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1、基于vicrowd模型的大规模人群 仿真技术的研究 背景及研究意义 v随着计算机动画的迅速发展，群体动画的实时仿真技术作为它的一个分支 ，在近年来取得了很大的进步。群体动画技术已广泛应用于电影动漫 、游 戏创作、城市规划、训练系统以及地震、火灾等灾难现场模拟与辅助指挥 中。大规模人群运动仿真，就是研究人群在各种环境、各种情节下的运动 特征与规律，建立大规模人群运动的仿真模型，并在计算机生成的虚拟环 境中采用三维的方式真实地描述大规模人群的运动过程。 v作为一种演示工具，大规模人群仿真技术能够逼真的模拟真实人群的运动 ，如绘制真实的三维游戏场景、模拟公共场所的大量人流，火车站来去匆 匆的大量人群
2、等，提高了虚拟场景的视觉逼真性。此外，要实现该技术， 有两项关键技术必须解决：一是，研究并建立大规模人群行为的仿真模型 ，从而实现对人群行为的模拟；二是，研究大规模人群仿真的可视化技术 ，即如何将大规模人群运动以及三维的方式逼真地展现到虚拟环境中。 ViCrowd模型作为一个非常通用的人群模拟系统的模型，对人群的行为 进行了系统的抽象、划分并定义了人群的不同属性（知识、信念和意图 ）、人群的行为层次和人群的控制层次。 v基于粒子系统的人群运动仿真模型 v基于智能体的模型 v恐慌状态下人群撤离运动仿真模型 vBrogan and Hodgins 模型 v基于场景情节设置和规则描述的人群运 动仿真
3、模型 国内外现状分析 基于粒子系统 的人群运动仿真模型 v继W.T.Reeves于1983将粒子系统引进计算机图形学领域之后，法 Eric Bouvier在此基础上建立了人群运动模型。 粒子 力场 牛顿力学机制 位置 速度 加速度 人群运动的模拟 人粒子 人群粒子系统 粒子集合人（具有相同模式） 场景中 的各种 物体 v事件由一系列参数的函数表示，这些参数包括：目的地、密度、在特定点的停 留、障碍物等。事件的发生可以导致粒子位置的变动或粒子状态的改变。 v为了使粒子的运动更符合人类的特征，获得较为恒定的速度，需要引入摩擦力 参数。同时还可以在系统内设置粘合系数，用来衡量一个人群的凝聚力，从而
4、决定群的聚合和分裂。 v在考虑碰撞避免时， Eric Bouvier采用相对速度和相互距离，通过一定公式计算 碰撞概率，据此调整个体的速度以避免碰撞。 优点 简单、实用；使运动特征明显实现，或比较容易抽象的对人群行为 进行模拟，如地铁站的人流等。 但对一些复杂的、需要较多决策知识的人群行为，还需要在该模型基础上添加 大量工作，如：提供人群行为模式的学习方法、建立决策知识库等。 基于智能体的模型 v该模型是在1986年M.Minsky提出的，基于人的智能既是自 然的产物，也同样是社会发展的产物。他主张把社会的智能 研究应用到人工智能上来，给人工智能的研究带来了新的思 路。 Agent可以认为是功
5、能较简单的个体，智能拥有解决一部分问题的能力。不过，可以 通过依赖群体的相互通信，就可以共同解决一些困难的问题。每个Agent是智能的， 群体体现出来的更智能。所以，并不是把智能体的智能算法作为真正的研究目标， 而是把重点放在智能体的相互作用上，即把多个智能体构成的群体作为代理的主要 研究对象。 v逃离现场速度加快 v开始出现推挤和肢体的相互碰撞 v人群的移动，恐慌，焦急，特别是通过一些狭小的过道时，变得无 序 v来自各个方向的人流涌入出口，出口处聚集很多人 v狭小通道，或者十字路口的堵塞开始形成 v堵塞处，个体间的肢体碰撞加剧，还可能发生踩踏 v由于出现跌倒或受伤的个体，撤离的速度进一步减慢
6、 v个体行为出现从众倾向 v撤离过程中，由于大多数人的恐慌，部分出口被人群忽悠或没有很 好的利用 恐慌状态下人群撤离运动仿真模型 特征 Dirk Helbing建立该模型以粒子系统为基础，着重研究和分析个体的受力情况，计 算移动速度，模拟行为特征，计算人群通过狭隘通道和出口撤离的速度，并计算 可能受伤人数。 人群通过一个通道撤离的模拟 室内场景恐慌状态 室外场景恐慌状态 Brogan and Hodgins 模型 vBrogan and Hodgins 主要针对具有显著物理特征的人群，融合子 系统的一些原理，但在建模过程中更多的实用动力学原理，对人 群的速度、位置、加速度变化进行了更多的考虑和
7、限制，同时也 从物理角度应用动力学原理建立个体运动仿真模型。 基于场景情节设置和规则描述的人群运动仿真模型 v定义一个词汇表 v描述情节 v抽象交互模式 v整合虚/实试验 Yohei Murakami 情节描述 Yohei Murakami等提出的模型也不受场景、情节和人群运动模式的限制，是 一种通用的人群运动建模方法，但在如何学习并建立人群运动规则等方面都 有待完善。 v现在所处的位置 （ 初始点） v打算到什么地方去（ 目标点） v采用什么样的路线（ 无碰撞路线，漫游） Vicrowd 模型 细化 群体仿真技术 路径规划 碰撞避免 1、进一步完善和补充了Vicrowd模型。 2、环境建模，
8、对环境进行空间划分，并在此基础上研究并实现了对环境 三个层次的拓扑抽象，将环境划分为zones层，groups层，cells层。 3、基于环境建模的路径规划算法。 3、基于环境建模的碰撞避免算法。 基于Vicrowd模型的大规模人群行为仿真 对群体进行简单化 设定为个体行为相互作用的结果 模仿群体行为的方法： 要去模拟一个群体，首要条件是需要模拟个体的行为，也可以简化成一部分行 为，这一部分行为必须是能够真实模拟这个群体行为。而为了支持这种对个体进行 控制的结构，还必须模拟个体的部分感知机制和在特定环境中行动的物理模型。 如果个体的模拟具有正确的群体特征，则创造群体就简化成了创造一些个体的 实
9、例，并使它们能相互作用。 关键帧技术 虚拟人运动控制技术 过程动画 运动学技术 细节层次技术 实时虚拟人群可视化 图像渲染技术 点渲染技术 虚拟人群仿真的关键技术 虚拟人群行为模拟 群体行为的模拟不是个体的一个简单的聚集，同一组的成员具有共同的目 标，同时还要满足组中的特体在一定范围的自由运动的条件。 对群体的模拟主要考虑群体的行为以及对群体的控制，在此基础上对群体 行为的抽象以及模拟群体与虚拟环境的交互关系。真实的群体具有交互性的，一 个简单的动作可能会触发一连串的反应，在某种特定的环境中，一个个体的改变 可能会引起群体的改变，比如情绪的传染或者一个细小动作而引发的周围人的一 连串的反应，这
10、是一个简单的脚本程序没办法模拟的。 早在19世纪末集体行为就已经开始研究，但尝试用计算机模型来模拟人群 行为则是在最近才开始的，很多这方面的工作都是在90年代中期和末期开始的 。目前研究来自多个领域要求，如建筑、计算机图形学、物理学、安全科学、机 器人技术学、训练系统和社会学。这些领域都创建了包括人群的模拟。但是，尽 管人群模拟研究的基础范围比较广，但是值得注意得是，学科间的交叉研究的想 法却很少，这是由于某个领域的研究者通常很少关心其他领域所做的工作。 Vicrowd模型概述 v人群（crowd） v团队（group） v个体（agent） v知识（knowledge） v信念（belief
11、s） v意图（intentions） v被引导的（guided） v规划的（programmed） v自治的（autonomous） 层次属性 层次 自由度 （优先级别） 外部控制行为 脚本控制行为 内在行为 Vicrowd 模型的分层结构 人群结构 v本模型将人群划分成不同的结构，团队由个体构成，人群由团队构成。 v团队的行为分为组行为，组行为又被分成个体行为。 v群体的行为包括俩个对立的因素，既要相互靠近又要避免碰撞。 以下的三条规则用来控制群体的行为： 1、碰撞避免规则，群体内的成员不能发生碰撞 2、速度匹配规则，同一组的成员速度要接近 3、群体合群规则，组内成员必须在组半径以内 基于V
12、icrowd 模型的人群 运动仿真 Vicrowd模型的三大属性 v知识 群体障碍 群组行为活动 群组意识 v信念 群体与组行为 （跟随行为、改变目标、吸引行为、排斥、分裂 空间环境适应行为、安全漫游行为） 情感状态 个体信念 v意图 Vicrowd模型不受场景、情节和人群行为模式的限制，是比较通用的 人群运动建模方法。 人群行为规范 v环境信息 如几何环境信息，它能够提供让人群系统避免碰撞的数据，知道特殊的位置 等等。可将此类信息分为两类：目标点、障碍物点。（其中目标点又分为感兴趣 的点，即IP点，和动作点AP点） v群的信息通过组来分配 v组的信息通过个体来分配 IP点关键动作 虚拟环境建
13、模 v虚拟人应对所处的虚拟环境有所认知，比如知道自己所处的区域、周围的建筑物 或者其他虚拟人，这便于它在实现给定的仿真任务时能作出适应环境条件的决策 。 几何 虚拟 环境 拓扑层感知层 路径层 建模虚拟人环境 间智能互换 虚拟人与虚拟环境的交互非常重要，主要包括了感知环境、遍历环境以及环境中 的路径规划等交互行为。其相关工作分为俩方面展开：机器人技术中的环境建模、 计算机动画中的环境建模。 建模 计算机动画 1、空间划分算法，用于检测环境内部的瓶颈； 2、拓扑抽象，在空间划分的基础上进行拓扑抽象； 3、构建高度抽象的环境建模，用于计算环境物体之间的相邻关系； 4、处理交互式遍历的通用算法，包括
14、可见路径的优化与碰撞避免等。 这种虚拟环境建模的方法 能够同时模拟出成千上万的 虚拟人在室内和室外环境中 的活动场景。将虚拟环境的 几何数据提取到一个准确的 多层次的拓扑地图，并在环 境模型的基础上进行路径规 划算法。另外，还能够处理 个体与个体之间的可见性计 算，使得环境结构能够承受 最大人口密度、较为拥挤的 人群中的近距离碰撞策略与 稀疏人群中的远距离碰撞策 略拥有同样的计算代价。 室内遍历仿真效果图 室外遍历仿真效果图 虚拟环境建模 v观察所处区域 利用自身视觉判断当前大体方位以及与周围环境的联通信息。 v感知周围物体 感知实时变化的动态环境（动态障碍物以及虚拟个体）和静态环境（ 虚拟环境中的建筑物、山、树木等）。 v决策自身行为 模拟真实人群的智能思考行为，表现在虚拟人身上，则涉及到环境对 象具体语义的理解，比如行人看到的是固定物体类型到底是可行走区域 还是不可行走区域。 原理 三步走： 1、空间划分 2、拓扑抽象 3、拓扑地图 拓扑抽象cells层 拓扑抽象groups层 拓扑抽象zones层 v路径规划与碰撞策略 路径规划算法A*算法 后续工作
