專利名稱：一種基于非均勻場的群體模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及群體模擬方法，特別是一種基于場的群體模擬。
背景技術(shù)：
隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)和計算機圖形技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，虛擬個體及虛擬群體模 擬被廣泛應(yīng)用在安全預(yù)演、影視特技、動畫生成及虛擬世界構(gòu)建等諸多領(lǐng)域，在近年來成為 了 一個倍受研究者們關(guān)注的主題。在虛擬個體及虛擬群體模擬研究的各個方面，動態(tài)實體的避障實現(xiàn)是保證模擬結(jié) 果真實性的一個關(guān)鍵因素。其中，動態(tài)實體是指可以在模擬環(huán)境中運動的虛擬實體，包括虛 擬個體和可運動的環(huán)境實體。為了實現(xiàn)動態(tài)實體間以及動態(tài)實體和靜態(tài)環(huán)境實體間的碰撞 避免，并杜絕穿透，人們結(jié)合各種模擬模型，提出了大量避障方法。然而在模擬中，由于避障 的實現(xiàn)涉及到環(huán)境信息的提取和利用、行為決策的制定和實施、路徑的選擇和規(guī)劃、具體運 動的控制和實現(xiàn)以及模擬結(jié)果可視化等諸多方面，對研究者們提出了嚴(yán)峻的考驗。其中最 關(guān)鍵的挑戰(zhàn)在于如何最大程度地減少由于避障需求而帶來的動態(tài)實體行為模擬上的空間 限制和失真。現(xiàn)有技術(shù)中一類常用的避障方法是使用斥力來實現(xiàn)動態(tài)實體的避障。這類方 法首先在動態(tài)實體和動態(tài)實體之間以及動態(tài)實體和靜態(tài)實體之間設(shè)置一定的斥力產(chǎn)生方 式然后，在動態(tài)實體運動的過程中，將其受到的各種斥力通過一定的方式疊加起來得到一 個斥力的合力；最后，將斥力的合力同動態(tài)實體受到的其它類型的力一起通過牛頓力學(xué)公 式改變動態(tài)實體的位置。這種方法可以生成流暢的運動軌跡，但難以避免動態(tài)實體之間，動 態(tài)實體和靜態(tài)實體之間的穿透發(fā)生，尤其是在動態(tài)實體比較多，速度比較大的情況下。目前產(chǎn)生斥力的方法多是采用勢能場的方案。其讓每一個實體都具有一定的勢能 場，當(dāng)兩個實體接近的時候相互排斥。但是當(dāng)大量人員統(tǒng)一向一個方法運動時，人與人之間 的這種斥力使得同向人之間無法接近，這與實際并不相符。對于不同的移動實體，如果都采 用相同的勢能場會出現(xiàn)很多與實際不相符的錯誤。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，為了解決上述問題本發(fā)明的目的在于提供一種基于場的群體模擬方法。為了達到上述目的，本發(fā)明提供一種基于場的群體模擬方法，其包括以下步驟獲 得移動實體的運動方向；以所述運動方向所在區(qū)域為最大勢能區(qū)域，以所述運動方向相反 的方向所在區(qū)域為最小勢能區(qū)域，在所述移動實體周圍分布勢能場；計算所述移動實體與 其他實體之間的作用力的合力；根據(jù)所述作用力的合力改變移動實體的運動方向。優(yōu)選地，所述方法還涉及固定實體，固定實體在其周圍具有固定分布的靜態(tài)勢能 場，所述方法進一步包括根據(jù)虛擬環(huán)境中的出口以及固定實體，計算靜態(tài)勢能場；移動實 體根據(jù)靜態(tài)勢能場受力發(fā)生運動。優(yōu)選地，所述移動實體周圍分布勢能場為在以運動方向相反的方向所在一定角度
3區(qū)域內(nèi)勢能為0。優(yōu)選地，所述移動實體在所述運動方向周圍一定角度內(nèi)范圍具有固定分布的勢能 場。優(yōu)選地，所述移動實體周圍分布的勢能場符合以下公式
-C2IlP-PiII2
C1 e
fi(p) = Cie-^WP-PiW2
當(dāng)M = O時 當(dāng)P = Pi時
當(dāng) COS-當(dāng) cos"
^ Vj-(P-Pi) \ JIviII-IIp-PiII^
/ Vi-(P-Pi)-
MIviII-IlP-Pill·
α
< π--H
a
2 π—乏時其中，C1與C2為常數(shù)，Vi為移動實體i的速度，Pi為移動實體i所在的位置，α為 在移動實體i速度Vi相反的方向上的一個夾角。優(yōu)選地，所述勢能場越靠近實體勢能越大，越遠離實體勢能越小。本發(fā)明使移動實體在運動方向的反方向上減少勢能場，以形成排隊跟隨或交叉相 錯的效果，更加逼近實際效果。


圖1是本發(fā)明一個具體實施例中的方法流程圖；圖2是本發(fā)明一個具體實施例中移動實體i在點ρ的勢能場分布示意圖。
具體實施例方式有試驗證明，當(dāng)兩隊人面對面并排前進時，在交叉的時候相互之間總會錯開，這也 說明兩個正面相對交叉的人會自覺的“見縫插針”的“對穿”現(xiàn)象(lane formation) 0而如 果按照現(xiàn)有技術(shù)中將每一個人周圍按照類似僅有一個電荷形成的電場分布，去設(shè)定每一個 人周圍的勢能場，將會產(chǎn)生雙方誰也過不去且最終擠在一起的情況。采用計算機進行實體的行為模擬一般先設(shè)定實體的初始位置和目標(biāo)位置。以初始 位置為勢能最高點，目標(biāo)位置為使能最低點，這樣在沒有任何障礙物或者人員的情況下，實 體總會沿著梯度最小的方向移動到目標(biāo)位置。由于障礙物和其他移動實體的存在，實體總 會要躲避以免發(fā)生碰撞。在實體行進方向相反的方向上是實體是最不可能出現(xiàn)的位置。因 此這里就像流體力學(xué)中的漩渦區(qū)一樣，在實體行進后側(cè)產(chǎn)生真空，這樣可以讓后面的實體 跟進。也就是“湍流現(xiàn)象”?；谶@樣的思想，請參看圖1所示，本發(fā)明提供了一種基于非均勻場的群體模擬 方法，其包括以下步驟步驟101，根據(jù)虛擬環(huán)境中的出口以及固定實體，計算靜態(tài)勢能場。步驟102，移動實體根據(jù)靜態(tài)勢能場受力發(fā)生運動。步驟103，獲得移動實體的運動方向。所述移動實體的運動方向由場景內(nèi)所有勢能場疊加生成。如前文描述，場景內(nèi)所有的實體都具有一定的勢能場，固定實體在其周圍具有固定分布的靜態(tài)勢能場。由于所有 勢能場均有靠近實體增大勢能場且遠離實體減少勢能的特點，因此相距很遠的實體之間的 勢能影響非常微小，而相距很近的實體之間勢能影響非常大。根據(jù)勢能疊加的最終結(jié)果就 可以獲得移動實體的最終運動方向。所述移動實體可以為人，也可以為汽車、動物等實體。步驟104，以所述運動方向所在區(qū)域為最大勢能區(qū)域，以所述運動方向相反的方向 所在區(qū)域為最小勢能區(qū)域，在所述移動實體周圍分布勢能場。在環(huán)境中某一點勢能場的函數(shù)包括了固定實體的靜態(tài)勢能場和移動實體的動態(tài)
勢能場，其可以用以下函數(shù)表示
ηh(p) =flip)
i=0其中ρ為環(huán)境中的某點，h(p)為勢能場函數(shù)，g(p)為環(huán)境勢能場，fi(p)為移動實 體i的勢能場函數(shù)。參看圖2所示，假設(shè)移動實體i的速度為Vi,位置為Pi,在移動實體i速度Vi相反 的方向上，存在一個夾角為α的區(qū)域(如圖2中的陰影區(qū)域)，該區(qū)域內(nèi)由于移動實體i導(dǎo) 致的勢能場(或不舒適度)遠低于其他區(qū)域。在該區(qū)域內(nèi)的其他移動實體將傾向于跟隨移 動實體i。在一個具體的實施例中，所述移動實體在所述運動方向周圍一定角度內(nèi)范圍具有 固定分布的勢能場，在以運動方向相反的方向所在一定角度α區(qū)域內(nèi)勢能為0。移動實體 i在點P的勢能場函數(shù)定義如下
^ie-C2IlP-PiII2,當(dāng)IIviII = 0 時
0,當(dāng)ρ =爐￡時
hip) = Icie-C2IlP-PiII2 當(dāng)cos-1!" (P ~Pt) ^ < /τ 一二時 Y1‘白 MbiMlP-PiII^ 2 叮
0^ cos"1 ( Vr(P"Pf) )>π-二時
I'3 MbiMlP-PiII/- 2hj其中，C1與C2為常數(shù)，Vi為移動實體i的速度，Pi為移動實體i所在的位置，α為 在移動實體i速度Vi相反的方向上的一個夾角。當(dāng)然，移動實體的勢 場分布不局限于上述實施例中，只要是能具有步驟102中 涉及的“以所述運動方向所在區(qū)域為最大勢能區(qū)域，以所述運動方向相反的方向所在區(qū)域 為最小勢能區(qū)域”，其包括從運動方向到運動反方向呈遞減分布，或者在運動方向反方向一 定夾角內(nèi)勢能場為一常數(shù)等分布方式均應(yīng)該落入本專利的保護范圍。步驟105，計算所述移動實體與其他實體之間的作用力的合力。所述作用力的計算方法可以針對每一個實體與所述移動實體之間的勢能場計算 單獨的作用力再計算合力，也可以計算所有實體與所述移動實體之間的勢能場疊加的總和 后計算合力。步驟106，根據(jù)所述作用力的合力改變移動實體的運動方向。
本發(fā)明采用對移動實體布置非均勻場的方法，使得模擬結(jié)果與真實人群運動的情 況類似，尤其當(dāng)多組人群對沖時，能夠準(zhǔn)確的模擬“湍流”和“對穿”現(xiàn)象。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種基于非均勻場的群體模擬方法，其包括以下步驟獲得移動實體的運動方向；以所述運動方向所在區(qū)域為最大勢能區(qū)域，以所述運動方向相反的方向所在區(qū)域為最小勢能區(qū)域，在所述移動實體周圍分布勢能場；計算所述移動實體與其他實體之間的作用力的合力；根據(jù)所述作用力的合力改變移動實體的運動方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還涉及固定實體，固定實體在其 周圍具有固定分布的靜態(tài)勢能場，所述方法進一步包括根據(jù)虛擬環(huán)境中的出口以及固定實體，計算靜態(tài)勢能場；移動實體根據(jù)靜態(tài)勢能場受力發(fā)生運動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述移動實體周圍分布勢能場為在以運 動方向相反的方向所在一定角度區(qū)域內(nèi)勢能為0。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述移動實體在所述運動方向周圍一定 角度內(nèi)范圍具有固定分布的勢能場。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述移動實體周圍分布的勢能場符合 以下公式
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，所述勢能場越靠近實體勢能越大， 越遠離實體勢能越小。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于非均勻場的群體模擬方法，其包括以下步驟獲得移動實體的運動方向；以所述運動方向所在區(qū)域為最大勢能區(qū)域，以所述運動方向相反的方向所在區(qū)域為最小勢能區(qū)域，在所述移動實體周圍分布勢能場；計算所述移動實體與其他實體之間的作用力的合力；根據(jù)所述作用力的合力改變移動實體的運動方向。
文檔編號G06T19/20GK101950432SQ201010279460
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月10日
發(fā)明者于勇, 張政, 肖峰 申請人:北京水晶石數(shù)字科技有限公司