[发明专利]群体动画运动控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种群体动画运动控制系统及方法，属于自主智能体动画技术领域。

背景技术

群体动画的运动控制方法主要为强调群体性和可控性的自上而下方法和强调个体自主性的自下而上方法两种。自上而下的方法先由动画师确定群体的行为，并由群体行为决定个体的行为。而自下而上的方法中，个体自主地确定运动行为，所有个体的自主运动决定群体性。

目前，群体动画运动控制中可控性的研究往往忽略了自主性要求，难以达到真实的运动模拟效果，对实时交互控制的研究也较少；而对自主性为主的运动控制研究，又缺乏动画师的交互控制，动画师仅能控制群体运动的目标，很难预知群体的运动趋势。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种群体动画运动控制系统及方法，将自主性与可控性的两种群体动画的运动控制方法相结合，在没有动画师干预的情况下，群体可以根据路径规划的结果自主地运动，而当动画师需要对运动进行干预时，则可以实时地改变群体的运动路径和个体运动方向，不用暂停动画就可实现运动控制中的交互操作。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种群体动画运动控制系统，包括场景划分模块、路径规划模块、群体控制模块、个体控制模块、碰撞处理模块、数学运算模块、系统模块和渲染模块，其中，场景划分模块、路径规划模块和群体控制模块顺序连接、碰撞处理模块的输入端、个体控制模块的输入端分别与群体控制模块的输出端连接，碰撞处理模块的输出端、个体控制模块的输出端分别与系统模块的输入端相连接，系统模块和渲染模块顺序连接，数学运算模块分别与群体控制模块和个体控制模块连接。

所述的群体动画运动控制系统的控制方法，包括群体运动控制阶段和个体运动控制阶段，并且这两个控制阶段分别进行，

其中，所述群体运动控制阶段包括以下步骤：

1）场景输入步骤，将三维场景利用平行投影投影到二维运动平面上，并进行二值化，障碍物为黑色，通行部分为白色，并存在图像文件中；

2）场景处理步骤，包括分割步骤、节点存储步骤和邻域查找步骤；

3）路径规划步骤，确定起始点和目标点，用人工智能中的搜索算法搜索群体的运动路径，完成路径规划；

4）运动曲线生成步骤，用分段三次Bezier曲线连接搜索到的路径节点，进行平滑处理；

5）运动曲线编辑步骤，动画师根据需求编辑生成的运动曲线；

其中，所述个体运动控制阶段包括以下步骤：

1）运动分量计算步骤，根据群体的运动路径，确定中心控制点，计算个体运动的引导分量和范围保持分量；

2）运动分量加权叠加步骤，动画师确定引导分量和范围保持分量的权值，并将两分量加权后进行叠加；

3）个体间碰撞检测步骤，采用引力和斥力法实现个体间的碰撞检测；对于每个个体，碰撞处理模块先确定其在引力和斥力的有效范围内的其他个体，计算该个体与其他个体间的距离，并根据该距离计算各自所受的引力或者斥力所产生的速度分量，过于靠近则产生斥力生成相互远离的运动分量，以避免碰撞，反之则产生引力生成相互靠近的运动分量；

4）个体与障碍物碰撞检测步骤，根据上述运动分量计算步骤、运动分量加权叠加步骤和个体间碰撞检测步骤生成的个体速度，碰撞处理模块计算下一帧中每个个体的位置并判断是否与障碍物发生碰撞，若判断某个个体即将发生碰撞，则对该个体执行紧急避障过程；

5）实时控制步骤，动画师确定交互控制的权值，系统模块判断并接受动画师通过键盘输入的控制指令，生成方向分量，进行加权操作后与个体运动控制模块所生成引导分量进行叠加，生成新的引导分量以改变个体的运动。

所述群体运动控制阶段步骤2）场景处理步骤中，

所述的分割步骤，对场景进行四叉树分割，得到场景节点并利用Morton码对场景节点进行编码，从左上开始直到左下按顺时针的方向分别标记位置码，同时将叶节点标示为可通行或障碍物；

所述的节点存储步骤，用Vector容器存储分割步骤中所得到的所有叶节点，包括叶节点的位置编码、所表示的场景区域以及是否通行的信息；

所述的邻域查找步骤，对存储的每个可通行的节点，利用编码转换的方法查找其在场景中东南西北方向上的邻域节点，并存在Vector容器中对应的节点的位置。

所述的个体运动控制阶段的步骤2）中，引导分量和范围保持分量的权值取值范围分别为[0,1]以及[0,1]，并且两者的和必须满足小于等于1。

所述的个体运动控制阶段的步骤3）或者步骤4）中的个体采用圆柱体包围盒。