大规模人群行为仿真模型的研究与实现

摘要

随着计算机图形学与虚拟现实技术的发展,计算机动画的创作备受关注,作为计算机动画中的热点问题,群体动画在多个技术领域中得到了广泛应用,如建筑规划、数字化展示、影视动漫、电脑游戏等行业。从当前研究的情况来看,群体动画技术存在着比较突出的问题:一是目前采用的群体太过单一,基本上都是由一个或几个模板变换而来的,这样的群体过于单一,没有真实的人群的感觉,二是以当前的计算机硬件水平来说,要实现个体数量众多的群体动画仿真建模,使用直接绘制的方法很难达到实时性的要求。这些问题促使人们更加重视对群体动画建模技术的研究。
　　 本文在收集并分析群体行为常用建模方法基础上,所做主要工作如下:
　　 (1)建立了几种群体动画行为仿真的关键模型
　　 本文中群体行为建模的关键算法,包括感知模型的建模、决策模型的建模、行为规划模型的建模,对它们进行分析介绍之后,进行了实验,并分析了其优缺点。其中的感知模型分为静态环境和动态环境两种感知模型,决策模型的建模中,采用有限状态机来建立。
　　 (2)提出了对基于势能场的群体行为建模技术的改进方法
　　 该方法以连续动力学为基础,把空间划分为均匀的网格,使全局导航和局部碰撞避免整合到一个框架中,组成一个动态势能场,作为人群前进的驱动力,而当人群分布不均匀,有些网格不需要参与运算时,引入了静态势能场。这种方法能够减少所有网格都参与计算时的计算量,提高系统的效率。
　　 (3)研究了群体行为一致性问题
　　 主要介绍了受多个领域的研究人员关注的群体行为一致性问题方面的知识介绍了5种情况下群体行为一致性的条件和相应的数学表示方法和各自取得的成就,在这些成果的基础上对群体行为一致性的应用领域做了展望。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题背景与研究意义

1.2.1 课题背景

1.2.2 研究意义

1.3 国内外研究现状

1.3.1 基于物理学粒子系统和动力学系统建模方法

1.3.2 基于人工生命的方法

1.3.3 恐慌状态下人群撤离运动仿真模型

1.3.4 Vi-Crowd人群运动模型

1.3.5 基于场景情节设置和规则描述的人群运动仿真模型

1.4 论文的研究工作和创新点

1.5 论文的章节安排

第二章 群体行为模拟介绍

2.1 群体行为模拟的研究领域

2.2 群体行为模拟的需求和限制

2.3 群体行为模拟的相关问题

2.4 虚拟人群建模

2.4.1 手工建模法

2.4.2 捕捉身体形状法

2.4.3 插值法

2.5 虚拟人群行为建模

2.6 群体行为一致性问题的研究

2.7 人群行为仿真系统的设计

2.7.1 系统概述

2.7.2 系统模块划分与设计

2.7.3 行为子模块详细设计

2.7.4 开发环境

2.7.5 性能测试

2.8 本章小结

第三章 群体动画行为建模关键算法的实现

3.1 静态感知模型的建模

3.1.1 “场力图”的表示

3.1.2 “场力图”的生成

3.1.3 实验情况及优缺点分析

3.2 动态感知模型的建模

3.2.1 对动态障碍物感知

3.2.2 Agent之间的相互感知

3.2.3 实验情况及优缺点分析

3.3 行为规划模型的建模

3.3.1 简单的导航

3.3.2 失效的处理

3.3.3 进一步的改进

3.4 决策模型的建模

3.4.1 决策模型的表示

3.4.2 实验情况及优缺点分析

3.5 基于整体控制的人流模拟

3.6 本章小结

第四章 基于势能场的群体行为建模技术

4.1 关键技术介绍

4.1.1 静态势能场的计算

4.1.2 最优路径计算

4.1.3 速度

4.2 基于势能场的群体行为建模技术

4.2.1 密度转换

4.2.2 单位花费

4.2.3 构建动态势能场

4.2.4 更新每个人的位置

4.2.5 确定人与人之间的最小距离

4.2.6 算法初步实验截图

4.2.7 算法的整体流程

4.3 算法的优缺点比较

4.4 本章小结

第五章 群体行为一致性问题

5.1 群体行为一致性问题的数学描述

5.2 几种情况下的群体行为一致性

5.2.1 时间不变的网络条件下群体行为一致性

5.2.2 时间变化的网络条件下群体行为一致性

5.2.3 时间停滞的系统中群体行为的一致性

5.2.4 随机网络条件下群体行为一致性

5.2.5 领导者跟随群体行为一致性

5.3 群体行为一致性问题的应用前景

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间的成果