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基于maya粒子系统的群体模拟方法研究

作　者: 李庆
导　师: 肖双久；商琳
学　校: 上海交通大学
专　业: 数字艺术与技术
关键词: 群集模拟粒子系统群集行为碰撞检测自治agent steering behaviors
分类号: O242.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 201次
引　用: 2次
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内容摘要

群体模拟在动画、电影、游戏等产业中应用广泛,比如模拟群鸟迁移,鱼群、人群的运动,甚至赛车等。近年来在其它领域如训练模拟,公共安全控制,人工生命,虚拟人等方面也有了较多应用。群体模拟中最典型的场景就是群体从A点到B点的运动过程,因此群体模拟也可以归结为群体运动的模拟。目前,群集模拟主要基于三种方式:一、运动学方式,即“关键帧”方法。用这种方法来制作一群个体的运动路径可是项繁重工作,要逐一规划每个角色的运动路线,并要在每一帧都防止群体成员间的碰撞;后期的任何小小改动所带来的工作量和花费都很大。二、人工智能方式,这种方式制作出来的运动路径真实感强但实现成本高。三、粒子模拟,这种方式下群体的运动行为是通过控制粒子流的运动来实现的。这种方式成本很低,因为在很多3D软件中都提供了相应的粒子系统。但是由于粒子系统是受外加场力作用,并不提供粒子间交互的功能,这不符合群体的内部机制,因此真实感欠佳。针对现有技术的不足,本文在粒子模拟方法的基础上,通过对自主智能体的感知系统、自主行为模型进行深入的研究,取得了以下研究成果:(1)对传统算法做了改进,将maya粒子系统与基于个体的分布式模型—Boids模型相结合,在maya的场景中建立一个虚拟主体的行为模型;(2)利用maya粒子系统,将每粒子视作一个agent,引入本地坐标系,通过定义感知范围及角度的方法实现虚拟感知,在以每粒子为中心的感知区域内应用相应的区域法则;(3)通过虚拟力作用于agent求出经由力影响后速度的变化,模拟出区域空间内粒子间的相互影响作用和群体效果;设计了agent的基本行为集合,并根据行为分层理论,把行为组织成层次结构,在此基础上通过多种方式的组合来支持agent完成高阶的任务;(4)通过maya节点和MEL命令,将上述算法应用到粒子群中的每粒子上,对粒子群中的每粒子应用了分离、调准、聚合三种基本虚拟力使粒子群呈现自然的群聚(flocking)状态,应用避障引导力实现粒子对环境中任意形状障碍的自然避绕效果。实验证明,本论文所提出的技术方法可以很好地实现用粒子展示群体的追踪、逃跑、群聚、避障等一系列特定场景,并保证很高的渲染效率。

全文目录

摘要  2-4
ABSTRACT  4-8
1 绪论  8-15
  1.1 项目背景  8-9
  1.2 常见的动画技术  9-11
    1.2.1 关键帧技术  9-10
    1.2.2 基于动作捕捉的动画技术  10
    1.2.3 路径动画  10
    1.2.4 脚本驱动的动画技术  10-11
    1.2.5 粒子系统  11
  1.3 本文所采用的方法——基于分布式行为的群集模拟  11-13
  1.4 本课题研究意义及内容  13-14
  1.5 论文结构安排  14-15
2 基于分布式行为的群体模型综述  15-23
  2.1 相关模型简介  15-18
    2.1.1 力场动画系统  15-16
    2.1.2 分布式行为模型  16-17
    2.1.3 涂晓媛的人工鱼  17-18
  2.2 分布式行为模型的特点  18-22
    2.2.1 分布式行为模型符合群体的自然机制  18
    2.2.2 基于几何学的计算方法  18-21
    2.2.3 算法方面的优势  21-22
  2.3 本章小结  22-23
3 基于粒子系统的虚拟力驱动运动模型  23-36
  3.1 分布式行为模型的架构  23-34
    3.1.1 感知系统  24-26
    3.1.2 控制系统  26-32
    3.1.3 运动系统  32-34
  3.2 技术难点分析  34
    3.2.1 物理模型  34
    3.2.2 引导行为  34
  3.3 本章小结  34-36
4 碰撞检测及躲避障碍  36-47
  4.1 避障算法  36-46
    4.1.1 确定障碍物的方法  38-40
    4.1.2 3D 避障引导力的计算  40-41
    4.1.3 2D 避障引导力的计算  41-46
  4.2 本章小结  46-47
5 群体动画实践  47-54
  5.1 系统总体设计  47-48
  5.2 实现过程  48-50
  5.3 群体动画效果  50-53
  5.4 本章小结  53-54
6 总结与展望  54-56
  6.1 本文工作总结  54
  6.2 未来工作展望  54-56
参考文献  56-58
致谢  58-59
攻读硕士期间发表论文  59

基于maya粒子系统的群体模拟方法研究

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