[发明专利]一种基于径向基函数的群组运动控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用户交互实时操纵大规模人群行走的计算机仿真系统，尤其涉及一种基于径向基函数的群组运动控制方法。

背景技术

随着计算机图形学和三维动画技术的深入研究，影视作品中使用三维特效的例子已经屡见不鲜。然而影片中浩浩荡荡的群体场面制作起来并不容易：既不能使用传统的拍摄方法，也不能利用一般的关键帧动画技术。如果使用传统的拍摄方法，摄像机视角和脚架是最大的局限；而使用传统的关键帧技术和角色动画技术，不仅动画师需要付出极大的劳动，群体动画所要求的个体运动的独特性以及群体的协调性也不一定能保证。因此，研究学者提出了计算机模拟的群组动画技术来解决这些传统技术不能解决的问题。除了影视方面，群组动画在游戏和研究模拟等领域都有应用。

此外，在模拟中实时交互地指定群体的漫游路径经常是群组模拟中的一个必要的操作。设想在电影后期制作中，如果艺术家可以交互地引导群组，他就可以及时地调整模拟过程，而不必等每次模拟完成后才发现问题而调整初始参数重新来过。然而目前大多数的群组模拟机制采用的是前摄策略，即用户需要在模拟开始就做好所有参数的初始化，接着把控制全部交出，由动画系统完成剩余的模拟工作。这表示：要调整参数就必须修改初始参数并将模拟从头再来过。这样如果调整比较频繁就会耗费很多时间。目前很少有文献完全致力于群组动画的交互方面。最重要的一个恐怕就是Crowd Brush(B.Ulicny，P.D.Ciechomski，D.Thalmann.Crowdbrush：Interactive authoring of real-time crowd scenes.Proceedings of the 2004 ACMSiggraph/Eurographics Symposium on Computer Animation(SCA’04)，2004，243-252)了。它是一个里程碑，但是它包含了太多的图形界面元素，当模拟的场景非常庞大时，这些图形元素很可能会是一个累赘——它们将会非常耗费系统资源。

发明内容

本发明提出了一种用于实时交互的群组动画的运动控制方法。这里，采用速度矢量场作为主要运动控制因子，这种矢量场控制具有生成迅速快捷并支持实时交互修改的特点。

一种基于径向基函数的群组运动控制方法，该方法包括以下步骤：

(1)用户输入群组的个体数量、个体属性和群组的全局控制参数，实时地生成用户所要求的群组动画；

群组的个体属性包括个体的质量、邻居半径、初始速度、最大速度、最大加速度、碰撞避免的半径、视域范围、最大驱动力、起始位置和目标位置，其中碰撞避免的半径作为个体间避免碰撞的检测范围；

群组的全局控制参数包括群组动画模拟开始时刻的整个群组所处的起始位置、终止时刻所要到达的目标位置。

在动画模拟的过程中群组中的每个个体被当作一个质点来处理；他们具有相似的个体属性，包括质量M、最大速度V_max、最大加速度a_max、最大驱动力F_max、碰撞避免的半径r，视域范围、初始速度和邻居半径。

(2)用户通过鼠标点击拖动等操作，在屏幕上指定一系列控制点，并同时给定控制点对应的速度值，代表群组个体运动到该点时的需要遵从的引导速度。

(3)对用户输入的散乱的控制点采用径向基函数插值的方法生成运动区域表达群组个体运动速度的矢量场，群组个体根据矢量场查询当前位置的速度值，作为群组个体运动的引导分量；

矢量场作为主要的群体运动控制手段指导群体的运动方向，相比现有技术常用的自下而上或者自上而下的群组运动控制方法，我们采取的策略是以自上而下为基础，辅之以自下而上的控制因子，藉此来获得控制强度和自由度的平衡。

(4)群组中每个个体的行走规律由引导行为分量和自主行为分量两部分组成。将群组运动模拟的过程按照时间离散化，分成若干个步长，每个步长时间为δt，每个时间步长群组个体从矢量场中查找引导行为分量，并在引导行为分量和自主行为分量的共同作用下重新计算前进的速度，更新当前的位置状态，朝下一个时间步长的位置运动，同时用户能自主的调节引导行为分量和自主行为分量的比例。