隨著虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展,打造虛擬世界的需求越來(lái)越旺盛。虛擬世界的構(gòu)造不僅包括靜態(tài)場(chǎng)景的構(gòu)建,還包括場(chǎng)景中生物體的模擬。常見(jiàn)的生物體包括人和飛行生物群等。對(duì)人群、飛蟲(chóng)群等生命體進(jìn)行仿真也就成為了當(dāng)前計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。本書(shū)基于流體模型從宏觀層面進(jìn)行仿真,重點(diǎn)表現(xiàn)群體的全局變化,主要探討將流體模型擴(kuò)展應(yīng)用到生物群體的仿真研究,包括經(jīng)典的流體仿真算法(SPH)和過(guò)程式(Procedure)流體仿真算法。 本書(shū)適合作為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真學(xué)以及生物仿真等領(lǐng)域研究人員的參考用書(shū),也可作為對(duì)相關(guān)領(lǐng)域感興趣的讀者的閱讀資料。
隨著虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展,打造虛擬世界的需求越來(lái)越旺盛。本書(shū)基于流體模型從宏觀層面進(jìn)行仿真,重點(diǎn)表現(xiàn)群體的全局變化,主要探討將流體模型擴(kuò)展應(yīng)用到生物群體的仿真研究。 本書(shū)適合作為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真學(xué)以及生物仿真等領(lǐng)域研究人員的參考用書(shū),也可作為對(duì)相關(guān)領(lǐng)域感興趣的讀者的閱讀資料。
大規(guī)模生物群體包括人群、昆蟲(chóng)群、獸群等,對(duì)這些生物群體從宏觀層面進(jìn)行大規(guī)模仿真以及從微觀層面進(jìn)行真實(shí)感模擬是當(dāng)前計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究方向之一。相應(yīng)的仿真技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)、影視游戲、疏散模擬、大型體育仿真、蟲(chóng)災(zāi)防治、仿生機(jī)器人等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。將高密度的生物群當(dāng)作連續(xù)體來(lái)仿真以及從微觀上對(duì)飛行生物進(jìn)行物理仿真仍存在很多挑戰(zhàn)。主要體現(xiàn)在:①難以表達(dá)高密度人群應(yīng)對(duì)環(huán)境刺激所呈現(xiàn)的線性響應(yīng);②難以刻畫(huà)宏觀形狀約束條件下飛行生物群的固有噪聲(Inherent Noise);③難以刻畫(huà)飛行生物的真實(shí)感飛行姿態(tài)變化。針對(duì)這些挑戰(zhàn),本書(shū)分別提出了相應(yīng)的解決方案,概述如下:
(1)提出了一種大規(guī)模、高密度人群的宏觀線性波動(dòng)仿真方法。從流體力學(xué)角度仿真全局信息的變化,解決全局信息(如速度、密度、全局流動(dòng)方向傳導(dǎo)、邊界擾動(dòng)響應(yīng)等)動(dòng)態(tài)變化建模仿真問(wèn)題;诶窭嗜樟黧w力學(xué)方法模擬高密度人群的流體性運(yùn)動(dòng),在此基礎(chǔ)上提出線性動(dòng)量觸發(fā)方法用于人群的線性波動(dòng)仿真。此方法可用于大規(guī)模、高密度人群在物理環(huán)境約束下的有序引導(dǎo)和安全疏散仿真。
(2)提出了一種宏觀形狀約束的飛蟲(chóng)群組仿真方法。采用近似方法仿真飛蟲(chóng)的固有噪聲,解決形狀約束條件下飛蟲(chóng)的動(dòng)力表達(dá)問(wèn)題。設(shè)計(jì)內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力來(lái)仿真單個(gè)飛蟲(chóng)的生物固有噪聲與集群行為。另外,設(shè)計(jì)外在驅(qū)動(dòng)力引導(dǎo)飛蟲(chóng)平滑地變形到任意目標(biāo)形狀。讓飛蟲(chóng)群體變形為用戶(hù)指定的任意形狀,并且不失去飛蟲(chóng)所特有的生物噪聲行為。該方法可用于大規(guī)模形狀可控的飛行昆蟲(chóng)群組仿真、VR場(chǎng)景動(dòng)畫(huà)、仿生飛行機(jī)器人陣形控制等。
(3)提出了一種受生物學(xué)啟發(fā)的蝴蝶建模與飛行仿真方法。從生物學(xué)角度進(jìn)行蝴蝶個(gè)體的參數(shù)化建模,重點(diǎn)解決蝴蝶翅膀與腹部動(dòng)力學(xué)控制問(wèn)題;诳諝鈩(dòng)力(包括升力、阻力和渦旋力)仿真蝴蝶飛行過(guò)程中身體的快速變化。作為一種綜合的解決方案,該方法不僅解決了真實(shí)感的蝴蝶個(gè)體仿真問(wèn)題,還可以直接用于群組仿真。能夠仿真飛行生物真實(shí)感的飛行姿態(tài)與飛行軌跡,為真實(shí)感的飛行生物仿真提供一種實(shí)時(shí)、便捷的可行方法。
本書(shū)的結(jié)構(gòu)如下:
第1章,介紹研究背景,總結(jié)主要的智能仿真算法,包括人群仿真、飛行生物仿真研究領(lǐng)域所存在的問(wèn)題,在此基礎(chǔ)上提出本書(shū)的研究?jī)?nèi)容,并提煉本書(shū)的主要貢獻(xiàn)。
第2章,介紹基于流體模型的智能體仿真的算法基礎(chǔ),包括作用力的計(jì)算,流體模型的原理,通過(guò)對(duì)這些算法基礎(chǔ)知識(shí)的介紹,為全面掌握本書(shū)后續(xù)所述智能體(包括人群、飛蟲(chóng))奠定基礎(chǔ)。
第3章,介紹一種大規(guī)模、高密度人群的宏觀線性波動(dòng)仿真算法。對(duì)應(yīng)用的拉格朗日流體力學(xué)人群建模、宏觀線性波動(dòng)仿真進(jìn)行詳細(xì)的介紹。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明所提出的仿真模型可以仿真大規(guī)模、高密度人群的線性波動(dòng)。
第4章,介紹一種宏觀形狀約束的飛蟲(chóng)仿真算法。詳細(xì)介紹用于仿真飛蟲(chóng)噪聲行為的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力與用于形狀約束的外在驅(qū)動(dòng)力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明所提出的模型可用于任意約束形狀的飛蟲(chóng)群組仿真。
第5章,介紹一種基于空氣動(dòng)力受生物啟發(fā)的鱗翅目飛蟲(chóng)仿真算法。首先介紹受生物啟發(fā)、參數(shù)化的蝴蝶個(gè)體建模方法;然后介紹用于仿真蝴蝶飛行過(guò)程中身體的快速變化的空氣動(dòng)力,包括升力、阻力和渦旋力;最后通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)和對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明該算法可以模擬真實(shí)感的蝴蝶飛行過(guò)程的姿態(tài)與飛行軌跡。
第6章,對(duì)本書(shū)所論述的基于流體模型的智能體仿真算法進(jìn)行總結(jié)與展望。
本書(shū)得到了江西財(cái)經(jīng)大學(xué)的支持,也得到了江西財(cái)經(jīng)大學(xué)多位老師的熱情幫助,在此一并表示感謝!
由于著者學(xué)識(shí)有限,加之智能體仿真技術(shù)在不斷發(fā)展之中,書(shū)中疏漏和不足之處在所難免,敬請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。
著者
2022年5月
陳強(qiáng),男,博士,江西財(cái)經(jīng)大學(xué)講師,主要的研究方向?yàn)橛?jì)算圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)、虛擬現(xiàn)實(shí)、生物群體仿真。主持或參與多項(xiàng)國(guó)家級(jí)課題研究,主持并結(jié)題一項(xiàng)省級(jí)課題,作為骨干力量參與參與多項(xiàng)國(guó)家級(jí)研究項(xiàng)目、省級(jí)重點(diǎn)研究項(xiàng)目。在計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)研究領(lǐng)域發(fā)表學(xué)術(shù)論文6篇,申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利3項(xiàng)(已授權(quán)2權(quán)),實(shí)用型發(fā)明專(zhuān)利3項(xiàng)(已授權(quán)2項(xiàng))。申請(qǐng)軟件著作權(quán)2限。