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人群仿真技术已经成为许多虚拟环境应用的重要工具。公共安全领域、环境工程、交通工程和社会学的仿真研究都需要符合实际的人群行为模型;计算机游戏、电影制作、大型场地表演的虚拟辅助训练以及各种数字娱乐产业也对人群行为模型提出了相应的艺术化的要求。
人群仿真主要包括大规模人群运动仿真和群组动画等,它们分别侧重于大规模离散人群和小规模的特定人群,而且侧重于不同的实现方法,但是能同时有效模拟大规模人群和保持组行为细节的方法非常少。现有的大规模人群运动的建模方法主要有基于Agent的方法、细胞自动机(CA模型)、粒子动力学、基于物理和社会力学的方法、基于路径规划的方法等几种传统方法和新兴的基于流体的连续的模拟方法。群组动画方面的研究包括群组队形编辑,队形变形等。
R.L.Hughes提出的Continuum方法是基于流体的方法,Adrien Treuille等人对其进行了简化和修改。不同于传统方法,Continuum方法可以更自然地模拟大规模人群的运动,但是它无法有效保持组的队形细节。本文对Continuum人群仿真方法进行了扩展,使扩展后的Continuum算法既可以保留其大规模人群运动仿真的优秀特性,又可以在模拟群组运动的同时保持其队形细节,而且人群、组和场景可以顺利交互。这样就完善了Continuum算法,提高了它的普适性,使其能应用于更多的科研和工程领域,优于其他人群仿真算法;而且相比于其他群组动画的研究,更易于实现大规模人群与组运动的结合,进行复杂场景的仿真。
本文首先提出了队形图的概念,用以在Continuum的人群建模方法中加入群组信息,提出一种了基于Continuum方法的队形控制及其队形保持算法。扩展后的Continuum方法可以使各种队形的群组在行进及交互时能有效保持队形细节。扩展后的模型加入了交互操作的计算方法和算法基础,为用户操作的嵌入提供条件。尝试通过低通滤波的方法对某些区域的群组运动进行平滑处理,优化了群组的运动效果。针对较狭窄路口的特殊情况,提出了两个算法,在保持队形细节的前提下,使得群组可以顺利通过狭窄入口。
最后讨论了模拟实时性的提高及其影响因素。通过实验,可以明显的观察人群的各种运动特性,同时群组在运动和变换的过程中,其队形可以有效地保持,并且可以顺利与场景和人群交互。