脑中想象或是寻找一个抽象的、粗粒度的场景，即场景原型；　然后将粗粒度的场景原型转化为细粒度的与剧情相匹配的真　实场景；最后，在真实世界中对该场景进行搭建或图示化。近　以划分为两个主要的方向：基于约束的自动空间布局和基于　知识的从文本到动画的自动转换。限于篇幅，以下仅列出与　本文直接相关的几项有代表性的工作。　（１）基于几何约束和语义信息的场景自动布局。这类系　统主要研究如何在一个有限空间域中实现内部物体的自动放　置与合理布局。有文献可查的这类研究较多［１　］，这里以更　年来，随着计算机技术的飞速发展，人们可以更多地借助计算　机来帮助完成大量繁重的手工绘制工作。与传统做法相比　较，除了可以实现设计过程中的多次反复修改，设计结果可以　被重用和共享，在大幅度提高设计效率的同时降低了制作成　本。尽管现有不少系统提供了很多平台和工具来帮助专业人　员完成上述工作，但本质上，它是将场景设计的载体从传统的　具代表性的系统ＣＡＰＳ为例加以说明。ＣＡＰＳ（Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ－　ｂａｓｅｄ　Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｆｏｒ　Ｓｃｅｎｅ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）［　］由，Ｉ、０一　工作平台转移到了计算机上，在制作流程上没有质的变化，即　ｒｏｎｔｏ大学的Ｘｕ　Ｋｅｎ等人研制。该系统提出一种基于约束　＊）本文工作得到自然科学基金的资助（＃６０２７３０１９、６０５７３０６４、６０５７３０６３和６０４９６３２６）和国家重点基础研究发展计划２００３ＣＢ３１７００８和　Ｇ１９９９ｏ２３７Ｏｌ的资助。　・　２２７　・　维普资讯 http://www.cqvip.com 的自动空间布局方法，即基于虚拟物理世界的物体空间几何　约束以及基于真实世界中物体之间位置关系的语义约束，自　动引导物体在空间中的放置，便于用户快速、方便并合理地对　复杂场景进行布局。实例表明，该系统可以帮助用户在不到　１０ｍｉｎ的时间内布置一个内含３００个物体的复杂空间。　（２）文本一场景的自动生成。这类系统＿９　。，　］以自然语言　的文本为输入，旨在通过对文本的语法分析和语义理解将文　Ｓｃｅｎｅ一（ＳＥ，ＲＳＥ＞。其中ＳＥ是场景元素的集合，　Ｅ是ＳＥ　上的关系。场景元素是指构成场景的实体，例如墙壁、桌子、　椅子、餐具等都是场景元素。场景元素的关系包括组成关系、　支撑关系、伴随关系和其它的参照关系（如位置关系、朝向关　系等空间关系）。　场景概念模型（Ｓｃｅｎｅ　Ｃｏｎｃｅｐｔ　Ｍｏｄｅ１）：场景的结构可以　借助场景概念模型来表示，由一棵树来描述。场景概念模型　本的内容自动转化为二维图片或三维场景。具代表性的系统　有ＷｏｒｄｓＥｙｅ、ＣａｒＳｉｍ和Ｓｗａｎ等。　ＷｏｒｄｓＥｙｅ　ｌ】３］系统由ＡＴ＆Ｔ实验室的Ｂｏｂ　Ｃｏｙｎｅ和　Ｒｉｃｈａｒｄ　Ｓｐｒｏａｔ研究。以自然语言的文本为输入，首先对句子　在一个高层次上表述了场景中场景元素的行为以及各场景元　素间的关系ｌ１　。模型中的每个节点代表了一个场景元素，根　节点为场景，如图１所示。方便起见，在下文中，使用忽略了　参照关系的树状结构图来表示场景概念模型，而参照关系将　在布局中表示。　进行标识并分析，将句子转换为一些具有结构的语义单　元，同时给出语义表达；其次，使用描述规则将相关的语义表　达转换为一组底层的描述子（可用来表达三维物体的姿态、空　间关系、色彩等）；接下来，应用传导规则消解场景元素之间可　能存在的约束冲突并添加隐式约束。经过上述步骤，最后得　到的描述子可用来构造与文本内容相对应的三维物体并完成　最终的场景。　ＣａｒＳｉｍ系统＿】胡由法国ＧＲＥＹＣ实验室的Ｓｙｌｖａｉｎ　Ｄｕｐｕｙ　等人研制，借鉴了ＷｏｒｄｓＥｙｅ的研究成果。该系统以汽车交　通事故过程的可视化为研究对象，以自然语言（法语）描述的　事件过程为输人，输出模拟该事件过程的动画。在信息的处　理上，首先从文本中抽取出静态信息，即事件发生时所处环境　的信息（本例中指道路以及路旁的树的信息）；再进一步抽取　事件中的动态信息（如汽车碰撞事件中的当事人、目击者、相　撞的两辆汽车等）。该系统包含两个模块：语义模块和可视化　模块。语义模块的功能是通过对自然语言的理解抽取文本中　与时空相关的描述信息，将自然语言描述转化为一种形式化　的中间语言；可视化模块则负责把形式化的语义转化为三维　动画。　Ｓｗａｎ［”］由中国科学院计算技术研究所的陆汝钤院士于　２Ｏ世纪８Ｏ年代末开始的一个尝试，试图在计算机上模拟传　统动画生成的全过程。该系统侧重于对文本的分析和理解，　在场景动画的具体生成方面则没有具体说明。从实现的效果　来看，场景部分是以类似于舞台剧的二维背景形式出现的，缺　乏真实感，难以实现人物与场景元素的交互。　总结现有的工作，不难发现，目前的工作主要存在以下几　点不足：（１）必须对场景中的元素进行完整的描述，即系统不　能生成描述中未出现的场景元素；（２）在场景构建过程中采用　的是“从无到有”的构建方法，在对有代表性的场景的重用和　共享方面涉及不多；（３）在场景构建中，较少考虑其中可能出　现的行为（动画创作中场景设计的一个显著需求），即融合行　为的场景设计。　由此，我们提出一种基于实例和约束的场景概念设计方　法。本文第２节介绍算法设计过程中所涉及到的基本概念及　算法中用到的场景元素库、场景实例库和场景语义约束，第３　节给出基于实例和约束的场景概念设计的算法流程，第４节　通过一个实例对该方法的系统实现做了进一步说明，最后对　我们的工作进行了总结和展望。　２场景元素库、场景实例库和场景语义约束　２．１基本概念　场景：本文研究中的场景是指一个封闭的空间，即内景，　包括卧室、客厅、办公室等。一个场景由一个二元组来描述　・２２８・　Ｌ　一　匦萎［－　　苣　薹　一　…Ｊ场景元素ｎ　Ｊ　关系…’二　一　Ｉｌ…　＿　或支撑或伴随　关系　圈匦匦　图１场景概念模型　场景概念设计：就设计层次而言，场景设计可以分为功能　设计和个性化要素设计。其中功能设计的内容包括场景布　局、场景元素的类别选取以及恰当的色彩配置等；个性化设计　的内容则是与场景主人信息相匹配的个性化场景元素的补　充。从重用性和共享性来看，功能设计的内容通常可以从大　量的设计实例中抽象出来并固化，作为新设计的参照。基于　此，概念设计的主要内容即是基于已有实例并结合目标场景　的相关信息完成满足主要功能并符合基本语义约束的新场　景。　目前，我们获取实例的主要来源包括一些从事室内设计　的公司以及影视、动画、游戏等特效制作公司。在长期的实际　工作中，已经积累了大量形式多样的场景实例，包括二维和三　维的。在我们的实例库中，主要选取的是有代表性的三维场　景实例。　通常，初始的场景实例所包含的内容非常丰富，而从可重　用的角度来看，需要对其内容进行过滤，仅保留最具共享性的　内容。通过筛选，保留的内容应包括三类：场景属性、场景中　与功能相吻合的主要的场景元素（包括场景元素的色彩、样式　信息）以及由其组成的场景概念模型和对应的场景布局信息。　并且，为了便于实例的后续应用，相关的场景元素的属性信息　被保留，置为缺省值。基于此，我们对所获取的场景实例和场　景元素进行信息过滤和加工，其结果放入资源库中，作为候　选。　２．２场景元素标注　场景元素是场景的一部分，而对场景的所有操作最终都　会转化到对场景元素的操作。因此，为了更加方便、有效地对　场景元素进行操作，对场景元素进行标注是必不可少的。除　了对场景元素的几何信息和外观信息进行标注外，还需要考　虑场景元素本身所包含的语义信息（如类别、相关联的场景元　素等）以及与角色之间的可能的交互信息。图２（ａ）所示是场　景元素的标注界面，（ｂ）为场景元素部分标注内容。　维普资讯 http://www.cqvip.com （ｂ）　①场景元素节点显示区，②场景元素实例显示区，③场景元素信息标注区。　图２场景元素实例的标注　（ａ）　（ｂ）　①场景元素节点显示区，②场景实例显示区，③场景信息标注区，④场景元素信息标。　图３场景实例的标注　２．３场景实例标注　以下的几何约束：书的底面与桌子的顶面是平行的，并且两个　（１）场景属性标注　面的距离为０；　初始场景实例往往包含许多无序的、非必要的信息，需要　・可以方便场景动态变化时的管理。例如，把书作为桌　对其进行筛选和再组织，并且对场景属性进行语义描述，而场　子的水平支撑元素，则当桌子运动时，书就会自动跟着桌子一　景里的重要场景元素也要按照场景元素的标注方法进行标　起运动。　注。图３（ａ）为场景标注界面，（ｂ）为场景属性的部分标注内　本文的研究中，场景概念模型所蕴涵的组成、支撑、伴随　容。　关系是通过语义约束来完成的，而参考关系则是通过几何约　（２）场景概念模型的二维布局获取　束来实现的，它们共同反映场景中的布局情况。在场景概念　文［１６］中介绍了一种图导向概念模型来描述场景中元素　设计中，场景的二维布局是设计的重点。图４（ａ）是对图３的　与元素的关系，此模型侧重于场景元素的显式的组成关系（如　场景的二维布局信息进行抽取的界面，（ｂ）为场景概念模型示　桌子是由桌面和桌腿构成），忽略了场景中另外两种普遍存在　意图。　的关系：支撑关系（如桌子上支撑着一本书）和伴随关系（如桌　（３）场景色彩配置　子旁边都伴随着椅子）。本文将这两种关系补充进来，对该模　场景的色彩配置是指场景中主要元素或大面积元素的色　型加以扩充。扩充后的模型具有以下几项优点：　彩信息，它是表现场景风格的一个重要因素，并能够从侧面反　・可以进行一些场景推理。例如，当场景中出现一本书　映场景主人的相关信息（如爱好、性格、经济状况、年龄和性别　时，那么这本书必然有支撑它的场景元素存在，由此可以推出　等）。如果用基于规则的方法很难对场景的色彩配置方法进　支撑它的元素：桌子，同时由这种支撑关系推出书与桌子存在　行穷尽，因此我们在对场景实例进行获取和信息加工时，会有　・　２２９　・　维普资讯 http://www.cqvip.com 意识地选取和保留有重用价值的场景色彩配置信息，以期为　场景的配色方案。　新场景的设计提供相关的借鉴和共享。表１给出了图４所示　（ａ）　（ｂ）　①场景概念模型树状结构显示区，②场景二维布局显示区，③场景信息标注区，④场景元素信息标注区。　图４场景二维布局界面　表１场景实例配色方案　场景风格　场景主人特性　场景元素类别　颜色　ＲＧＢ值　家庭富裕，成年　墙壁　亮白　（０．８５１，０．８３９，０．８１２）　现代　男性　地板　棕红　（Ｏ．３６９，０．２２４，０．１５３）　床　白色　（０．７７３，０．７６１，０．７２９）　表２空间几何约束　约束类别　谓词举例　说明　位于坐标点（（场景元素名），（（实数），（实　指明一个场景元素的中心所处的位置　单个物体　数），（实数）））　的定位　朝向方向（（场景元素名），（正面背面Ｉ顶面　底面左面Ｉ右面），（方位词）Ｉ（实数），（实　指明一个场景元素的绑定盒的某一面的朝向　数），（实数）））　两个物体　的定位　位于（（场景元素名），（场景元素名），相邻）　第一个场景元素在第二个场景的旁边　一个场景元素的几何中心到中间场景元素的　三个及以上物体　间距离（（场景元素名），（距离），（中间场景元　几何中心的距离以及另一个场景元素到中间　之间的位置关系　素名），（距离），（场景元素名））　场景元素的几何中心的距离，前提是这三个　场景元素的几何中心在一条直线上。　表３语义约束　约束类别　谓词举例　说明　场景属性（（场景名），场景类型，（室内室外卧室餐厅　指明一＞）　个场景的类型是什么　…场景属　性约束　场景属性（（场景名），式普通西式普通））　场景风格，（中式豪华ｌ西式豪华中　指明一个场景的风格是什么　场景属性（（场景名），场景元素，（场景元素名））　指明一个场景里具有的场景元素　场景元素　饰品ｌ场景元素属性（（场景元素名），类型，（家具采暖设备照明设备ｌ装　指明一…））　个场景元素的类型是什么　属性约束　场景元素属性（（场景元素名），颜色・ＨＳＬ，（（色相值：０　指明一个场景元素的颜色ＨＳＬ值分别是什　２５５），（饱和度：ｏ　１００），（亮度值：０　１００）））　么　２．４约束　于场景的布局，而语义约束则服务于场景属性、场景元素属性　一个合理有效的场景设计必须满足相关的约束。本文将　等内容的描述。本文采用谓词的形式来表示这些约束，具体　约束分为空间几何约束和语义约束。空间几何约束主要是用　内容参见表２和表３。此外，在场景概念设计过程中，会用到　・２３０・　维普资讯 http://www.cqvip.com 大量与设计相关的常识和经验类知识，这些内容我们通过规　则加以表示，如表４所示。　３场景概念设计方法　以上对场景实例和约束做了基本的介绍，图５给出了基于　实例和约束的场景概念设计的基本方法以及输入输出的说明。　输入：Ｓｃｅｎｅ・Ａｔｔｒｉｂｕｔｅ（）为场景属性，包括场景类型和场景风格；　Ｓｃｅｎｅ・ＬｗＨ（）为场景的实际长、宽、高；　ＥｌｅｍｅｎｔＳｅｔ（）为场景元素集合，包括场景元素的类别和场景元　素的属性；　ＥｌｅＲｅｌＳｅｔ（）为场景元素关系集合；　ＲｕｌｅＳｅｔ（）为布局过程中所涉及的约束和规则集合。　输出：Ｏｕｔｐｕｔ（目标场景概念模型）　算法流程：　Ｓｔｅｐ１：ＳＣ＝Ｓｃｅｎｅ・Ｃ（场景类型），ＳＴ—Ｓｃｅｎｅ・Ｔ（场景风格）；　Ｓｔｅｐ２：根据Ｅｌｅｍｅｎｔ—Ｓｅｔ（）和ＥｌｅＲｅｌ—Ｓｅｔ（）构建场景的初始场景　概念模型ＯＳＣＭ；　—Ｓｔｅｐ３：根据ＳＣ和ＳＴ在场景实例库ＳＣＢ（Ｓｃｅｎｅ　Ｃａｓｅ　Ｂａｓｅ）中搜　索相似实例，如果有，ｃｎ一搜索到的相似实例个数，转Ｓｔｅｐ４；否则，目　标概念模型ＧＳＣＭ＝ＯＳＣＭ，转Ｓｔｅｐ１１；　Ｓｔｅｐ４：如果ｅｎ＞１，转Ｓｔｅｐ５；否则，转Ｓｔｅｐ６；　Ｓｔｅｐ５：按照场景属性的优先序，对候选实例进行相似性深度搜　索，找到相似度最大的实例Ｃａｓｅｉ；　Ｓｔｅｐ６：获取场景实例Ｃａｓｅｉ中的场景概念模型Ｃａｓｅｉ・ＳＣＭ；　Ｓｔｅｐ７：将ＯＳＣＭ和Ｃａｓｅｉ・ＳＣＭ进行差异性比较，并根据比较的　结果对实例中的元素类别和元素间的位置关系进行调整，得到新的场　景概念模型ＮｓＣＭ；　Ｓｔｅｐ８：根据Ｒｕｌｅ—Ｓｅｔ（）中的规则对ＮＳＣＭ进行验证，如果满足　规则，转Ｓｔｅｐ１０；否则，转Ｓｔｅｐ９；　Ｓｔｅｐ９：对存在于场景概念模型与规则之间的冲突进行消解；　Ｓｔｅｐ１０：目标场景概念模型ＧＳＣＭ＝ＮＳＣＭ；　Ｓｔｅｐ１１：根据场景概念模型中的场景元素类别在场景元素素材库　中搜索出相关的场景元素（通常有多个符合条件的元素，进一步的选　择需要综合考虑场景元素的材质和色彩）；　Ｓｔｅｐ１２：根据ＧＳＣＭ对场景元素进行放置；　Ｓｔｅｐ１３：根据Ｓｃｅｎｅ・ＬｗＨ（）和Ｒｕｌｅ—Ｓｅｔ（）的相关规则（包括与　角色的交互信息）对场景元素的大小进行缩放；　Ｓｔｅｐ１４：结束。　袁４规则分类及举例　规则类型　规则举例　场景元素　属性规则　场景属性（ｓ，场景风格，中式豪华）一一场景属性（Ｓ，场景元素，ｓｅ）　场景元素属性（ｓｅ，　场景元素风格，中式豪华）　布局规则　色彩配置　场景属性（ｓ，场景类型，内景）　场景属性（Ｓ，场景元素，ｓｅ）　场景元素属性（ｓｅ，重量，　大）一位于（ｓｅ，（墙＞，相邻）　场景属性（ｓ，场景类型，卧室）　场景属性（Ｓ，风格，中式豪华）一场景属性（Ｓ，场景元　规则　素，ｓｅ）　场景元素属性（ｓｅ，颜色・ＨＳＩ　，（饱和度：高，亮度：高＞））　Ｉ构建目标场景的初始场景概客模型　Ｉ　ＯＳＣＭ　　ＩＮｏ　厂＿＿——旦——＿＿＿］［二　垂　二］　厂　、　在实倒库中检索相啦【实倒Ｉ　＜垂薹至　！竺　｝∞　搜索到的辊似事倒个数｝　——广ｕ—　Ｉ．．　．—合理性验证　．。．　—　，　、　．．．．。．．．．．。．　．ｌ！．．．．．．．．．．．．．一　『Ｌ＿　谪药　］　Ｊ　塞Ｕ　　　｛————　—塑｛　一——ｃ，ｓＣｌＶｌ＝ＮＳＣＭ　＜　ＮＯ　ｌ场景元素实倒化ｆ　匪　…——一一—蟹　Ｌ——一　臣　垂圃　　Ｉ获邛　ａｓ　中的布局信息！　图５基于实例和约束的场景概念设计流程　４系统实现和例子　借助上面提出的算法以及所构建的相关资源，我们设计　了一个场景概念设计的实验系统，系统结构如图６所示。在　概念设计；进一步，对生成的场景模型进行评价，视评价结果　对场景进行再设计或直接输出目标场景的概念模型；最后，利　用三维建模工具输出三维目标场景。整个设计过程的实现在　Ｐｅｎｔｉｕｍ　４　３０００ＨＺ，２Ｇ　Ｍｅｍｏｒｙ，ｗｉｎｄｏｗｓＸＰ，Ｍａｙａ７．０环境　获取用户对场景的设计需求后，基于实例和约束对场景进行　下进行。　图６场景概念设计系统结构图　・　２３１　・　维普资讯 http://www.cqvip.com 在实例的选取上，我们以《皇帝的新装》中皇帝的卧室为　（３）获取场景布局信息　通过对场景实例的概念模型（见图４）和目标场景的概念　目标场景。参照图５的设计流程，以下对该场景的设计过程　做进一步的说明。　（１）输入　模型的比较，并根据比较结果对布局进行修改，再进行冲突消　解，使得布局满足相关的规则，最后得到目标概念模型，如图　・Ｓｃｅｎｅ・Ａｔｔｒｉｂｕｔｅ（）：（场景类型：卧室），（场景主人：皇　８所示。　帝１＞，（场景风格：西式豪华），（场景时代：欧洲中世纪＞，＜主　人年龄：成年），（主人性别：男＞，（主人地位：高），＜主人经济状　况：很好）　・ｃＳｅｎｅ・ＬＷＨ０：（１０，６，４）　・Ｒｕｌｅ＿Ｓｅｔｓ（）：大物靠墙放，同一地方不能同时出现两　个物体，床的正面朝向墙壁２。　・场景元素集合和场景元素关系集合用图７所示场景概　念模型来示。　（２）相似实例选取　通过对场景属性（这里选取场景类别、主人信息、风格等　几个属性）进行检索和相似性比较，检索出图３中所示的场景　为实例库中与目标场景最相似的场景。　①场景树状结构显示区，②场景二维布局显示区。　［　坚　图８　目标场景的概念模型　－－ｌ｜　薄　ｉ　－　ｒ　——　————　ｒ　————　—ｒ—　——　——　—　—１　—　～一—　ｒ　—————　——　—　（４）最终场景设计效果图　ｌ髓ｌ。。—’—１’—　　ｌ一　ｌ髓２Ｌ———・＋————一　ｌＩ￣Ｌ—————＿・—・—Ｊ　１１３　Ｉ　Ｉ髓４Ｌ————－————一　Ｉ　Ｉ地板｝Ｉ天花板ＩＬ————，—————Ｊ　Ｌ—————　———一　　根据概念模型的层次关系，依次在二维布局图中对场景　｝幽豳ｌ　ｌ　由　元素进行实例化，并根据实例的色彩配置方案进行色彩配置，　最终得到的效果图如图９。　Ｉ　陶ｉ　　ｒ——‘　。—１　ｒ　—　’——１　ｒ　’’－———１　ｒ‘＾—　———’　’’—　Ｌ———１　图７　目标场景的初始场景概念模型示意图　图９　目标场景——皇帝卧室图例　结论与展望近年来，基于实例的设计方法得到了较为　样性的重要保证，在现有场景实例库、场景元素库、材质纹理库　广泛的应用。较之于已有方法，本文的创新点主要体现在以　和设计知识库的基本构架的基础上，我们将进一步扩大资源的　下几个方面：　规模，并将基于本体的思想对其做进一步的改进和完善。　・针对场景实例中所蕴涵的多种信息，采用分层描述的　方法获取和存储相关内容，以保证这些信息的后续重用和共　参考文献　享。　１　Ｎｉｅｌｓｏｎ　Ｇ　Ｍ，０ｌｓｏｎ　Ｄ　Ｒ．Ｄｉｒｅｃｔ　Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｆｏｒ　３Ｄ　・多种类型约束和相关知识的使用，除了保证场景几何　Ｏｂｊｅｃｔｓ　Ｕｓｉｎｇ　２Ｄ　Ｌｏｃａｔｉｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ．Ｉｎ：Ｗｏｒｋｓｈｏｐ　ｏｎ　Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ　空间布局上的正确性外，更可以满足场景设计结果合理性、有　３Ｄ　Ｇｒａｐｈｉｃｓ，１９８６．１７５～１８２　效性以及多样性。　２　Ｈｏｕｄｅ　Ｓ．Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａｎ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｆｏｒ　Ｅａｓｙ　３－Ｄ　Ｄｉｒｅｃｔ　Ｍａ—　ｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ．Ｉｎ：ＡＣＭ　ＳＩＧＣＨＩ，１９９２．１３５～１４２　・与传统的场景设计方法相比较，场景概念设计将设计　重点放在可以表征场景功能和风格的有限内容上，从而使得　３　Ｖｅｎｏｌｉａ　ｎ　Ｆａｃｉｌｅ　３Ｄ　Ｄｉｒｅｃｔ　Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ．Ｉｎ：ＡＣＭ　ＳＩＧＣＨＩ，　ｌ９９３．３ｌ～３６　设计时间大大缩短；并且因其所具有的典型性，使得设计结果　４　Ｂｏｒｎｉｎｇ　Ａ，Ｍａｒｒｉｏｔｔ　Ｋ，Ｓｔｕｃｋｅｙ　Ｐ，ｅｔ　ａ１．Ｓｏｌｖｉｎｇ　Ｌｉｎｅａｒ　Ａｒｉｔｈ－　具有最大程度的可重用性。　ｍｅｔｉｃ　Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ　ｆｏｒ　Ｕｓｅｒ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｉｎ：ＡＣＭ　Ｓｙｍ－　初期实验表明，应用本文所述方法在场景生成的效率和　ｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　Ｕｓｅｒ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＵＩＳＴ），　效果上，均可以取得较为满意的结果。进一步的工作主要包　ｌ９９７．８７～９６　括场景评价标准的量化和资源库的扩充。　５　Ｓｍｉｔｈ　Ｇ，Ｓａｌｚｍａｎ　Ｔ，Ｓｔｕｅｒｚｌｉｎｇｅｒ　３Ｄ　Ｓｃｅｎｅ　Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ　场景评价标准量化：目前我们仅给出了场景评价的相关　ｗｉｔｈ　２Ｄ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　ａｎｄ　Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ．Ｉｎ：Ｇｒａｐｈｉｃｓ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，２０００．　标准，还需要对其进行量化处理，以期实现场景的自动评价。　１３５～１４２　资源库扩充：较大规模的资源库的构建是场景设计结果多　（下转第２４９页）　・２３２・　维普资讯 http://www.cqvip.com

过Ｚｉｇｚａｇ扫描，ＩＱ－ＩＤＣＴ处理，最后得到一个宏块结果。对　于帧内宏块存放的就是解码后的结果，对于帧问存放的是纹　理残差值。　同时将变长解码的码表，逆ｚｉｇｚａｇ扫描表存放到片内，在　片内还设置了全局变量，用来保存ＶＯＰ、ＶＯＬ的头信息。表　２给出了片内ＲＡＭ主要分配。　表２片内ＲＡＭ缓冲区主要分配　全局变量　变长解码表（ＶＩ　Ｄ）　Ｚｉｇｚａｇ扫描表　ＶＯＬ、ＶＯＰ头信息　解码输出缓存区（一个宏块行）　重建宏块数据缓存区　所占空间／Ｂｙｔｅ　４９０６　１９２　１Ｏ８　８４４８　３８４　实验结果表明，经过优化的视频解码解码器在主频为　５２ＭＨｚ的ＡＲＭ７嵌入式处理器核上，解码速率基本达到了　实时效果。在基于低端嵌入式处理器（ｆｒｅｅｓｃａｌｅ公司的ｉ．２５０　芯片）平台下所设计的最终手机产品中，实现了低分辨率的嵌　入式ＭＰＥＧ－４视频实时解码。　通过与２００６年Ｐｈｉｌｉｐｓ公司所公布的嵌入式播放器Ｏｂｉ—　ｇｏ　Ｍｅｄｉａ　Ｐｌａｙｅｒ相比（注：Ｐｈｉｌｉｐｓ公司所采用的硬件是　ＡＲＭ７ＴＤＭＩ，５２　ＭＨｚ，２５６ｋ　ＲＡＭ，Ｓｕｂ－ＱＣＩＦ　ＭＥＰＧ－４　ｄｅｃｏ—　ｄｉｎｇ　ｉｎ￣１０ｆｐｓ），在处理能力基本相近的处理器平台上，本文　所设计的系统其解码速度已经达到甚至超过了Ｏｂｉｇｏ　Ｍｅｄｉａ　Ｐｌａｙｅｒ的处理水平。　参考文献　１　运动补偿参考块缓存区　ＩＤＣＴ反变换缓存区　２８９　８９６　ＩＳＯ／ｌＥＩ二．　ＭＰＥＣ＞４　Ｖｉｄｅｏ　Ｖｅｒｆｉｃａｔｉｏｎ　Ｍｏｄｅｌ　ｖｅｒｓｉｏｎ　１８．０．　Ｍ＿ＰＥＧ　Ｎ３９０８，２００１　宏块纹理解码缓存区　输入压缩码流缓存区　合计　３８４　１５Ｋ　４５．３Ｋ　３　钟玉琢，王琪，贺玉文．基于对象的多媒体数据压缩编码国际标准　ＭＰＥＧ－４及其校验模型．科学出版社，２０００　Ｔａｌｌｕｒｉ　Ｒ．Ｅｒｒｏｒ　Ｒｅｓｉｌｉｅｎｔ　Ｖｉｄｅｏ　Ｃｏｄｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ＩＳＯ　ＭＰＥＧ－ｃ４　Ｓｔａｎｄａｒｄ．ＩＥＥＥ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｍａｇａｚｉｎｅ，１９９８，３６（６）：１１２～　１１９　４实验结果　我们的实验平台是使用Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ公司ｉ．２５０芯片的　ＧＳＭ手机，经过上述优化，对Ｓｕｂ—ＱＣＩＦ（１２８×９６）大小的　４　Ｈｅ　Ｙｕｗｅｎ．Ａ　Ｐｌａｔｆｏｒｍ－ｂａｓｅｄ　ＭＰＥＧ－４　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｖｉｄｅｏ　Ｃｏｄｉｎｇ　（ＡＶＣ）Ｄｅｃｏｄｅｒ　ｗｉｔｈ　Ｂｌｏｃｋ　Ｌｅｖｅｌ　Ｐｉｐｅｌｉｎｉｇ．ＰＣＭ２００３：１５—１８，ｎ　Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ．Ｄｅｃｅｍｂｅｒ　２００３　ＭＰＥＧ－４视频文件进行了播放速度测试，结果如表３。　５　ｇｌｏｓｓ　Ａ　Ｎ，Ｓｙｍｅｓ　Ｄ，Ｗｒｉｇｈｔ　Ｃ．ＡＲＭ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｄｅｖｅｌｏｅｒ’ｓ　Ｇｕｉｄｅ：　表３实验结果　视频　序列　序列１　序列２　序列３　序列４　Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ．北京航空航天大学出　解码速　度（ｆ／ｓ）　１５．４２　１６．１７　１３．８３　１１．４５　７　运动　强度　中等　低　高　高　播放帧　数（ｆ）　９７４　１Ｏ１８　４８７　１４９　播放时　问（ｍｓ）　６３１６９　６２９７０　３５２２２　１２９２２　版社，２００２　田纲，胡瑞敏，王中元，等．Ｔｒｉｍｅｄｉａ平台ＭＰＥＧ４编码器优化策　略．计算机工程与应用，２００６（３６）：７８￣８１　顾梅花，张太镒．基于ＡＲＭ的ＭＰＥＧ４视频解码器．ＡＲＭ应用技　术论文大奖赛　序列５　序列６　中等　高　１２０７　４８７　６７７６７　３５３０９　１７．８１　１３．７９　（上接第２３２页）　６　Ｓａｌｚｍａｎ　Ｔ，Ｓｍｉｔｈ　Ｇ，Ｓｔｕｅｒｚｌｉｎｇｅｒ　Ｗ．Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ　Ｂａｓｅｄ　３Ｄ　Ｓｃｅｎｅ　１２　Ｋｉｎｇｓｔｏｎ．Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ　Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｒｔｉｃｕｌａｔｅｄ　Ｏｂｊｅｃｔｓ　ｗｉｔｈ　Ｇｅｏｍｅｔｒｙ　Ａｗａｒｅｎｅｓｓ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　１９９９　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｇｒａｐｈｉｃｓ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，Ｍａｙ　１９９９．５９２～５９８　１３　Ｃｏｙｎｅ　Ｂ，Ｓｐｒｏａｔ　Ｒ．Ｗｏｒｄｓｅｙｅ：Ａｎ　Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｔｅｘｔ—ｔｏ－Ｓｃｅｎｅ　Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｎ：ＡＣＭ　ＳＩＧＧＲＡＰＨ，２００１．４８７￣４９６　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ：［Ｍａｓｔｅｒ　ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ，Ｙｏｒｋ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ］．２０００　７　Ｓｔｕｅｒｚｌｉｎｇｅｒ　Ｗ，Ｓｍｉｔｈ　Ｇ　Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｏｂｊｅｃｔ　Ｇｒｏｕｐｓ　ｉｎ　Ｖｉｒｔｕａ１　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ．ＩＥＥＥ　Ｖｉｒｔｕａ１　Ｒｅａｌｉｔｙ．２００２　８　Ｘｕ　Ｋｅｎ．Ｓｔｅｗａｒｔ　Ｊ，ＦｉＨｍｅ　Ｅ　Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ－ｂａｓｅｄ　Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｐｌａｃｅ—　ｍｅｎｔ　ｆｏｒ　Ｓｃｅｎｅ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ．Ｉｎ：Ｇｒａｐｈｉｃｓ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，２００２．２５～　３４　１４　Ｄｕｐｕｙ　Ｓ，Ｅｇｇｅｓ　Ａ，Ｌｅｇｅｎｄｒｅ　Ｖ，ｅｔ　ａ１．Ｇｅｎｅｒａｔｉｇ　ａ　３Ｄ　Ｓｉｎｍｕｌａ—　ｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　Ｃａｒ　Ａｃｃｉｄｅｎｔ　ｆｒｏｍ　ａ　Ｗｒｉｔｔｅｎ　Ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｎａｔｕｒａ１　Ｌａｎ—　ｇｕａｇｅ：ｔｈｅ　ＣａｒＳｉｍ　Ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃ．ＡＣＬ　Ｗｏｒｋｓｈｏｐ　ｏｎ　Ｔｅ—　ｍｏｒａ１　ａｎｄ　Ｓｐａｔｉａ１　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，２００１．１～８　１５　Ｔａｐｐａｎ　ｎ　Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ－ｂａｓｅｄ　Ｓｐａｔｉａ１　Ｒｅａｓｏｎｉｎｇ　ｆｏｒ　Ａｕｔｏｍａｔｅｄ　９　Ｅｈｒｅｔ　Ｂ　Ｄ，Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ　Ｓ　Ｌｅａｒｎｉｎｇ　Ｗｈｅｒｅ　ｔｏ　Ｌｏｏｋ：Ｌｏｃａｔｉｏｎ　Ｌｅａｒｎｉｎｇ　ｉｎ　Ｇｒａｐｈｉｃａ１　Ｕｓｅｒ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｉｎ：Ｓｐａｔｉａ１　Ｃｏｇｎｉｔｉｏｎ　Ｍｉｎ—　ｎｅａｐｏｌｉｓ，Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ，ＵＳＡ，２００２．２Ｏ～２５　１０　Ａｄｏｒｎｉ　Ｇ，Ｄｉ　Ｍａｎｚｏ　Ｍ，Ｇｉｕｎｃｈｉｇｌｉａ　Ｆ．Ｎａｔｕｒａ１　Ｌａｎｇｕａｇｅ　Ｄｒｉｖｅｎ　Ｉｍａｇｅ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ．ＣＯＬＩＮＧ　８４，１９８４．４９５～５ＯＯ　Ｓｃｅｎｅ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｆｒｏｍ　Ｔｅｘｔ　Ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｓ．ＬＰｈ　Ｄ　ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ，　Ｎｅｗ　１．Ｍｅｘｉｃｏ　Ｓｔａｔｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００４　１６　Ｂｅｒｎｉｅｒ　Ｆ，Ｂｏｉｖｉｎ　Ｅ，Ｌａｕｒｅｎｄｅａｕ　Ｄ，ｅｔ　ａ１．Ｃｏｎｃｅｐｔｕａ１　Ｍｏｄｅｌｓ　ｆｏｒ　ｌ１　Ｃｌａｙ　Ｓ　Ｒ，Ｗｉｌｈｅｌｍｓ　Ｊ．Ｐｕｔ：Ｌａｎｇｕａｇｅ－ｂａｓｅｄ　Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ　Ｍａｎｉｐｕ一　Ｄｅｓｃｒｉｂｉｎｇ　Ｖｉｒｔｕａ１　Ｗｏｒｌｄｓ．Ｉｎ：ＷＳｃＧ（Ｐｏｓｔｅｒｓ），２００４．２５～２８　１ａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｏｂｊｅｃｔｓ．Ｉｎ：ＩＥＥＥ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｇｒａｐｈｉｃｓ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，　Ｍａｒｃｈ　１９９６．３１～３９　１７陆汝钤，张松懋．从故事到动画片．自动化学报，２００２，２８：３２１～　３４８　・２４９・