虛擬環(huán)境動(dòng)態(tài)人群繪制技術(shù)研究.pdf

1、隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)虛擬場(chǎng)景的復(fù)雜度和真實(shí)感的要求越來(lái)越高，不僅要生成高度真實(shí)的復(fù)雜虛擬環(huán)境，而且用戶要和虛擬環(huán)境進(jìn)行互動(dòng)，增強(qiáng)交互性和沉浸感。另一方面，虛擬環(huán)境中人群的仿真對(duì)于增強(qiáng)虛擬環(huán)境的真實(shí)感和可信性起著不可或缺的作用，但是目前虛擬環(huán)境中大規(guī)模人群實(shí)時(shí)繪制還不是很常見(jiàn)，最主要的原因是大規(guī)模人群的真實(shí)感繪制的計(jì)算復(fù)雜度很高。受限于有限的計(jì)算機(jī)資源，目前主流的游戲、仿真等應(yīng)用中人群的繪制規(guī)模被限定在千人的規(guī)模。
　

2、　 近些年很多研究工作致力于提高動(dòng)態(tài)人群繪制的效率。為了減少大規(guī)模人群繪制的幾何復(fù)雜度，人群系統(tǒng)普遍基于層次細(xì)節(jié)技術(shù)(Level of Detail， LOD)結(jié)合多分辨率的虛擬人模型，其中，基于細(xì)分的多分辨率模型表示方法得到廣泛的研究；針對(duì)不同的模型表示方法，也出現(xiàn)了多種繪制方法，有幾何繪制方法、基于圖像的繪制方法、點(diǎn)繪制以及混合繪制方法等等；在人群運(yùn)動(dòng)建模方面，有基于粒子的方法、基于元胞自動(dòng)機(jī)的方法以及基于流體的方法；對(duì)于角色微觀

3、的交互行為，已有各種不同的人工智能的方法滿足相應(yīng)的應(yīng)用需求。盡管已有許多的研究成果，但是大規(guī)模人群動(dòng)態(tài)繪制的效率問(wèn)題還是沒(méi)有得到很好的解決，嚴(yán)重制約了人群仿真的應(yīng)用范圍。
　　 隨著計(jì)算機(jī)圖形硬件可編程性的提高，使得圖形處理單元(Graphics ProcessUnit， GPU)已經(jīng)不僅僅用于渲染，而開(kāi)始參與進(jìn)行各種通用計(jì)算。且GPU的并行處理架構(gòu)非常適合于人群相關(guān)的各種并行計(jì)算。因此，GPU可編程性的提高為人群繪制規(guī)模的增大

4、、真實(shí)感的提高提供了從算法、框架模型等方面的相關(guān)研究提供了新的切入點(diǎn)。
　　 本文在系統(tǒng)總結(jié)和深入分析當(dāng)前國(guó)內(nèi)外虛擬環(huán)境中人群繪制技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，探討了如何在保證真實(shí)感前提下，提高大規(guī)模人群繪制效率的問(wèn)題，并重點(diǎn)研究基于GPU平臺(tái)的人群繪制相關(guān)技術(shù)。論文取得主要研究成果如下：
　　 1.基于細(xì)分的多分辨率模型表達(dá)。研究了插值細(xì)分和逼近細(xì)分的特點(diǎn)，提出了一種融合插值細(xì)分和逼近細(xì)分的方法，融合后的插值細(xì)分格式具有逼近細(xì)分格

5、式生成曲面光順的特點(diǎn)，此方法適合于人群繪制中多分辨率網(wǎng)格的表達(dá)。
　　 2.基于動(dòng)態(tài)Flow Tiles的人群運(yùn)動(dòng)規(guī)劃模型。針對(duì)宏觀層的人群運(yùn)動(dòng)，提出了一種基于動(dòng)態(tài)Flow Tiles的宏觀人群運(yùn)動(dòng)規(guī)劃模型，適用于人群散場(chǎng)等人流方向相對(duì)固定的人群運(yùn)動(dòng)情況的仿真，解決了Flow Tiles方法中人群運(yùn)動(dòng)
　　 路線固定的問(wèn)題。并充分利用GPU的新特性，對(duì)本文的方法進(jìn)行了優(yōu)化。
　　 3.融合FSM、模糊邏輯與個(gè)性化

6、因素的角色行為模型。針對(duì)微觀層的人群行為，提出了融合FSM、模糊邏輯與個(gè)性化因素的角色交互行為模型。針對(duì)特定個(gè)體角色的交互和決策行為，使用了有限狀態(tài)機(jī)方法和模糊邏輯推理機(jī)制進(jìn)行建模。
　　 4.基于GPU的大規(guī)模人群繪制方法。研究了基于幾何和圖像的混合繪制方法，在保證人群繪制真實(shí)感的情況下，提出了一種基于Shader Model4.0的人群混合繪制算法，提高了人群的繪制效率。根據(jù)Shader Model4.0渲染架構(gòu)設(shè)計(jì)了基于幾

7、何和圖像的人群混合繪制算法，根據(jù)視點(diǎn)顯示需要，并行、動(dòng)態(tài)的生成Impostor，均衡了CPU與GPU之間計(jì)算負(fù)載，極大地提高了大規(guī)模人群繪制效率。
　　 5.基于GPU的群組交互模型。研究了大規(guī)模人群交互技術(shù)，針對(duì)大規(guī)模人群仿真中并發(fā)的各種交互計(jì)算，提出了一種基于GPU的群組交互模型。此模型將各種交互計(jì)算轉(zhuǎn)換為圖形的渲染，以此提高交互計(jì)算的效率。并且采用了將多通道交互信息融合為繪制調(diào)用的方法實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互。此模型完全基于GPU進(jìn)