自然界大多数生物都具有集群行为,多个生物个体聚集一起进行一系列的生命活动就表现出非常复杂的群体智能行为。最有代表性的就是人工鱼群,它是人工生物的一种,其集群行为特性是群体智能和人工生命的体现。在计算机图形学研究人工鱼集群行为及其信息传递机制是一个具有挑战的课题,近年来,将群体智能和人工生命结合依然成为计算机动画中模拟自然界中动物动作和行为的研究热点,也是21世纪生命科学和信息科学相互作用的产物,为计算机动画技术在人工智能上的发展提供了理论基础和研究依据。传统的计算机动画技术模拟人工鱼的形态外观和行为动作比较简单。然而,当模拟复杂的人工鱼群行为时就比较繁琐,而且缺乏自主性、逼真性效果不足。基于此,本文在人工生命和群体智能背景下,以“涂晓媛的鱼”为研究对象,以自然界鱼类的生物学和行为控制学为研究依据,以三维建模软件和图形处理工具为技术手段。将人工生命方法和虚拟现实技术相结合,在不采用任何传统“关键帧”技术的基础上,着重构建了具有感知、认知和高级行为规划能力的人工鱼群,并实现人工鱼群在虚拟的海洋环境中的各种行为动作的仿真,从而使得所仿真的人工鱼群具有自然界真实鱼类的基本生命特征和智能行为。为增强人工鱼群的真实感和沉浸感,同时建立了动态的虚拟海洋环境。本文主要研究内容及成果如下:(1)设计了人工鱼的鱼体模型,包括描绘鱼体形态外观的几何模型和模拟产生鱼类原始动画的物理模型。采用曲面建模方法建立了简单、易于控制的几何网格模型,通过引入质量、摩擦、速度等物理属性来建立了“弹簧-质点”的物理模型。为精准控制人工鱼的躯干、鱼尾的摆动角度和速度以实现复杂的运动,本文在涂晓媛对鱼类肌肉收缩和力学特性分析基础上,建立“弹簧-阻尼-质点”系统。另外,将几何模型和物理模型进行组合,解决了单一建模准确度低、运算量大以及模型机械化等问题。(2)人工鱼的高级行为设计和集群行为模拟。提出由感知、认知、行为和运动模块组成的行为信息处理系统,详细剖析人工鱼的信息处理分析方式。通过行为设计和行为选择两方面对人工鱼的各种行为进行程序设计,实现人工鱼群前进、后退、悬浮、转弯、俯仰等运动状态根据当时的环境选择合适的动作目标。并改进传统Boid集群模型,在Reynolds聚集规则基础上增加内聚性、排列性、可变速性三原则进行加权函数约束,模拟了鱼类集群行为的运动和智能行为,达到了逼真于自然界鱼类集群的特征效果。(3)建立了动态的虚拟海洋场景。利用OpenGL技术、虚拟现实技术以及三维场景的实时生成技术完成对海洋场景、地形和水草的构建以及摄像机漫游的实现。为了提高虚拟的海洋场景的真实性,对场景中的光照、物体影子、雾隐效果和水流的作用进行实时的渲染。从而为人工鱼群提供一个可以实时交互的海洋环境,增强其真实感和沉浸感。(4)最后给出了整个系统的总体架构和技术实现方法。在Visual C++平台上,利用3DS Max建模软件和OpenGL图形工具,采用面向对象的方法将设计的组合优化模型和其行为控制方法用在鱼的运动控制上,建立了一个完整的人工鱼动画仿真系统。该仿真系统演示了人工鱼的生命特征和群体智能行为,从而证明了本文所提出方法的可行性和发展性。