虚拟鱼系统中感知和行为模型的设计与实现

论文摘要

实现自主、生动的虚拟鱼实时动画,包括以下三方面的工作,海底环境的表现,鱼的感知及行为模型,鱼的动作表现。本文旨在通过建立一个鱼的感知及行为模型,结合海底环境信息,为最终的动作表现输出必要的参数,共同构成一个完整的虚拟鱼实时动画系统。模型的构建兼顾了仿真和实时效果两方面的要求,一方面考虑鱼类生活环境的特殊性和自身的感知特性及行为特性,另一方面对一些计算量巨大而对最终效果影响不大的细节进行简化处理。本文对行为和动作的概念进行了区分,并采用了行为和动作的分层模型,便于实现更多行为和动作的扩展。本文定义并实现了碰撞规避、逃脱捕食者、觅食、集群游动和休闲游动等几种行为模式,并定义了前进、后退、悬浮、转弯、俯仰等基本动作。 本文采用建立和维护环境信息、使用感知模块收集有用信息、使用行为决策模块进行行为模式的决策、使用行为分解模块将行为进行动作分解的总体流程。环境信息用于容纳对虚拟鱼行为有影响的水环境、礁石、水草以及鱼对象的相关信息。感知模块模拟真实鱼的感知功能,从环境信息中按照不同的感知范围收集信息,并使用注意力聚焦机制剔除过多对象,使用包围盒进行可见性判断,以此对感知范围中的对象进行筛选,减轻后续流程的计算量,并且更加符合实际的感知特性。行为决策模块利用感知模块传递来的信息,结合当前自身意图的优先级队列,并对低优先级行为加入随机因素,共同产生当前行为决策并参数化,同时实现了行为的持续、中断、恢复和终止。行为分解模块将不同的行为模式根据相关参数和不同的实施策略分解为参数化的动作序列并输出供最终的动作渲染模块使用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 计算机动画与仿真综述
• 1.2 计算机动画制作的方法分类
• 1.3 基于生物物理模型和行为驱动机制的生物动画方法
• 2 环境信息
• 2.1 使用环境信息的原因
• 2.2 环境信息的组成
• 2.3 环境信息的组织形式和操作
• 2.3.1 环境信息的组织形式
• 2.3.2 环境信息的操作
• 3 感知模型
• 3.1 真实鱼的感知功能
• 3.2 感知模型的设计
• 3.2.1 感知器的设计
• 3.2.2 感知过程
• 3.2.3 信息的筛选
• 4 行为决策
• 4.1 影响决策的因素
• 4.1.1 外界信息
• 4.1.2 自身意图
• 4.1.3 随机因素
• 4.2 行为决策模型
• 4.2.1 外部信息分析
• 4.2.2 意图队列的运用及维护
• 4.2.3 随机因素的作用
• 4.3 行为的持续、中断、恢复和终止
• 4.3.1 行为的持续和终止
• 4.3.2 行为的中断和恢复
• 4.4 行为模式举例
• 4.4.1 碰撞规避
• 4.4.2 觅食
• 4.4.3 逃脱捕食者
• 4.4.4 集群游动
• 4.4.5 休闲的游动
• 5 行为分解
• 5.1 鱼的运动方式
• 5.1.1 鱼的运动组成
• 5.1.2 鱼的运动模式
• 5.2 行为的基本动作组成
• 5.2.1 前进
• 5.2.2 后退
• 5.2.3 悬浮
• 5.2.4 转弯
• 5.2.5 俯仰
• 5.3 行为的动作分解
• 5.3.1 碰撞规避
• 5.3.2 逃脱捕食者
• 5.3.3 觅食
• 5.3.4 集群游动
• 5.3.5 休闲的游动
• 结论
• 解决的问题
• 进一步工作及展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书