[發明專利]一種基于噪聲感知的飛蟲群模擬方法

有效

• 申請號: 201310123643.0
• 申請日: 2013-04-10
• 公開（公告）號: CN103236072A
• 公開（公告）日: 2013-08-07
• 發明（設計）人: 王欣捷;金小剛
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G06T13/40
• 分類號: G06T13/40
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發明屬于群組動畫技術領域，尤其涉及一種基于噪聲感知的飛蟲群模擬方法。

背景技術

隨著三維軟件技術的發展及硬件運算能力的提高，群組動畫作為一個新興的技術領域，越來越受人們關注。在娛樂產業中，群組動畫技術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了壯觀的場面。

群組動畫技術在數字娛樂需求的推動下得到了不斷發展和完善。群體的運動模擬能夠表現出群組運動的同步性和異質性，但為了表現出群體中的不同個體又需要處理相當多的參數。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。

公開號為CN101344970A的中國專利文獻公開了一種基于卡爾曼濾波的群組動態跟蹤特效設計方法，包括：用戶輸入群組的個體數量、個體屬性和群組的全局控制參數，實時生成用戶所要求的群組動畫；為群組的每個個體指定虛擬的引導點，將群組運動模擬的過程按照時間離散化，每個時間步長為δt，運動初始時刻為t₀，使用卡爾曼濾波方法計算個體在第任意步n步時刻t₀+δt×n的最優化的引導力，重新調整每個個體的運動參數，實現引導點對個體的引導作用，引導個體向下一個時間步長的目標位置運動，過沖中群組整體的陣形向用戶設定的終止陣形前進，保證群體動態變化的大致陣形和移動過程平穩自然。

公開號為CN100580708C的中國專利文獻公開了一種生成群組動畫的模糊控制方法，該方法包括：用戶輸入群組的個體數量、個體屬性和群組的全局控制參數，實時生成用戶所要求的群組動畫；群組中的個體在矢量場力、綜合場力、引導力和阻止力的作用下再虛擬場景中運動，根據群組個體當前所在位置與個體的目標位置的距離，通過設計權重曲線調整矢量場力、綜合場力、引導力和阻止力四者的權重所占的比例，實現群組的模糊控制過程，保證群組平穩、自然地朝目標位置運動。

昆蟲是自然界中種類最多的生物群，在計算機圖形學、動畫及虛擬現實領域，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究課題。

由于飛蟲個體小，飛行速度快，天生存在不穩定的隨機飛行行為，又容易聚集成具有成千上萬個體的飛蟲群，產生視覺上非常混亂的飛行效果。飛蟲的復眼結構使得它們能夠對周遭環境產生迅速反應，避免自身撞到障礙物或其他飛蟲個體。這些特點導致目前已有的群組模型無法直接地模擬飛蟲群體。

發明內容

本發明提供了一種基于噪聲感知的飛蟲群模擬方法，該方法用兩種宏觀速度場合成的方式來控制飛蟲個體的飛行軌跡，可用于模擬自然界中飛蟲群的遷徙、捕食、趨光性等常見行為。

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，生成目標噪聲場及其旋度場；

所述的噪聲控制參數包括網格密度參數scale和噪聲范圍控制參數gain；目標噪聲場的旋度場可用于模擬飛蟲的固有噪聲運動行為；

（2）用戶給定空間信息和網格參數，生成最小耗費場C；

所述的空間信息包括目標區域goal和空間障礙物信息；所述的網格參數包括網格尺寸gridx、gridy、gridz，單位網格邊長l；

最小耗費場C為標量場，場中每個單元網格中的值代表從該網格到達目標區域所消耗的費用，用于引導飛蟲群的最優飛行路徑；

（3）用戶給定飛蟲個數、飛蟲群的出生區域以及飛蟲的基礎飛行速率s₀，使用和C持續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。

具體地說，步驟（1）包括：

（1.1）根據指定的噪聲控制參數生成噪聲場

所述的噪聲場為三維向量場，每個單元網格中的三維向量都基于三個具有不同隨機種子的Perlin噪聲函數生成，所述的Perlin噪聲函數即由Ken?Perlin發明的自然噪聲生成函數，具有連續性和統計不變性，與自然界中的隨機噪聲有很大差別；噪聲場的大小和范圍由噪聲控制參數決定；噪聲場中某網格點的噪聲向量值如公式(1)所示：