3D水下游戏场景中角色鱼智能行为的动态模拟与研究

摘要

3D游戏的发展在近十几年来说可谓是如火如荼，游戏每年创造的经济价值也非常巨大。为了追求游戏带给人们更大的沉浸感，交互感和真实感，现在的游戏内容也变得越来越繁杂。自从华人女学者涂晓媛创造出被学术界称为“晓媛的鱼”后，学术界在惟妙惟肖，栩栩如生的晓媛的人工鱼的基础上在人工智能，人工生命，人工心理等诸多学科都展开了一系列有价值的科学研究，但是把人工鱼应用到游戏开发和研究中的尝试却寥寥无几。究其原因是对鱼的运动仿真需要计算复杂的运动方程，这是极其耗费时间的。所以如何解决人工鱼运动的时间复杂性问题，如何将人工鱼设计到游戏中都是富有挑战和亟待解决的事情。
　　本文通过对3D游戏的开发设计以及鱼类相关知识进行学习和研究，结合鱼类真实运动特征和生存环境，实现了将人工鱼在3D游戏中的运用。本文在研究过程中采取了基于NURBS曲线的鱼体高度和厚度轮廓建模的方法建立起角色鱼的3D模型。同时本文对鱼类的游动方程进行研究，通过MATLAB仿真实践建立起了符合鱼类运动理论的快速实时性的游动模型，这是将人工鱼运用到游戏中的一个很关键的步骤。针对鱼鳍的运动，本文对传统的刚性鳍进行研究并且改善了刚性鳍的运动方程使得鱼鳍的运动显得更加自然。针对鱼行为的仿真，本文结合智能体的思想设计了角色鱼的行为库，主要包括到达目标体行为，靠近目标体行为，离开目标体行为，追逐目标体行为，躲避障碍物行为，漫游行为，高兴和伤心行为等。为了使得角色鱼感知身边的环境信息，本文设计了角色鱼的感觉功能。同时为了更加真实的模拟鱼的生存环境，本文设计实现了水下场景，其中包括对水草的模拟，水中柔体的模拟，水中气泡的模拟，以及对常规3D模型的解析加载和渲染功能的实现，对场景和实体的管理。
　　本文首先介绍了3D游戏以及人工鱼相关的研究背景意义以及国内外现状;然后对3D鱼进行了几何建模，运动仿真，行为库设计，感觉功能设计，水下场景的管理和实现并且在此基础上的关于人工鱼的3D游戏;最后对整个研究工作进行了总结和展望，分析了当前的不足以及以后要做的工作。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 主要研究工作

1．4 论文组织结构

1．5 名词解释

第2章 3D鱼体的几何外观和生物学建模

2．1 鱼类的生物学研究

2．1．1 鱼类的分类

2．1．2 鱼类的形态学分类

2．1．3 鱼类的生理结构

2．1．4 鱼类的游动方式

2．2 鱼体的几何建模

2．2．1 鱼身的建模

2．2．2 鱼尾的建模

2．2．3 鱼鳍的建模

2．3 鱼体骨骼的建模

2．4 鱼体的具体设计

第3章 3D鱼的运动学建模以及行为设计

3．1 概述

3．2 基于实时连续的鱼体推进算法

3．2．1 鱼身运动模型的建立

3．2．2 鱼身运动模型的Matlab仿真分析

3．2．3 鱼身运动的3D计算过程

3．3 改进的鱼鳍摆动算法

3．3．1 胸鳍模型

3．3．2 胸鳍运动模型

3．4 鱼体运动的动力学分析

3．5 鱼体角色的行为库设计

3．5．1 角色鱼靠近目标的行为

3．5．2 角色鱼离开目标的行为

3．5．3 角色鱼躲避障碍物的行为

3．5．4 角色鱼追逐目标的行为

3．5．5 角色鱼漫游的行为

3．5．6 角色鱼开心时的行为

3．5．7 角色鱼伤心时的行为

第4章 3D鱼的情感和决策系统

4．1 角色鱼的人工情感

4．1．1 人工情感的定义

4．1．2 人工情感的展示

4．1．3 角色鱼情感的生成

4．2 角色鱼的感官系统模拟

4．2．1 鱼类感觉功能

4．2．2 角色感觉系统建模

4．3 角色鱼的决策系统设计

4．3．1 角色鱼内部状态的建模

4．3．2 角色鱼的个性特征建模

4．3．3 角色鱼的决策功能建模

第5章 水下游戏场景模拟和创建

5．1 概述

5．2 基于弹簧质点的动态水草模拟

5．2．1 弹簧质点的基本模型

5．2．2 水草的几何学建模

5．2．3 水草的物理学建模

5．2．4 水草的动态模拟展示

5．3 基于弹簧质点的动态柔体模拟

5．3．1 基于弹簧质点的四面体单元模型

5．3．2 圆柱状柔体珊瑚的几何建模

5．3．3 柔体的仿真过程

5．3．4 圆柱状柔体珊瑚的动态展示

5．4 水中气泡的动态模拟

5．4．1 基于GPU硬件加速的水泡模拟

5．4．2 水泡的数目控制算法

5．4．3 水泡模拟的动态效果

5．5 场景的构建

5．5．1 地形的构建

5．5．2 实体的构建

第6章 游戏系统的设计和实现

6．1 游戏概念设计

6．1．1 基本描描述

6．1．2 游戏角色设计

6．1．3 游戏场景设计

6．1．4 游戏交互方式

6．1．5 游戏的开发和测试环境

6．2 游戏的创建

6．2．1 游戏的界面设计

6．2．2 场景的布局

6．2．3 场景的更新

6．2．4 场景的渲染

6．3 程序框架设计

6．4 最终效果测试

总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目