專利名稱：一種基于噪聲感知的飛蟲群模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于群組動(dòng)畫技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于噪聲感知的飛蟲群模擬方法。
背景技術(shù)：
隨著三維軟件技術(shù)的發(fā)展及硬件運(yùn)算能力的提高，群組動(dòng)畫作為一個(gè)新興的技術(shù)領(lǐng)域，越來越受人們關(guān)注。在娛樂產(chǎn)業(yè)中，群組動(dòng)畫技術(shù)可以模擬成千上萬的角色，在降低拍攝成本的同時(shí)真實(shí)地再現(xiàn)了壯觀的場面。

群組動(dòng)畫技術(shù)在數(shù)字娛樂需求的推動(dòng)下得到了不斷發(fā)展和完善。群體的運(yùn)動(dòng)模擬能夠表現(xiàn)出群組運(yùn)動(dòng)的同步性和異質(zhì)性，但為了表現(xiàn)出群體中的不同個(gè)體又需要處理相當(dāng)多的參數(shù)。為了營造視覺上的逼真效果，運(yùn)動(dòng)控制是群組動(dòng)畫模擬中最關(guān)鍵的部分，即如何定義個(gè)體的行為，使得個(gè)體保有獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)特性和碰撞避免，同時(shí)又組成自然的群體運(yùn)動(dòng)。公開號(hào)為CN101344970A的中國專利文獻(xiàn)公開了一種基于卡爾曼濾波的群組動(dòng)態(tài)跟蹤特效設(shè)計(jì)方法，包括:用戶輸入群組的個(gè)體數(shù)量、個(gè)體屬性和群組的全局控制參數(shù)，實(shí)時(shí)生成用戶所要求的群組動(dòng)畫；為群組的每個(gè)個(gè)體指定虛擬的引導(dǎo)點(diǎn)，將群組運(yùn)動(dòng)模擬的過程按照時(shí)間離散化，每個(gè)時(shí)間步長為δ t，運(yùn)動(dòng)初始時(shí)刻為h，使用卡爾曼濾波方法計(jì)算個(gè)體在第任意步η步時(shí)刻δ tXn的最優(yōu)化的引導(dǎo)力，重新調(diào)整每個(gè)個(gè)體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)點(diǎn)對(duì)個(gè)體的引導(dǎo)作用，引導(dǎo)個(gè)體向下一個(gè)時(shí)間步長的目標(biāo)位置運(yùn)動(dòng)，過沖中群組整體的陣形向用戶設(shè)定的終止陣形前進(jìn)，保證群體動(dòng)態(tài)變化的大致陣形和移動(dòng)過程平穩(wěn)自然。公開號(hào)為CN100580708C的中國專利文獻(xiàn)公開了一種生成群組動(dòng)畫的模糊控制方法，該方法包括:用戶輸入群組的個(gè)體數(shù)量、個(gè)體屬性和群組的全局控制參數(shù)，實(shí)時(shí)生成用戶所要求的群組動(dòng)畫；群組中的個(gè)體在矢量場力、綜合場力、引導(dǎo)力和阻止力的作用下再虛擬場景中運(yùn)動(dòng)，根據(jù)群組個(gè)體當(dāng)前所在位置與個(gè)體的目標(biāo)位置的距離，通過設(shè)計(jì)權(quán)重曲線調(diào)整矢量場力、綜合場力、引導(dǎo)力和阻止力四者的權(quán)重所占的比例，實(shí)現(xiàn)群組的模糊控制過程，保證群組平穩(wěn)、自然地朝目標(biāo)位置運(yùn)動(dòng)。昆蟲是自然界中種類最多的生物群，在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、動(dòng)畫及虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，如何高效并逼真地模擬三維空間中的飛蟲群體是一個(gè)重要的研究課題。由于飛蟲個(gè)體小，飛行速度快，天生存在不穩(wěn)定的隨機(jī)飛行行為，又容易聚集成具有成千上萬個(gè)體的飛蟲群，產(chǎn)生視覺上非?；靵y的飛行效果。飛蟲的復(fù)眼結(jié)構(gòu)使得它們能夠?qū)χ茉猸h(huán)境產(chǎn)生迅速反應(yīng)，避免自身撞到障礙物或其他飛蟲個(gè)體。這些特點(diǎn)導(dǎo)致目前已有的群組模型無法直接地模擬飛蟲群體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種基于噪聲感知的飛蟲群模擬方法，該方法用兩種宏觀速度場合成的方式來控制飛蟲個(gè)體的飛行軌跡，可用于模擬自然界中飛蟲群的遷徙、捕食、趨光性等常見行為。
—種基于噪聲感知的飛蟲群模擬方法,包括:(I)用戶指定噪聲控制參數(shù)，生成目標(biāo)噪聲場兒及其旋度場；所述的噪聲控制參數(shù)包括網(wǎng)格密度參數(shù)scale和噪聲范圍控制參數(shù)gain ;目標(biāo)噪聲場 的旋度場可用于模擬飛蟲的固有噪聲運(yùn)動(dòng)行為；(2)用戶給定空間信息和網(wǎng)格參數(shù)，生成最小耗費(fèi)場C ；所述的空間信息包括目標(biāo)區(qū)域goal和空間障礙物信息；所述的網(wǎng)格參數(shù)包括網(wǎng)格尺寸gridx、gridy、gridz,單位網(wǎng)格邊長I ;最小耗費(fèi)場C為標(biāo)量場，場中每個(gè)單元網(wǎng)格中的值代表從該網(wǎng)格到達(dá)目標(biāo)區(qū)域所消耗的費(fèi)用，用于引導(dǎo)飛蟲群的最優(yōu)飛行路徑；(3)用戶給定飛蟲個(gè)數(shù)、飛蟲群的出生區(qū)域以及飛蟲的基礎(chǔ)飛行速率Stl，使用及和
C持續(xù)獲得飛蟲個(gè)體在每一時(shí)刻的速度值，利用這些速度值按幀更新所有飛蟲的最新^司位置，模擬飛蟲群。具體地說，步驟(I)包括:(1.1)根據(jù)指定的噪聲控制參數(shù)生成噪聲場所述的噪聲場蘆為三維向量場，每個(gè)單元網(wǎng)格中的三維向量都基于三個(gè)具有不同隨機(jī)種子的Perlin噪聲函數(shù)生成,所述的Perlin噪聲函數(shù)即由Ken Perlin發(fā)明的自然噪聲生成函數(shù)，具有連續(xù)性和統(tǒng)計(jì)不變性，與自然界中的隨機(jī)噪聲有很大差別；噪聲場蘆的大
小和范圍由噪聲控制參數(shù)決定；噪聲場蘆中某網(wǎng)格點(diǎn)的噪聲向量值如公式(I)所示:
權(quán)利要求
1.一種基于噪聲感知的飛蟲群模擬方法，其特征在于，包括: (1)用戶指定噪聲控制參數(shù)，生成目標(biāo)噪聲場沒及其旋度場； 所述的噪聲控制參數(shù)包括網(wǎng)格密度參數(shù)scale和噪聲范圍控制參數(shù)gain ； (2)用戶給定空間信息和網(wǎng)格參數(shù)，生成最小耗費(fèi)場C； 所述的空間信息包括目標(biāo)區(qū)域goal和空間障礙物信息；所述的網(wǎng)格參數(shù)包括網(wǎng)格尺寸gridx、gridy、gridz,單位網(wǎng)格邊長I ； (3)用戶給定飛蟲個(gè)數(shù)、飛蟲群的出生區(qū)域以及飛蟲的基礎(chǔ)飛行速率Stl，使用泣和C持續(xù)獲得飛蟲個(gè)體在每一時(shí)刻的速度值，利用這些速度值按幀更新所有飛蟲的最新空間位置，模擬飛蟲群。
2.如權(quán)利要求1所述的飛蟲群模擬方法，其特征在于，步驟(I)包括: (1.1)根據(jù)指定的噪聲控制參數(shù)生成噪聲場盧 (1.2)對(duì)噪聲場#進(jìn)行邊界限制，得到目標(biāo)噪聲場沒； (1.3)對(duì)目標(biāo)噪聲場M進(jìn)行旋度操作，得一具有無散性質(zhì)的旋度場7 X及。
3.如權(quán)利要求2所述的飛蟲群模擬方法，其特征在于，步驟(1.1)中，噪聲場多中某網(wǎng)格點(diǎn)的噪聲向量值為:
4.如權(quán)利要求2所述的飛蟲群模擬方法，其特征在于，步驟(1.2)中，邊界限制的方法為:用戶給出若干光滑邊界，使用邊界法向和坡度函數(shù)α對(duì)噪聲場P進(jìn)行邊界限制，得到目標(biāo)噪聲場見m = aP + (l- a) (η.P)H: 其中，坡度函數(shù)Cl的定義為:
5.如權(quán)利要求1所述的飛蟲群模擬方法，其特征在于，步驟(2)包括: (2.1)根據(jù)用戶給定的目標(biāo)區(qū)域goal,網(wǎng)格尺寸gridx、gridy、gridz,單位網(wǎng)格邊長I,以及空間障礙物信息，生成三維有向距離場Φ ； (2.2)根據(jù)三維有向距離場Φ，求出空間中障礙物對(duì)尋路的影響值g(X)； (2.3)使用Eikonal方程算出最小耗費(fèi)場C。
6.如權(quán)利要求5所述的飛蟲群模擬方法，其特征在于，步驟(2.2)中，g(X)的求解公式為:
7.如權(quán)利要求1所述的飛蟲群模擬方法，其特征在于，步驟(3)包括: (3.1)在第m模擬幀，對(duì)飛蟲群中的個(gè)體i，根據(jù)其當(dāng)前位置信息求出下一時(shí)刻t+Ι的速度值V; (3.2)使用V更新個(gè)體i的空間位置；枚舉所有個(gè)體，重復(fù)步驟(3.1)，直至所有個(gè)體的空間位置更新完成； (3.3)兩兩枚舉同一網(wǎng)格內(nèi)的所有飛蟲，若兩只飛蟲的空間距離小于設(shè)定的閾值，則強(qiáng)制將其分離直至距離大于設(shè)定的閾值； (3.4)使用所有飛蟲的最新空間位置，更新第m幀的模擬飛蟲群；在所有模擬幀上，重復(fù)進(jìn)行(3.1) - (3.3)，直至動(dòng)畫模擬結(jié)束。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于噪聲感知的飛蟲群模擬方法，包括(1)用戶指定噪聲控制參數(shù)，生成目標(biāo)噪聲場及其旋度場；(2)用戶給定空間信息和網(wǎng)格參數(shù)，生成最小耗費(fèi)場C；(3)用戶給定飛蟲個(gè)數(shù)、飛蟲群的出生區(qū)域以及飛蟲的基礎(chǔ)飛行速率s0，使用和C持續(xù)獲得飛蟲個(gè)體在每一時(shí)刻的速度值，利用這些速度值按幀更新所有飛蟲的最新空間位置，模擬飛蟲群。本發(fā)明通過利用Perlin噪聲生成無散噪聲場來控制飛蟲群的噪聲行為，和利用最優(yōu)路徑算法生成空間最小耗費(fèi)場來導(dǎo)航飛蟲群的飛行路徑，從而高效地模擬出逼真的飛蟲群動(dòng)畫。
文檔編號(hào)G06T13/40GK103236072SQ20131012364
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月10日
發(fā)明者王欣捷, 金小剛 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)