【摘要】：隨著計算機圖形學技術的發(fā)展和計算機硬件計算能力的提高,群組動畫制作已廣泛應用于影視、娛樂、廣告、建筑、工程、美術、教育、游戲等領域。特別是隨著社會經濟的發(fā)展和人們生活水平的日益提高,群組動畫技術帶來的新奇視覺效果和逼真畫面越來越多地被應用于日常媒體中,逐步成為人們生活中重要的組成部分之一。 群組中的智能個體有獨立的思維和運動,同時又遵循相關法則。群組通過有組織的聚集體現出整體行為效果。生成栩栩如生的群組,運動控制是其中最關鍵的部分之一,也是現有模擬技術的難點。工業(yè)界對于實時交互操作和大規(guī)模場景中加速繪制的需求,對現有的群組動畫技術提出了很高的要求。 本文模擬群組的目的是希望模擬的群組在運動過程中形象逼真,并具有用戶靈活控制的能力。本文在給予個體自主行為的基礎上,提供一種簡潔靈活的群組運動控制方法,同時具有實時的交互性和計算速度。本文從兩方面著手對群組控制相關方面進行了研究:第一個方向主要模擬三維空間中形狀約束下的Flock聚合行為;第二個方向側重研究行人步行方式的全局混合局部控制。 本文第二章提出了一種基于形狀約束的Flock模擬方法。在保證Flock中個體遵守分離、聚合、排列三種基本行為法則的同時,Flock被整體約束以特定的形狀沿著用戶設計的路線平穩(wěn)到達目的地。我們引入了Kalman濾波動態(tài)跟蹤技術,控制整個Flock在一系列外形之間過渡。系統(tǒng)提供控制群組以動態(tài)或者靜態(tài)外形運動的功能,能夠生動地模擬自然界的群居生物在運動過程中保持整齊外形的動畫特效。 本文第三章和第四章采用了全局控制的框架,模擬二維情景下的大規(guī)模人群行走。我們構建了一個覆蓋整個模擬區(qū)域的速度場,來驅動群組中的個體。在模擬過程中,用戶以交互操作的方式修改速度場,快速地改變群組的行走。我們還可以賦予每一組人單獨的速度場來模擬由多組行人構成的群組。我們提出了兩種生成速度場的方法:第一種方式由用戶在模擬區(qū)域中散布數據點,經各向異性的徑向基函數插值獲得速度場。這種方法能夠快速地生成速度場。速度場數據具有處處平滑,存儲量小,不受分辨率限制的優(yōu)點。第二種方法將人流類比為水流,通過求解描述二維不可壓縮流體的Navier-Stokes方程得到速度場。我們可以通過調節(jié)Navier-Stokes方程的參數來修改速度場。由于這種方法符合水流運動的規(guī)律,能夠較好地表現多股人群交匯、人群蜿蜒的行走等宏觀效果。 在群組繪制方面,我們使用LOD的層次結構平衡繪制時間和繪制質量。根據繪制精度的需要和個體距離視點的遠近,系統(tǒng)自動地在高層次的幾何細節(jié)模型和低層次的Impostor圖像兩者之間進行切換。
[Abstract]:With the development of computer graphics technology and the improvement of computer hardware computing ability, group animation production has been widely used in film and television, entertainment, advertising, architecture, engineering, art, education, games and other fields. Especially with the development of social economy and the improvement of people's living standard, the novel visual effect and realistic picture brought by group animation technology are more and more used in daily media. Gradually become one of the important parts of people's life. The intelligent individuals in the group have independent thinking and movement, and follow the relevant rules at the same time. Groups show overall behavioral effects through organized aggregation. Motion control is one of the most important parts in generating lifelike groups, and it is also a difficult point in existing simulation technology. The demand of real-time interactive operation and rapid rendering in large-scale scene has put forward a high demand for the existing group animation technology in industry. The purpose of this paper is to simulate the group in the process of motion, and has the ability of user flexible control. On the basis of giving individual autonomous behavior, this paper provides a simple and flexible group motion control method with real-time interactivity and computational speed. In this paper, the related aspects of group control are studied from two aspects: the first is to simulate the behavior of Flock aggregation under shape constraint in three-dimensional space, and the second is to study the global hybrid local control of pedestrian walking mode. In the second chapter, a Flock simulation method based on shape constraint is proposed. While ensuring that individuals adhere to the separation, aggregation, and arrangement of the three basic rules of behavior in Flock, the clock is constrained as a whole to reach its destination smoothly along the user-designed route in a particular shape. We introduce the Kalman filter dynamic tracking technique to control the transition of the whole Flock between a series of shapes. The system provides the function of controlling the movement of groups in dynamic or static shape, and can vividly simulate the animation effects of natural colony creatures that maintain neat shapes during the process of movement. In the third and fourth chapters, the framework of global control is used to simulate the large-scale walking in two-dimensional scenarios. We construct a velocity field that covers the entire simulated region to drive individuals in the group. In the simulation process, the user modifies the velocity field in an interactive manner and changes the walking of the group quickly. We can also give each group a separate velocity field to simulate groups of pedestrians. We propose two methods to generate velocity field: first, the velocity field is obtained by means of anisotropic radial basis function interpolation by the user spreading data points in the simulated region. This method can generate velocity field quickly. The velocity field data has the advantages of smooth everywhere, small memory and no resolution limitation. In the second method, the flow of people is compared to the flow of water, and the velocity field is obtained by solving the Navier-Stokes equation which describes the two-dimensional incompressible fluid. We can modify the velocity field by adjusting the parameters of the Navier-Stokes equation. Because this method accords with the law of water flow movement, it can better show the macroscopic effect such as the intersection of multiple streams of people and the meandering walk of people. In group rendering, we use LOD hierarchy to balance rendering time and quality. According to the need of rendering accuracy and the distance between the individual and the view point, the system automatically switches between the high-level geometric detail model and the low-level Impostor image.
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2009
【分類號】：TP391.41

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本文編號：2140240