虚拟海洋环境中人工鱼的认知模型和行为控制研究

摘要

人工生命的研究正在兴起。它是21世纪最有活力、最有前景的两大前沿学科——生命科学与信息科学——相互作用的产物，它以生命现象为研究对象，以生命过程的机理及其工程实现技术为主要研究内容，以扩展人的生命功能为主要研究目标，具有十分重要的意义。 人工生命是一个跨学科的研究领域，近20年来它的研究内容也在不断地被丰富。人工动物即通过计算机手段对自然界中各类生物的仿真，已经成为人工生命的一个重要分支。人工鱼即是人工动物的一种，对自然鱼类的形态、习性和行为等进行仿真模拟，展现其各种生命特征和功能，构建其所处的虚拟海洋环境，为人们提供一个栩栩如生的虚拟海底世界，可以作为生物行为、计算机图形学、计算机仿真、虚拟现实等多个领域的研究平台，又可应用于生物和海洋教学演示、海底世界可视化、教育、娱乐等方面，具有重要的研究意义和应用价值。 本论文以“人工鱼”为研究对象，将人工智能、人工生命和虚拟现实相结合，对人工鱼的认知模型和行为控制方法进行探索和研究，构建具有认知功能、高级行为规划能力和逼真运动功能的人工鱼。本文的主要研究内容和创新点如下： 1．人工鱼总体模型。根据混合式智能体(Agent)的结构原理，提出了由感知、认知和行为三个子系统构成的人工鱼总体模型，给出了每个子系统的功能设计，同时建立了人工鱼的内部状态模型。 2．基于记忆的人工鱼认知模型。以自然鱼的生物原理和记忆机制为理论依据，提出并建立了一种基于记忆的人工鱼认知模型，给出了其结构及工作原理。研究了自主角色建模的五个层次，对其特点分别予以分析；给出了记忆过程中的信息编码、存储和提取方法，实现了人工鱼基于记忆的认知能力。 3．人工鱼个体行为双层控制结构，包括高级行为规划和运动模型。基于人工智能和人工生命相结合的思想，提出了一种高级行为规划和运动模型相结合的人工鱼个体行为双层控制结构。通过高级行为规划算法，实现了捕食、逃避、集群等行为的多种策略，解决了人工鱼运动模式单一的问题。给出了运动速度与其内部状态包括体力、饥饿度等的关系，更合理、有效地模拟了真实鱼类的生命特征和智能行为。 4．人工鱼群体行为协同控制方法。将个体Agent建模扩展到群体Agent行为建模，提出了一种基于多Agent的人工鱼群体行为协同控制方法。基于消息中心，通过消息的分发、接收和处理机制实现人工鱼对动态环境和其他Agent的实时感知，再通过高级行为规划和运动模型执行当前意图，从而快速有效地实现人工鱼群体行为的协同控制。 基于上述理论和方法，提出了虚拟海底世界仿真系统的总体设计方案。该系统将利用虚拟现实的实时绘制方法，对虚拟海洋环境进行建模及特效表现，为人工鱼提供外部生活环境；并将本文所提出的模型和方法用于人工鱼的具体设计，使得人工鱼成为具有自主行为和丰富生命特征的智能角色。

目录

文摘

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1绪论

1.1选题背景和意义

1.1.1选题背景

1.1.2选题意义

1.2人工生命

1.2.1起源和发展

1.2.2概念和分类

1.2.3主要研究内容

1.3国内外研究现状

1.3.1基于行为建模的人工鱼

1.3.2基于认知建模的人工鱼

1.3.3基于自繁衍模型的人工鱼

1.3.4虚拟水族馆

1.3.5小结

1.4研究内容和方法

1.5论文组织结构

2理论和方法

2.1 Agent理论

2.1.1 Agent概念和特点

2.1.2 Agent分类

2.2多Agent系统(MAS)

2.2.1 MAS的特性和分类

2.2.2 MAS体系结构

2.3自动规划技术

2.3.1个体规划

2.3.2多Agent规划

2.4人工智能与人工生命

2.5小结

3人工鱼总体模型

3.1生物信息传递过程

3.2基于Agent的人工鱼总体模型

3.2.1感知子系统

3.2.2认知子系统

3.2.3行为子系统

3.3内部状态模型

3.4小结

4基于记忆的人工鱼认知模型

4.1认知的概念

4.2认知建模

4.2.1动物的认知

4.2.2相关工作

4.3三阶段记忆机制

4.4基于记忆的人工鱼认知模型

4.4.1模型的建立

4.4.2聚焦器设计

4.4.3决策器设计

4.4.4记忆的回调和更新

4.5实验结果及分析

4.6小结

5人工鱼个体行为控制

5.1相关工作

5.2双层行为控制结构

5.3人工鱼的高级行为规划

5.3.1捕食行为规划

5.3.2逃避行为规划

5.4人工鱼的体力模型

5.5人工鱼的运动模型

5.6实验结果及分析

5.7小结

6人工鱼群体行为协同控制

6.1引言

6.2相关工作

6.3人工鱼群体行为协同控制原理

6.3.1个体Agent建模

6.3.2多Agent行为的协同控制

6.4基于多Agent的人工鱼群体行为协同控制方法

6.4.1算法定义

6.4.2多Agent协同控制算法

6.5实验结果及分析

6.6小结

7虚拟海底世界仿真系统总体设计

7.1总体结构和技术方案

7.2虚拟海洋环境建模

7.2.1场景模型库

7.2.2特效

7.3人工鱼建模和行为控制

7.4系统功能设计

7.5小结

8总结与展望

8.1总结

8.2展望

参考文献

在学研究成果

致谢