虛擬環(huán)境動態(tài)人群繪制技術(shù)研究.pdf

1、隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們對虛擬場景的復(fù)雜度和真實感的要求越來越高，不僅要生成高度真實的復(fù)雜虛擬環(huán)境，而且用戶要和虛擬環(huán)境進行互動，增強交互性和沉浸感。另一方面，虛擬環(huán)境中人群的仿真對于增強虛擬環(huán)境的真實感和可信性起著不可或缺的作用，但是目前虛擬環(huán)境中大規(guī)模人群實時繪制還不是很常見，最主要的原因是大規(guī)模人群的真實感繪制的計算復(fù)雜度很高。受限于有限的計算機資源，目前主流的游戲、仿真等應(yīng)用中人群的繪制規(guī)模被限定在千人的規(guī)模。
　

2、　 近些年很多研究工作致力于提高動態(tài)人群繪制的效率。為了減少大規(guī)模人群繪制的幾何復(fù)雜度，人群系統(tǒng)普遍基于層次細節(jié)技術(shù)(Level of Detail， LOD)結(jié)合多分辨率的虛擬人模型，其中，基于細分的多分辨率模型表示方法得到廣泛的研究；針對不同的模型表示方法，也出現(xiàn)了多種繪制方法，有幾何繪制方法、基于圖像的繪制方法、點繪制以及混合繪制方法等等；在人群運動建模方面，有基于粒子的方法、基于元胞自動機的方法以及基于流體的方法；對于角色微觀

3、的交互行為，已有各種不同的人工智能的方法滿足相應(yīng)的應(yīng)用需求。盡管已有許多的研究成果，但是大規(guī)模人群動態(tài)繪制的效率問題還是沒有得到很好的解決，嚴重制約了人群仿真的應(yīng)用范圍。
　　 隨著計算機圖形硬件可編程性的提高，使得圖形處理單元(Graphics ProcessUnit， GPU)已經(jīng)不僅僅用于渲染，而開始參與進行各種通用計算。且GPU的并行處理架構(gòu)非常適合于人群相關(guān)的各種并行計算。因此，GPU可編程性的提高為人群繪制規(guī)模的增大

4、、真實感的提高提供了從算法、框架模型等方面的相關(guān)研究提供了新的切入點。
　　 本文在系統(tǒng)總結(jié)和深入分析當前國內(nèi)外虛擬環(huán)境中人群繪制技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，探討了如何在保證真實感前提下，提高大規(guī)模人群繪制效率的問題，并重點研究基于GPU平臺的人群繪制相關(guān)技術(shù)。論文取得主要研究成果如下：
　　 1.基于細分的多分辨率模型表達。研究了插值細分和逼近細分的特點，提出了一種融合插值細分和逼近細分的方法，融合后的插值細分格式具有逼近細分格

5、式生成曲面光順的特點，此方法適合于人群繪制中多分辨率網(wǎng)格的表達。
　　 2.基于動態(tài)Flow Tiles的人群運動規(guī)劃模型。針對宏觀層的人群運動，提出了一種基于動態(tài)Flow Tiles的宏觀人群運動規(guī)劃模型，適用于人群散場等人流方向相對固定的人群運動情況的仿真，解決了Flow Tiles方法中人群運動
　　 路線固定的問題。并充分利用GPU的新特性，對本文的方法進行了優(yōu)化。
　　 3.融合FSM、模糊邏輯與個性化

6、因素的角色行為模型。針對微觀層的人群行為，提出了融合FSM、模糊邏輯與個性化因素的角色交互行為模型。針對特定個體角色的交互和決策行為，使用了有限狀態(tài)機方法和模糊邏輯推理機制進行建模。
　　 4.基于GPU的大規(guī)模人群繪制方法。研究了基于幾何和圖像的混合繪制方法，在保證人群繪制真實感的情況下，提出了一種基于Shader Model4.0的人群混合繪制算法，提高了人群的繪制效率。根據(jù)Shader Model4.0渲染架構(gòu)設(shè)計了基于幾

7、何和圖像的人群混合繪制算法，根據(jù)視點顯示需要，并行、動態(tài)的生成Impostor，均衡了CPU與GPU之間計算負載，極大地提高了大規(guī)模人群繪制效率。
　　 5.基于GPU的群組交互模型。研究了大規(guī)模人群交互技術(shù)，針對大規(guī)模人群仿真中并發(fā)的各種交互計算，提出了一種基于GPU的群組交互模型。此模型將各種交互計算轉(zhuǎn)換為圖形的渲染，以此提高交互計算的效率。并且采用了將多通道交互信息融合為繪制調(diào)用的方法實現(xiàn)了人機交互。此模型完全基于GPU進