一種基于生物學規(guī)則的飛蟲群模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及群組動畫技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于生物學規(guī)則的飛蟲群模擬方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著三維軟件技術(shù)的發(fā)展及硬件運算能力的提高，群組動畫作為一個新興的技術(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 拍攝成本的同時真實地再現(xiàn)了壯觀的場面。
[0003] 群組動畫技術(shù)在數(shù)字娛樂需求的推動下得到了不斷發(fā)展和完善。群體的運動模擬 能夠表現(xiàn)出群組運動的同步性和異質(zhì)性，但為了表現(xiàn)出群體中的不同個體又需要處理相當 多的參數(shù)。為了營造視覺上的逼真效果，運動控制是群組動畫模擬中最關(guān)鍵的部分，即如何 定義個體的行為，使得個體保有獨立的運動特性和碰撞避免，同時又組成自然的群體運動。
[0004][0005] 昆蟲是自然界中種類最多的生物群，在計算機圖形學、動畫及虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域。
[0006] 申請公布號為CN103236072A的專利文獻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)，生成最小耗費場C; (3)用戶給定飛蟲個數(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)獲得飛蟲個體在每一時刻的速度值，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。該發(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場來導航飛蟲群的飛行 路徑。
[0007] 然而目前利用飛蟲模擬的方法種類并不豐富，因此，如何高效并逼真地模擬三維 空間中的飛蟲群體是一個重要的研宄課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明提供了一種基于生物學規(guī)則的飛蟲群模擬方法，針對每只飛蟲個體持續(xù)算 出其在群體里受到的作用力，利用該作用力算出個體在每一時刻的期望速度值以及碰撞避 免算法對期望速度值進行校正后得到目標速度值，再利用目標速度值按幀更新所有飛蟲的 最新空間位置，實現(xiàn)飛蟲群模擬，與真實飛蟲的運動軌跡相似度高，具有說服力和真實感。
[0009] 一種基于生物學規(guī)則的飛蟲群模擬方法，包括如下步驟：
[0010] (1)持續(xù)獲取每個飛蟲個體在飛蟲群內(nèi)受到的相互作用力、摩擦力和固有噪聲 力；
[0011] ⑵根據(jù)步驟⑴中得到的相互作用力、摩擦力和固有噪聲力，計算每個飛蟲個體 在每一時刻的期望速度值；
[0012] (3)利用的碰撞避免算法對步驟（2)中計算得到的期望速度值進行校正，得到每 個飛蟲個體在每一時刻的目標速度值；
[0013] (4)根據(jù)步驟⑷中得到的目標速度值，按幀更新所有飛蟲的最新空間位置，模擬 飛蟲群。
[0014] 本發(fā)明通過將相互作用力、摩擦力和固有噪聲力結(jié)合，設(shè)計可以模擬飛蟲群大部 分常見行為的群組算法，從而能夠高效并逼真地模擬自然界中飛蟲群體的常見行為。
[0015] 飛蟲的復(fù)眼結(jié)構(gòu)使得它們能夠迅速地感知周圍環(huán)境中障礙物或者其他飛蟲個體 對自身的影響，從而在短時間內(nèi)調(diào)整自己的飛行速度方向和速度大小，避免與障礙物或其 他個體產(chǎn)生碰撞，參見參考文獻1 ;
[0016] 參考文獻 1:STUMM-TEGETHOFFB. ，DICKEA.:Surfacestructureofthe compoundeyeofvariousdrosophilaspeciesandeyemutantsofdrosophila melanogaster.TheoreticalandAppliedGenetics44,6 (1974)，262-265.
[0017] 優(yōu)選的，步驟（1)中，每個飛蟲個體在飛蟲群內(nèi)受到的相互作用力的計算公式為：
【主權(quán)項】
1. 一種基于生物學規(guī)則的飛蟲群模擬方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 持續(xù)獲取每個飛蟲個體在飛蟲群內(nèi)受到的相互作用力、摩擦力和固有噪聲力； (2) 根據(jù)步驟（1)中得到的相互作用力、摩擦力和固有噪聲力，計算每個飛蟲個體在每 一時刻的期望速度值； (3) 利用的碰撞避免算法對步驟（2)中計算得到的期望速度值進行校正，得到每個飛 蟲個體在每一時刻的目標速度值； (4) 根據(jù)步驟（4)中得到的目標速度值，按帖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所述的基于生物學規(guī)則的飛蟲群模擬方法，其特征在于，步驟（1)中， 每個飛蟲個體在飛蟲群內(nèi)受到的相互作用力的計算公式為：
i，j表示任一不同的飛蟲個體； k= {rep，ali，att}，下標rep表示排斥作用力，下標dli表示跟隨作用力，下標att表 示吸引作用力； Fwm表示飛蟲個體i受到的總的相互作用力； Fi,k表示下標k所代表的相互作用力，即k=r巧時表示排斥作用力Fi,rep，k=ali時 表示跟隨作用力Fi,aii，k=att時表示吸引作用力Fi,a"; Xk> 0,表示各作用力的權(quán)重系數(shù)； Nk表示在飛蟲個體i影響半徑劃分的區(qū)域內(nèi)其他臨近個體的數(shù)目；
其中， rji表示飛蟲個體i和飛蟲個體j之間的距離；ri、rj表示飛蟲個體i、j的位置； 表示飛蟲個體i所在位置指向飛蟲個體j所在位置的單位向量； Vi、Vj表示飛蟲個體i、j的速度； Cyi表示飛蟲個體j和飛蟲個體i速度向量之差的單位向量； gCr")表示分段函數(shù)，當0《rrep時，g(rji) =-1， 當rrep《rrall時，g(rJi) = 0 ; 當擁，g(rw) = 1，其中，rrep表示排斥作用力的作用半徑，r,i康示跟 隨作用力的作用半徑，r。,,表示吸引作用力的作用半徑。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的基于生物學規(guī)則的飛蟲群模擬方法，其特征在于，步驟（1) 中，獲取飛蟲個體在飛蟲群內(nèi)受到的摩擦力的計算公式為： Fi,fric=-y|Vi|Vi； 其中， i表示任一飛蟲個體； 表示飛蟲個體受到的摩擦力； 丫表示摩擦系數(shù)； kl表示飛蟲個體的速度的大??； Vi表示飛蟲個體的速度。
4. 如權(quán)利要求3所述的基于生物學規(guī)則的飛蟲群模擬方法，其特征在于，步驟（1)中， 所述的固有噪聲力為白噪聲、高斯白噪聲、=維化rlin噪聲或化rl噪聲，獲取飛蟲個體在 飛蟲群內(nèi)受到的固有噪聲力的計算公式為： 白噪聲W為S維隨機噪聲，由S個一維隨機噪聲Wi，W2,W3組成，計算公式如下： W= ("1，"2,訊3); Wk=Random(- 5k，5k)，k= 1, 2, 3 ; 其中，5巧任意實數(shù)，Random(-5，5 )函數(shù)返回一個取值范圍在（-5，5 )之間的隨 機數(shù)； 高斯白噪聲G的計算公式如下：
其中， i表示任一飛蟲個體； 入表示強度系數(shù)； 胖1、胖2表不兩個不同的白噪聲； S維化rlin噪聲Ph)的計算公式為；
其中， Pi、P2和P3分別表示其中一個維度的化rlin噪聲； scale和gain為兩個噪聲參數(shù)；scale用于間接控制噪聲的平滑度，gain用于調(diào)整噪 聲的大?。? 化rl噪聲CCti)的計算公式如下； 咐）二▽xP(r〇; 其中， V表示對向量的旋度操作。
5. 如權(quán)利要求4所述的基于生物學規(guī)則的飛蟲群模擬方法，其特征在于，步驟（2)中， 期望速度Vi,puf的計算公式為： 古/,pre/' 二 3/ =Fj加t+Fj,pr。+ 其中， i表示任一飛蟲個體； 表示期望速度Vi,puf的導數(shù)，表示速度的變化率，即加速度； a;表示飛蟲個體的加速度； 表示固有噪聲力； Fi,pr。表示自驅(qū)動力，計算公式為： Fi,pro=Fi,fric+Fi,res； 其中，表示當飛蟲個體感知到環(huán)境中的危險或者感興趣的東西時表現(xiàn)出來的反應(yīng) 作用力。
6.如權(quán)利要求1所述的基于生物學規(guī)則的飛蟲群模擬方法，其特征在于，步驟（3)中， 目標速度Vi,。。,的計算公式為： Vi,act = f E(Vi,町址)； 其中， i表示任一飛蟲個體； fc表示基于RW)s的碰撞避免算法； Vi,puf表示期望速度。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于生物學規(guī)則的飛蟲群模擬方法，其特征在于，包括如下步驟：(1)持續(xù)獲取每個飛蟲個體在飛蟲群內(nèi)受到的相互作用力、摩擦力和固有噪聲力；(2)根據(jù)相互作用力、摩擦力和固有噪聲力，計算每個飛蟲個體在每一時刻的期望速度；(3)利用對期望速度進行校正，得到每個飛蟲個體在每一時刻的目標速度；(4)按幀更新所有飛蟲的最新空間位置，模擬飛蟲群。本發(fā)明通過采用基于生物學規(guī)則的方法來模擬飛蟲群，與真實飛蟲的運動軌跡十分相似，具有說服力和真實感，可以高效并逼真地模擬自然界中飛蟲群體的常見行為。
【IPC分類】G06T13-40
【公開號】CN104851121
【申請?zhí)枴緾N201510221704
【發(fā)明人】王欣捷, 任佳萍, 金小剛
【申請人】浙江大學
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年5月4日