一种面向用户规划的虚拟人群仿真框架制造技术

本发明专利技术公开一种面向用户规划的虚拟人群仿真框架，其包括组、触发器、运动范围限制器和云控制端。组由人员构成、活动范围、目标以及个体行为和群体行为四个组件定义和描述，提供对群体行为的模拟，从而实现对各种复杂群体行为的仿真；触发器包括路径点、流量、时间、速度等触发器，提供用于规划人群路径、决策人群行为的路径拓扑信息和感知信息；运动范围限制器提供环境中静态障碍物的位置信息；云控制端根据用户指定的路径拓扑信息和组的目标，为群体规划出无拥堵的最优路径。本发明专利技术提出的面向用户规划的虚拟人群仿真框架具有较好的逼真性和实时性，较强的灵活性以及较便捷的操作性，可以根据用户意愿模拟各种场景下逼真的虚拟人群行为。

【技术实现步骤摘要】
一种面向用户规划的虚拟人群仿真框架
本专利技术涉及虚拟现实领域，特别涉及一种虚拟人群仿真框架。
技术介绍
随着图形硬件运算速度的快速提高，虚拟现实技术的不断完善，人们不再满足于仅仅模拟建筑、景观等视景信息，为了提高场景的真实度，虚拟世界中必须加入对有生命对象，尤其是人类对象的模拟。基于这种需求，虚拟人群仿真技术应运而生。虚拟人群仿真技术能够提供人群运动的辅助分析和演示工具，在安全科学、体育仿真、影视动画、军事训练、古遗产重建等领域有着广泛的应用前景，因而逐渐成为计算机图形学及其相关领域的研究热点，受到了众多学者的关注。虚拟人群仿真研究涉及机器人学、物理学、计算机图形学、计算机动画、生物力学、人体解剖学、人类行为学、心理学、社会学、人工智能等诸多学科。众多研究学者基于上述各学科的技术对其展开了不同方向的研究和探讨。作为虚拟现实与计算机动画领域的研究热点，虚拟人群仿真技术不仅要体现个体的多样性(即在外形特征、运动形式及对同一事件的反应上体现出不同之处)和群体的社会性(即在特定情况下表现出整体性，相互交流、相互影响的特性)，而且要实现虚拟人群与用户以及环境的交互。但是，由于计算资源是有限的，很多仿真系统不得不在实时性、个体行为的逼真性和高质量的视觉效果之间做出权衡，也就是说，目前大多数人群仿真系统只能关注于人群仿真的某个或者某几个方面，这就导致对于虚拟人群仿真的研究还存在一些问题和不足：1)在虚拟人群与用户交互的实现方面，目前用户创建人群的方法不够简单便捷；同时，用户与人群进行交互的手段还处于个体操作阶段。上述问题在人群规模较小时表现得不很突出；但当人群规模不断增大时，这些问题就会使交互操作变得异常繁琐，导致用户浪费很多时间才能获得比较满意的设计效果。2)大多数具备用户交互功能的人群仿真系统在虚拟人群的自主性和智能性方面都有所欠缺，群体行为的任何改变都需要用户操作方可完成。而大多数自主性和智能性高的人群仿真系统又缺乏与用户的交互性。因此，本专利技术从实现虚拟人群仿真系统的用户可交互性并提高人群本身的智能性角度出发，研究面向用户规划的虚拟人群仿真框架。通过本专利技术的研究，不仅能够保证用户操作的简单直观性，而且能够使得虚拟人群快速响应用户的指令，真实自然地与环境进行交互并展现出群体复杂多样的行为。综上所述，研究面向用户规划的虚拟人群仿真框架具有重要的理论意义和工程应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有的虚拟人群仿真方法与用户交互性较差，使得用户设定和修改人群行为还处于个体操作阶段，无法满足用户快速生成期望的人群行为以及具有高自主性和智能性的虚拟人群的缺陷，从而提供一种简单直观的面向用户规划的虚拟人群仿真框架，实现对各种场景下虚拟人群行为的逼真模拟。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种面向用户规划的虚拟人群仿真框架，包括组(1)、触发器(2)、运动范围限制器(3)和云控制端(4)，其中：所述的组(1)规定了组中个体的数目、队形、行为、活动范围、组长；每个组的位置通过质心法确定，组内各成员的行为由组长及成员与环境的交互确定；所述的触发器(2)规定了所处环境的路径拓扑结构，为虚拟人群提供准确的环境信息和相应动作信息；所述的运动范围限制器(3)规定了环境中静态障碍物的位置；所述的云控制端(4)负责对群体中的每个个体进行定位，并根据环境的路径拓扑结构和组的目标，实现虚拟人群的路径规划；所述的触发器(2)为所述的组(1)提供环境感知信息和动作信息，为所述的云控制端(4)提供路径拓扑信息；所述的运动范围限制器(3)为所述的组(1)提供静态障碍物位置信息；所述的云控制端(4)为所述的组(1)规划路径并将重要路径信息告知给所述的组(1)以便群体执行。上述技术方案中，所述的组(1)由人员构成模块(11)、活动范围模块(12)、目标模块(13)以及个体行为和群体行为生成执行模块(14)组成，其中：所述的人员构成模块(11)定义了组中个体的数量、组分布的形状、组长和组成员的构成情况；所述的活动范围模块(12)定义了组所在的初始位置，规定了组所占据的最大空间区域；所述的目标模块(13)由用户指定生成，提供组运动的目标和方向；所述的个体行为和群体行为生成执行模块(14)根据用户指定的目标(13)、触发器(2)提供的感知信息和动作信息、运动范围限制器(3)提供的静态障碍物位置信息以及云控制端(4)规划好的路径，自动进行行为决策，从而生成合适的个体行为和群体行为并加以执行。上述技术方案中，所述的触发器(2)由与路径相关的触发器(21)和与感知相关的触发器(22)组成，其中：所述的与路径相关的触发器(21)负责为云控制端(4)提供重要的路径拓扑信息，便于云控制端(4)为虚拟人群合理规划路径；所述的与感知相关的触发器(22)负责为群体提供准确的环境信息，便于虚拟人群进行局部避碰和行为决策；上述技术方案中，所述的运动范围限制器(3)负责为组(1)提供环境中静态障碍物的位置信息，便于组(1)采用改进的RVO算法对静态障碍物进行规避。上述技术方案中，所述的云控制端(4)负责实现个体的定位功能，并根据环境的路径拓扑结构、组的目标和出发时间实现虚拟人群的路径规划；且所述的云控制端(4)采用基于人群拥挤程度的Dijkstra算法依次为每组计算最优路径。上述技术方案中，所述的与路径相关的触发器(21)包括路径点触发器(211)和流量触发器(212)；其中，所述的路径点触发器(211)由用户进行放置，代表群体从起始点运动到目标点所必经的路径点；各路径点触发器(211)之间的连接关系也由用户设置，而多个路径点触发器结合起来即可代表所处环境的拓扑结构；所述的流量触发器(212)内置于十字路口，负责统计十字路口的人群流量信息并将其发送给速度触发器(222)。上述技术方案中，所述的与感知相关的触发器(22)包括时间触发器(221)、速度触发器(222)和事件触发器(223)三类；其中，所述的时间触发器(221)内置时间传感器，负责告知群体绝对时间和显示时间；所述的速度触发器(222)内置速度传感器，负责为群体提供期望速度信息，以便于群体根据当前的运动速度判断到达目标需要加速还是减速；所述的事件触发器(223)负责在事件发生或者事件状态发生变化时通知群体在当前事件状态下可供选择的动作集合，以减轻群体进行行为决策的负担。上述技术方案中，所述的与路径相关的触发器(21)和与感知相关的触发器(22)一部分由用户指定生成，一部分由仿真框架根据对所处环境的解释自动生成。上述技术方案中，所述的与感知相关的触发器(22)在其影响区域内没有任何所述的组(1)运动时处于非触发状态，而在其影响区域内有任意所述的组(1)运动时即处于触发状态。上述技术方案中，所述的路径点触发器(211)存储了重要的路径信息，每个路径点触发器存储的信息用如下三元组表示：<ID号、与其直接相连的所有路径点触发器的列表、自身与其直接相连的各路径点触发器之间的代价>。上述技术方案中，所述的速度触发器(222)内置于十字路口，各速度触发器之间可以进行信息交互，同时其也可与相应的流量触发器(212)进行信息交流，从而保证虚拟人群顺利通过十字路口而不发生拥堵现象。本专利技术的优点主要体现在：1、本专利技术的面向用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向用户规划的虚拟人群仿真框架，包括组(1)、触发器(2)、运动范围限制器(3)和云控制端(4)，其中：所述的组(1)规定了组中个体的数目、队形、行为、活动范围、组长；每个组的位置通过质心法确定，组内各成员的行为由组长及成员与环境的交互确定；所述的触发器(2)规定了所处环境的路径拓扑结构，为虚拟人群提供准确的环境信息和相应动作信息；所述的运动范围限制器(3)规定了环境中静态障碍物的位置；所述的云控制端(4)负责对群体中的每个个体进行定位，并根据环境的路径拓扑结构和组的目标，实现虚拟人群的路径规划；所述的触发器(2)为所述的组(1)提供环境感知信息和动作信息，为所述的云控制端(4)提供路径拓扑信息；所述的运动范围限制器(3)为所述的组(1)提供静态障碍物位置信息；所述的云控制端(4)为所述的组(1)规划路径并将重要路径信息告知给所述的组(1)以便群体执行。

【技术特征摘要】
1.一种面向用户规划的虚拟人群仿真框架，包括组(1)、触发器(2)、运动范围限制器(3)和云控制端(4)，其中：所述的组(1)规定了组中个体的数目、队形、行为、活动范围、组长；每个组的位置通过质心法确定，所述的组(1)由人员构成模块(11)、活动范围模块(12)、目标模块(13)以及个体行为和群体行为生成执行模块(14)组成，其中：所述的人员构成模块(11)定义了组中个体的数量、组分布的形状、组长和组成员的构成情况；所述的活动范围模块(12)定义了组所在的初始位置，规定了组所占据的最大空间区域；所述的目标模块(13)由用户指定生成，提供组运动的目标和方向；所述的个体行为和群体行为生成执行模块(14)根据用户指定的目标(13)、触发器(2)提供的感知信息和动作信息、运动范围限制器(3)提供的静态障碍物位置信息以及云控制端(4)规划好的路径，自动进行行为决策，从而生成合适的个体行为和群体行为并加以执行；所述触发器(2)由与路径相关的触发器(21)和与感知相关的触发器(22)组成，其中：所述的与路径相关的触发器(21)负责为云控制端(4)提供重要的路径拓扑信息，便于云控制端(4)为虚拟人群合理规划路径；所述的与路径相关的触发器(21)包括路径点触发器(211)和流量触发器(212)；其中，所述的路径点触发器(211)由用户进行放置，代表群体从起始点运动到目标点所必经的路径点；各路径点触发器(211)之间的连接关系也由用户设置，而多个路径点触发器结合起来即可代表所处环境的拓扑结构；所述的流量触发器(212)内置于十字路口，负责统计十字路口的人群流量信息并将其发送给速度触发器(222)；所述的与感知相关的触发器(22)负责为群体提供准确的环境信息，便于虚拟人群进行局部避碰和行为决策；所述的与感知相关的触发器(22)包括时间触发器(221)、速度触发器(222)和事件触发器(223)三类；其中，所述的时间触发器(221)内置时间传感器，负责告知群体绝对时间和显示时间；所述的速度触发器(222)内置速度传感器，负责为群体提供期望速度信息，以便于群体根据当前的运动速度判...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙立博，秦文虎，丁路，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32