群体动画在计算机三维动画中实现方法的研究.pdf

上海交通大学 硕士学位论文 群体动画在计算机三维动画中实现方法的研究 姓名：李骏 申请学位级别：硕士 专业：软件工程 指导教师：杨旭波;陈耀 20081001 群体动画在计算机三维动画中实现方法的研究 ii 群体动画在计算机三维动画中实现方法的研究 群体动画在计算机三维动画中实现方法的研究 摘 要 计算机三维动画是计算机应用的一个重要领域。 随着计算机软硬件技术的迅速发展， 三维动画已经应用到人们生活的各个领域，尤其在影视、广告、游戏、多媒体行业得到 广泛的应用。其中群体动画越来越受到广泛的关注,成为计算机图形学中的一个热点。 目前群体行为的模拟应用非常广泛，包括在电影、游戏、虚拟现实、公共场所人流模拟、 防灾、交通规划等许多方面。本文主要关注于艺术创作中群体行为表现的实现方法。 由于控制群体行为的复杂性，群体动画始终是计算机动画中一项具有挑战性的研究 工作。在艺术创作中动画主要的创作手段是“关键帧”技术。这种传统方法在模拟智能 生命行为时难以具有真实性。尤其当角色数量增加时，模拟角色之间或角色与环境之间 互动行为的计算量呈几何增长。而当某些角色动作需要改变时，修改的工作量几乎和重 建动画相当。 因此动画创作中兼顾艺术表现和真实性同时， 探索一个高效率的实现方法， 对于群体动画创作具有非常重要的现实意义。 本文对三维动画中群体动画的人工生命方法进行详细的分析，对计算机三维动画中 群体动画的结构设计和实现方法进行了深入的研究， 并设计与实现了一个基于自主智能 体的具有实用价值的群体动画系统。该系统在业界得到广泛应用的高端三维软件 maya 平台下运用 maya mel 语言编写完成，能够简单有效地模拟常见的群体动作行为。 本文主要的工作是： 1）设计了一个基于自主智能体的群体动画的制作模型设计了一个基于自主智能体的群体动画的制作模型。本文系统地研究了计算机动画 中群体动画的实现方法，重点研究总结了群体动画表现的要求和特点，并以艺术创作为 出发点，以当前最前沿的群体动画人工生命理论为基础，设计了一个基于自主智能体的 群体动画的制作模型。此模型将角色的运动动画分为三个层次：行为选择、行为规划、 行为实现。 2) 提出了一个适用于模拟多种生物的感知模型提出了一个适用于模拟多种生物的感知模型。这个感知模型针对艺术创作的特点， 简单而高效。仿真角色的感知能力是大规模群体动画创作的重点。针对角色的感知的特 性，在研究了生物各种感知能力的基础上，本文设计了一个以视觉感知和触觉感知为重 点的感知方法。此算法在尽量真实模拟生物感知能力的同时，减少了角色的潜在感知物 体数目，提高了动画运行的效率。 3) 提出了一个适用于模拟多种生物行为规划实现方法提出了一个适用于模拟多种生物行为规划实现方法。在深入研究了reynolds的 steering行为理论基础上设计了一个动画的行为模型。 此模型实现了与动画软件中的粒 子系统和动画系统有机的结合，有效的利用了现有资源，保证了动画的真实性。 4）基于本文设计的群体动画创作模型，在 maya 平台下，运用 mel 语言编写了一个实用 的群体动画插件 steering studio 编写了一个实用 的群体动画插件 steering studio。 此插件可以模拟二维和三维环境下生物的群体行为。 具有很高的实用性和操作性。 关键词 群体动画，自主智能体，粒子系统，运动编辑，角色动画 群体动画在计算机三维动画中实现方法的研究 iii research for implementation of group animation in computer 3d animation abstract 3d animation is an important field in computer application. with rapid development of software and hardware, 3d animation has been applied to various fields, especially in film industry, advertisement, games and multimedia. group animation has got more and more concern and become a focus in computer graphics. nowadays, the application of group animation has widely affected films, games, virtual reality, simulation of people flow in public areas, hazard prevention, traffic management etc. this paper focuses on the implementation of group animation in artistic creation. due to the complexity of controlling group behaviors, group animation has always been a challenge in computer animation. the main work in artistic creation is “key frame” technique. this traditional method cannot achieve realism when simulating autonomous agents behaviors, especially when numbers of characters grow, the calculation of simulation for behaviors among characters and between characters and environment increases geometrically. when characters animations change, the workload mounts up to almost the same as reproducing the animation. therefore, its important to find an efficient implementation for group animation creation, meanwhile emphasizing both representation and realism. this paper discusses in details the methods of producing artificial intelligent lives and provides insightful research for structure design and implementation of group animation in computer 3d animation. we design and implement a group animation system based on autonomous agents which has much utility value. the system is coded with mel and runs on maya which is widely applied in the industry. the system can simulate ordinary group behaviors effectively. the main work in this paper includes: (1) a group animation model based on autonomous agents is designed. this paper does systematic research for implementation of group animation in computer graphics, especially for demands and features of group animations representation. starting from artistic creation and based on the cutting-edge artificial-life theory of group animation, this paper designs a group animation model based on autonomous agents. the model 群体动画在计算机三维动画中实现方法的研究 iv divides motion animation of characters into three layers: goal setting and strategy, steering behaviors, and locomotion. (2) a perceptive model applicable for simulating many kinds of living things is presented. aimed at the feature of artistic creation, the perceptive model is simple and effective. the perceptive ability of simulated characters is important for massive group animations creation. a perceptive method which puts importance on visual and tactile perception is designed, taking the feature of characters perception into account and based on the research for perceptive abilities of living things. the algorithm not only simulates the perceptive ability of living things, but also reduces the number of potential perceptive living things and increases the running efficiency of animation. (3) a behavior-management method used to simulate many kinds of living things is presented. an animated behavior model is designed after studying the behavior theory by reynolds and steering. the model integrates particle system and animation system, utilizing existing resources effectively and assuring animations realism. (4) based on group animation creation model, a practical group animation plug-in called steering studio, coded with mel on maya platform, is implemented. this plug-in can simulate group behaviors of living things in 2d and 3d environment with high practicability and operability. keywords group animation, autonomous agents, particle system, motion edition, character animation 群体动画在计算机三维动画中实现方法的研究 3 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：李 骏 日期： 2008 年 10 月 1 日 群体动画在计算机三维动画中实现方法的研究 4 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：李 骏 指导教师签名：杨旭波 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 群体动画在计算机三维动画中实现方法的研究 2 1 绪论 1 绪论 计算机三维动画是目前计算机应用的一个重要方面。随着计算机软硬件技术的迅速 发展，计算机三维动画已经广泛的应用到影视、广告、游戏、多媒体、培训、娱乐等各 个领域。其中虚拟角色群体运动的模拟在近年来逐渐成为一个热门的研究主题。群体动 画越来越受到广泛的关注，成为计算机图形学中的一个热点。 在传统计算机动画创作技术不断完善的同时， 群体动画的创作却始终是计算机动画 创作的难题。传统基于关键帧的计算机动画创作手段由于缺乏自主性，在群体动画的创 作中效率极低。尤其当智能角色数目增多时，其创作复杂程度会相应地急剧增加。同时 对动画师要求非常高、劳动强度也很大。计算机动画的人工生命方法克服了传统动画创 作技术的缺陷，很大程度提高了群体动画创作效率。但此种方法所采用的动画角色模型 制作技术复杂、针对性高、通用性低。 本文研究了计算机动画中群体动画创作的特点，针对现有方法中存在的不足，设计 了一个基于自主智能体的群体动画模型， 并在此模型的基础上开发了一个在 maya 平台 下运行的插件，可以有效的模拟常见的群体动作行为。 1.1 课题研究背景和意义 1.1.1 群体动画的应用 群体是生物在大自然中最常见的一种生存状态，存在于各个等级的生物中，如微生 物、菌群、昆虫、鱼群、鸟群、兽群、以及我们人类等。 本文中的群体是指一定数量的相互影响的生物或物体的集合， 这些个体具有相似的 思维逻辑和行为准则。群体具有以下属性:个体具有相似的生理和心理属性，并且遵循 一定的社会属性或规则。群体行为是许多相似的个体在一个指定的环境中，其相互之间 产生影响而做出的反应。群体行为区别于个体的单独行为，表现为个体的个性行为被弱 化，强调的是集体行为的呈现。群体动画就是在计算机环境下，对一群遵循相同行为准 则的数字角色的行为进行模拟。 群体动画就字面的意义而言，指模拟一定数量的智能生物或交通工具的行为。比如 自然界中动物猎食、迁徙、集会，或者是船队在海上行进、许多飞船在小行星带中穿行 等等。在群体动画创作过程中，不仅要求群体的运动协调一致，而且要求各角色分别具 有其合理的运动轨迹和独特的形态。当前群体行为的模拟应用非常广泛，包括在电影、 游戏、虚拟现实、公共场所人流模拟、防灾、交通规划等方面。本文主要关注于艺术创 作中群体行为表现的实现方法。 单个角色动画是艺术创作中最常见的表现方法，角色动画的创作通常工作量大且技 术难度高。“角色”一词最初来源于舞台表演。在舞台上进行表演的主体称为角色。角 色是有生命的个体，是一个完整、复杂而有序的系统，需要进行严谨的设计才能进行随 心所欲的动作设置。在动画中，角色是虚拟舞台中的主体，角色可以是虚拟人、生物， 也可以是拥有类似人类思想和情感的所有物体，例如拟人化的汽车、飞船、台灯等等。 角色动画实际上就是使虚拟角色运动起来的技术过程。角色有七情六欲，有喜怒哀乐， 有鲜活的性格，有夸张的动作，在动画的创作过程中角色的表演是主导动画片情节发展 群体动画在计算机三维动画中实现方法的研究 3 的主要力量，动画片通过角色的表演来讲述故事、传达情感。动画情节的进展和情感的 传达主要是靠角色的“表演”来推动，而其它种类的动画则主要起到烘托氛围和创造视 觉效果的作用。 角色动画是艺术创作中的重点也是难点。通常在一个镜头中会有一个角色表演或几 个角色互动。群体动画可以看作成百上千的角色动画的集合，尽管弱化了单个角色的表 现，但突出了群体的互动，不但数量多，而且角色之间有相互交互的要求，这样就极大 的增加了动画创作的难度。 1.1.2 计算机动画介绍 计算机图形学 1是利用计算机研究图形的表示、生成、处理、显示的学科。经过三 十多年的发展, 计算机图形学已成为计算机科学中最为活跃的分支之一, 并广泛应用 于美术和商业艺术中。随着计算机图形学和硬件技术的高速发展，计算机图形学近几十 年来取得了巨大的进展，正逐渐渗透到人们生活的各个方面。曾经仅在尖端科学领域应 用的计算机图形学正逐渐向平民化过渡，广泛的应用在许多计算机艺术表现场合。 计算机动画 234是计算机图形学的重要发展。作为一种艺术形式，没有那种像计算 机动画一样和科技联系地那么密切， 并随着计算机科学的发展在几十年的时间内得到飞 速地发展。目前计算机动画广泛地应用在电影、卡通片、广告、科学、工程和教育培训 中。 计算机动画（computer animation）通常指场景中任何随时间而发生的视觉变化， 通常除了物体的空间位置的移动和旋转，还包括物体大小、颜色、透明性和表面纹理的 改变。 动画起源早于电影，在欧洲诞生并得到不断地改进发展。上世纪20年代，动画以卡 通片的形式在美国繁荣起来。著名的迪斯尼公司 （walt disney） 生产了大量的经典 卡通影片。花与树 （flowers and tree） 、 白雪公主 （snow white and the seven dwarfs） 、 木偶奇遇记等等一大批具有里程碑意义的影片都取得了巨大的成功。 通常卡通剧图像的制作流程是： （1） 编写剧本，设计故事情节。 （2） 设计出人物造型和故事板（story board） 。 （3） 资深的动画师画出关键帧 （key frame） 。 （4） 动画师画出中间帧。 动画片主要是利用了人类视觉残留的特性，快速播放一系列的静态图像，当播放速 度达到一定程度时，视觉会产生动态的效果。通常每播放一秒钟的动画，就需要绘制二 十四张以上的静态图片，这其中最关键的静态图片我们称之为关键帧（关键帧（key frame）。）。 关键帧的概念来源于传统的两维卡通片。早期的卡通动画制作公司，资深的动画师以固 定的帧间隔画出动画对象的一些重要状态，这些重要的状态就是关键帧。在关键帧之间 过渡的中间帧则由助理动画师来绘制完成。 在传统动画片的制作过程中， 由于大量枯燥的简单重复劳动集中在助理动画师身上， 因而当计算机图形技术得到发展和应用后， 首先想到的就是借助计算机来减轻助理动画 师的工作，从而提高卡通动画的制作效率。1964年，贝尔实验室的k. knowlton 首次尝 试采用计算机技术来解决上述问题，从而宣告了计算机辅助动画制作时代的开始 56。 。 早期的动画制作系统主要以二维卡通动画设计为主，其出发点是利用形状插值和区 域自动填色来完成全部或部分助理动画师的工作，从而提高卡通动画制作的效率。早期 群体动画在计算机三维动画中实现方法的研究 4 的动画制作工艺繁多，制作周期长。尤其是绘制中间帧的阶段需要巨大的人力来进行重 复劳动。随着计算机图形学的诞生和飞速的发展，计算机成为了解决这一个难题的最理 想的工具。而正是由于计算机软硬件的飞速发展，动画电影由传统的两维造型过渡到了 三维空间。在最近的二十几年中以前所未有的速度蓬勃发展。 在计算机动画中，动画师在生成若干幅被称作“关键帧”的画面后, 由计算机对两 幅关键帧进行插值（interpolation）生成若干“中间帧”，连续播放时关键帧和关键 帧之间就被有机地结合起来了。计算机高效率地替代了助理动画师的工作。 关键帧技术是计算机三维动画创作中最基本也是运用最广泛的动画技术。所有影响 图像的参数都可以是关键帧的参数，例如位置、角度、大小、纹理、材质等。中间帧的 参数由关键帧的参数插值来获得。由其原理可见，动画的自然程度取决于关键帧的密度 和中间帧插值的算法。同样一段动画，一般关键帧越多，效果越好。计算机虽然替代了 人工劳动来完成工作强度极大的中间帧的制作，但为了能保证动画的自然逼真，仍然需 要确保有相当数量的关键帧由资深动画师来设置。 目前关键帧动画创作过程仍然非常的 烦琐和费时，而且由于最终的效果直接取决于关键帧的制作质量，这样就要求动画师具 有丰富的实际生活体验和高超的绘画技巧。 1.1.3 计算机动画的制作方法和流程 群体动画是计算机动画的一种应用。了解计算机动画整个工作流程，对如何有效地 解决群体动画的问题是非常重要的，是所用工作的基础。 一个典型的三维制作过程应包括建模、灯光和材质、贴图、动画、渲染以及后期合 成等（见图1-1）。 图1-1： 计算机三维动画制作流程 figure 1-1： the process of computer animation （1）建模（modeling） 建模就是在三维空间中通过软件的造型工具来创建场景元素，通常包含角色、背景 等。常用的基本建模方法有多边形建模(polygon modeling)和nurbs建模（nurbs modeling）等。多边形建模方法通过空间中三个点来定义一个面，nurbs则是曲线和曲 目的数学描述，在创建平滑表面的物体时具有很大的优势。 （2）材质和贴图（texturing） 给模型表面设定各种属性，例如颜色、纹理、透明度、反射度、折射度、凹凸程度等， 为模型赋予真实的视觉感受。 （3）灯光和效果（lighting） 为虚拟环境中的物体提供光照效果。可以模拟真实的环境或者对光线效果进行特殊 地艺术效果处理。 （4）动画（animation） 以运动对象进行分类，动画可以分成角色动画、特效动画、摄像机动画、光源动画 等。通常对象的大多数属性都可以按时间变化而变化。 计算机动画的实现分类方法很多，大致有关键帧动画、变形物体动画、过程动画、 建模 modeling 材质和贴图 modeling 灯光和效果 lighting 动画 animation 渲染 rendering 群体动画在计算机三维动画中实现方法的研究 5 关节动画、基于物理模拟动画等几个方面 4。 （5）渲染（rendering） 渲染本是个绘画用语，在计算机动画中指根据场景设置，赋予模型材质和贴图，设 置灯光，计算明暗程度和阴影，由程序绘出一幅完整的画面或画面序列。渲染是创建数 字图像最重要的阶段，是将三维的场景转化为二维图像的过程。形象的说就是在虚拟的 三维世界中“拍摄”二维的画面。 1.2 群体动画的自主解决方法 1.2.1 传统群体动画的创作方法的局限 应用传统的计算机动画技术，如关键帧技术，可以比较好地完成一些角色的动画， 但是对于创作包含很多角色互动的群体动画，关键帧方法则暴露出了以下一些缺陷： （1）动画不能自动生成，动画师的劳动量很大。动画不能自动生成，动画师的劳动量很大。采用传统的关键帧技术创作生动 逼真的生物群体动画时，动画师需要为每一个角色调整动作、设置运动路径。由于 需要调整的对象众多，并且相互影响，从而使制作过程成为一项极其繁重的劳动。 （2）动画的修改极为困难。动画的修改极为困难。由于角色之间交互性强，一旦故事脚本修改或者外部环 境改变，则牵一发而动全身，动画则几乎需要重新制作，工作量庞大。 （3）动画中角色缺乏自主性。动画中角色缺乏自主性。动画中的角色的动作通常缺少生命特征，反应不够逼 真，缺乏真实感，难以与周围环境自行协调。动画效果的好坏完全依赖于动画师的 个人技巧和经验。 （4）动画计算复杂，对计算机硬件要求高。 动画计算复杂，对计算机硬件要求高。 因此，研究和开发计算机群体动画的新方法、新技术，寻找到一种高效可行的解决 方案，成为了计算机图形学的一个迫切需要解决的问题。 1.2.2 计算机人工生命方法的提出 加拿大多伦多大学的涂晓媛博士设计的“人工鱼”系统 78，创造性地将人工生命学 科理论应用到计算机群体动画的创作中， 提出了基于人工生命理论的计算机动画创作方 法。 计算机动画的人工生命方法为每个角色及其生存环境建立具有人工生命特征的智能 体(agent) 9，通过智能体之间的交互作用，产生动画角色自动的行为，自动生成自然 的动作， 而动画师只需通过“拍摄”群体角色的运动就能得到复杂的群体动画的动画效 果。 目前群体动画的研究工作核心的部分是在对自主智能角色建模上。计算机动画的人 工生命方法通过基于模型的自动生成过程去仿真自然生态系统，可获得逼真的视觉效 果，这种方法具有以下优点： 10 （1）动画角色的运动和行为在视觉上效果逼真。 （2）动画角色具有很高的自主性。不但可以在动画师尽可能少地干预下自动生成动画， 而且能根据剧情的需要影响或指挥动画角色的行为。 1.2.3 基于行为建模的动画的不足 群体动画在计算机三维动画中实现方法的研究 6 目前的基于行为建模的动画普遍有以下不足： （1）通用性不强。目前的模型和算法大部分是针对特殊场景而设计的，缺乏普遍性。 （2）模拟过程控制复杂。由于运动过程由模型自动控制产生，致使用户很难直接参与 控制他所需要的结果，用户只能通过间接地设置几个抽象参数来调节，缺乏直观性。更 难实现在艺术创作中常常出现的夸张的艺术表现。 1.3 群体动画国内外研究现状 1.3.1 国外研究现状 1987 年 reynolds 11 提出了具有里程碑意义的集群行为计算模型：著名的 boids 系统。他认为整体行为可以通过群体中每个角色成员的局部规则体现出来。这个实验行 为系统在四个目标间作出平衡 （1）防止碰撞：避免邻近角色之间碰撞。 （2）速度匹配：与相邻的角色速率相匹配。 （3）中心聚拢：与相邻自主角色的靠近。 （4）试图飞向一个目标。 在1999年，他在此基础上提出了智能角色的控制方法 12， 建立了一个完整的模型。 在他的模型中每个角色是在各自的环境中独立的行为者， 能通过感知局部环境来决定下 一时间采取何种行为。 bruce blumberg, tinsley galyean 13也提出了一个类似的构架。o. renault等人 提出了一个视觉感知系统地算法dla 14 。 加拿大多伦多大学的涂晓媛博士将人工生命的方法引入到计算机动画的创作中，提 出了计算机动画的人工生命方法 78。涂晓媛等人设计了一个包含真实行为和感知系统 的人工鱼模型，模拟鱼类诸如规避障碍物、漫游、训练等活动。这个系统通过固定的， 具有优先级的规则集合来选择基本行为（规避障碍物、避免被捕捞、吃东西、交配、离 开、 游弋、 逃跑、 训练等） ， 这些基本行为最终决定角色的行为。 其代表作有“go fish”、 “the undersea world of jack cousto” 等，生动地展现了一个逼真的虚拟海底世界。 1.3.2国内研究现状 在计算机动画的人工生命方法基础上，近来国内也对智能角色建模的理论研究做出 了探索 101516。对某些特定的物种，或特定的行为做了一些模拟171819，取得了相当大 的进步。 1.4 本文的研究内容 群体动画在计算机三维动画中实现方法的研究 7 人们对在计算机动画中模拟群体运动的研究已经持续了相当长的时间，目前已经有 了一些比较成熟的模型和方案。在以往的许多相关研究中，比较常见的，多是以自然界 中的生物（鸟群、鱼群和人群）为主体来讨论的。近年来国内对计算机动画的人工生命 方法的研究方面取得了很大的进步，但也存在着针对性过强，系统比较封闭等特点。目 前尚缺乏一种在通用的艺术创作软件平台下， 适用于模拟多种生物角色的多种行为的解 决方案。 本文从三维动画创作实际需求出发，综合分析了各类生物群体动作的特性，提出了 一个适用于多种生物群体行为的应用于 maya 平台下实用的解决方法。 本文主要研究的内容有以下四个方面： 1）分析了计算机动画群体动画的艺术创作特点，并设计了一个基于自主智能体的群体 动画的制作模型 设计了一个基于自主智能体的群体 动画的制作模型。角色模型的结构设计在动画创作中处于核心地位。针对传统关键帧动 画和基于行为建模的动画在创作中的局限设计了一个基于自主智能体的群体动画角色 模型。此模型将角色的运动动画分为三个层次：行为选择、行为规划、行为实现。 2）提出了一个适用于模拟多种生物的感知模型感知模型。仿真角色的感知能力是大规模群体动 画创作的重点。针对自然界中生物感知的特性，在研究了生物各种感知能力的基础上， 本文设计了一个以视觉感知和触觉感知为重点的感知方法。 此算法在尽量真实模拟生物 感知能力的同时，减少了角色的潜在感知物体数目，提高了动画运行的效率。 3）提出了一个适用于模拟多种生物的行为规划实现方法行为规划实现方法。在深入研究了reynolds的 steering行为理论基础上设计了一个动画的行为模型， 此模型与动画软件中的粒子系统 和动画系统有机的结合起来，在保证动画的真实性的同时可以有效地利用现有资源。 4）在上述研究工作基础之上，我们在maya平台下，运用mel语言编写了一个实用的群体 动画插件steer studio。 这个插件具有以下优点： （1）智能化程度高。具有良好的人机界面，结构清晰、控制简单、操作方便。能够 根据较少的控制参数，自动生成相应的群体运动，并可以自动规避场景中的障碍物。由 于在运动过程中不需要过多的用户干预，可以有效地减轻动画师的劳动强度。 （2）适用范围广泛。不仅能够模拟陆地生物的群体行为，同时可以模拟飞鸟、鱼群 等三维空间的群体行为。 （3）实用性强。基于流行的高端动画制作软件 maya，可有效利用 maya 广泛的资源， 例如已经设计好的角色模型，动作库等。在生产中可以产生较大的边界效益。 （4）生成的群体动画效果自然，真实感强。 （5）扩展性强，升级容易。以 mel 语言编写，内嵌于 maya 软件中，实现了与 maya 的一体化。 与国外在影视、游戏、娱乐领域中广泛应用地群体动画效果相比，我国的群体动画 应用还基本处于起步阶段。加强三维动画领域的研究，特别是群体动画的研究，以提高 我国电脑动画整体水平，促进影视业及游戏业的发展，使我国的三维群体动画技术早日 步入先进行列，具有重要的科学意义和巨大的经济前景。 1.5 本文的组织结构 群体动画在计算机三维动画中实现方法的研究 8 第 1 章 绪论 本章主要介绍群体动画研究的背景和意义、计算机动画的历史、计算机动画的研究 内容和主要应用、计算机动画的主要实现方法和制作流程。介绍了计算机动画的人工生 命方法的国内外研究现状，介绍了本文的研究内容和主要贡献。 第 2 章 群体动画的理论基础和模型设计 本章回顾了群体动画技术的工作基础。介绍了基于自主智能体的群体动画设计相关 理论的背景和研究现状，研究了有关自主智能体的群体动画的实现方法。在相关理论的 基础上，研究设计了一个适用于模拟多种生物群体行为的模型。 第 3 章 群体动画的感知模型研究 本章研究了群体智能角色的感知系统。研究了感知建模的原则，分析了视觉感知模 型的主要实现方法。研究视觉感知的范畴、性能及可见性的计算方法。提出了一个适合 模拟多种生物的简单的感知系统。 第 4 章 行为规划模型的建立 本章详细的讨论了行为规划，讨论了运动实现层级，研究了群体行为的实现方法。 在 steering 理论基础上，给出了一个详细的行为规划方法。 第 5 章 群体动画插件的设计与实现 本章设计了一个在 maya 平台下实用的群体动画插件。 介绍群体动画插件的实现的技 术环境、实现的功能和应用实例。 第 6 章 总结与展望 最后一章总结了本文的主要论述，对本文的研究工作进行了总结并提出了未来工作 的方向。 群体动画在计算机三维动画中实现方法的研究 9 2 群体动画的理论基础和模型设计 2 群体动画的理论基础和模型设计 2.1 自然界中的群体行为和计算机群体动画 2.1.1 自然界中的群体行为 有一队蝗虫作民又大又强。 未到以前， 地如伊甸园， 过去以后， 成了荒凉的旷野。 他们如勇士奔跑， 像战士爬城， 各都步行， 不乱队伍。 彼此并不拥挤， 向前各行其路。 他们一来地震天动，日月昏暗，星宿无光。旧约约珥书 一只单独行动的蝗虫是微不足道的，它没头没脑地在草从中乱跳或乱飞，随时可能 被鸟儿吃掉。而当大量蝗虫聚集以后，情况就完全改变。蝗虫军团一往无前，扫荡路上 一切可吃的东西，对其他生物而言成为一种可怕的灾害。 蝗虫是一种低级的动物，虽然其个体的智能水准非常低下，但其群体行为却非常地 高效有序。不仅是蝗虫，成群结队的动物整齐而有序的迁徙运动是自然界中常常可以见 到的壮观景观。例如鸟群、鱼群、蜂群、蚁群以及许多有蹄动物群体，它们在觅食和迁 徙等活动中能够保持高度的“步调一致”。可见复杂的信息传递和群体决策过程，并不 需要每个个体都具有复杂的认知能力。类似这样多数服从少数的机制是非常高效地，它 们的破坏力和迁徙力都来自群体的力量，这种集体行动的机制是我们研究的重点。 2.1.2 计算机动画中的群体动画 本文中的群体是指一定数量的相互影响的生物或物体的集合。群体具有以下属性: 个体具有相似的生理和心理属性、思维逻辑和行为准则，并且遵循一定的社会属性或规 则。群体行为是许多相似个体在一个指定的环境中，其相互之间产生影响。区别于个体 的单独行为，个体的个性行为被弱化，强调的是集体的行为。 群体动画就是在计算机环境下，对一群遵循相同行为准则的具有人工智能的数字角 色的行为进行模拟。当前在很多艺术作品中经常会有群体动画的场景，例如军团行进、 兽群迁徙、群众欢呼等等。如图 2-1 所示，蚂蚁兵在前进。 图2-1： 电影小蚁雄兵中的画面 figure2-1: a scene in ant z 本文研究的群体动画是在计算机环境中对自然界中生物的群体行为的一种仿真。不 同于传统的角色动画，群体动画更注重的是表现一个群体行为。不仅每个个体要具有其 群体动画在计算机三维动画中实现方法的研究 10 独特的行为方式，更主要的是体现出整个群体行为的协调。 2.1.3 角色动画的概念 “角色”来源于舞台表演，在舞台上进行表演的主体成为角色。角色可以是人、生 物或者拟人化的任何东西，角色是故事的主体。电影，动画剧通过角色的表演来传达思 想，讲述故事。 角色动画可以认为是虚拟角色的运动， 表演的技术过程， 也是一般故事的灵魂所系。 由于模拟真实拟人化的动作，表情，情感等通常需要复杂的建模和动画技术，角色动画 从三维动画技术发展之初直到目前，始终是创作过程中的重点和难点。 2.1.4 艺术作品中群体动画的特征 不同于类似人工鱼模型等常见的智能角色动画所产生的效果，通常艺术创作中（电 影、电视、广告等）的群体动画表现方式具有以下几个特点： 单个镜头的场面连续时间短。电影中经常使用剪辑的手段，一段影片都是由一些不 同角度，不同景别的片段连接而成，极少会有一段长时间单镜头的场景出现。 而在一个镜头中群体往往是做类似的动作， 例如在一个镜头中军队在行进， 整个镜 头中角色可能只有走路这一种动作，这样对选择角色的动作降低了难度，动画师只要简 单指定一个行走动作就可以了。 在同一镜头中往往环境变化也不大。影响群体行为路径的空间环境和障碍物通常比 较固定。这样可以只计算群体行动路径通过的障碍物，对群体行动路径不通过的环境物 体则可以忽略。这样就有效的减少了系统的负担，提高运算效率。 2.2 复杂性研究及人工生命 2.2.1 复杂性科学 在二十世纪八十年代，在信息科学、生命科学、系统科学等领域国际学术界兴起了 一个新的热点论题复杂性科学（complexity science） 20。 不同学科的研究人员开始从新的角度来看待自然界和人类社会中一些复杂的现象， 探讨复杂系统中，各组成部分之间相互作用所突现(emergence)出的特性。 早期的主要学术观点认为复杂系统是由大量相互作用的单元构成的系统，基本思路 是复杂适应性系统理论与基于多主体的计算机仿真与模拟。 复杂性的研究内容则是研究 复杂系统如何在一定的规则下产生有组织的行为以及系统的进化所突现出来的行为。 复杂性涉及面很宽，譬如：生物复杂性、生态复杂性、演化复杂性、经济复杂性、 社会复杂性等。由于复杂性概念在不同的学科领域，研究对象和采用的分析方法不同， 因而对复杂性概念的定义也不相同， 所以， 到目前为止， 对复杂性还没有一个严格定义。 科学意义上的复杂性可以狭义地定义为： “复杂性是指系统由于内在元素非线性交互作 用而产生的行为无序性的外在表象” 21。 复杂性科学进而产生了人工生命科学（artificial life），人工生命科学为许多传 统学科难以解决的问题提供了新的思路和方法。 对于群体动画来说，研究人工生命具有非常重要的意义。作为一个自主的智能体， 群体动画在计算机三维动画中实现方法的研究 11 人工生命体的最基本的问题就是其行为选择问题， 也就是它必须在环境中自主地决定它 应该如何做， 当周围环境或它自身的状态发生变化时， 它必须能选出合适的行为。 因此， 人工生命体行为选择机制的研究对研究人工生命具有举足重轻的作用。 2.2.2人工生命理论 （1） 人工生命概念的提出 1987年，美国学者兰顿(langton)首次创建了人工生命(artificial life)学科用 非有机物质创造新的生命形式来研究生命行为 22。 所谓人工生命人工生命，就是其行为具有通常所认为的基本生命特征的某种系统。生命根本 特征一般可包括:行为、个体与群体、繁衍、进化以及自组织等，即“人工生命是具有 自然生命现象的人造系统” 23。 兰顿认为人工生命是“研究那些具有自然生命现象的人造系统”。基本的生命特征 一般应包括自繁衍(self-reproduction)，自进化(self-evolution)，以及自组织 (self-organization)等。人工生命科学认为:生命并不存在于单个物质中，而是存在于 物质的组合之中;生命行为从大量简单的物质的相互作用中自下而上(bottom-up)地突 现出来。这就意味着构成生命的物质本身并不重要，只要能够演示出生命的基本特征的 任何形式的物质的组合都可以是生命的一种存在形式。这就是生命的抽象性。 （2） 人工生命研究的内容 人工生命研究的内容是：致力于去抽象出生命现象的基本动力学原理，并把这些原 理运用到别的媒体，使得它们进入到这些媒体实现操纵和接受检验 2425。 概括地讲，人工生命就是研究那些“具有自然生命特征和生命现象的人造系统的理 论模型生成方法和实现技术”。地球上不同的动物、不同的植物具有各种不同的外观形 态、不同的内部构造、不同的行为表现、生理功能、生活习性、栖息环境、生长过程、 不同的物质存在形式、能量转换方式、信息处理模式等。然而，在“个性”中存在“共 性”，从各种不同的自然生命的特征和现象中可以归纳、抽象出自然生命的共同特征和 现象，自然界中生命具有交配繁衍、遗传变异、优胜劣汰的自繁殖、自进化、自寻优的 功能和特性。具有发育成长、学习培训、新陈代谢的自成长、自学习、自组织的过程和 性能。具有稳定内部状态、适应外部环境、动态协调平衡的自稳定、自适应、自协调的 功能和特性， 自然界中的生命都是以蛋白质和碳水化合物为物质基础的受基因控制和支 配的生物有机体。 凡是具有了这些自然生命本质特征的系统， 都称之为人工生命。 另外， 人工生命不仅是具有自然生命特征和现象的人造模型、仿真系统，或是自然生命遗传后 代、复制产物。而且，人工生命可以延伸、扩展自然生命的功能和特性，是自然生命的 改良品种、进化系统。可以认为:“人工生命是自然生命的模拟、延伸与扩展”。 （3） 计算机动画的人工生命方法的特点 人工生命人工生命是继混沌理论之后的研究复杂性的新的前沿学科。生命现象的仿生系统是 人工生命研究的一个方面。通过生命现象的仿生系统的建立，可以展示自然界中的各种 生命现象，从而来理解生命的本质。昆虫是低等级的生物，单个昆虫不具有高级的思维 能力和判断能力。但一群简单的昆虫，往往可以做成一些复杂的事情。例如蜜蜂的社会 就组织严密，分工明确。每个蜜蜂只需要针对自己周围的环境做出适当的反应，整个群 体就能完成非常复杂的任务。个体的行为简单、盲目而且带有随机性，整体的行为却是 群体动画在计算机三维动画中实现方法的研究 12 连贯、流畅与一致的。显然这些昆虫具有高效的内部协作机制。 组成人工生命系统的个体都是具有自学习功能的自主体，表现出自适应性、自组织 性和进化特性。这些特性都表现为自主体对其所赖以生存的环境的作用与反作用，通过 自主体间的相互.作用及自主体与环境的作用，经过多次接受局部信息的训练和学习， 使每个自主体都能选择出对应于不同环境所应采取的行为， 从而在宏观上体现出一定的 突现智能特性。 2.3 基于自主智能体的群体动画的模型设计 不同于传统的计算机动画创作所采用的“关键帧”技术，计算机动画的人工生命方 法，是一种基于自然生命模型的动画自动生成方法，它不仅可以显著增加计算机动画的 逼真度和生动性，提高了动画的临场感，而且可以有效地提高动画的创作效率，显著地 减少了动画创作者对计算机动画生成过程的介入和干预，降低了动画师的劳动强度，使 动画师从类似于“木偶戏表演者”的角色转变为虚拟自然界的“电影摄影师”的角色。 计算机动画的人工生命方法的研究与实现，综合运用了计算机图形学、人工智能、 人工生命、物理、生物等学科的知识，突破了传统计算机动画的框架限制，开拓了计算 机动画创作的新途径， 为计算机动画技术真正走向市场化应用提供了一个有力的方法和 途径，其研究成果也为多智能体系统、复杂自适应系统、人工生命、机器人学理论、计 算机视觉、机器学习等学科的研究提供了一个完整的研究试验平台。