具有真实感的实时人群运动仿真技术研究

摘要

近年来，随着计算机硬件的不断进步和相关成本的不断降低，尤其是GPU等硬件和图形技术的快速发展，计算机能够呈现越来越复杂的内容，因此人群运动仿真及其在各领域的应用也得到了极大的发展和普及，如应用于应急疏散演练可以有效减少公共场所危机发生后产生的损失等。而过去使用简单粒子或粗糙模型对群体进行仿真的方式越来越不能满足人们的需求，人们对于实时人群运动仿真时真实感的要求也越来越高，因而具有真实感的实时人群运动仿真成为了现在研究的热点。
　　目前的人群仿真系统，其中的人物模型、动作等素材基本上都是通过设计人员手工创作。由于创作过程较为复杂，因而为了实现逼真的人体模型和相应的动作，通常需要花费大量的时间以及人力、物力和财力。而为了减少这方面的成本，只能通过缩减创作的数量来实现，因而一些系统内仅使用一个或者少量的人体模型和动作，导致人群不具有多样性，影响了真实感。同时，随着移动芯片的不断发展和掌上智能设备的广泛应用，人群仿真及相关应用也不仅仅只应用于计算机中，人们更可以通过自己的掌上设备轻松访问相关的应用进行使用，增加了相关应用的应用范围，也因此促进了相关应用的发展和普及。
　　针对上述问题，本文针对人群运动仿真中几个主要的步骤，包括人体建模、人体动作、运动路径以及实时人群运动仿真平台展开研究，并最终实现了具有真实感的实时人群仿真系统。本文的主要工作及创新点概括如下：
　　（1）通过使用Kinect扫描快速得到多种具有真实感的人体模型，解决普遍采用的手工创建方式的多样性差、效率低等问题，并借助LOD技术解决Kinect扫描得到的模型在大规模仿真时性能较低的问题。
　　（2）提出基于动作捕捉系统保存的C3D文件，通过处理快速得到可以复用的逼真的人体动作，解决普遍采用的手工创建方式的花费时间长又不真实等问题。
　　（3）提出一种可扩展运动路径文件格式，提高路径加载时的效率，同时解决不同算法产生路径后的仿真问题。
　　（4）基于上述的方法并结合目前的项目，设计了一种支持跨平台的实时人群运动仿真系统架构，并基于XNA/MonoGame平台实现了一套跨平台的实时人群运动仿真系统，实现了具有真实感的人群运动仿真，并解决了人群运动仿真在不同系统平台上跨平台使用的问题。

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第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文主要工作及创新点

1.4文章结构

第二章 真实感人体模型构建

2.1引言

2.2人体建模概述

2.3基于Kinect构建人体模型

2.4多细节层次方法

2.5小结

第三章 真实感人体动作实现

3.1引言

3.2人体动作生成概述

3.3运动捕捉文件格式

3.4 C3D文件结构

3.5可重用运动数据提取

3.6运动重定向

3.7小结

第四章 运动路径生成与使用

4.1引言

4.2全局路径规划

4.3局部碰撞避免

4.4可扩展运动交换文件

4.5小结

第五章 跨平台的实时仿真平台实现

5.1引言

5.2三维图形引擎

5.3人群运动仿真技术架构

5.4实时运动仿真系统设计

5.5结果分析

5.6小结

第六章 总结与展望

6.1研究总结

6.2研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间的主要成果

致谢