交互式群组运动控制

发布时间：2018-07-23 18:24

【摘要】：随着计算机图形学技术的发展和计算机硬件计算能力的提高,群组动画制作已广泛应用于影视、娱乐、广告、建筑、工程、美术、教育、游戏等领域。特别是随着社会经济的发展和人们生活水平的日益提高,群组动画技术带来的新奇视觉效果和逼真画面越来越多地被应用于日常媒体中,逐步成为人们生活中重要的组成部分之一。 群组中的智能个体有独立的思维和运动,同时又遵循相关法则。群组通过有组织的聚集体现出整体行为效果。生成栩栩如生的群组,运动控制是其中最关键的部分之一,也是现有模拟技术的难点。工业界对于实时交互操作和大规模场景中加速绘制的需求,对现有的群组动画技术提出了很高的要求。 本文模拟群组的目的是希望模拟的群组在运动过程中形象逼真,并具有用户灵活控制的能力。本文在给予个体自主行为的基础上,提供一种简洁灵活的群组运动控制方法,同时具有实时的交互性和计算速度。本文从两方面着手对群组控制相关方面进行了研究:第一个方向主要模拟三维空间中形状约束下的Flock聚合行为;第二个方向侧重研究行人步行方式的全局混合局部控制。 本文第二章提出了一种基于形状约束的Flock模拟方法。在保证Flock中个体遵守分离、聚合、排列三种基本行为法则的同时,Flock被整体约束以特定的形状沿着用户设计的路线平稳到达目的地。我们引入了Kalman滤波动态跟踪技术,控制整个Flock在一系列外形之间过渡。系统提供控制群组以动态或者静态外形运动的功能,能够生动地模拟自然界的群居生物在运动过程中保持整齐外形的动画特效。 本文第三章和第四章采用了全局控制的框架,模拟二维情景下的大规模人群行走。我们构建了一个覆盖整个模拟区域的速度场,来驱动群组中的个体。在模拟过程中,用户以交互操作的方式修改速度场,快速地改变群组的行走。我们还可以赋予每一组人单独的速度场来模拟由多组行人构成的群组。我们提出了两种生成速度场的方法:第一种方式由用户在模拟区域中散布数据点,经各向异性的径向基函数插值获得速度场。这种方法能够快速地生成速度场。速度场数据具有处处平滑,存储量小,不受分辨率限制的优点。第二种方法将人流类比为水流,通过求解描述二维不可压缩流体的Navier-Stokes方程得到速度场。我们可以通过调节Navier-Stokes方程的参数来修改速度场。由于这种方法符合水流运动的规律,能够较好地表现多股人群交汇、人群蜿蜒的行走等宏观效果。 在群组绘制方面,我们使用LOD的层次结构平衡绘制时间和绘制质量。根据绘制精度的需要和个体距离视点的远近,系统自动地在高层次的几何细节模型和低层次的Impostor图像两者之间进行切换。
[Abstract]:With the development of computer graphics technology and the improvement of computer hardware computing ability, group animation production has been widely used in film and television, entertainment, advertising, architecture, engineering, art, education, games and other fields. Especially with the development of social economy and the improvement of people's living standard, the novel visual effect and realistic picture brought by group animation technology are more and more used in daily media. Gradually become one of the important parts of people's life. The intelligent individuals in the group have independent thinking and movement, and follow the relevant rules at the same time. Groups show overall behavioral effects through organized aggregation. Motion control is one of the most important parts in generating lifelike groups, and it is also a difficult point in existing simulation technology. The demand of real-time interactive operation and rapid rendering in large-scale scene has put forward a high demand for the existing group animation technology in industry. The purpose of this paper is to simulate the group in the process of motion, and has the ability of user flexible control. On the basis of giving individual autonomous behavior, this paper provides a simple and flexible group motion control method with real-time interactivity and computational speed. In this paper, the related aspects of group control are studied from two aspects: the first is to simulate the behavior of Flock aggregation under shape constraint in three-dimensional space, and the second is to study the global hybrid local control of pedestrian walking mode. In the second chapter, a Flock simulation method based on shape constraint is proposed. While ensuring that individuals adhere to the separation, aggregation, and arrangement of the three basic rules of behavior in Flock, the clock is constrained as a whole to reach its destination smoothly along the user-designed route in a particular shape. We introduce the Kalman filter dynamic tracking technique to control the transition of the whole Flock between a series of shapes. The system provides the function of controlling the movement of groups in dynamic or static shape, and can vividly simulate the animation effects of natural colony creatures that maintain neat shapes during the process of movement. In the third and fourth chapters, the framework of global control is used to simulate the large-scale walking in two-dimensional scenarios. We construct a velocity field that covers the entire simulated region to drive individuals in the group. In the simulation process, the user modifies the velocity field in an interactive manner and changes the walking of the group quickly. We can also give each group a separate velocity field to simulate groups of pedestrians. We propose two methods to generate velocity field: first, the velocity field is obtained by means of anisotropic radial basis function interpolation by the user spreading data points in the simulated region. This method can generate velocity field quickly. The velocity field data has the advantages of smooth everywhere, small memory and no resolution limitation. In the second method, the flow of people is compared to the flow of water, and the velocity field is obtained by solving the Navier-Stokes equation which describes the two-dimensional incompressible fluid. We can modify the velocity field by adjusting the parameters of the Navier-Stokes equation. Because this method accords with the law of water flow movement, it can better show the macroscopic effect such as the intersection of multiple streams of people and the meandering walk of people. In group rendering, we use LOD hierarchy to balance rendering time and quality. According to the need of rendering accuracy and the distance between the individual and the view point, the system automatically switches between the high-level geometric detail model and the low-level Impostor image.
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TP391.41

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本文编号：2140240