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人群仿真是基于计算机图形学、力学、心理学、社会学等多种学科的一种仿真建模技术,已经被广泛地应用于许多领域。现实社会中的公共安全及建筑设计领域,要求精度和效率更高的仿真模型,以便更好地模拟人群来辅助设计;虚拟世界仿真领域,例如计算机游戏、虚拟辅助场地训练等,对人群仿真技术领域提出了更高逼真度和艺术化的要求。
人群仿真的建模方法主要包括基于力的微观方法以及基于场的宏观方法。Continuum模型将群体看成是一个连续的整体,是宏观方法的一种。运动中的人群具有流体的某些性质,该方法可以很自然地模拟大规模人群的运动,但是在表现队形的变形细节方面却无法满足要求。本文以Continuum为基础进行改进,并控制队伍运动,进行逼真的队形变换,在虚拟环境模拟领域具有广泛的应用价值。本文的主要工作包括以下方面:
1.对Continuum方法的改进。改进后的Continuum方法在模型中加入了队形的细节信息,利用队形图来表示队伍中个体间的关系,因此可以通过控制队形图的变换来控制队形的变换。在运动路径规划方面,本文将队形中的边界点和非边界点分开讨论。边界点会检测环境场中势能的变化,按照一定的规则来变换位置,同时本文考虑整个队形所具有的刚体性质,非边界点则用As-rigid-as-possible插值算法根据边界点的移动来得到合理的移动位置,使得群体运动的人群可以在自然运动的同时能够保持队形细节。改进后的模型加入了交互操作的计算方法,行进中的队伍在与含有障碍物的环境交互时,预设的静态环境势能场与队伍个体间的动态力场叠加,群体在运动中从整体上感知势能变化,从而变换队形以顺利的绕过障碍物,使得变形过程更加真实。
2.实验与讨论。本文通过实验讨论了改进后的方法的运算时间以及在真实性方面的提高。实验场景中设置了障碍物,我们可以观察队形在运动的过程中整体队形与场景的交互以及个体之间的交互,以使群体运动的队伍在复杂环境中合理调整队形顺利到达目标区域。