基于vicrowd模型的大規(guī)模人群

基于vicrowd模型的大規(guī)模人群

仿真技術(shù)的研究背景及研究意義隨著計算機(jī)動畫的迅速發(fā)展，群體動畫的實時仿真技術(shù)作為它的一個分支，在近年來取得了很大的進(jìn)步。群體動畫技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電影動漫、游戲創(chuàng)作、城市規(guī)劃、訓(xùn)練系統(tǒng)以及地震、火災(zāi)等災(zāi)難現(xiàn)場模擬與輔助指揮中。大規(guī)模人群運動仿真，就是研究人群在各種環(huán)境、各種情節(jié)下的運動特征與規(guī)律，建立大規(guī)模人群運動的仿真模型，并在計算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中采用三維的方式真實地描述大規(guī)模人群的運動過程。作為一種演示工具，大規(guī)模人群仿真技術(shù)能夠逼真的模擬真實人群的運動，如繪制真實的三維游戲場景、模擬公共場所的大量人流，火車站來去匆匆的大量人群等，提高了虛擬場景的視覺逼真性。此外，要實現(xiàn)該技術(shù)，有兩項關(guān)鍵技術(shù)必須解決：一是，研究并建立大規(guī)模人群行為的仿真模型，從而實現(xiàn)對人群行為的模擬；二是，研究大規(guī)模人群仿真的可視化技術(shù)，即如何將大規(guī)模人群運動以及三維的方式逼真地展現(xiàn)到虛擬環(huán)境中。ViCrowd模型作為一個非常通用的人群模擬系統(tǒng)的模型，對人群的行為進(jìn)行了系統(tǒng)的抽象、劃分并定義了人群的不同屬性（知識、信念和意圖）、人群的行為層次和人群的控制層次?；诹Ｗ酉到y(tǒng)的人群運動仿真模型基于智能體的模型恐慌狀態(tài)下人群撤離運動仿真模型BroganandHodgins

模型基于場景情節(jié)設(shè)置和規(guī)則描述的人群運動仿真模型國內(nèi)外現(xiàn)狀分析基于粒子系統(tǒng)的人群運動仿真模型繼W.T.Reeves于1983將粒子系統(tǒng)引進(jìn)計算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域之后，法EricBouvier在此基礎(chǔ)上建立了人群運動模型。粒子力場牛頓力學(xué)機(jī)制位置速度加速度人群運動的模擬人粒子人群粒子系統(tǒng)粒子集合人（具有相同模式）場景中的各種物體事件由一系列參數(shù)的函數(shù)表示，這些參數(shù)包括：目的地、密度、在特定點的停留、障礙物等。事件的發(fā)生可以導(dǎo)致粒子位置的變動或粒子狀態(tài)的改變。為了使粒子的運動更符合人類的特征，獲得較為恒定的速度，需要引入摩擦力參數(shù)。同時還可以在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置粘合系數(shù)，用來衡量一個人群的凝聚力，從而決定群的聚合和分裂。在考慮碰撞避免時，EricBouvier采用相對速度和相互距離，通過一定公式計算碰撞概率，據(jù)此調(diào)整個體的速度以避免碰撞。

優(yōu)點簡單、實用；使運動特征明顯實現(xiàn)，或比較容易抽象的對人群行為進(jìn)行模擬，如地鐵站的人流等。但對一些復(fù)雜的、需要較多決策知識的人群行為，還需要在該模型基礎(chǔ)上添加大量工作，如：提供人群行為模式的學(xué)習(xí)方法、建立決策知識庫等?；谥悄荏w的模型該模型是在1986年M.Minsky提出的，基于人的智能既是自然的產(chǎn)物，也同樣是社會發(fā)展的產(chǎn)物。他主張把社會的智能研究應(yīng)用到人工智能上來，給人工智能的研究帶來了新的思路。Agent可以認(rèn)為是功能較簡單的個體，智能擁有解決一部分問題的能力。不過，可以通過依賴群體的相互通信，就可以共同解決一些困難的問題。每個Agent是智能的，群體體現(xiàn)出來的更智能。所以，并不是把智能體的智能算法作為真正的研究目標(biāo)，而是把重點放在智能體的相互作用上，即把多個智能體構(gòu)成的群體作為代理的主要研究對象。逃離現(xiàn)場速度加快開始出現(xiàn)推擠和肢體的相互碰撞人群的移動，恐慌，焦急，特別是通過一些狹小的過道時，變得無序來自各個方向的人流涌入出口，出口處聚集很多人狹小通道，或者十字路口的堵塞開始形成堵塞處，個體間的肢體碰撞加劇，還可能發(fā)生踩踏由于出現(xiàn)跌倒或受傷的個體，撤離的速度進(jìn)一步減慢個體行為出現(xiàn)從眾傾向撤離過程中，由于大多數(shù)人的恐慌，部分出口被人群忽悠或沒有很好的利用恐慌狀態(tài)下人群撤離運動仿真模型特征DirkHelbing建立該模型以粒子系統(tǒng)為基礎(chǔ)，著重研究和分析個體的受力情況，計算移動速度，模擬行為特征，計算人群通過狹隘通道和出口撤離的速度，并計算可能受傷人數(shù)。人群通過一個通道撤離的模擬室內(nèi)場景恐慌狀態(tài)室外場景恐慌狀態(tài)BroganandHodgins

模型BroganandHodgins

主要針對具有顯著物理特征的人群，融合子系統(tǒng)的一些原理，但在建模過程中更多的實用動力學(xué)原理，對人群的速度、位置、加速度變化進(jìn)行了更多的考慮和限制，同時也從物理角度應(yīng)用動力學(xué)原理建立個體運動仿真模型?；趫鼍扒楣?jié)設(shè)置和規(guī)則描述的人群運動仿真模型定義一個詞匯表描述情節(jié)抽象交互模式整合虛/實試驗YoheiMurakami

情節(jié)描述YoheiMurakami等提出的模型也不受場景、情節(jié)和人群運動模式的限制，是一種通用的人群運動建模方法，但在如何學(xué)習(xí)并建立人群運動規(guī)則等方面都有待完善。現(xiàn)在所處的位置（初始點）打算到什么地方去（目標(biāo)點）采用什么樣的路線（無碰撞路線，漫游）Vicrowd模型細(xì)化群體仿真技術(shù)路徑規(guī)劃碰撞避免☆1、進(jìn)一步完善和補充了Vicrowd模型。2、環(huán)境建模，對環(huán)境進(jìn)行空間劃分，并在此基礎(chǔ)上研究并實現(xiàn)了對環(huán)境三個層次的拓?fù)涑橄?，將環(huán)境劃分為zones層，groups層，cells層。3、基于環(huán)境建模的路徑規(guī)劃算法。3、基于環(huán)境建模的碰撞避免算法?；赩icrowd模型的大規(guī)模人群行為仿真對群體進(jìn)行簡單化設(shè)定為個體行為相互作用的結(jié)果模仿群體行為的方法：要去模擬一個群體，首要條件是需要模擬個體的行為，也可以簡化成一部分行為，這一部分行為必須是能夠真實模擬這個群體行為。而為了支持這種對個體進(jìn)行控制的結(jié)構(gòu)，還必須模擬個體的部分感知機(jī)制和在特定環(huán)境中行動的物理模型。如果個體的模擬具有正確的群體特征，則創(chuàng)造群體就簡化成了創(chuàng)造一些個體的實例，并使它們能相互作用。關(guān)鍵幀技術(shù)虛擬人運動控制技術(shù)過程動畫運動學(xué)技術(shù)細(xì)節(jié)層次技術(shù)實時虛擬人群可視化圖像渲染技術(shù)點渲染技術(shù)虛擬人群仿真的關(guān)鍵技術(shù)虛擬人群行為模擬群體行為的模擬不是個體的一個簡單的聚集，同一組的成員具有共同的目標(biāo)，同時還要滿足組中的特體在一定范圍的自由運動的條件。對群體的模擬主要考慮群體的行為以及對群體的控制，在此基礎(chǔ)上對群體行為的抽象以及模擬群體與虛擬環(huán)境的交互關(guān)系。真實的群體具有交互性的，一個簡單的動作可能會觸發(fā)一連串的反應(yīng)，在某種特定的環(huán)境中，一個個體的改變可能會引起群體的改變，比如情緒的傳染或者一個細(xì)小動作而引發(fā)的周圍人的一連串的反應(yīng)，這是一個簡單的腳本程序沒辦法模擬的。早在19世紀(jì)末集體行為就已經(jīng)開始研究，但嘗試用計算機(jī)模型來模擬人群行為則是在最近才開始的，很多這方面的工作都是在90年代中期和末期開始的。目前研究來自多個領(lǐng)域要求，如建筑、計算機(jī)圖形學(xué)、物理學(xué)、安全科學(xué)、機(jī)器人技術(shù)學(xué)、訓(xùn)練系統(tǒng)和社會學(xué)。這些領(lǐng)域都創(chuàng)建了包括人群的模擬。但是，盡管人群模擬研究的基礎(chǔ)范圍比較廣，但是值得注意得是，學(xué)科間的交叉研究的想法卻很少，這是由于某個領(lǐng)域的研究者通常很少關(guān)心其他領(lǐng)域所做的工作。

Vicrowd模型概述人群（crowd）團(tuán)隊（group）個體（agent）知識（knowledge）信念（beliefs）意圖（intentions）被引導(dǎo)的（guided）規(guī)劃的（programmed）自治的（autonomous）層次屬性層次自由度（優(yōu)先級別）外部控制行為腳本控制行為內(nèi)在行為Vicrowd

模型的分層結(jié)構(gòu)人群結(jié)構(gòu)本模型將人群劃分成不同的結(jié)構(gòu)，團(tuán)隊由個體構(gòu)成，人群由團(tuán)隊構(gòu)成。團(tuán)隊的行為分為組行為，組行為又被分成個體行為。群體的行為包括倆個對立的因素，既要相互靠近又要避免碰撞。以下的三條規(guī)則用來控制群體的行為：

1、碰撞避免規(guī)則，群體內(nèi)的成員不能發(fā)生碰撞

2、速度匹配規(guī)則，同一組的成員速度要接近

3、群體合群規(guī)則，組內(nèi)成員必須在組半徑以內(nèi)基于Vicrowd模型的人群運動仿真Vicrowd模型的三大屬性知識群體障礙群組行為活動群組意識信念群體與組行為（跟隨行為、改變目標(biāo)、吸引行為、排斥、分裂空間環(huán)境適應(yīng)行為、安全漫游行為）情感狀態(tài)個體信念意圖

Vicrowd模型不受場景、情節(jié)和人群行為模式的限制，是比較通用的人群運動建模方法?！钊巳盒袨橐?guī)范環(huán)境信息如幾何環(huán)境信息，它能夠提供讓人群系統(tǒng)避免碰撞的數(shù)據(jù)，知道特殊的位置等等?？蓪⒋祟愋畔⒎譃閮深悾耗繕?biāo)點、障礙物點。（其中目標(biāo)點又分為感興趣的點，即IP點，和動作點AP點）群的信息通過組來分配組的信息通過個體來分配

IP點關(guān)鍵動作虛擬環(huán)境建模虛擬人應(yīng)對所處的虛擬環(huán)境有所認(rèn)知，比如知道自己所處的區(qū)域、周圍的建筑物或者其他虛擬人，這便于它在實現(xiàn)給定的仿真任務(wù)時能作出適應(yīng)環(huán)境條件的決策。

幾何虛擬環(huán)境拓?fù)鋵痈兄獙勇窂綄咏Ｌ摂M人環(huán)境間智能互換虛擬人與虛擬環(huán)境的交互非常重要，主要包括了感知環(huán)境、遍歷環(huán)境以及環(huán)境中的路徑規(guī)劃等交互行為。其相關(guān)工作分為倆方面展開：機(jī)器人技術(shù)中的環(huán)境建模、計算機(jī)動畫中的環(huán)境建模。建模計算機(jī)動畫1、空間劃分算法，用于檢測環(huán)境內(nèi)部的瓶頸；2、拓?fù)涑橄螅诳臻g劃分的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓?fù)涑橄螅?、構(gòu)建高度抽象的環(huán)境建模，用于計算環(huán)境物體之間的相鄰關(guān)系；4、處理交互式遍歷的通用算法，包括可見路徑的優(yōu)化與碰撞避免等。這種虛擬環(huán)境建模的方法能夠同時模擬出成千上萬的虛擬人在室內(nèi)和室外環(huán)境中的活動場景。將虛擬環(huán)境的幾何數(shù)據(jù)提取到一個準(zhǔn)確的多層次的拓?fù)涞貓D，并在環(huán)境模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行路徑規(guī)劃算法。另外，還能夠處理個體與個體之間的可見性計算，使得環(huán)境結(jié)構(gòu)能夠承受最大人口密度、較為擁擠的人群中的近距離碰撞策略與稀疏人群中的遠(yuǎn)距離碰撞策略擁有同樣的計算代價。室內(nèi)遍歷仿真效果圖室外遍歷仿真效果圖虛擬環(huán)境建模觀察所處區(qū)域利用自身視覺判斷當(dāng)前大體方位以及與周圍環(huán)境的聯(lián)通信息。感知周圍物體感知實時變化的動態(tài)環(huán)境（動態(tài)障礙物以及虛