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面向游戏开发的实时人工鱼系统仿真

作　者: 韩光辉
导　师: 周明全
学　校: 北京师范大学
专　业: 计算机应用
关键词: 人工生命游戏AI 状态机着色语言
分类号: TP391.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

自从涂晓媛博士提出人工鱼这一概念以来,人工鱼课题作为一个在人工智能、计算机图形学以及系统仿真等诸多领域的研究切入点,掀起了不少有意义的研究与实践。本文从人工鱼仿真的实时性为出发点,以游戏开发主要应用和技术导向,对人工鱼的实现做了另一种尝试。游戏编程是游戏开发的一个子集,其所用技术来源于计算机图形学、人工智能、计算几何、程序设计等诸多领域。特别的是,游戏编程对这些技术的具体实现会做一定的优化,以满足游戏的高实时性要求。本文做了以下工作和研究:1)设计和实现了一个通用的游戏程序架构,并在此架构上构建人工鱼仿真程序从程序设计的角度上考虑,游戏程序的关键在于游戏循环。能够高效执行的游戏循环是确保实时性的必要条件。本文设计了一个基于开源的图形和物理库的通用游戏程序架构,并在此基础上实现人工鱼仿真程序;2)在详细分析了真实鱼的感知和运动系统的基础上设计人工鱼的智能系统每个人工鱼都是能够自主运动的虚拟单位,建立了完整的人工鱼感知和运动系统使其运动行为尽可能的贴近真实;3)基于状态机的人工鱼智能实现人工鱼每帧的运动状态和感知状态通过有穷自动机计算和更新;4)真实感水面渲染从现实中水面光学原理出发,对水面反射、折射、fresnel反射比和水波进行近似模拟,最终实现拟真的水面效果。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
1 绪论  7-11
  1.1 课题背景  7-9
    1.1.1 人工生命  7-8
    1.1.2 游戏AI  8-9
  1.2 研究目标  9-10
  1.3 本文组织结构  10-11
2 相关理论分析  11-17
  2.1 图形处理器  11-15
    2.1.1 图形流水线研究  11-15
  2.2 碰撞检测研究  15-17
    2.2.1 穿透问题和碰撞时间  15-16
    2.2.2 游戏AI 与碰撞检测  16-17
3 开源图形库与物理库  17-22
  3.1 Irrlicht 图形引擎研究  17-19
    3.1.1 Irrlicht 重要特性  17-19
    3.1.2 主要模块  19
  3.2 Bullet 物理引擎研究  19-22
    3.2.1 Bullet 特点简述  20
    3.2.2 Bullet 碰撞检测流水线  20-22
4 人工鱼系统设计  22-34
  4.1 主体程序架构  22-23
  4.2 基础模块  23-25
    4.2.1 相关性上的研究：基于时间VS.基于帧  23-24
    4.2.2 输入事件处理  24-25
  4.3 人工鱼的感知系统设计  25-27
    4.3.1 感知模型分析  25-26
    4.3.2 感知系统的实现  26-27
  4.4 人工鱼的运动系统设计  27-31
    4.4.1 生物鱼水中受力研究  28
    4.4.2 速度与加速度分析  28-29
    4.4.3 基于四元数的人工鱼转向研究  29-31
  4.5 基于状态机的人工智能设计  31-34
    4.5.1 状态机研究  31
    4.5.2 基于状态机的编程方法  31-32
    4.5.3 状态机的程序设计实现  32-34
5 基于GPU 编程的水面绘制  34-44
  5.1 着色语言  34-35
    5.1.1 可编程图形流水线  34-35
    5.1.2 三种主流语言  35
  5.2 水面光学原理分析  35-39
    5.2.1 反射  35-36
    5.2.2 折射  36-37
    5.2.3 多次反射和折射  37
    5.2.4 反射与折射的比例：fresnel 方程  37-39
  5.3 水面绘制的实现  39-44
    5.3.1 绘制反射图ReflectionMap  39-41
    5.3.2 绘制折射图RefractionMap  41
    5.3.3 使用fresnel 反射比混合两种颜色  41-42
    5.3.4 水波的模拟研究  42-44
6 结论与展望  44-50
  6.1 系统运行结果  44-49
  6.2 总结和展望  49-50
参考文献  50-52
致谢  52

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