（計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專(zhuān)業(yè)論文）虛擬群體模擬中的大規(guī)模場(chǎng)景簡(jiǎn)化技術(shù).pdf

匕工三l 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地 方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含 為獲得電子科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。 與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明 確的說(shuō)明并表示謝意。 簽名：望毯日期：為向年上月匆目 論文使用授權(quán) 本學(xué)位論文作者完全了解電子科技大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文 的規(guī)定，有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁 盤(pán)，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)電子科技大學(xué)可以將學(xué)位論文 的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或 掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 簽名：壑縊盤(pán)導(dǎo)師簽名： 日期： 薟壁蘭達(dá)( 彳苷京躉) 年月 日 摘要 摘要 大規(guī)模群體動(dòng)畫(huà)一直是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。群體動(dòng)畫(huà)技術(shù)廣泛應(yīng) 用于游戲、電影動(dòng)漫、建筑規(guī)劃以及火災(zāi)等災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)模擬與輔助指揮。通過(guò)群體 行為的真實(shí)模擬，可以輔助電影動(dòng)漫產(chǎn)生真實(shí)宏大場(chǎng)景效果；可以在公共場(chǎng)所 ( 商場(chǎng)、體育場(chǎng)館、娛樂(lè)場(chǎng)所等) 規(guī)劃設(shè)計(jì)中模擬驗(yàn)證安全通道等設(shè)計(jì)的合理 性；可以為智能交通管理( 紅綠燈有效設(shè)置，主干路口的交通流量管理) 提供模 擬環(huán)境；也可以為災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)指揮提供指導(dǎo)和訓(xùn)練平臺(tái)。目前這個(gè)方面的研究得到 了廣泛的重視，對(duì)群體動(dòng)畫(huà)的研究和創(chuàng)作工具產(chǎn)生了極大的需求，同時(shí)一套完整 高效的群體動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)與制作工具也將促進(jìn)影視動(dòng)畫(huà)等方面數(shù)字媒體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 作為群體動(dòng)畫(huà)技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，模型簡(jiǎn)化占據(jù)著不可替代的重要位置。要 實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的場(chǎng)景，必然會(huì)涉及要繪制和渲染大量的模型，而對(duì)于實(shí)時(shí)場(chǎng)景渲染 來(lái)說(shuō)，渲染速度和模型的視覺(jué)逼真度是兩個(gè)非常重要的指標(biāo)。要達(dá)到兩個(gè)指標(biāo)的 和諧統(tǒng)一，那么就必須選擇一個(gè)很好的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)渲染速度和模型顯示逼真度的 折中。 對(duì)于靜態(tài)模型，現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)很好的實(shí)現(xiàn)了模型簡(jiǎn)化。根據(jù)簡(jiǎn)化算法的簡(jiǎn)化方 式可將其分為四大類(lèi)：頂點(diǎn)聚類(lèi)算法、增量式簡(jiǎn)化算法、采樣算法和自適應(yīng)細(xì)分 算法。在這四類(lèi)模型簡(jiǎn)化算法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的靜態(tài)大規(guī)模場(chǎng)景簡(jiǎn)化技術(shù)也比 較完善，如基于細(xì)節(jié)層次模型的大規(guī)模場(chǎng)景簡(jiǎn)化技術(shù)和基于點(diǎn)采樣的大規(guī)模場(chǎng)景 簡(jiǎn)化技術(shù)等。本文就以上算法和技術(shù)做了具體的研究和分析，并生成了一種新的 算法：一種基于點(diǎn)采樣的模型簡(jiǎn)化算法和大規(guī)模場(chǎng)景簡(jiǎn)化技術(shù)。 雖然靜態(tài)大規(guī)模場(chǎng)景簡(jiǎn)化技術(shù)已經(jīng)比較完善，但動(dòng)態(tài)的大規(guī)模場(chǎng)景的簡(jiǎn)化技 術(shù)才剛起步，實(shí)現(xiàn)效果也不理想。針對(duì)這種情況，在提出的新算法中，加入了動(dòng) 態(tài)模型的簡(jiǎn)化新方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在保證場(chǎng)景的渲染速度和視覺(jué)真實(shí)性的條 件下，能很好的實(shí)現(xiàn)3 0 0 0 0 人的實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)。 關(guān)鍵詞：群體動(dòng)畫(huà)，實(shí)時(shí)渲染，點(diǎn)采樣，層次細(xì)節(jié)模型，層次實(shí)例化 a bs t r a c t l a r g e s c a l eg r o u p sa n i m a t i o nh a sa l w a y sb e e no n eo fm eh o tr e s e a r c h a r e ao f v i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y g r o u pa n i m a t i o ni sw i d e l yu s e di ng a m e s ，m o v i e s ，c a r t o o n ， a r c h i t e c t u r a lp l a n n i n ga n dd i s a s t e rs i m u l a t i o n ( 1 i k ef i r e ) a n da s s i s t a n tc o n d u c t o r g r o u p b e h a v i o rt h r o u g hr e a ls i m u l a t i o n sc o u l db ea s s i s t e df i l m sh a v ea r e a le f f e c to fs c e n e s ； v e r i f ys e c u r ec h a n n e lc a nb es i m u l a t e dt od e t e r m i n et h er e a s o n a b l e n e s so f s u c hd e s i g n i np u b l i cp l a c e s ( s h o p p i n gm a l l s ，s p o r t ss t a d i u m s ，e n t e r t a i n m e n tv e n u e s ，e t c ) ；s i m u l a t e d e n v i r o m e n ti sm a d ea v a i l a b l et ot h ei n t e l l i g e n tt r a f f i cm a n a g e m e n t ( t h ee f f e c t i v e s e t t i n g so ft r a f f i cl i g h t s ，t r u n kr o a dj u n c t i o n st r a f f i cf l o wm a n a g e m e n t ) ；g u i d a n c ea n d t r a i n i n gp l a t f o r mh a sb e e np r o v i d e dt ot h ed i s a s t e rs c e n e t h er e s e a r c hh a s b e e nw i d e l y a p p r e c i a t e d ，t h er e s e a r c ha n dt h ec r e a t i v et o o lo fg r o u pa n i m a t i o n h a sag r e a td e m a n d a t t h es a l n et i m eac o m p l e t ea n de f f i c i e n tg r o u po fa n i m a t i o nd e s i g na n dp r o d u c t i o nt o o l s w i l la l s of a c i l i t a t et h ec o n n e c t i o no fd i g i t a lm e d i ai n d u s t r i e s a sak e yt e c h n o l o g yo fa n i m a t i o n ，m o d e ls i m p l i f i c a t i o nc a nn o tb er e p l a c e d t o a c h i e v el a r g e s c a l es c e n e s ，t h e r ew i l li n e v i t a b l yb ei n v o l v e di nd r a w i n ga n dr e n d e r i n g a la 】? g en u m b e ro fm o d e l s ，b u tf o rr e a l t i m es c e n er e n d e r i n g ，t h er e n d e r i n gs p e e da n d v i s u a lf i d e l i t ym o d e l sa r et w ov e r yi m p o r t a n ti n d i c a t o r s i n o r d e rt oa c h i e v et h e h a n n o n i o u su n i f i c a t i o no ft w oi n d i c a t o r s ，w em u s tc h o o s eag o o da l g o r i t h mt og e tt h e t r a d e o f fo ft h er e n d e r i n gs p e e da n dv i s u a lf i d e l i t y f o rt h es t a t i cm o d e l t h et e c h n o l o g yh a sa c h i e v e dav e r yg o o dm o d e ls i m p l i f i c a t i o n t h em o d e ls i m p l i f i c a t i o na l g o r i t h m sc a nb ed i v i d e di n t of o u rm a i nc a t e g o r i e s ：v e r t e x c l u s t e r i n g ，i n c r e m e n t a ls i m p l i f i c a t i o n ，t h es a m p l i n ga l g o r i t h m a n da d a p t i v es u b d i v i s i o n b a s e do nt h e s ef o u ra l g o r i t h m s ，t h es t a t i ct e c h n i q u e sh a sd e v e l o p e dv e r yp e r f e c t ，s u c ha s t h er e d u c t i o nt e c h n i q u eo fl a r g e s c a l ea n i m a t e dc r o w d b a s e do nt h el e v e lo fd e t a i l m o d e l sa n dt h er e d u c t i o nt e c h n i q u eo fl a r g e s c a l ea n i m a t e dc r o w d b a s e do np o i n t s a r n p l i n g t h i sp a p e r h a sd o n ead e t a i l e dr e s e a r c ha n da n a l y s i so fa b o v ea l g o r i t h m s ，a n d g e n e r a t ean e wa l g o r i t h m ：t h er e d u c t i o nt e c h n i q u eo fl a r g e - s c a l ea n i m a t e dc r o w d b a s e do np o i n t s a m p l i n g w h i l et h es t a t i cs c e n eo ft h es i m p l i f yl a r g e - s c a l et e c h n o l o g yh a sb e e nr e l a t i v e l y i i a b s t r a c t s a t i s f a c t o r y , b u tt h ed y n a m i c st e c h n o l o g yi so n l yj u s tt h eb e g i n n i n g i nv i e wo ft h i s s i t u a t i o n ，i nt h en e wa l g o r i t h m ，w ea d dan e wm e t h o dt os i m p l i f yt h ed y n a m i cm o d e l t h er e s u l t ss h o wt h a t ：i nt h ec o n d i t i o no fe n s u r i n gt h es c e n er e n d e r i n g s p e e da n dv i s u a l a u t h e n t i c i t y , o u ra l g o r i t h mc a ng e tar e a l - t i m ea n i m a t i o nw i t h3 0 ，0 0 0p e o p l e k e y w o r d ：g r o u p sa n i m a t i o n ，r e a l t i m e r e n d e r i n g ，p o i n ts a m p l i n g ，l e v e l o f d e t a i l ( l o d ) m o d e l ，h i e r a r c h i c a li n s t a n t i a t i o n i i i 目錄 目錄 第一章緒論1 1 1 課題來(lái)源1 1 2 課題背景和研究意義2 1 3 虛擬群體模擬技術(shù)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀3 1 4 群體動(dòng)畫(huà)的廣泛應(yīng)用前景8 1 5 論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)11 1 6 論文的章節(jié)安排1 1 第二章網(wǎng)格模型簡(jiǎn)化技術(shù)綜述。1 3 2 1 頂點(diǎn)聚類(lèi)1 3 2 2 增量式簡(jiǎn)化15 2 3 采樣算法l9 2 4 自適應(yīng)細(xì)分2 0 2 5 網(wǎng)格簡(jiǎn)化技術(shù)在大規(guī)模場(chǎng)景中的應(yīng)用2 1 2 5 2 1 歷史和發(fā)展2 3 2 5 2 2 基于點(diǎn)采樣的大規(guī)模場(chǎng)景簡(jiǎn)化技術(shù)分類(lèi)2 4 2 5 2 3 基于點(diǎn)采樣的大規(guī)模場(chǎng)景算法基礎(chǔ)2 4 第三章一種基于采樣點(diǎn)的大規(guī)模場(chǎng)景簡(jiǎn)化算法設(shè)計(jì)2 7 3 1 模型表面的點(diǎn)采樣2 7 3 。2 過(guò)度采樣點(diǎn)的去冗余2 9 3 3 三角形面片和采樣點(diǎn)的折中3 0 3 4 動(dòng)畫(huà)的實(shí)現(xiàn)3 3 3 5 大規(guī)模場(chǎng)景的建立- 3 4 3 6 算法總框架3 5 第四章群體動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3 8 4 1 群體動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)框架描述：3 8 4 2 群體實(shí)時(shí)渲染子系統(tǒng)4 0 4 3 場(chǎng)景簡(jiǎn)化模塊4 1 4 4 場(chǎng)景繪制模塊4 4 i v 目錄 第五章群體動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。4 6 5 1 群體動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)的基本配置4 6 5 2 基于點(diǎn)采樣的模型簡(jiǎn)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)和效果展示4 7 5 3 群體動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和效果展示5 0 第六章總結(jié)和展望5 2 6 1 總結(jié)5 2 6 2 展望5 3 j 酵【謝5 4 參考文獻(xiàn)5 5 攻讀碩士期間取得的研究成果6 0 v 第一章緒論 第一章緒論 隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用以及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，人們已經(jīng)越 來(lái)越不滿足于高質(zhì)量的仿真圖片，從而使用計(jì)算機(jī)生成動(dòng)態(tài)場(chǎng)景模擬的虛擬現(xiàn)實(shí) 技術(shù)就逐漸進(jìn)入了人們的生活。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)日趨成熟的今天，其應(yīng)用領(lǐng)域已 從3 d 游戲逐漸走向了電影，建筑表現(xiàn)，文物古跡復(fù)原，城市道路橋梁規(guī)劃產(chǎn)品演 示動(dòng)畫(huà)，虛擬動(dòng)畫(huà)( 如虛擬演播室) 、虛擬舞臺(tái)，過(guò)程模擬動(dòng)畫(huà)( 如生產(chǎn)線生產(chǎn)過(guò) 程、交通煤礦事故過(guò)程等等) ，可見(jiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)己悄悄地延伸到了各行各業(yè)。 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬真實(shí)物體的方式由于其精確性、真實(shí)性和無(wú)限可操作性， 使其成為一個(gè)有用的工具，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、教育、軍事、娛樂(lè)等諸多領(lǐng)域。 特別是在影視廣告制作和游戲場(chǎng)景模擬方面，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)這項(xiàng)新技術(shù)帶給入耳 目一新的感覺(jué)。由于人的社會(huì)性，大規(guī)模人群一直作為研究和分析的重要領(lǐng)域。 群體研究的工具，虛擬群體模擬技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展極大的促進(jìn)了人們對(duì)大規(guī)模群 體的研究進(jìn)程，同時(shí)由于該技術(shù)的不完善和不成熟使得大規(guī)模群體的研究還停留 在一定的高度上。現(xiàn)階段，虛擬群體模擬技術(shù)存在著一些技術(shù)上的難題，這些難 題主要都是由場(chǎng)景的特性所決定的，包括個(gè)體的獨(dú)立性、運(yùn)動(dòng)性、場(chǎng)景規(guī)模、逼 真度以及實(shí)時(shí)性等要求。這也是本文研究的基礎(chǔ)和起點(diǎn)。 1 1 課題來(lái)源 本文的研究?jī)?nèi)容是模型簡(jiǎn)化技術(shù)在虛擬群體模擬中的運(yùn)用和實(shí)現(xiàn)，是依據(jù)“虛 擬環(huán)境下群體動(dòng)畫(huà)實(shí)時(shí)模型與繪制技術(shù)”項(xiàng)目( 8 6 3 項(xiàng)目) 展開(kāi)的。主要研究?jī)?nèi)容 是群體行為的實(shí)時(shí)策略和渲染，包括：( 1 ) 群體行為的實(shí)時(shí)策略：動(dòng)態(tài)環(huán)境描述 感知；群體知識(shí)模型；群體行為路徑規(guī)劃；個(gè)體動(dòng)作規(guī)劃；( 2 ) 大規(guī)模群體角色 的渲染。目標(biāo)是開(kāi)發(fā)出5 種環(huán)境下的群體行為演示系統(tǒng)：正常情況下的自然漫游； 地震情況下街道上群體逃生行為仿真模擬；室內(nèi)火災(zāi)情況下群體逃生行為仿真模 擬；城市環(huán)境中的行人和車(chē)流量仿真模擬；室外地形環(huán)境下大規(guī)模行軍仿真模擬。 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 2 課題背景和研究意義 虛擬群體模擬技術(shù)又稱(chēng)為群體動(dòng)畫(huà)技術(shù)，群體動(dòng)畫(huà)技術(shù)廣泛應(yīng)用于游戲、電 影動(dòng)漫、建筑規(guī)劃以及火災(zāi)等災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)模擬與輔助指揮。通過(guò)群體行為的真實(shí)模 擬，可以輔助電影動(dòng)漫產(chǎn)生真實(shí)宏大場(chǎng)景效果；可以在公共場(chǎng)所( 商場(chǎng)、體育場(chǎng) 館、娛樂(lè)場(chǎng)所等) 規(guī)劃設(shè)計(jì)中模擬驗(yàn)證安全通道等設(shè)計(jì)的合理性；可以為智能交 通管理( 紅綠燈有效設(shè)置，主干路口的交通流量管理) 提供模擬環(huán)境；也可以為 災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)指揮提供指導(dǎo)和訓(xùn)練平臺(tái)。目前這個(gè)方面的研究得到了廣泛的重視，對(duì) 群體動(dòng)畫(huà)的研究和創(chuàng)作工具產(chǎn)生了極大的需求，同時(shí)一套完整高效的群體動(dòng)畫(huà)設(shè) 計(jì)與制作工具也將促進(jìn)該方面數(shù)字媒體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 群體行為的模擬不是簡(jiǎn)單個(gè)體的集合，群體的特點(diǎn)是所有個(gè)體有一個(gè)共同的 目標(biāo)，同時(shí)還要滿足個(gè)體在一定范圍的自由發(fā)展。群體行為模擬的真實(shí)性還需要 研究實(shí)際生活中群體的特性，特別針對(duì)人群還需要研究人的社會(huì)性以及群體中個(gè) 體的心理特性。如果只是一群個(gè)體盲目運(yùn)動(dòng)，個(gè)體之間不存在相關(guān)性，則個(gè)體數(shù) 目再多也不能模擬出真實(shí)的群體效果，也看不到群體的協(xié)調(diào)性。 用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生群體動(dòng)畫(huà)需要對(duì)群體進(jìn)行描述和控制，實(shí)現(xiàn)群體行為的抽象或 者對(duì)真實(shí)世界群體行為模型的模擬。用傳統(tǒng)動(dòng)畫(huà)制作方法和圖形控制方式直接描 述繪制群體活動(dòng)，存在很大的問(wèn)題。例如針對(duì)數(shù)以萬(wàn)記的群體中的個(gè)體行為，單 用腳本對(duì)每個(gè)個(gè)體進(jìn)行行為規(guī)劃，其過(guò)程不僅單調(diào)而且繁瑣；另外，采用這種方 法規(guī)劃出的個(gè)體行為和路徑很難避免非自然的效果存在。即使想通過(guò)人工手段加 入群體中個(gè)體行為的約束條件，也很難保證其正確性，例如個(gè)體之間的碰撞規(guī)避 等。同時(shí)，這樣設(shè)計(jì)的群體很難進(jìn)行再編輯。例如需要改變?nèi)后w的某些特性以產(chǎn) 生面對(duì)災(zāi)難發(fā)展的異常情況模擬。因而，用腳本對(duì)群體的每個(gè)個(gè)體進(jìn)行控i i i 矛1 編 程并非不可能，但應(yīng)該還有更好的方法來(lái)產(chǎn)生更有效、更魯棒、和更可信的群體 動(dòng)畫(huà)。 另一種模擬群體的方法是將群體行為簡(jiǎn)單化假定為個(gè)體行為相互作用的結(jié) 果。因此為了模擬群體，首先需要模擬個(gè)體行為。即使只是部分的行為也可以， 但這些行為至少應(yīng)該包括使個(gè)體形成群體所必要的所有行為。而為了支持這種對(duì) 個(gè)體進(jìn)行控制的結(jié)構(gòu)，還必須模擬個(gè)體的部分感知機(jī)制和在特定環(huán)境中行動(dòng)的物 理模型。如果個(gè)體的模擬具有正確的群體特征，則創(chuàng)造群體就簡(jiǎn)化成了創(chuàng)造一些 個(gè)體的實(shí)例，并使它們h = 術(shù)1 1 互作用。 2 第一章緒論 1 3 虛擬群體模擬技術(shù)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 早在19 世紀(jì)末集體行為就已經(jīng)開(kāi)始研究，但嘗試用計(jì)算機(jī)模型來(lái)模擬人群行 為則是在最近才開(kāi)始的，很多這方面的工作都是在9 0 年代中期和末期開(kāi)始的。目 前研究來(lái)自多個(gè)領(lǐng)域需求，如計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、機(jī)器人技術(shù)學(xué)、訓(xùn)練系統(tǒng)、建筑、 物理學(xué)、安全科學(xué)和社會(huì)學(xué)。這些領(lǐng)域都創(chuàng)建了人類(lèi)群體的模擬。盡管人群模擬 研究的基礎(chǔ)范圍比較廣，但是值得注意得是，學(xué)科間的交叉研究的想法卻很少， 這是由于某個(gè)領(lǐng)域的研究者通常很少關(guān)心其他領(lǐng)域所做的工作。 以上的群體模擬方法都是基于特定應(yīng)用的，關(guān)注集體行為的不同方面，使用 的也是不同的建模技術(shù)。比如在一些模擬撤退中使用的流和網(wǎng)絡(luò)模型( f l o wa n d n e t w o r km o d e l s ) ，統(tǒng)一規(guī)劃群體中個(gè)體的行為；另一些領(lǐng)域中則采用個(gè)體智能行 為模型來(lái)反應(yīng)群體動(dòng)作，個(gè)體的行為模型需要建立相關(guān)的物理規(guī)律、社會(huì)學(xué)模擬 的復(fù)雜規(guī)則、c h a o s 方程等。 這些行為建模的方法主要側(cè)重于控制的不同方面，比如粒子系統(tǒng)，羊群系統(tǒng) ( f l o c k i n gs y s t e m ) ，以及動(dòng)作系統(tǒng)等。下表1 1 是這些系統(tǒng)的一個(gè)比較。 表i - 1 各種不同群體建模系統(tǒng)的比較 。j 。， ，。 粒子系統(tǒng) 77 羊群系統(tǒng)v i c r o w dm o d e l；動(dòng)作系統(tǒng)i ：i ，?j r ，口 ： 。，?、? 層次：羊群，層次：人群，組，代可以層次性 結(jié)構(gòu)， ，r， 非層次性的 代理理地描述 參與者7 很多 止匕 很多 少量 智能無(wú)一止匕 止匕 高智能 基于物理學(xué)是 有些是 不是不是 碰撞檢測(cè)并且作出反應(yīng)避免碰撞避免碰撞避免碰撞 力量域( f o r c e不同的程度：預(yù)定義 控制 f i e l d s ) ，整體趨勢(shì)局部趨勢(shì)行為，行為規(guī)則和指 規(guī)則 g l o b a lt e n d e n c y ) 導(dǎo)控制 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 b o u v i e r 1 1 ，b r o g a n 2 】【3 】采用粒子系統(tǒng)和動(dòng)力學(xué)來(lái)為群體運(yùn)動(dòng)建模。 r e g n o l d s t 4 j 1 5 】提出一個(gè)分布行為模型，該模型模擬具有感覺(jué)能力的行動(dòng)者所組成的 群體行為。h e l b i n g 6 】根據(jù)前面的模型提出了一個(gè)模擬行人移動(dòng)方法。m a t a r i c 7 】和 n o s e r t 8 】在控制集體行為方面，提出了局部規(guī)則( 1 0 c a lr u l e s ) 的概念。t u t 9 】進(jìn)一步 將人工生命應(yīng)用來(lái)建模行為動(dòng)畫(huà)，個(gè)體以虛擬代理方式，具有人工視覺(jué)和感知環(huán) 境的能力。b l u m b e r y 1 0 】在一個(gè)交互式虛擬環(huán)境中構(gòu)建了很多運(yùn)動(dòng)的自治虛擬人， 這些虛擬人的運(yùn)動(dòng)通過(guò)多種層次進(jìn)行控制。p e r k i n 1 1 】貝0 提出了i m p r o v 系統(tǒng)，該 系統(tǒng)預(yù)先定義好了交互行動(dòng)者的行為。 ( 1 ) 基本群體行為模型 c r a i gr e y n o l d s 1 2 】提出b o i d s 系統(tǒng)，首次完整給出了一個(gè)群體行為控制的模 型。該模型重點(diǎn)針對(duì)動(dòng)物群體來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該模型提出了群體作用于個(gè)體的三種規(guī) 則( 中心吸引力、速度跟隨、相互排斥力) ，以及組合的方式解決了群體行為中 個(gè)體行為一致性與隨機(jī)性的問(wèn)題。該模型能夠完成很多復(fù)雜的群體行為，例如模 擬鳥(niǎo)群朝同一方向飛行，接著群體尖端部分個(gè)體會(huì)轉(zhuǎn)向，其余部分自然跟隨，形 成鳥(niǎo)群通過(guò)群體模型傳達(dá)轉(zhuǎn)彎的行為，而形成自然的波浪狀形。j a r e dg o ”】在 b o i d s 系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，提出個(gè)體行為自主角色方式，角色運(yùn)動(dòng)被定義為三個(gè) 不同層次：最低層次，角色只采取獨(dú)立的幾種行為，如：搜尋、跟隨、逃跑、合 群等。在中等的和高等的層次，角色將這些行為合一，即可以同時(shí)進(jìn)行多種組合 行為，只是在行為的合并方式和數(shù)量上有所區(qū)別。t ua n dt e r z o p o u l o s 【9 】提出在邏 輯上擴(kuò)展b o i d s 系統(tǒng)，群體中個(gè)體以“代l 里( a g e n t ) ”實(shí)現(xiàn)自主感知。該模型可以很 好模擬魚(yú)群的行為，魚(yú)的狀態(tài)機(jī)模型中有：饑餓，性欲和恐慌等狀態(tài)，魚(yú)的反應(yīng) 取決于其內(nèi)部狀態(tài)和外部環(huán)境。最后對(duì)魚(yú)的運(yùn)動(dòng)控制通過(guò)實(shí)際建立的一個(gè)質(zhì)點(diǎn)彈 簧的物理模型來(lái)實(shí)現(xiàn)。 m u s s ee ta l 【1 4 j 模擬了群體的合作。將群體設(shè)想為人工生命體，人工生命由具 有動(dòng)機(jī)的、感知的、行為的和認(rèn)知的部分行人模型( 也叫代理) 構(gòu)成。其中每個(gè) 代理都有自身的行為準(zhǔn)則，對(duì)多個(gè)自治代理在環(huán)境中模擬產(chǎn)生一些未知的、復(fù)雜 的結(jié)果。環(huán)境可以表示為層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這樣就有效的支持了對(duì)自治行人感知的 查詢，并能驅(qū)動(dòng)他們的行為反應(yīng)和維持他們進(jìn)行局部和全局規(guī)劃的能力。 a n d e r s o ne ta l 【l5 】提出一種受限的群體動(dòng)畫(huà)。a g e n t 組成的群體在預(yù)先定義的路徑 上運(yùn)動(dòng)，而傳統(tǒng)的基于約束的動(dòng)畫(huà)都是使用固定路徑或者關(guān)鍵幀的，但他們的工 作更傾向于離線的動(dòng)畫(huà)生成。 ( 2 ) 人的群體行為模擬 4 第一章緒論 人類(lèi)動(dòng)畫(huà)一直是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題【1 6 1 。心理學(xué)家和社會(huì)學(xué)家 已經(jīng)對(duì)人類(lèi)的行為活動(dòng)進(jìn)行了多年的研究。最近幾年，行人模擬又受到c g 研究 者的廣泛關(guān)注【1 7 1 。這個(gè)課題同樣引起了人工生命【18 1 、建筑學(xué)和城市規(guī)劃【1 9 】【2 0 】等 領(lǐng)域的興趣。圖形研究者已經(jīng)參與到可視化建筑工程規(guī)劃之中，其中包括行人動(dòng) 畫(huà)。 s o m m e r 首先開(kāi)始了對(duì)人的群體行為模式研究，j a m e s 和他的學(xué)生記錄了 o r e g o n 城市所觀察的人群。他們隨機(jī)觀察了7 4 0 5 個(gè)行人群、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)人群、游泳人 群、以及購(gòu)物人群等，并跟蹤對(duì)1 4 5 8 人在多種情況下的行為進(jìn)行了觀察。他們發(fā) 現(xiàn)所有人群中，7 1 是兩人組成的群體，2 1 的群體包含3 個(gè)人，6 的包含4 個(gè) 人，僅2 的包含5 個(gè)以上的個(gè)體。 在行人動(dòng)畫(huà)中，較早的研究關(guān)注于綜合自然運(yùn)動(dòng)( n a t u r a ll o c o m o t i o n ) 和路徑 規(guī)劃。h e l b i n g 6 】研究了人的行為動(dòng)畫(huà)，行為動(dòng)畫(huà)又進(jìn)一步的受到了其它研究者的 重視和發(fā)展【9 】【2 l 】【2 2 】。行為動(dòng)畫(huà)是整個(gè)分布式行為系統(tǒng)的推動(dòng)力。分布式行為系統(tǒng) 綜合了鳥(niǎo)群、魚(yú)群、獸群以及低等動(dòng)物的行為、人的性格，群體行為等。低層次 的群體交互行為在許多學(xué)科【2 3 】【2 4 】【2 5 1 中得到了發(fā)展。動(dòng)畫(huà)研究者、迪斯尼電影公司 和其它的工作室都熱衷于將這些技術(shù)用于游牧部落戰(zhàn)斗題材的電影。 ( 3 ) 非實(shí)時(shí)群體動(dòng)畫(huà)技術(shù) 在非實(shí)時(shí)群體動(dòng)畫(huà)中，群體行為的模擬主要關(guān)注兩個(gè)方面目標(biāo)，第一個(gè)是關(guān) 注行為的真實(shí)性方面，這種行為的真實(shí)性通?？梢酝ㄟ^(guò)諸如撤退模擬器、社會(huì)學(xué) 人群模型，或者是人群動(dòng)力學(xué)模型來(lái)模擬，并簡(jiǎn)單地進(jìn)行平面層次的展現(xiàn)。另一 個(gè)關(guān)注的是高質(zhì)量效果的呈現(xiàn)，例如電影作品、游戲等。這種情況下，行為模型 的真實(shí)性不是主要目標(biāo)，令人信服的虛擬效果是更重要的。這種效果的實(shí)現(xiàn)部分 是靠行為模型，部分是靠在制作過(guò)程中人為的干涉。這里，行為模型不需要非常 匹配真實(shí)的世界，他們的目的是讓漫畫(huà)家( a n i m a t o r ) 的工作更加容易接受。然而， 最近的趨勢(shì)好像是要將這兩類(lèi)模擬進(jìn)行合并( c o n v e r g e ) 。 在電影制作方面，p d i 和p i x a r 致力于將群體動(dòng)畫(huà)效果搬上電影屏幕。在 電影“蟻哥正傳”中建立了兩個(gè)系統(tǒng)，用這兩個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電影中成千上萬(wàn)蟻群的 活動(dòng)場(chǎng)面。其中，群體模擬系統(tǒng)( c r o w ds i m u l a t o rs y s t e m ) 實(shí)現(xiàn)上千個(gè)螞蟻的運(yùn) 動(dòng)模型，綜合考慮個(gè)體受力的情況( 比如障礙物、目標(biāo)等) ，以及過(guò)程控制規(guī)則 ( 比如羊群行為，有限狀態(tài)機(jī)等) 。混合系統(tǒng)( b i e n d i n gs y s t e m ) 的目地則是簡(jiǎn)化 設(shè)計(jì)者的工作，避免他們?yōu)槿后w中的一個(gè)個(gè)個(gè)體去創(chuàng)建和指派個(gè)體動(dòng)作。在另一 個(gè)電影“b u g sl i f e ”中，4 4 6 6 種不同的個(gè)體動(dòng)作被創(chuàng)建，用來(lái)描述2 2 8 種不同的 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 行為，比如緊張，好奇，大笑，歡呼，鼓掌，奔跑，行走，驚慌等等。p i x a r 的團(tuán) 隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)系統(tǒng)，允許基本動(dòng)作以一種可變的靈活的方式被接合在一起形成新 的行為。 h e l b i n g 6 1 把行為動(dòng)畫(huà)原理向創(chuàng)造真實(shí)的、自治的動(dòng)畫(huà)角色方面前進(jìn)了一大 步。盡管行為動(dòng)畫(huà)是有一定效率的，但是由于采用的硬連線編碼存在很大問(wèn)題。 b l u m b e r g 和g a l y e a n 1 1o j 開(kāi)始引入新的機(jī)制來(lái)給動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)者更多的行為控制權(quán)。 b l u m b e r 的核心著作中考慮了高級(jí)認(rèn)知能力，比如知識(shí)表示、推理、規(guī)劃等。 b a d l e r 【l 引，b a t e s 2 6 】在利用a i 技術(shù)在動(dòng)畫(huà)人物卡通角色方面取得了一定成果。p e r l i n 【l l 】提出了給動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)者有用的行為建模工具。a r i j o n 2 7 1 實(shí)現(xiàn)用層次有限自動(dòng)機(jī)進(jìn) 行攝像機(jī)控制。 實(shí)時(shí)群體模擬非常困難，因?yàn)橐淮笕喝怂憩F(xiàn)出來(lái)的行為是極其復(fù)雜的。一 個(gè)群體模型不僅包含個(gè)體的動(dòng)作和環(huán)境的約束，同時(shí)還要解決人與人之間的交互 問(wèn)題。更進(jìn)一步，模型還必須能夠反映出動(dòng)態(tài)變化環(huán)境中的智能路徑規(guī)劃，如個(gè) 體不斷地調(diào)整他們的路徑以響應(yīng)擁塞及其它動(dòng)態(tài)信息。前面很多研究都是基于代 理的模式，也就是說(shuō)，每個(gè)個(gè)體的計(jì)算都是分別進(jìn)行的?；诖淼姆椒ㄊ褂幂^ 多的原因是：1 ) 真實(shí)人群都是每個(gè)個(gè)體各自分別的計(jì)算自身的決定，這樣的模型 可以捕獲每個(gè)人的特殊狀態(tài)：可見(jiàn)性、與其它步行者的距離等局部因素；2 ) 不同 的個(gè)體可以設(shè)置不同的模擬參數(shù)，從而產(chǎn)生不同的復(fù)雜行為。然而基于代理的模 型也存在缺陷：不容易產(chǎn)生出一貫真實(shí)的行為準(zhǔn)則；對(duì)每個(gè)個(gè)體的全局路徑計(jì)算 很快就變?yōu)橘Y源殺手，特別是在實(shí)時(shí)環(huán)境中。結(jié)果，大多數(shù)代理模型都將局部碰 撞規(guī)避從全局路徑規(guī)劃中分離出來(lái)，而這兩種不同目的的計(jì)算不可避免的要產(chǎn)生 沖突。此外，局部路徑規(guī)劃通常會(huì)導(dǎo)致“近視”，從而產(chǎn)生不真實(shí)的人群行 為。這些問(wèn)題會(huì)在擁塞嚴(yán)重和環(huán)境變化快速的情況下將迅速惡化。 ( 4 ) 實(shí)時(shí)人群體行為模型 對(duì)大規(guī)模人群運(yùn)動(dòng)進(jìn)行建模最自然的方式就是基于代理的方法，在該方法中 每個(gè)人能夠獨(dú)立地規(guī)劃其自身的行為。這主要是因?yàn)槿硕加凶约翰煌膫€(gè)性，并 能根據(jù)個(gè)人目的作出決定。如此的動(dòng)態(tài)性( 或許是它們最精妙的形式) 展現(xiàn)在【2 8 】 的工作中。他不僅對(duì)行為的動(dòng)態(tài)性( 諸如，刺激響應(yīng)) ，而且還對(duì)認(rèn)知方面( 如， 知識(shí)和學(xué)習(xí)) 進(jìn)行了建模。后來(lái)，這種模型在【；9 】中對(duì)行人可見(jiàn)性( p e d e s t r i a n v i s i b i l i t y ) 和路徑規(guī)劃作了擴(kuò)展。由s t e p h e nr e g e l o u s 創(chuàng)辦的m a s s i v e 軟件公司， 發(fā)行了一套能夠達(dá)到產(chǎn)品級(jí)質(zhì)量的人群模擬軟件【3 0 1 ，它給予動(dòng)畫(huà)的創(chuàng)作者為群體 中的每個(gè)個(gè)體代理的細(xì)節(jié)進(jìn)行描述的自由。雖然上述的系統(tǒng)都可以創(chuàng)造超真實(shí)感 6 第一章緒論 的群體，但大多數(shù)專(zhuān)門(mén)的技術(shù)還是被要求用來(lái)為每個(gè)個(gè)體設(shè)計(jì)“正確”的模型。 最近的研究表明，沒(méi)有現(xiàn)成的方法可以覆蓋特定情景的所有范圍，而這些情景很 適合于安全領(lǐng)域【3 。更重要的，為了準(zhǔn)確地對(duì)人類(lèi)的推理和擁塞決策進(jìn)行建模， 對(duì)每個(gè)個(gè)體的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)是很大的。為此，對(duì)大多數(shù)精確的模型往往無(wú)法滿足實(shí)時(shí) 要求。 為了改善基于代理的方法的性能表現(xiàn)，也為了避免為每個(gè)個(gè)體的認(rèn)知建模的 復(fù)雜性，研究者已經(jīng)對(duì)群體模型提出了許多簡(jiǎn)化模型，包括局部方法( 1 0 c a l m e t h o d s ) 、預(yù)計(jì)算的靜態(tài)路徑、以及在粗略環(huán)境圖上的全局路徑規(guī)劃。局部受控 個(gè)體的研究可以追述到r e y n o l d s 4 】的工作，他指出緊急情況下的群體行為可以由 簡(jiǎn)單的局部規(guī)則來(lái)產(chǎn)生。r e y n o l d s 的技術(shù)產(chǎn)生出了可視地受約束的鳥(niǎo)群和魚(yú)群。 此后，出現(xiàn)了大量的關(guān)于使用局部受控代理模型對(duì)人群建模的研究。r e y n o l d s 5 】 擴(kuò)展了可能的行為集合。其他工作如m u s s e 3 2 】提出了社會(huì)學(xué)問(wèn)題，p e l e c h a n o 3 3 】提 出的心理學(xué)影響，h e l b i n g 3 4 】和c o r d e i r o 3 5 3 提出了社會(huì)動(dòng)力，以及b r o g a n 提出了非 一般運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)性( n o n t r i v i a lm o t i o nd y n a m i c s ) 等等。 不同于真實(shí)的人，局部受控的代理不會(huì)執(zhí)行全局或中間范圍的規(guī)劃去避免非 局部的擁塞或交錯(cuò)流動(dòng)的行人。當(dāng)其他行人充分靠近時(shí)，通過(guò)改變運(yùn)動(dòng)來(lái)防止碰 撞。許多有趣的碰撞規(guī)避方法已經(jīng)被提出，包括幾何模型、基于格子的規(guī)則、依 靠密度的技術(shù)、行為模型、粒子作用力交互模型，以及貝葉斯決策過(guò)程。最終， 局部碰撞規(guī)避僅能在捕獲人們用來(lái)平滑地避免動(dòng)態(tài)擁塞的固有地長(zhǎng)期規(guī)劃過(guò)程中 做到這樣的地步。因?yàn)槿藗兛偸窃诓粩嘞蚯坝?jì)劃著，真實(shí)的行人是不會(huì)在他們經(jīng) 過(guò)擁塞區(qū)域時(shí)，產(chǎn)生近距離失策或卡殼( n e a r - m i s s e so r “v i s u a lb u m p s ”) 的現(xiàn) 象。 僅有碰撞規(guī)避是不能建立真實(shí)群體的模型的，因?yàn)槿巳河衅淙值哪繕?biāo)。因 此，許多局部群體模型將碰撞避免和全局導(dǎo)航結(jié)合起來(lái)。一般地，全局規(guī)劃以基 于圖技術(shù)或靜態(tài)勢(shì)場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。l a m a r c h e 3 6 】使用精心設(shè)計(jì)的拓?fù)涞念A(yù)計(jì)算來(lái)允許實(shí) 時(shí)進(jìn)行每個(gè)代理的全局路徑規(guī)劃，這種規(guī)劃考慮了可見(jiàn)性。他們使用獨(dú)立的碰撞 規(guī)避過(guò)程，因而個(gè)體容易在擁擠的情況下被卡住( g e t t i n gs t u c k ) 。b a y a z i t 3 7 為了 同時(shí)進(jìn)行全局規(guī)劃和碰撞規(guī)避，使用了粗略的基于圖的路標(biāo)，達(dá)到了令人滿意的 效果。s u n g 3 8 】將概率圖與d e c o u p l e dp l a n n e r s 同運(yùn)動(dòng)圖與約束相結(jié)合，來(lái)計(jì)算行人 詳細(xì)的運(yùn)動(dòng)。p e t t r 6 ”】使用靜態(tài)場(chǎng)景導(dǎo)航圖來(lái)實(shí)時(shí)地尋找行人行徑的路徑，但沒(méi) 有考慮碰撞或擁塞。k a m p h u i s 4 0 】擴(kuò)展了路徑計(jì)劃從而使代理可以呆在一起。“等 人【4 l 】提出一種首領(lǐng)罡艮隨者模型，通過(guò)只對(duì)首領(lǐng)執(zhí)行全局規(guī)劃，從而以一種更少的 7 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)的方法，來(lái)降低了全局規(guī)劃的開(kāi)銷(xiāo)。g o l d e n s t e i n 等人【4 2 】介紹一種精心設(shè) 計(jì)的3 層技術(shù)，用一種在障礙物周?chē)撵o態(tài)勢(shì)場(chǎng)來(lái)處理局部和全局的導(dǎo)航。 k i r c h n e l l 4 3 使用預(yù)計(jì)算的，靜態(tài)的勢(shì)函數(shù)來(lái)研究疏散( e v a c u a t i o n ) 現(xiàn)象。一般地， 靜態(tài)勢(shì)場(chǎng)沒(méi)有處理場(chǎng)景變化的問(wèn)題，如交通燈改變和走出擁塞。 基于代理人群建模也被用于對(duì)城市規(guī)劃、路徑設(shè)計(jì)、及評(píng)價(jià)的交通運(yùn)輸研究 m j 。h e l b i n g 的社會(huì)動(dòng)力模型在這個(gè)鄰域很有影響，而且被證明能夠重復(fù)產(chǎn)生特 殊的群體現(xiàn)象。商業(yè)上存在許多高逼真度人群模型：e g r e s s 系統(tǒng)【4 5 】使用基于細(xì) 胞的方法來(lái)模擬群體的宏觀行為；群體動(dòng)態(tài)方法( c r o w dd y n a m i c s ) 【3 l 】使用一個(gè) 校準(zhǔn)的基于代理的框架來(lái)精確地對(duì)大量群體現(xiàn)象進(jìn)行建模。 多代理路徑規(guī)劃在機(jī)器人領(lǐng)域也被廣泛地研究，主要集中在多個(gè)機(jī)器人的協(xié) 作方面。集中化的規(guī)劃者在時(shí)空上為所有代理設(shè)計(jì)動(dòng)作【4 6 】，這些方法在機(jī)器人領(lǐng) 域是領(lǐng)先的，但并不適用于由為自身目標(biāo)作了優(yōu)化的個(gè)體組成的群體。與我們的 工作比較接近的是“d e c o u p l e d ”p l a n n e r s ，在這里，代理決定自己的行為。這些 算法需要優(yōu)先級(jí)策略來(lái)消除沖突的規(guī)劃【4 7 】。p a r k e r 【4 8 】研究了局部和全局規(guī)劃之間 的平衡。勢(shì)場(chǎng)也被用于機(jī)器人導(dǎo)航。 對(duì)于群體合成，一種可選的方法已經(jīng)從流動(dòng)性的動(dòng)態(tài)群體中浮現(xiàn)出來(lái)。 h u g h e s 4 9 開(kāi)發(fā)了一個(gè)模型，將行人表示為密度場(chǎng)，并提出了一對(duì)偏微分方程來(lái)描 述這種群體動(dòng)態(tài)性。最重要的是，這個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)進(jìn)化的勢(shì)函數(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)，以優(yōu)化 的方式來(lái)引導(dǎo)密度場(chǎng)到達(dá)其目標(biāo)。具體的描述可參見(jiàn)【5 0 1 ，以及后來(lái)對(duì)中世紀(jì)戰(zhàn)爭(zhēng) 的分析的應(yīng)用中f 5 1 1 。這種方法的一維版本也經(jīng)過(guò)真實(shí)人群數(shù)據(jù)得到證實(shí)【5 2 】。一維 人流可選的連續(xù)統(tǒng)模型也被分析了【5 3 】。在圖形學(xué)領(lǐng)域，c h e n n e y 5 4 】的流片( f l o w t i l e s ) 理論證實(shí)了諸如擁塞避免之類(lèi)的人群屬性能夠用無(wú)分歧流( d i v e r g e n c e f r e e f l o w s ) 來(lái)達(dá)到滿意結(jié)果，盡管它們沒(méi)有涉及到人群的其它重要方面。 1 4 群體動(dòng)畫(huà)的廣泛應(yīng)用前景 隨著群體動(dòng)畫(huà)技術(shù)的不斷發(fā)展，其在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，而對(duì) 其要求也越來(lái)越高。用戶希望群體數(shù)量更加的龐大，渲染效果更加的真實(shí)，同時(shí) 希望群體對(duì)用戶的要求能做出更精確更快捷的反映。這一系列的要求都是建立在 計(jì)算機(jī)的強(qiáng)力支撐上的，同時(shí)也需要有更高效的群體渲染算法和軟件加速技術(shù)。 就目前群體動(dòng)畫(huà)的使用范圍來(lái)看，群體動(dòng)畫(huà)的發(fā)展前景是非常樂(lè)觀的。 1 、游戲和影視動(dòng)畫(huà)產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用 第一章緒論 就目前群體動(dòng)畫(huà)在游戲和影視動(dòng)畫(huà)產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用來(lái)看，其應(yīng)用是受限的，最 主要的原因是群體動(dòng)畫(huà)的實(shí)時(shí)效果和渲染的復(fù)雜性決定了群體動(dòng)畫(huà)在這一領(lǐng)域的 應(yīng)用。但隨著圖形硬件和加速技術(shù)的不斷提高，群體動(dòng)畫(huà)可以實(shí)現(xiàn)別的技術(shù)在游 戲和影視中無(wú)法比擬的非凡效果。在已有的游戲和影視中我們已經(jīng)可以看到群體 動(dòng)畫(huà)的應(yīng)用了，如泰坦尼克號(hào)中沉船的場(chǎng)景，魔獸世界的宣傳動(dòng)畫(huà)中，大規(guī)模群 體混戰(zhàn)的場(chǎng)面等，這些場(chǎng)景規(guī)模宏大，而且演藝條件苛刻，不可能使用如此巨大 的規(guī)模去實(shí)現(xiàn)真實(shí)效果，而只能采用群體動(dòng)畫(huà)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。群體動(dòng)畫(huà)在游戲和影 視動(dòng)畫(huà)產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛，這必將使其成為游戲引擎的一個(gè)核心技術(shù)繼 續(xù)發(fā)展。下圖1 1 為電影木乃伊歸來(lái)3 中大規(guī)模的木乃伊軍團(tuán)的場(chǎng)景。 圖1 - 1 大規(guī)模動(dòng)態(tài)場(chǎng)景技術(shù)在影視動(dòng)回中的應(yīng)用 2 、虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)中的應(yīng)用 在警察軍隊(duì)的虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)和普通的逃生系統(tǒng)中，將不可避免的會(huì)涉及到公 共場(chǎng)所的危機(jī)情況處理，如火災(zāi)，地震，炸彈預(yù)警等危險(xiǎn)的情況。在這些情況下 無(wú)可避免的將處理大規(guī)模人群的疏散，撤離和逃生，這就要求群體動(dòng)畫(huà)要具有很 精確和快捷的實(shí)時(shí)響應(yīng)效果，由于群體動(dòng)畫(huà)的渲染復(fù)雜性和人群在遇到危險(xiǎn)情況 下的不確定性，使得群體動(dòng)畫(huà)在虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)中的應(yīng)用收到一定的限制。但隨著 群體技術(shù)的不斷發(fā)展，該技術(shù)必將成為虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)中不可替代的一個(gè)重要的組 成部分。圖1 2 為某大樓逃生系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案模擬圖。 9 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖l - 2 大規(guī)模動(dòng)態(tài)場(chǎng)景技術(shù)在虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)中的應(yīng)用 3 、數(shù)字展示平臺(tái)上的應(yīng)用 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日新月異，數(shù)字展示系統(tǒng)逐漸進(jìn)入了人們的生活。在數(shù)字 展示平臺(tái)上，群體動(dòng)畫(huà)也得到了一定的發(fā)展，如大規(guī)模公共場(chǎng)所的數(shù)字展示，在 這類(lèi)場(chǎng)景中將涉及到大規(guī)模的群體運(yùn)動(dòng)，通常境況下人群處于正常狀態(tài)，而對(duì)于 像安全通道和交通管理等場(chǎng)景的數(shù)字展示，還將涉及到群體處于異常狀態(tài)下的運(yùn) 動(dòng)，同樣由于群體的渲染復(fù)雜性和異常情況下運(yùn)動(dòng)的不確定性，使得群體動(dòng)畫(huà)在 該方向的發(fā)展收到了一定的限制。但隨著渲染技術(shù)和群體技術(shù)的發(fā)展，群體動(dòng)畫(huà) 在該方向的發(fā)展將會(huì)更為順暢。圖1 3 為某城鎮(zhèn)生活數(shù)字展示圖。 圖1 - 3 大規(guī)模動(dòng)態(tài)場(chǎng)景技術(shù)在數(shù)字展示平臺(tái)上的應(yīng)用 1 0 第一章緒論 1 5 論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn) 本文對(duì)群體動(dòng)畫(huà)的相關(guān)技術(shù)做了比較詳細(xì)的介紹，重點(diǎn)研究了群體動(dòng)畫(huà)實(shí)時(shí) 渲染技術(shù)中關(guān)于模型簡(jiǎn)化的相關(guān)技術(shù)，內(nèi)容主要包括基于不同方法的模型簡(jiǎn)化技 術(shù)算法實(shí)現(xiàn)，各種方法的比較，重點(diǎn)研究了基于采樣點(diǎn)的模型簡(jiǎn)化技術(shù)的算法改 進(jìn)和實(shí)現(xiàn)，以及動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中基于采樣點(diǎn)的模型簡(jiǎn)化技術(shù)的運(yùn)用。 論文的主要工作： ( 1 ) 介紹了當(dāng)前已有的模型簡(jiǎn)化技術(shù)：頂點(diǎn)聚類(lèi)、增量式簡(jiǎn)化、采樣和自適 應(yīng)細(xì)分，并對(duì)幾種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比和分析。對(duì)大規(guī)模場(chǎng)景簡(jiǎn)化技術(shù)進(jìn)行 了介紹和分析。 ( 2 ) 重點(diǎn)研究了基于采樣點(diǎn)的模型簡(jiǎn)化技術(shù)，主要研究?jī)?nèi)容包括：采樣點(diǎn)的 選取和裁剪技術(shù)，三角面片和采樣點(diǎn)的混合技術(shù)，采樣點(diǎn)和三角形面片的渲染技 術(shù)以及靜態(tài)模型的采樣點(diǎn)簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)。 ( 3 ) 研究了運(yùn)用基于采樣點(diǎn)的模型簡(jiǎn)化技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模群體的動(dòng)畫(huà)顯示， 主要技術(shù)包括：基于關(guān)鍵幀的動(dòng)畫(huà)實(shí)現(xiàn)和文件替代技術(shù)的動(dòng)畫(huà)實(shí)現(xiàn)。 論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)： ( 1 ) 為了加速模型的采樣速度，采用固定網(wǎng)格的方法對(duì)原始模型進(jìn)行采樣， 摒棄了對(duì)原模型進(jìn)行隨機(jī)采樣要逐個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行選取的過(guò)程。 ( 2 ) 為了實(shí)現(xiàn)三角形的正確選取，而不直接使用固定網(wǎng)格采樣出來(lái)的采樣點(diǎn) 進(jìn)行判斷，而是對(duì)采樣出來(lái)的采樣點(diǎn)進(jìn)行一系列的融合操作，獲得正確采樣的采 樣點(diǎn)，刪除掉冗余的采樣點(diǎn)，再對(duì)其進(jìn)行采樣點(diǎn)和三角面片的選取。 ( 3 ) 分析和研究了當(dāng)前已有的群體動(dòng)畫(huà)渲染技術(shù)，摒棄了基