交互式群组运动控制

论文摘要

随着计算机图形学技术的发展和计算机硬件计算能力的提高,群组动画制作已广泛应用于影视、娱乐、广告、建筑、工程、美术、教育、游戏等领域。特别是随着社会经济的发展和人们生活水平的日益提高,群组动画技术带来的新奇视觉效果和逼真画面越来越多地被应用于日常媒体中,逐步成为人们生活中重要的组成部分之一。群组中的智能个体有独立的思维和运动,同时又遵循相关法则。群组通过有组织的聚集体现出整体行为效果。生成栩栩如生的群组,运动控制是其中最关键的部分之一,也是现有模拟技术的难点。工业界对于实时交互操作和大规模场景中加速绘制的需求,对现有的群组动画技术提出了很高的要求。本文模拟群组的目的是希望模拟的群组在运动过程中形象逼真,并具有用户灵活控制的能力。本文在给予个体自主行为的基础上,提供一种简洁灵活的群组运动控制方法,同时具有实时的交互性和计算速度。本文从两方面着手对群组控制相关方面进行了研究:第一个方向主要模拟三维空间中形状约束下的Flock聚合行为;第二个方向侧重研究行人步行方式的全局混合局部控制。本文第二章提出了一种基于形状约束的Flock模拟方法。在保证Flock中个体遵守分离、聚合、排列三种基本行为法则的同时,Flock被整体约束以特定的形状沿着用户设计的路线平稳到达目的地。我们引入了Kalman滤波动态跟踪技术,控制整个Flock在一系列外形之间过渡。系统提供控制群组以动态或者静态外形运动的功能,能够生动地模拟自然界的群居生物在运动过程中保持整齐外形的动画特效。本文第三章和第四章采用了全局控制的框架,模拟二维情景下的大规模人群行走。我们构建了一个覆盖整个模拟区域的速度场,来驱动群组中的个体。在模拟过程中,用户以交互操作的方式修改速度场,快速地改变群组的行走。我们还可以赋予每一组人单独的速度场来模拟由多组行人构成的群组。我们提出了两种生成速度场的方法:第一种方式由用户在模拟区域中散布数据点,经各向异性的径向基函数插值获得速度场。这种方法能够快速地生成速度场。速度场数据具有处处平滑,存储量小,不受分辨率限制的优点。第二种方法将人流类比为水流,通过求解描述二维不可压缩流体的Navier-Stokes方程得到速度场。我们可以通过调节Navier-Stokes方程的参数来修改速度场。由于这种方法符合水流运动的规律,能够较好地表现多股人群交汇、人群蜿蜒的行走等宏观效果。在群组绘制方面,我们使用LOD的层次结构平衡绘制时间和绘制质量。根据绘制精度的需要和个体距离视点的远近,系统自动地在高层次的几何细节模型和低层次的Impostor图像两者之间进行切换。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 计算机动画的发展
• 1.2 群组动画
• 1.2.1 群组动画的应用与发展
• 1.2.2 群组动画的研究现状
• 1.3 群组模拟可拓展方向
• 1.4 本文的工作
• 第2章 基于形状约束的Flock动画方法
• 2.1 引言
• 2.2 相关工作
• 2.3 算法框架
• 2.4 形状约束
• 2.4.1 均匀点采样
• 2.4.2 约束点对应
• 2.5 路径约束
• 2.6 基于个体的运动控制
• 2.6.1 自主漫游行为
• 2.6.2 Kalman滤波动态追踪
• 2.6.3 目标引导的运动控制
• 2.7 试验结果与分析
• 2.8 本章小结
• 第3章 基于径向基函数的交互式群组控制方法
• 3.1 引言
• 3.2 相关工作
• 3.2.1 路径规划
• 3.3 速度场求解
• 3.3.1 各向异性的径向基函数
• 3.3.2 交互式操作
• 3.4 群组运动控制
• 3.5 试验结果与分析
• 3.6 小结
• 第4章 基于流体方程的群组驱动技术
• 4.1 引言
• 4.2 相关工作
• 4.2.1 流场驱动的人群
• 4.2.2 基于图像的群组绘制
• 4.3 不可压缩流体的Navier-Stokes方程
• 4.4 速度场驱动的人群
• 4.4.1 数据结构
• 4.4.2 碰撞避免
• 4.4.3 个体速度的计算
• 4.5 大规模群组的实时绘制
• 4.5.1 Impostor绘制技术
• 4.5.2 切换显示层次
• 4.6 实验结果与分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 本文总结
• 5.2 未来工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间主要的研究成果
• 致谢