计算机动画的人工生命方法：“人工鱼”的建模和生成

引言 生活在自然界的动物群体是动画创作者面临的“挑战性”难题。为此,我们开发了计算机动画生成的新方法──“人工生命”方法,可以逼真地体现自然生态系统中动物群体的复杂运动和行为,并且可显著地降低动画创作者的劳动强度。 我们的方法是构建“人工动物”,创作自激励的自主智能体,去模拟动物个体的真实外观、运动和行为,及动物群体的社会行为表现模式。用计算机模型描述这些人工动物共有的基本特征──生物力学、运动、感知和行为。 为了证实我们构建的“人工生命”的有效性,我们实现了在虚拟海洋世界栖息着的各式各样的人工鱼…     

群体智能与人工生命

群体智能和人工生命是正在迅速发展的新兴研究领域.它们通过对自然界生命现象的模拟,在不同层次上揭示生命现象和进化规律,为复杂系统的复杂行为建模与仿真提供了新的思路.本文分别对人工生命和群体智能进行了综述,分析了两者的区别与联系,并对人工生命和群体智能的未来发展趋势进行了展望.     

基于嵌入式系统的人工生命动画引擎关键技术研究

传统动画采用关键帧技术,设计出的动画缺乏自主性、情节单一、在一定程度上不能满足用户的需求。因此本文采用基于人工生命的方法,进行动画引擎的设计。考虑到嵌入式系统中硬件性能有限的问题,提出了适应嵌入式系统的人工生命动画新方法,即采用分层算法构建人工生命模型,以提高动画运行速度、运行效率。另外,由于50%的CPU处理时间花费在渲染引擎上面,重点分析了图形渲染中的几个关键技术,并在理论与实践相结合的基础上实现了一个简单的图形渲染引擎。     

敌对群体行为动画的攻击模型建立

研究了敌对群体的行为动画,讨论了行动选择层的策略问题。以对现实世界中动物的行为分析为依据,建立了合理的敌对群体行为的通用攻击模型。在一对多攻击模型中,提出了确立最优攻击目标的策略,在量化方式中考虑了当前距离和极限速率两个因素,讨论了捕猎双方的策略及其在数字世界的实现。在多对多攻击模型中,率先将合群攻击的概念引入群体动画。仿真结果表明,模型能够表现出自主个体的人工智能性并真实地再现敌对群体间的攻击行为。     

具有行为强化学习能力的人工生命进化模型设计

人工生命进化模型设计的关键问题是学习与进化之间的关系,在自主体生存期内的学习过程可以通过不同的遗传方式指导个体行为的进化。该文利用进化算法和人工神经网络的研究方法,设计了两种不同的人工生命自主体的进化模型,模型解决了先天的遗传进化和后天的个体神经系统强化学习的有机结合问题,并且得出结论认为,强化学习有助于自主体适应复杂的外部环境,同时学习也可以直接或间接地使该适应性成为自主体遗传基因上的固定成分。     

基于动机模型的自主性虚拟人行为选择研究

自主性虚拟人的研究是人工生命和计算机动画交叉融合的新领域.但是由于人的心理活动是一个整体的过程,动机、感知等这些参数都是互有联系和影响的,目前的研究仍然只是局部和有限的.借鉴马斯洛理论,基于动机模型框架提出一种简化的抑制和疲劳模型控制的虚拟人自主行为选择机制,实验结果表明,该方法较好地解决了在资源有限的动态虚拟环境中,虚拟人如何在多个相互抑制的行为之间对行为进行仲裁和选择.经实验证明,该研究可以应用于智能交互领域.     

"人工鱼"自学习方法研究

“人工鱼”利用人工生命方法创作计算机动画。为了进一步提高动画角色的自适应能力，该文将人工神经网络方法和基于时间差分方法TD的强化学习相结合，建立了“人工鱼”的自学习模型，控制人工鱼的行为。该实验表明该“人工鱼”自学习系统可以使“人工鱼”成为更加自主和智能的角色。     

数字人工生命模型Autolife的研究与改进

人工生命是一门正在发展的新兴学科,研究了数字人工生命模型Autolife的生命特征,在此基础上,通过增加角色、完善各种角色之间的生存规则,更真实地模拟了自然生存环境和生命特点,为计算机游戏、虚拟现实等计算机动画的应用领域提供了模型参考。     

自主体的创现行为

创现行为是人工生命系统研究的关键目标之一．作为组成人工生命系统的个体，本文研究了自主体创现行为实现的方法．文中以二维平面环境内的自主体为例，探讨了自主体的行为学习和行为选择机制，并给出了创现行为的实验结果．     

基于情绪感染的虚拟个体情绪模型

研究情绪感染对于群体情境中个体情绪变化、行为选择与决策的研究有着十分重要的意义.为了使虚拟个体在群体环境中行为更真实可信,提出以社会心理学基本理论为研究基础,采用群体环境中个体情绪模型的构建方法.依据情绪感染机制的研究成果,从群体环境中人员个性、个体关注度、群体规模三方面反映群体环境中个体情绪的变化过程,提出了个体情绪强度、情绪感染程度及情绪衰减的计算方法.通过仿真分析,表明所提出的模型是合理的,在适用范围上相比较于其它模型更加广泛.     

人工鱼的认知建模方法研究

“人工鱼”利用人工生命方法创作计算机动画。为了进一步提高动画角色的智能水平,将人工智能方法学引入到“人工鱼”系统中,建立认知模型,控制人工动物的行为,使人工动物成为更加自主的和智能的角色。该文介绍了认知建模的概念、特点,给出人工鱼的认知建模方法研究的主要内容和模型结构。     

计算机群体动画中的真实感行为综述

近年来,计算机群体动画在虚拟现实、计算机游戏、在线教育、娱乐和模拟训练等多个领域得到广泛深入的应用。目前群体动画技术中两个关键的研究领域是：1)研究并建立大规模群体运动的仿真模型,即如何实现对群体运动的真实感行为模拟;2）研究群体动画中高质量的可视化效果,即如何将大规模群体运动以三维的方式逼真地展现到虚拟场景中。现在这两个领域的技术研究也得到了一些很好的研究成果。定义了群体运动的概念,并给出了群体动画的引擎框架;对群体运动的真实感行为从其发展历程、模型和关键算法等方面进行了归纳与分析;最后讨论了群体动画真实感行为的发展趋势。     

大规模移动智能群体的建模及联合行为分析

提出一种基于个体局部信息的移动智能群体的模型,该模型的建立仅依靠相互可检测到的个体之间的局部位置信息.在此模型基础上,研究了移动智能群体联合趋向目标行为的稳定性问题.仿真实验表明,基于局部位置信息的群体模型能够实现群体的联合跟踪全局目标的行为,同时对群体的规模具有较强的可扩展性.     

基于遗传算法的NURBS模型群体生成方法

制作群体动画需要使用大量的个体模型.针对如何由一个制作好的模型快速生成多个模型,并且保证各模型之间的外观不完全相同,对NURBS建模方法进行研究,提出基于遗传算法的NURBS模型群体生成方法.该方法首先提取给定NURBS模型的结构线,根据给定的NURBS模型初始化一个种群,并将给定的NURBS模型作为最佳模型,然后利用选择、交叉、变异三种基本操作对种群中每个模型的每条结构线进行放大或缩小调整,对种群进行进化,生成形态各异的NURBS模型的群体,用于群体动画的制作.     

一类改进的Vicsek模型的收敛性能

针对描述群体动态行为的Vicsek模型收敛效率不高的问题,通过对群体网络拓扑关系的研究,提出一种使得群体中所有个体运动方向快速达到一致的新规则,该规则以个体邻域集合内运动方向偏差最大的两个邻居个体的运动方向的中值作为个体下一时刻的运动方向,取代Vicsek模型及其线性化模型的运动方向更新方程.在群体网络的初始位置分布满足拓扑连通的要求的前提下,基于NetLogo仿真平台,对比研究了新规则作用下的改进模型与Vicsek模型及其线性化模型的收敛效率.仿真结果表明,新规则控制下的改进模型达到方向一致的速度明显加快,可有效提高群体动态行为的收敛效率.     

一种用于图像曲线抽取的人工杆菌模型

用于曲线抽取的人工杆菌模型受启发于自然界中普遍存在的真实的杆菌。首先,杆菌直短线状的形状很有利于描述线条;其次,真实的杆菌在繁殖和移动的过程中就会排列成有趣的曲线。人工杆菌模型是基于人工生命理论和真实杆菌群落的、以数字图像的曲线抽殿为目标构建的。人工生命模型的很重要的思想是：生命个体的行为规则很简单,但是群体行为涌现出复杂的自适应的智能特点。本文提出的人工杆菌模型反映了生命世界的并行、动态、鲁棒等特点,具备了从图像中提取曲线的功能。     

大规模智能群体的建模及稳定性分析

提出一种基于个体局部信息的智能群体模型．在此模型基础上,给出了个体的运动控制方程。并基于Lyapunov稳定性理论研究了大规模智能群体动态集聚行为的稳定性．该模型的建立仅依靠相互可检测到的个体之间的局部信息。结合所提出的个体局部控制算法。便能实现群体的稳定全局集聚行为,体现出了较强的适应性、鲁棒性和可扩展性．     

计算机动画的人工生命方法研究——人工鱼的自繁衍模型

该文将人工生命的"自繁衍"特性引入到计算机动画创作中,提出并建立了基于基因控 制的人工鱼的一种自繁衍模型,建立了人工鱼的基因模型,给出了人工鱼的遗传规则.提出并建 立了基于生物学理论的人工鱼的一种生命历程模型,包括形态生长模型和生理发育模型,使人 工鱼具有了更全面的生命特征,为提高人工鱼动画的创作效率和自动化水平打下了基础.     

基于嵌入式系统的人工生命动画引擎关键技术研究

本文提出了基于人工生命的方法,进行动画引擎的设计,是一种理论上的新尝试,将为现有动画引擎设计增添新方法、提供新思路。考虑到嵌入式系统的存储容量问题,将就如何提高动画运行速度、提高动画效率,以及嵌入式系统中软硬件配置、3D场景与动画的无缝连接等方面进行研究。包括嵌入式系统目标平台和开发平台的介绍、选择和搭建,适应嵌入式系统的人工生命动画新方法,以及动画引擎架构设计流程,并重点分析了动画引擎中图形渲染。