[發(fā)明專利]一種物理力和數(shù)據(jù)聯(lián)合驅(qū)動的三維集群行為模擬方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010637118.0
• 申請日: 2020-07-03
• 公開（公告）號: CN112016660A
• 公開（公告）日: 2020-12-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 相偉;姚心然;金小剛
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: G06N3/00
• 分類號: G06N3/00
• 代理公司: 杭州天勤知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

本發(fā)明公開了一種物理力和數(shù)據(jù)聯(lián)合驅(qū)動的三維集群行為模擬方法，包括步驟：(1)數(shù)據(jù)處理，得到三維集群的運動特征參考數(shù)據(jù)集；(2)仿真初始化；(3)實時集群行為仿真，提供通用的仿真框架，將基于力的模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)有機結(jié)合，用不同優(yōu)化函數(shù)建模智能體的不同行為，從真實數(shù)據(jù)中提取集群中個體的運動特征構(gòu)建運動特征參考數(shù)據(jù)集，利用能量最小化的優(yōu)化方式實時地從參考數(shù)據(jù)中估計集群中各智能體的運動狀態(tài)，由此生成高保真的三維空間中運動的集群行為。本發(fā)明提供的三維集群行為模擬方法可以模擬各種各樣的三維集群行為，可以生成高保真的仿真結(jié)果，可控性強，且具有高度可拓展性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及群組動畫技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種物理力和數(shù)據(jù)聯(lián)合驅(qū)動的三維集群行為模擬方法。

背景技術(shù)

現(xiàn)有的集群行為模擬方法大多模擬二維空間中運動的集群，如人群、交通流等，由于二維空間中運動的集群與三維空間中運動的集群間運動動力學(xué)的巨大差異，將二維空間中運動的集群模擬方法應(yīng)用到三維空間中運動的集群模擬(如飛蟲模擬、鳥群模擬等)面臨極大的困難。

現(xiàn)有的模擬三維空間種運動的集群(具有飛行狀態(tài)的集群，如飛蟲、鳥群)的方法主要分為兩類：基于經(jīng)驗的和數(shù)據(jù)驅(qū)動的?；诮?jīng)驗的方法旨在將群體行為抽象為數(shù)學(xué)模型和確定性系統(tǒng)，例如基于力的方法。這種方法的局限性在于，由于其確定性，模擬的軌跡通常過于規(guī)則且缺乏視覺多樣性。數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法往往依賴于真實世界的數(shù)據(jù)，例如使用計算機視覺技術(shù)捕獲群體的3D軌跡進行仿真。但是，由于光學(xué)傳感器的固有局限性(如遮擋)，數(shù)據(jù)捕獲往往在過于簡單的實驗環(huán)境下完成，使得捕獲的數(shù)據(jù)中存在過多的跟蹤錯誤，并只能相對可靠地獲得大量碎片化的軌跡，這給本發(fā)明期望的可產(chǎn)生高保真模擬結(jié)果的通用三維集群模擬方法帶來極大困難，原因在于：首先，不能依靠捕獲的軌跡來提取集群中個體的所有行為；其次，基于簡單數(shù)據(jù)的模型的通用性受到環(huán)境復(fù)雜性和集群規(guī)模的限制。

公開號為CN103236072A的專利說明書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(biāo)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。其中通過利用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(dǎo)航飛蟲群的飛行路徑。

公告號為CN104851121B的專利說明書公開了一種基于生物學(xué)規(guī)則的飛蟲群模擬方法，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(biāo)速度；(4)按幀更新所有飛蟲的最新空間位置，模擬飛蟲群。

發(fā)明內(nèi)容

針對本領(lǐng)域存在的不足之處，本發(fā)明提供了一種力和數(shù)據(jù)聯(lián)合驅(qū)動的三維集群行為模擬方法，將基于力的模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)有機結(jié)合，用不同優(yōu)化函數(shù)建模智能體的不同行為，從真實數(shù)據(jù)中提取集群中個體的運動特征構(gòu)建運動特征參考數(shù)據(jù)集，利用能量最小化的優(yōu)化方式實時地從參考數(shù)據(jù)中估計集群中各智能體的運動狀態(tài)，由此生成高保真的三維空間中運動的集群行為。

一種物理力和數(shù)據(jù)聯(lián)合驅(qū)動的三維集群行為模擬方法，包括步驟：

(1)數(shù)據(jù)處理：

從已有不同種類的三維空間運動集群的軌跡數(shù)據(jù)集中提取運動特征，構(gòu)建運動特征參考數(shù)據(jù)集D＝∪_vd_v，其中，d_v＝[v,a]為所提取的每一項運動特征，包含利用前向差分估計的每條軌跡中智能體在不同時間節(jié)點的運動速度v和加速度a，根據(jù)每項運動特征中的速度大小以從小到大的順序?qū)\動特征參考數(shù)據(jù)集D排序并分組，用于對數(shù)據(jù)集的快速索引；∪代表并集；

(2)仿真初始化：