群體動畫中行為控制方法研究.pdf

1、自然界中動物群體的集體運(yùn)動非常神奇壯觀，引起人們想要在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)這些群體運(yùn)動的興趣?；陉P(guān)鍵幀技術(shù)的計(jì)算機(jī)動畫首先由動畫師根據(jù)劇情繪制出動畫中的關(guān)鍵畫面，然后由動畫軟件根據(jù)補(bǔ)插規(guī)則將關(guān)鍵畫面之間的一系列畫面生成出來，最終生成動畫。對于傳統(tǒng)的手繪動畫，基于關(guān)鍵幀技術(shù)的計(jì)算機(jī)動畫無疑是個(gè)進(jìn)步，但是它仍然存在一些缺陷，如需要消耗動畫師大量的勞動，動畫角色的行為缺乏自主性等等。群體動畫的出現(xiàn)將計(jì)算機(jī)動畫帶到一個(gè)新的高度。
　　群體動畫不

2、僅要求群體整體的運(yùn)動協(xié)調(diào)一致，而且要求每個(gè)個(gè)體的運(yùn)動也具有獨(dú)特性，因此為滿足這個(gè)要求需要對每個(gè)個(gè)體的運(yùn)動行為進(jìn)行控制。目前主要有自主行為控制方法和引導(dǎo)行為控制方法，自主行為控制方法主要通過控制個(gè)體的運(yùn)動行為來控制群體整體的行為，而引導(dǎo)行為控制方法由用戶控制群體的宏觀運(yùn)動行為，個(gè)體的行為在群體整體行為的引導(dǎo)下產(chǎn)生。
　　計(jì)算機(jī)動畫的人工生命方法是一種自主行為控制方法，該方法很好地克服了基于關(guān)鍵幀技術(shù)的計(jì)算機(jī)動畫制作方法存在的不足。但

3、是該方法需要為動畫角色構(gòu)建生物力學(xué)模型，而構(gòu)建生物力學(xué)模型不僅難度高而且運(yùn)行時(shí)計(jì)算量大，因此該方法雖然可以使動畫角色的行為具有很高的自主性，制作出生動逼真的動畫，但是制作過程比較復(fù)雜。
　　微粒群優(yōu)化算法是根據(jù)鳥類的群體行為設(shè)計(jì)出的一種群體智能算法，主要用于求解優(yōu)化問題。微粒群中的每個(gè)微粒從初始解開始，在最優(yōu)解的引導(dǎo)下能夠找到很多的可能解，將微?？醋鬟\(yùn)動個(gè)體，將可能解看作運(yùn)動空間中的可行位置，那么微粒群優(yōu)化算法可以用于為群體運(yùn)動中

4、的個(gè)體生成運(yùn)動路徑。因?yàn)槲⒘Ｈ簝?yōu)化算法容易實(shí)現(xiàn)并且計(jì)算速度快，所以用它控制群體的整體運(yùn)動生成個(gè)體的運(yùn)動路徑來制作群體動畫比較簡單。但是微粒群優(yōu)化算法中的微粒被看作是沒有質(zhì)量沒有體積的點(diǎn)，因此在將微粒換成有一定形狀大小的個(gè)體時(shí)個(gè)體之間難免會發(fā)生碰撞。
　　針對以上兩種行為控制方法存在的問題，本文對群體動畫中的行為控制方法進(jìn)行研究，將自主行為和引導(dǎo)行為結(jié)合起來，提出一種混合行為控制方法。該方法在標(biāo)準(zhǔn)微粒群優(yōu)化算法的基礎(chǔ)上加入碰撞檢測機(jī)

5、制以及碰撞避免措施，通過微粒群優(yōu)化算法控制群體的宏觀運(yùn)動行為引導(dǎo)產(chǎn)生個(gè)體的運(yùn)動行為，同時(shí)在碰撞檢測機(jī)制和碰撞避免措施的作用下，每個(gè)個(gè)體能夠自動地避開環(huán)境中的障礙物以及其它運(yùn)動個(gè)體，具有一定的自主性，所以該方法不僅實(shí)現(xiàn)起來簡單而且還能使個(gè)體的運(yùn)動自然逼真。
　　一般的碰撞檢測方法有時(shí)會出現(xiàn)個(gè)體穿透障礙物的現(xiàn)象，因此本文提出加入穿透檢測的碰撞檢測方法。一般的碰撞避免方法存在個(gè)體轉(zhuǎn)向過大的問題，因此本文提出沿切線方向運(yùn)動的碰撞避免方法。

6、并且本文設(shè)計(jì)出群聚算法和跟隨領(lǐng)導(dǎo)者算法兩種具體的混合行為控制算法，在ACIS和HOOPS平臺上用C++編程實(shí)現(xiàn)對這兩種行為控制算法的模擬，并將模擬效果中較好的場景數(shù)據(jù)和路徑數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。為快速制作出大量的角色模型用于群體動畫中，本文提出基于遺傳算法的NURBS模型群體生成方法，由一個(gè)已做好的NURBS模型快速生成一群外觀類似但不完全相同的模型。最后利用生成的角色模型以及保存好的場景數(shù)據(jù)和路徑數(shù)據(jù)，在Maya中制作出群聚動畫和跟隨領(lǐng)導(dǎo)者動