一种基于径向基函数的群组运动控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于径向基函数的群组运动控制方法，包括：１．用户输入群组的各项参数，实时生成用户要求的群组动画；２．用户指定一系列控制点，并同时给定控制点对应的速度值，代表群组个体运动到该点时需要遵从的引导速度；３．对用户输入的散乱的控制点采用径向基函数插值的方法生成表达群组个体运动速度的矢量场，作为群组个体运动的引导分量；４．将群组运动模拟的过程按照时间离散化分成若干步长，每个步长群组个体从矢量场中查找引导行为分量，计算个体的自主漫游行为，在引导行为分量和自主行为分量的共同作用下朝下一个时间步长的位置运动。本发明专利技术方法采用速度矢量场作为主要运动控制因子，生成迅速快捷并支持实时交互修改。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用户交互实时操纵大规模人群行走的计算机仿真系 统，尤其涉及。
技术介绍
随着计算机图形学和三维动画技术的深入研究，影视作品中使用三维 特效的例子已经屡见不鲜。然而影片中浩浩荡荡的群体场面制作起来并不容易既不能使用传统的拍摄方法，也不能利用一般的关键帧动画技术。 如果使用传统的拍摄方法，摄像机视角和脚架是最大的局限；而使用传统 的关键帧技术和角色动画技术，不仅动画师需要付出极大的劳动，群体动 画所要求的个体运动的独特性以及群体的协调性也不一定能保证。因此， 研究学者提出了计算机模拟的群组动画技术来解决这些传统技术不能解 决的问题。除了影视方面，群组动画在游戏和研究模拟等领域都有应用。 此外，在模拟中实时交互地指定群体的漫游路径经常是群组模拟中的 一个必要的操作。设想在电影后期制作中，如果艺术家可以交互地引导群 組，他就可以及时地调整模拟过程，而不必等每次模拟完成后才发现问题 而调整初始参数重新来过。然而目前大多数的群組模拟机制采用的是前摄 策略，即用户需要在模拟开始就做好所有参数的初始化，接着把控制全部 交出，由动画系统完成剩余的模拟工作。这表示要调整参数就必须修改 初始参数并将模拟从头再来过。这样如果调整比较频繁就会耗费很多时 间。目前很少有文献完全致力于群组动画的交互方面。最重要的一个恐怕 就是Crowd Brush (B. Ulicny， P. D. Ciechomski, D. Thalmann. Crowdbrush: Interactive authoring of real-time crowd scenes.o/决e 爿CM iS7怨ra/ /z/Ewragra/3/zz.cs iS戸pow'画C蘭/ wfer ylm'w加'cw(5"C4 W」，2004， 243-252) 了。它是一个里程碑，但是它包含了太多的图形界面元素，当 模拟的场景非常庞大时，这些图形元素很可能会是一个累赘一一它们将会 非常耗费系统资源。
技术实现思路
本专利技术提出了一种用于实时交互的群组动画的运动控制方法。这里， 采用速度矢量场作为主要运动控制因子，这种矢量场控制具有生成迅速快 捷并支持实时交互修改的特点。，该方法包括以下步骤(1) 用户输入群组的个体数量、个体属性和群组的全局控制参数， 实时地生成用户所要求的群组动画；群组的个体属性包括个体的质量、邻居半径、初始速度、最大速度、 最大加速度、碰撞避免的半径、视域范围、最大驱动力、起始位置和目标 位置，其中碰撞避免的半径作为个体间避免碰撞的检测范围；群组的全局控制参数包括群组动画模拟开始时刻的整个群组所处的 起始位置、终止时刻所要到达的目标位置。在动画模拟的过程中群组中的每个个体被当作一个质点来处理；他们 具有相似的个体属性，包括质量M、最大速度V隱、最大加速度a皿、最 大驱动力Fmax、碰撞避免的半径r，视域范围、初始速度和邻居半径。(2) 用户通过鼠标点击拖动等操作，在屏幕上指定一系列控制点， 并同时给定控制点对应的速度值，代表群组个体运动到该点时的需要遵从 的引导速度。(3) 对用户输入的散乱的控制点采用径向基函数插值的方法生成运 动区域表达群组个体运动速度的矢量场，群组个体才艮据矢量场查询当前位 置的速度值，作为群组个体运动的引导分量；矢量场作为主要的群体运动控制手段指导群体的运动方向，相比现有 技术常用的自下而上或者自上而下的群组运动控制方法，我们采取的策略 是以自上而下为基础，辅之以自下而上的控制因子，藉此来获得控制强度 和自由度的平衡。(4 )群组中每个个体的行走规律由引导行为分量和自主行为分量两 部分组成。将群组运动模拟的过程按照时间离散化，分成若干个步长，每 个步长时间为每个时间步长群组个体从矢量场中查找引导行为分量， 并在引导行为分量和自主行为分量的共同作用下重新计算前进的速度，更 新当前的位置状态，朝下一个时间步长的位置运动，同时用户能自主的调 节弓1导行为分量和自主行为分量的比例。自主行为分量是一种经过修改的漫步行为。漫步行为也就是说，行人 以正常的速度，漫无目的在三维场景中行走。在模拟过程中，引导分量和 自主分量的比例可以由用户实时交互地调整，引导行为所依赖的矢量场也 可以交互地调整，针对不同人群特性和外界环境，每个自主行为分量和引 导行为分量两者的比例是不同的。举例来说，在紧急情况下逃生，引导行为分量主导了人群的行为；而如果是在空旷的广场上散步，人群自然表现 出悠闲的自主行走。又或者，排队过马路的学生和緩慢行走的老人，两者 表现出来的行走方式也是大有不同的。所述的采用径向基函数插值的方法生成表达速度的矢量场的方法为1) 用户在群组动画的运动区域指定若干散乱的控制点作为插值中心， 输入控制点的速度，将控制点的位置与速度形成一个不重复的二维点的集 合，用来求解插值函数；2) 将插值函数求解转换为一薄板能量泛函问题，薄板能量泛函问题 的解为一径向基函数的一线性组合及一低次多项式，通过求解线性方程组 求得径向基函数的所有系数；3) 若该线性方程组为可逆的线性方程组则使用径向基函数插值求解 器解该线性方程组得到径向基函数的所有系数，从而求得插值函数，根据 插值函数得到矢量场中任意点的数据；4) 若该线性方程组为不可逆的线性方程组则使用各项异性的径向基 函数插值求解器解该线性方程组得到各项异性的径向基函数的所有系数， 从而求得插值函数，根据插值函数得到矢量场中任意点的数据。由于用户指定的散乱控制点的数目不多，因而计算效率高，即使在群 组动画模拟过程中用户也可以对速度场进行实时交互的调整，调整包括移 动控制点的位置，修改控制点的速度值，增加新的控制点或者删除现有数 据点。附图说明图1为本专利技术的技术方案流程图。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术的的实施例进行详细i兌明。如图l所示，包括以下步骤(1) 用户输入群组的个体数量、个体属性和群组的全局控制参数， 实时地生成用户所要求的群组动画；将群组中的每一个个体当成一个遵守经典力学的物体，群组个体都被 当作质点处理，他们具有相似的个体属性，群组的个体属性包括个体的质 量、邻居半径、初始速度、最大速度、最大加速度、碰撞避免的半径、视 域范围、最大驱动力、起始位置和目标位置，其中碰撞避免的半径作为个 体间避免碰撞的检测范围；群组的全局控制参数包括群组动画模拟开始时刻的整个群组所处的 起始位置、终止时刻所要到达的目标位置；群组个体的运动由所受的合力驱动，同时限制个体所受的合力不超过 最大驱动力F隨，最大速度不超过最大速度V醒；通常来说，我们在模拟行走或者奔跑的行人时，取质量M为 40kg 100kg,最大速度Vmax为1.5m/s 5m/s,最大加速度amax为2m/s2，碰 撞避免的半径r为0.2m 2m， ^L域范围为180度，邻居半径为lm 5m。这 里的最大驱动力Fmax=M*amax。初始速度可以为0或者大于0。(2) 用户通过鼠标点击拖动等操作，在屏幕上指定一系列控制点， 并同时给定控制点对应的速度值，代表群组个体运动到该点时的需要遵从 的引导速度；用数学语言来描述，就是用户给定一个不重复的、二维的点的集合 X = {Xi};"=1cW2 ^,，X)t,c912,其中Z代表本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于径向基函数的群组运动控制方法，该方法包括以下步骤：　（１）用户输入群组的个体数量、个体属性和群组的全局控制参数，实时地生成用户所要求的群组动画；　（２）用户通过鼠标点击拖动等操作，在屏幕上指定一系列控制点，并同时给定控制 点对应的速度值，代表群组个体运动到该点时的需要遵从的引导速度；　（３）对用户输入的散乱的控制点采用径向基函数插值的方法生成运动区域表达群组个体运动速度的矢量场，群组个体根据矢量场查询当前位置的速度值，作为群组个体运动的引导分量；　 　（４）将群组运动模拟的过程按照时间离散化，分成若干个步长，每个步长时间为δｔ，每个时间步长群组个体从矢量场中查找引导行为分量，并在引导行为分量和自主行为分量的共同作用下重新计算前进的速度，更新当前的位置状态，朝下一个时间步长的位置运动，同时用户能自主的调节引导行为分量和自主行为分量的比例。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：许佳奕，金小刚，黄盛晟，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]