人工魚的自繁殖模型

人工魚的自繁殖模型

1自衍生模型的建立計算機和動畫短片在過去的10年里取得了很大的進步，并逐漸進入我們的生活各個方面。如何在設計中真實地展示自然界中復雜的運動和行為的動物群，是計算機和動畫短片制造商的中心問題。圖曉媛博士為計算機和動畫短片計算機工程的人工生活方式提供了一種新的計算機方法。該方法將計算機圖形學和勞動生活于兩個方面有機結合起來。本文在“曉媛的魚”的基礎上,將人工生命的“自繁衍”特性引入到計算機動畫創(chuàng)作中,建立了人工魚的自繁衍模型,為進一步提高人工魚動畫的創(chuàng)作效率和自動化水平打下了基礎.2人工魚的自繁殖2.1人工魚的染色體生物體的性狀主要是由位于染色體上的基因決定的,基因間的任意一種組合方式稱為基因型,它決定了生物體的所有性狀,即表現(xiàn)型.海洋中的魚千差萬別,顏色、形狀、習性各不相同,人工魚也有不同的先天習性和外表形狀,這些是由染色體決定的.為了簡化模型,我們給每條人工魚只賦予一條染色體,每條染色體由三組共21個基因(都是顯性基因)組成(如圖1所示),分別決定了人工魚的形狀、大小、壽命和習性等21個不同的性狀.2.2遺傳算法設計JohnHolland教授創(chuàng)立的遺傳算法將自然選擇、遺傳、變異均看作是遺傳信息傳遞和處理的方式,是研究人工生命的基礎理論之一.下面是我們設計的遺傳操作規(guī)則.2.2.1多點交叉遺傳操作在人工魚的染色體結構中,決定人工魚各種性狀的基因是由長度不同的二進制編碼組成的,我們將每一個基因看成是一個不可分割的最小單元,每個單元的不同取值,決定了人工魚某個性狀的不同表現(xiàn),如紅色的魚或灰色的魚等等.在單點交叉遺傳操作中,在人工魚所組成的染色體上,隨機地選擇一個基因點(不象遺傳算法中那樣,隨機地選擇一個二進制點),互換該基因點前后雌魚和雄魚的各個基因值,生成兩個新的小魚的染色體.人工魚染色體上有21個基因,則可能有20個不同的交叉點,即每兩條人工魚通過單點交叉遺傳操作能夠產(chǎn)生20種特征不同的子代.2.2.2多點交叉遺傳操作所謂多點交叉遺傳操作,就是在人工魚染色體的基因上,選擇多個基因點,互換雌魚和雄魚在這些基因點之間的基因值,生成新的小魚的染色體.在多點交叉遺傳操作中,人工魚有21個基因.如果是三個交叉點,則會有P320=1140種不同的遺傳操作結果;如果是n個交叉點,則會有Pn2020n種不同的遺傳操作結果.3人工魚形態(tài)生長模型的建立要制作一個魚在虛擬的海洋中繁衍、生息的動畫,傳統(tǒng)的動畫技術是無法勝任的.為了讓人工魚自主地完成這樣的動畫,需要建立人工魚從小逐漸長大的形態(tài)生長模型.3.1建立生長函數(shù)模型魚類的生長受到遺傳因素和環(huán)境因素的綜合影響.要精細地刻畫魚的生長,生長模型可以很復雜,但考慮到動畫的效果及計算復雜度,忽略一些次要因素,認為魚的生長是個只同遺傳因素和時間相關的函數(shù).在生長的過程中,每個器官的形狀都會變化,但器官不同,生長的速度是不一樣的.人工魚在生命周期中,其形體由小逐漸長大,達到某個值后,其外形基本不會發(fā)生變化,其函數(shù)值基本符合升半正態(tài)分布.我們構造人工魚的生長函數(shù)如下式:Gi(t)=gi(1?e?kp(t/a)2),i=0?1?2?3?4Gi(t)=gi(1-e-kp(t/a)2),i=0?1?2?3?4這里i=0表示頭部大小,i=1表示身體胖瘦,i=2表示魚體長短,i=3表示尾部長短,i=4表示魚鰭大小;Gi分別代表這些外形特征的生長函數(shù);gi是相應外形特征的遺傳基因值;a是此種人工魚的壽命;p代表同種魚不同部位的生長系數(shù),p值大生長速度快,不同的魚種具有不同的生長特性;閾值k為反映不同種類人工魚生長速率的相關系數(shù),k值越大,則成魚期越短.圖2中所示的兩條曲線分別表示兩種不同的人工魚在同一部位(取p=0.5)的生長函數(shù)曲線,其中曲線1:k=20,曲線2:k=10.3.2人工魚的生理發(fā)育函數(shù)自然界中大多數(shù)動物的繁殖是有性繁殖,動物體剛出生時不具備繁殖能力,長到一定年齡,性成熟后才具有了繁殖能力.魚的生長發(fā)育也要經(jīng)歷從出生到成熟、衰老和死亡的過程.為了讓人工魚自主地完成自繁衍的動畫,需要建立人工魚的生理發(fā)育模型.由于VBGF模型是在理論生物學的基礎上提出的生長法則,因此我們借鑒了VBGF來建立人工魚的生理發(fā)育函數(shù).人工魚的發(fā)育函數(shù)D應是一個與時間有關的函數(shù),我們定義人工魚的發(fā)育函數(shù)D(t)在閉區(qū)間上取值,D(t)可由下式給出D(t)={1?e?k×(ta?k0),1?e?k×(2(a?t)3a?k0),當0≤t≤0.5a時當0.5a<t≤a時D(t)={1-e-k×(ta-k0),當0≤t≤0.5a時1-e-k×(2(a-t)3a-k0),當0.5a<t≤a時其中a表示由遺傳基因決定的某條魚的壽命,k為生理發(fā)育系數(shù),k0為常數(shù).其函數(shù)如圖3所示.4仿真程序設計仿真程序是在奔騰PC上,在Windows2000下,以VisualC++6.0為開發(fā)平臺,使用OpenGL實現(xiàn)的.仿真程序的主界面如圖4所示.仿真程序分為參數(shù)控制(初始化)、數(shù)據(jù)分析、保存、裝入和進程控制5個部分.參數(shù)控制面板如圖5所示,用戶通過控制面板可以對人工魚的種類、數(shù)目、成魚的大小、壽命、魚的擇偶標準等參數(shù)進行設置.5自衍模型及其應用本文以人工魚為研究對象,研究人工動物的“自繁衍”理論方法和實現(xiàn)技術,提出并建立了基于基因控制的人工魚的一種自繁衍模型和基于生物學理論的人工魚的一種生命歷程模型,并在模型的基礎上,制作了人工魚自繁衍的動畫.人工魚的自繁衍模型可推廣移植于其他人工動物的創(chuàng)作和生成,可以