专利名称：一种基于噪声感知的飞虫群模拟方法
技术领域：
本发明属于群组动画技术领域，尤其涉及一种基于噪声感知的飞虫群模拟方法。
背景技术：
随着三维软件技术的发展及硬件运算能力的提高，群组动画作为一个新兴的技术领域，越来越受人们关注。在娱乐产业中，群组动画技术可以模拟成千上万的角色，在降低拍摄成本的同时真实地再现了壮观的场面。
群组动画技术在数字娱乐需求的推动下得到了不断发展和完善。群体的运动模拟能够表现出群组运动的同步性和异质性，但为了表现出群体中的不同个体又需要处理相当多的参数。为了营造视觉上的逼真效果，运动控制是群组动画模拟中最关键的部分，即如何定义个体的行为，使得个体保有独立的运动特性和碰撞避免，同时又组成自然的群体运动。公开号为CN101344970A的中国专利文献公开了一种基于卡尔曼滤波的群组动态跟踪特效设计方法，包括: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，实时生成用户所要求的群组动画；为群组的每个个体指定虚拟的引导点，将群组运动模拟的过程按照时间离散化，每个时间步长为δ t，运动初始时刻为h，使用卡尔曼滤波方法计算个体在第任意步η步时刻δ tXn的最优化的引导力，重新调整每个个体的运动参数，实现引导点对个体的引导作用，引导个体向下一个时间步长的目标位置运动，过冲中群组整体的阵形向用户设定的终止阵形前进，保证群体动态变化的大致阵形和移动过程平稳自然。公开号为CN100580708C的中国专利文献公开了一种生成群组动画的模糊控制方法，该方法包括: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，实时生成用户所要求的群组动画；群组中的个体在矢量场力、综合场力、引导力和阻止力的作用下再虚拟场景中运动，根据群组个体当前所在位置与个体的目标位置的距离，通过设计权重曲线调整矢量场力、综合场力、引导力和阻止力四者的权重所占的比例，实现群组的模糊控制过程，保证群组平稳、自然地朝目标位置运动。昆虫是自然界中种类最多的生物群，在计算机图形学、动画及虚拟现实领域，如何高效并逼真地模拟三维空间中的飞虫群体是一个重要的研究课题。由于飞虫个体小，飞行速度快，天生存在不稳定的随机飞行行为，又容易聚集成具有成千上万个体的飞虫群，产生视觉上非常混乱的飞行效果。飞虫的复眼结构使得它们能够对周遭环境产生迅速反应，避免自身撞到障碍物或其他飞虫个体。这些特点导致目前已有的群组模型无法直接地模拟飞虫群体。
发明内容
本发明提供了一种基于噪声感知的飞虫群模拟方法，该方法用两种宏观速度场合成的方式来控制飞虫个体的飞行轨迹，可用于模拟自然界中飞虫群的迁徙、捕食、趋光性等常见行为。
—种基于噪声感知的飞虫群模拟方法,包括:(I)用户指定噪声控制参数，生成目标噪声场兒及其旋度场；所述的噪声控制参数包括网格密度参数scale和噪声范围控制参数gain ;目标噪声场 的旋度场可用于模拟飞虫的固有噪声运动行为；(2)用户给定空间信息和网格参数，生成最小耗费场C ；所述的空间信息包括目标区域goal和空间障碍物信息；所述的网格参数包括网格尺寸gridx、gridy、gridz,单位网格边长I ;最小耗费场C为标量场，场中每个单元网格中的值代表从该网格到达目标区域所消耗的费用，用于引导飞虫群的最优飞行路径；(3)用户给定飞虫个数、飞虫群的出生区域以及飞虫的基础飞行速率Stl，使用及和
C持续获得飞虫个体在每一时刻的速度值，利用这些速度值按帧更新所有飞虫的最新^司位置，模拟飞虫群。具体地说，步骤(I)包括:(1.1)根据指定的噪声控制参数生成噪声场所述的噪声场芦为三维向量场，每个单元网格中的三维向量都基于三个具有不同随机种子的Perlin噪声函数生成,所述的Perlin噪声函数即由Ken Perlin发明的自然噪声生成函数，具有连续性和统计不变性，与自然界中的随机噪声有很大差别；噪声场芦的大
小和范围由噪声控制参数决定；噪声场芦中某网格点的噪声向量值如公式(I)所示:
权利要求
1.一种基于噪声感知的飞虫群模拟方法，其特征在于，包括: (1)用户指定噪声控制参数，生成目标噪声场沒及其旋度场； 所述的噪声控制参数包括网格密度参数scale和噪声范围控制参数gain ； (2)用户给定空间信息和网格参数，生成最小耗费场C； 所述的空间信息包括目标区域goal和空间障碍物信息；所述的网格参数包括网格尺寸gridx、gridy、gridz,单位网格边长I ； (3)用户给定飞虫个数、飞虫群的出生区域以及飞虫的基础飞行速率Stl，使用泣和C持续获得飞虫个体在每一时刻的速度值，利用这些速度值按帧更新所有飞虫的最新空间位置，模拟飞虫群。
2.如权利要求1所述的飞虫群模拟方法，其特征在于，步骤(I)包括: (1.1)根据指定的噪声控制参数生成噪声场卢 (1.2)对噪声场#进行边界限制，得到目标噪声场沒； (1.3)对目标噪声场M进行旋度操作，得一具有无散性质的旋度场7 X及。
3.如权利要求2所述的飞虫群模拟方法，其特征在于，步骤(1.1)中，噪声场多中某网格点的噪声向量值为:
4.如权利要求2所述的飞虫群模拟方法，其特征在于，步骤(1.2)中，边界限制的方法为:用户给出若干光滑边界，使用边界法向和坡度函数α对噪声场P进行边界限制，得到目标噪声场見m = aP + (l- a) (η.P)H: 其中，坡度函数Cl的定义为:
5.如权利要求1所述的飞虫群模拟方法，其特征在于，步骤(2)包括: (2.1)根据用户给定的目标区域goal,网格尺寸gridx、gridy、gridz,单位网格边长I,以及空间障碍物信息，生成三维有向距离场Φ ； (2.2)根据三维有向距离场Φ，求出空间中障碍物对寻路的影响值g(X)； (2.3)使用Eikonal方程算出最小耗费场C。
6.如权利要求5所述的飞虫群模拟方法，其特征在于，步骤(2.2)中，g(X)的求解公式为:
7.如权利要求1所述的飞虫群模拟方法，其特征在于，步骤(3)包括: (3.1)在第m模拟帧，对飞虫群中的个体i，根据其当前位置信息求出下一时刻t+Ι的速度值V; (3.2)使用V更新个体i的空间位置；枚举所有个体，重复步骤(3.1)，直至所有个体的空间位置更新完成； (3.3)两两枚举同一网格内的所有飞虫，若两只飞虫的空间距离小于设定的阈值，则强制将其分离直至距离大于设定的阈值； (3.4)使用所有飞虫的最新空间位置，更新第m帧的模拟飞虫群；在所有模拟帧上，重复进行(3.1) - (3.3)，直至动画模拟结束。
全文摘要
本发明公开了一种基于噪声感知的飞虫群模拟方法，包括(1)用户指定噪声控制参数，生成目标噪声场及其旋度场；(2)用户给定空间信息和网格参数，生成最小耗费场C；(3)用户给定飞虫个数、飞虫群的出生区域以及飞虫的基础飞行速率s0，使用和C持续获得飞虫个体在每一时刻的速度值，利用这些速度值按帧更新所有飞虫的最新空间位置，模拟飞虫群。本发明通过利用Perlin噪声生成无散噪声场来控制飞虫群的噪声行为，和利用最优路径算法生成空间最小耗费场来导航飞虫群的飞行路径，从而高效地模拟出逼真的飞虫群动画。
文档编号G06T13/40GK103236072SQ20131012364
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月10日 优先权日2013年4月10日
发明者王欣捷, 金小刚 申请人:浙江大学