CN104008562A - 一种面向用户规划的虚拟人群仿真框架 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种面向用户规划的虚拟人群仿真框架，其包括组、触发器、运动范围限制器和云控制端。组由人员构成、活动范围、目标以及个体行为和群体行为四个组件定义和描述，提供对群体行为的模拟，从而实现对各种复杂群体行为的仿真；触发器包括路径点、流量、时间、速度等触发器，提供用于规划人群路径、决策人群行为的路径拓扑信息和感知信息；运动范围限制器提供环境中静态障碍物的位置信息；云控制端根据用户指定的路径拓扑信息和组的目标，为群体规划出无拥堵的最优路径。本发明提出的面向用户规划的虚拟人群仿真框架具有较好的逼真性和实时性，较强的灵活性以及较便捷的操作性，可以根据用户意愿模拟各种场景下逼真的虚拟人群行为。

Description

一种面向用户规划的虚拟人群仿真框架

技术领域

本发明涉及虚拟现实领域，特别涉及一种虚拟人群仿真框架。

背景技术

随着图形硬件运算速度的快速提高，虚拟现实技术的不断完善，人们不再满足于仅仅模拟建筑、景观等视景信息，为了提高场景的真实度，虚拟世界中必须加入对有生命对象，尤其是人类对象的模拟。基于这种需求，虚拟人群仿真技术应运而生。虚拟人群仿真技术能够提供人群运动的辅助分析和演示工具，在安全科学、体育仿真、影视动画、军事训练、古遗产重建等领域有着广泛的应用前景，因而逐渐成为计算机图形学及其相关领域的研究热点，受到了众多学者的关注。

虚拟人群仿真研究涉及机器人学、物理学、计算机图形学、计算机动画、生物力学、人体解剖学、人类行为学、心理学、社会学、人工智能等诸多学科。众多研究学者基于上述各学科的技术对其展开了不同方向的研究和探讨。作为虚拟现实与计算机动画领域的研究热点，虚拟人群仿真技术不仅要体现个体的多样性(即在外形特征、运动形式及对同一事件的反应上体现出不同之处)和群体的社会性(即在特定情况下表现出整体性，相互交流、相互影响的特性)，而且要实现虚拟人群与用户以及环境的交互。

但是，由于计算资源是有限的，很多仿真系统不得不在实时性、个体行为的逼真性和高质量的视觉效果之间做出权衡，也就是说，目前大多数人群仿真系统只能关注于人群仿真的某个或者某几个方面，这就导致对于虚拟人群仿真的研究还存在一些问题和不足：

1)在虚拟人群与用户交互的实现方面，目前用户创建人群的方法不够简单便捷；同时，用户与人群进行交互的手段还处于个体操作阶段。上述问题在人群规模较小时表现得不很突出；但当人群规模不断增大时，这些问题就会使交互操作变得异常繁琐，导致用户浪费很多时间才能获得比较满意的设计效果。

2)大多数具备用户交互功能的人群仿真系统在虚拟人群的自主性和智能性方面都有所欠缺，群体行为的任何改变都需要用户操作方可完成。而大多数自主性和智能性高的人群仿真系统又缺乏与用户的交互性。

因此，本发明从实现虚拟人群仿真系统的用户可交互性并提高人群本身的智能性角度出发，研究面向用户规划的虚拟人群仿真框架。通过本发明的研究，不仅能够保证用户操作的简单直观性，而且能够使得虚拟人群快速响应用户的指令，真实自然地与环境进行交互并展现出群体复杂多样的行为。综上所述，研究面向用户规划的虚拟人群仿真框架具有重要的理论意义和工程应用价值。

发明内容

本发明的目的是克服现有的虚拟人群仿真方法与用户交互性较差，使得用户设定和修改人群行为还处于个体操作阶段，无法满足用户快速生成期望的人群行为以及具有高自主性和智能性的虚拟人群的缺陷，从而提供一种简单直观的面向用户规划的虚拟人群仿真框架，实现对各种场景下虚拟人群行为的逼真模拟。

为了实现上述目的，本发明提供了一种面向用户规划的虚拟人群仿真框架，包括组(1)、触发器(2)、运动范围限制器(3)和云控制端(4)，其中：

所述的组(1)规定了组中个体的数目、队形、行为、活动范围、组长；每个组的位置通过质心法确定，组内各成员的行为由组长及成员与环境的交互确定；

所述的触发器(2)规定了所处环境的路径拓扑结构，为虚拟人群提供准确的环境信息和相应动作信息；

所述的运动范围限制器(3)规定了环境中静态障碍物的位置；

所述的云控制端(4)负责对群体中的每个个体进行定位，并根据环境的路径拓扑结构和组的目标，实现虚拟人群的路径规划；

所述的触发器(2)为所述的组(1)提供环境感知信息和动作信息，为所述的云控制端(4)提供路径拓扑信息；所述的运动范围限制器(3)为所述的组(1)提供静态障碍物位置信息；所述的云控制端(4)为所述的组(1)规划路径并将重要路径信息告知给所述的组(1)以便群体执行。

上述技术方案中，所述的组(1)由人员构成模块(11)、活动范围模块(12)、目标模块(13)以及个体行为和群体行为生成执行模块(14)组成，其中：

所述的人员构成模块(11)定义了组中个体的数量、组分布的形状、组长和组成员的构成情况；

所述的活动范围模块(12)定义了组所在的初始位置，规定了组所占据的最大空间区域；

所述的目标模块(13)由用户指定生成，提供组运动的目标和方向；

所述的个体行为和群体行为生成执行模块(14)根据用户指定的目标(13)、触发器(2)提供的感知信息和动作信息、运动范围限制器(3)提供的静态障碍物位置信息以及云控制端(4)规划好的路径，自动进行行为决策，从而生成合适的个体行为和群体行为并加以执行。

上述技术方案中，所述的触发器(2)由与路径相关的触发器(21)和与感知相关的触发器(22)组成，其中：

所述的与路径相关的触发器(21)负责为云控制端(4)提供重要的路径拓扑信息，便于云控制端(4)为虚拟人群合理规划路径；

所述的与感知相关的触发器(22)负责为群体提供准确的环境信息，便于虚拟人群进行局部避碰和行为决策；

上述技术方案中，所述的运动范围限制器(3)负责为组(1)提供环境中静态障碍物的位置信息，便于组(1)采用改进的RVO算法对静态障碍物进行规避。

上述技术方案中，所述的云控制端(4)负责实现个体的定位功能，并根据环境的路径拓扑结构、组的目标和出发时间实现虚拟人群的路径规划；且所述的云控制端(4)采用基于人群拥挤程度的Dijkstra算法依次为每组计算最优路径。

上述技术方案中，所述的与路径相关的触发器(21)包括路径点触发器(211)和流量触发器(212)；其中，

所述的路径点触发器(211)由用户进行放置，代表群体从起始点运动到目标点所必经的路径点；各路径点触发器(211)之间的连接关系也由用户设置，而多个路径点触发器结合起来即可代表所处环境的拓扑结构；

所述的流量触发器(212)内置于十字路口，负责统计十字路口的人群流量信息并将其发送给速度触发器(222)。

上述技术方案中，所述的与感知相关的触发器(22)包括时间触发器(221)、速度触发器(222)和事件触发器(223)三类；其中，

所述的时间触发器(221)内置时间传感器，负责告知群体绝对时间和显示时间；

所述的速度触发器(222)内置速度传感器，负责为群体提供期望速度信息，以便于群体根据当前的运动速度判断到达目标需要加速还是减速；

所述的事件触发器(223)负责在事件发生或者事件状态发生变化时通知群体在当前事件状态下可供选择的动作集合，以减轻群体进行行为决策的负担。

上述技术方案中，所述的与路径相关的触发器(21)和与感知相关的触发器(22)一部分由用户指定生成，一部分由仿真框架根据对所处环境的解释自动生成。

上述技术方案中，所述的与感知相关的触发器(22)在其影响区域内没有任何所述的组(1)运动时处于非触发状态，而在其影响区域内有任意所述的组(1)运动时即处于触发状态。

上述技术方案中，所述的路径点触发器(211)存储了重要的路径信息，每个路径点触发器存储的信息用如下三元组表示：<ID号、与其直接相连的所有路径点触发器的列表、自身与其直接相连的各路径点触发器之间的代价>。

上述技术方案中，所述的速度触发器(222)内置于十字路口，各速度触发器之间可以进行信息交互，同时其也可与相应的流量触发器(212)进行信息交流，从而保证虚拟人群顺利通过十字路口而不发生拥堵现象。

本发明的优点主要体现在：

1、本发明的面向用户规划的虚拟人群仿真框架不受应用场景和环境因素的限制，能够在保证用户操作简单直观的基础上，允许用户按照自己的意愿在不同情境下对人群的行为进行规划和修改，因此，该仿真框架具有较强的通用性。

2、本发明的面向用户规划的虚拟人群仿真框架通过引入路径点触发器简化环境建模；通过引入路径点触发器和云控制端为群体规划路径；通过引入与感知相关的触发器为群体提供准确的环境信息和动作信息，这些都能够降低群体中每个个体进行感知、规划和行为建模的计算复杂度，从而达到提高虚拟人群仿真速度并保证实时性的目的。

3、本发明的面向用户规划的虚拟人群仿真框架设计触发器和组均为可以拆卸部分，可以根据用户需要进行拆卸或添加，因此，该框架具有很好的灵活性。

附图说明

图1为本发明的面向用户规划的虚拟人群仿真框架的一个结构图；

图2为图1所示实施例构建的十字路口仿真场景；

图3为图1所示实施例构建的火灾仿真场景。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明的面向用户规划的虚拟人群仿真框架由四部分组成，包括：组1、触发器2、运动范围限制器3和云控制端4。

组1规定了组中个体的数目、队形、行为、活动范围、组长等特征；每个组的位置通过质心法确定，组内各成员的行为由组长及成员与环境的交互确定。它具体包括人员构成模块11、活动范围模块12、目标模块13以及个体行为和群体行为生成执行模块14四个子部分。

其中，人员构成模块11定义了组中个体的数量、组分布的形状、组长和组成员的构成情况。组分布的形状可由用户指定，例如，长方形、正方形、圆形等。在组中，每个个体都有自身的ID号，位置和行为。个体属性可用如下参数表示：

<年龄、性别、职业、角色>

活动范围模块12由用户使用“组刷”设定，其定义了组所在的初始位置，规定了组所占据的最大空间区域。通常情况下，组所占据的最大空间区域是保持不变的，但是当紧急事件发生时，该区域是可以根据需要发生变化的。同时，用户可以对不同组的活动范围进行合并，从而达到组与组之间交互的目的。

目标模块13主要由用户指定生成，负责引导虚拟人群采取一系列的动作从而将其实现。目标可根据用户的需求由行为推理算法自动分解成一系列的子目标以便执行。目标可以有不同的优先级，优先级较高的目标优先得到满足并执行；优先级较低的目标在高优先级的目标执行完毕后再获得执行。

个体行为和群体行为生成执行模块14根据用户指定的目标13、触发器2提供的感知信息和动作信息、运动范围限制器3提供的静态障碍物位置信息以及云控制端4规划好的路径，自动进行行为决策，从而生成合适的个体行为和群体行为并加以执行，其中，群体行为的优先级高于个体行为的优先级。目前，根据行为选择机制，主要实现如下六种群体行为，包括群聚行为(flocking)、追随行为(following)、目标改变行为(goalchanging)、避碰行为(collision avoidance)、吸引行为(attracting)和逃逸行为(escaping)，其中，群体中个体与个体之间的避碰行为是保证其他群体行为顺利进行的基础，可采用RVO算法来实现；个体行为主要受所在环境限制，由行为选择例程基于需要层次理论以及个体属性、生理和心理状态自动生成。

触发器2规定了所处环境的路径拓扑结构，为虚拟人群提供准确的环境信息和相应动作信息。它具体包括与路径相关的触发器21和与感知相关的触发器22两类。

其中，与路径相关的触发器21负责为云控制端4提供重要的路径拓扑信息，便于云控制端4为虚拟人群合理规划路径，通常可用如下参数表示：<类型、位置>。与路径相关的触发器21还可以做进一步的划分，包括：路径点触发器211和流量触发器212。所述的路径点触发器211由用户进行放置，代表群体从初始点运动到目标点所必经的路径点。各路径点触发器211之间的连接关系也由用户设置，而多个路径点触发器结合起来即可代表所处环境的拓扑结构。路径点触发器211存储了重要的路径信息，每个路径点触发器存储的信息可用如下三元组表示：<ID号、与其直接相连的所有路径点触发器的列表、自身与其直接相连的各路径点触发器之间的代价>。所述的流量触发器212内置于十字路口，负责统计十字路口的人群流量信息并将其发送给速度触发器222。

与感知相关的触发器22负责为群体提供准确的环境信息，便于虚拟人群进行局部避碰和行为决策，通常可用如下参数表示：<类型、位置、影响区域、触发条件、相应动作>，其触发条件由影响区域是否有组运动决定，即如果影响区域内有任意所述的组1运动时即处于触发状态，而如果影响区域内没有任何组1运动时则处于非触发状态。

与感知相关的触发器22还可以做进一步的划分，包括：时间触发器221、速度触发器222和事件触发器223。所述的时间触发器221内置时间传感器，负责告知群体绝对时间和显示时间，其中，绝对时间是指世界时间，而显示时间是指如交通灯等仪器上的显示时间；所述的速度触发器222内置速度传感器，负责为群体提供期望速度信息，以便于群体根据当前的运动速度判断到达目标需要加速还是减速。速度触发器222内置于十字路口，各速度触发器之间可以进行信息交互，同时其也可与相应的流量触发器212进行信息交流，从而保证虚拟人群顺利通过十字路口而不发生拥堵现象；所述的事件触发器223是一种特殊类型的触发器，负责在事件发生或者事件状态发生变化时通知群体在当前事件状态下可供选择的动作集合，以减轻群体进行行为决策的负担。除已有的参数表示外，事件触发器还要辅以如下参数表示：<事件类型、开始时间、结束时间、事件演化、紧急程度>。目前采用有限状态机来对事件的演化过程进行描述，其中，事件的紧急程度与虚拟人群所采取的动作是相互作用、相互影响的。

与路径相关的触发器21和与感知相关的触发器22一部分由用户指定生成，一部分由仿真框架根据对所处环境的解释自动生成。通常情况下，路径点触发器211和事件触发器223一般由用户指定生成，而为减少用户的手工操作，环境中各十字路口处的流量触发器212、时间触发器221和速度触发器222由面向用户规划的虚拟人群仿真框架使用过程建模工具自动生成。运动范围限制器3规定了环境中静态障碍物的位置，便于组1使用改进的RVO算法对所处环境的静态障碍物进行规避。

云控制端4负责实现个体的定位功能，并将群体的位置信息发送给组1；同时根据环境的路径拓扑结构、组的目标和出发时间，实现虚拟人群的路径规划。为了保证规划出的路径顺畅无拥堵，云控制端4首先预测每段路径上的人群流量，然后以每段路径的人群拥挤度作为影响群体运动速度的重要因素，计算出每段路径的代价函数，最后采用Dijkstra算法依次为每组计算最优路径。

下面结合图2、图3，就十字路口和火灾两个具体的例子对本实施例面向用户规划的虚拟人群仿真框架进行说明。

首先用户选择仿真发生的环境，比如为“十字路口”，如图2所示。面向用户规划的虚拟人群仿真框架自动生成时间触发器221、速度触发器222和云控制端4；用户添加表示火灾的事件触发器223；选择人员构成11并使用“组刷”界定组的活动范围12，设置群体的目标13为“到达马路对面”，然后仿真开始。

云控制端4会实时告知群体到马路对面的距离信息，时间触发器221会实时通知交通信号灯的显示时间，速度触发器222会计算是否需要加速或者减速，上述信息都被发送给个体行为和群体行为生成执行模块14，而个体行为和群体行为生成执行模块14会根据到马路对面的距离、交通信号灯的显示时间和需要加速与否，确定合适的个体和群体的行为以便执行。当火灾发生时，火灾事件触发器223会根据火势大小和事件紧急程度的变化，将应采取的动作信息发送给个体行为和群体行为生成执行模块14，以使得个体执行当前事件状态下最合适的行为，如图3所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种面向用户规划的虚拟人群仿真框架，包括组(1)、触发器(2)、运动范围限制器(3)和云控制端(4)，其中：

所述的组(1)规定了组中个体的数目、队形、行为、活动范围、组长；每个组的位置通过质心法确定，组内各成员的行为由组长及成员与环境的交互确定；

所述的触发器(2)规定了所处环境的路径拓扑结构，为虚拟人群提供准确的环境信息和相应动作信息；

所述的运动范围限制器(3)规定了环境中静态障碍物的位置；

所述的云控制端(4)负责对群体中的每个个体进行定位，并根据环境的路径拓扑结构和组的目标，实现虚拟人群的路径规划；

所述的触发器(2)为所述的组(1)提供环境感知信息和动作信息，为所述的云控制端(4)提供路径拓扑信息；所述的运动范围限制器(3)为所述的组(1)提供静态障碍物位置信息；所述的云控制端(4)为所述的组(1)规划路径并将重要路径信息告知给所述的组(1)以便群体执行。

2.根据权利要求1所述的面向用户规划的虚拟人群仿真框架，其特征在于，所述的组(1)由人员构成模块(11)、活动范围模块(12)、目标模块(13)以及个体行为和群体行为生成执行模块(14)组成，其中：

所述的人员构成模块(11)定义了组中个体的数量、组分布的形状、组长和组成员的构成情况；

所述的活动范围模块(12)定义了组所在的初始位置，规定了组所占据的最大空间区域；

所述的目标模块(13)由用户指定生成，提供组运动的目标和方向；

所述的个体行为和群体行为生成执行模块(14)根据用户指定的目标(13)、触发器(2)提供的感知信息和动作信息、运动范围限制器(3)提供的静态障碍物位置信息以及云控制端(4)规划好的路径，自动进行行为决策，从而生成合适的个体行为和群体行为并加以执行。

3.根据权利要求1所述的面向用户规划的虚拟人群仿真框架，其特征在于，所述的触发器(2)由与路径相关的触发器(21)和与感知相关的触发器(22)组成，其中：

所述的与路径相关的触发器(21)负责为云控制端(4)提供重要的路径拓扑信息，便于云控制端(4)为虚拟人群合理规划路径；

所述的与感知相关的触发器(22)负责为群体提供准确的环境信息，便于虚拟人群进行局部避碰和行为决策；

4.根据权利要求1所述的面向用户规划的虚拟人群仿真框架，其特征在于，所述的运动范围限制器(3)负责为组(1)提供环境中静态障碍物的位置信息，便于组(1)采用改进的RVO算法对静态障碍物进行规避。

5.根据权利要求1所述的面向用户规划的虚拟人群仿真框架，其特征在于，所述的云控制端(4)负责实现个体的定位功能，并根据环境的路径拓扑结构、组的目标和出发时间实现虚拟人群的路径规划；且所述的云控制端(4)采用基于人群拥挤程度的Dijkstra算法依次为每组计算最优路径。

6.根据权利要求3所述的面向用户规划的虚拟人群仿真框架，其特征在于，所述的与路径相关的触发器(21)包括路径点触发器(211)和流量触发器(212)；其中，

所述的路径点触发器(211)由用户进行放置，代表群体从起始点运动到目标点所必经的路径点；各路径点触发器(211)之间的连接关系也由用户设置，而多个路径点触发器结合起来即可代表所处环境的拓扑结构；

所述的流量触发器(212)内置于十字路口，负责统计十字路口的人群流量信息并将其发送给速度触发器(222)。

7.根据权利要求6所述的面向用户规划的虚拟人群仿真框架，其特征在于，所述的路径点触发器(211)存储了重要的路径信息，每个路径点触发器存储的信息用如下三元组表示：<ID号、与其直接相连的所有路径点触发器的列表、自身与其直接相连的各路径点触发器之间的代价>。

8.根据权利要求3所述的面向用户规划的虚拟人群仿真框架，其特征在于，所述的与感知相关的触发器(22)包括时间触发器(221)、速度触发器(222)和事件触发器(223)三类；其中，

所述的时间触发器(221)内置时间传感器，负责告知群体绝对时间和显示时间；

所述的速度触发器(222)内置速度传感器，负责为群体提供期望速度信息，以便于群体根据当前的运动速度判断到达目标需要加速还是减速；

所述的事件触发器(223)负责在事件发生或者事件状态发生变化时通知群体在当前事件状态下可供选择的动作集合，以减轻群体进行行为决策的负担。

9.根据权利要求8所述的面向用户规划的虚拟人群仿真框架，其特征在于，所述的速度触发器(222)内置于十字路口，各速度触发器之间可以进行信息交互，同时其也可与相应的流量触发器(212)进行信息交流，从而保证虚拟人群顺利通过十字路口而不发生拥堵现象。

10.根据权利要求3所述的面向用户规划的虚拟人群仿真框架，其特征在于，所述的与感知相关的触发器(22)在其影响区域内没有任何所述的组(1)运动时处于非触发状态，而在其影响区域内有任意所述的组(1)运动时即处于触发状态。