（信号与信息处理专业论文）基于delta3d的人群模拟.pdf

摘要 摘要 公共场所中，由于人员密度大、安全出口设计的缺陷、人员的不确定性等都 会增加安全隐患。一旦有火灾、毒气散发、炸弹爆炸、和恐怖威胁等突发事件发 生，都会导致人群产生恐慌情绪，使得人群的安全疏散发生危险，进而造成群死 群伤的事故。为解决上诉问题，一般都是根据实际演练的效果来制定紧急预案。 传统意义上的疏散演练是利用会议布置、宣传画介绍、个别人员参与、集体现场 观看等手段进行，但因时间和经济上的限制不可能多次重复进行，其演练结果必 然不尽人意。随着近年来计算机科学在游戏动画、虚拟训练、影视特效、安全辅助设 计等领域的不断发展，对人群的运动过程通过计算机仿真的方式进行模拟成为一个值 得研究的课题。 本文以智能体( a g e n t ) 方法为基础，并结合d e l t a 3 d - - 维游戏引擎来搭建人群模拟 平台。在研究过程中针对人群模拟平台当中的疏散路径问题以及疏散过程当中个体之 间的碰撞问题，本文采用了导航图技术，并将a g e n t 技术用于个体的行为建模。并且考 虑到在导航图当中仅采用a s t a r 算法得到不合理的z 字形路径，结合人群疏散行为特点 ，提出一种优化算法对疏散路径进行优化以得到更为平滑自然的路径。同时为表现人 群运动过程当中个体之间的相互碰撞问题，结合碰撞规避规则进行穿透矫正。最后采 用开源三维游戏引擎d e l t a 3 d 在v c + + 9 0 环境下进行仿真并搭建了一套较为完整的三 维人群运动模拟平台。最后分别在三种不同出口条件下的虚拟场景中对该平台进行测 试。结果表明该平台能直观的展现人群疏散的运动过程，并能够对建筑物安全设计的 合理性提供有效的数据依据。 关键词：人群模拟；碰撞规避；疏散仿真；智能体 广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t i np u b l i cp l a c e s ，d u et ot h ed e n s i t yo fc r o w di sb i g ，t h ed e s i g nf l a w so fs e c u r i t y e x i t s ， a n dt h eu n c e r t a i n t yo ft h ec r o w d a r ea l lg o i n gt oi n c r e a s et h er i s k s o n c et h e r ei saf i r e 、g a s d i s t r i b u t i o n 、o c c u r r e n c eo fb o m be x p l o s i o n s ，a n dt e r r o r i s tt h r e a t sa n do t h e re m e r g e n c i e s w i l lc a u s et h ec r o w dt op a n i c ，e n d a n g e rt h ee v a c u a t i o no fc r o w d s ，t h u sc a u s ea c c i d e n t s t o s o l v et h e s ep r o b l e m s ，w eu s et om a k ee m e r g e n c yp l a n sa c o r c d i n gt op r a c t i c a lr e h e r a s l s t h e t r a d i t i o n a le v a c u a t i o nd r i l l sa r ee x c u t e db yt h ew a yo fm e e t i n ga r r a n g e m e n t s p r o p a g a t i o n s o f p a i n t i n g s ，p a r t i c i p a t i o no fi n d i v i s u a l s ，l i v es h o w s b e c a u s eo f t h ec o n s t r a i n t so ft i m ea n d f i n a n c e t h e s ec a n n o tb ep r o c e d e dr e p e a t e d l y , t h ee f f e c t so fd r i l l sw i l ln o tb es a t i s f i e d w i t h t h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g i e si nt h eg a m ea n i m a t i o n 、v i r t u a lt r a i n i n g 、f i l m a n d t e l e v i s i o ne f f e c t s ，s a f e t y - a i d e dd e s i g n , t or e s e a r c hc r o w ds i m u l a t i o nt h r o u g ht h ec o m p u t e r s i m u l a i o n si sb e c o m i n gap o p u l a rt o p i c t h i s p a p e r u s e st h e a g e n tm e t h o d t om o d e lc r o w ds i m u l a t i o nw i t hd e l t a 3 d t h r e e - d i m e n s i o n a lg a n a ee n g i n e i np r o c e s so fr e s e a r c h i n g ，t os o l v et h ep r o b l e m so f e v a c u a t i o np a t h sa n dc o l l i s i o n sa m o n gi n d i v i d u a l s w ea d o p t e dt h em e t h d do fn a v i g a t i o n g r a p ha n da p p l i e da g e n tm e t h o dt oi n d i v i d u a l 。sb e h a v i o r c o n s i d e r i n gt h e u n r e a s o n a b l e z i g z a gp a t h s ，w ec o m b i n e dan e wa l g o r i t h mw i t hc r o w d sb e h a v i o rc h a r a c t e r i s t i c st og e ta r e a s o n a b l ep a t h s a tt h es a n l et i m e i no r d e rt oe x h i b i tt h ec o l l i s i o n sd u r i n gt h em o v e m e n to f c r o w d ，w eu s e dap e n e t r a t i o na v o i d a n c er u l e st oc o r r e c tt h e m a tl a s t w eb u i l tap l a t f o r m w i t hd e l a t 3 du n d e rt h ev c + + 9 0i d e a n dt e s tt h ep l a t f o r mw i t ht h r e ed i f f e r e n tv i r t u a l s c e n e s t h er e s u l ts h o w st h a tt h i sp l a t f o r mc a l ld i r e c t l ye x h i b i tt h ep r o c e s so fc r o w d s m o v e m e n t a n da l s oc a l lp r o v i d ee f f e c t i v ed a t af o rt h ed e s i g no f p u b l i cb u i l d i n g s k e y w o r d s ：c r o w ds i m u l a t i o n ：c o l l i s i o na v o i d a n c e ；e v a c u a t i o ns i m u l a t i o n ：a g e n t 目录 c o n t e n t s a b s t r a c t i i c o n t e n t s v c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h i st h e s i s 1 1 2d o m e s t i ca n do v e r s e a sr e s e a r c hs t a t u s 2 1 3r e s e a r c hd i f f e r c u l t i e sa n dk e yt e c h n o l o g i e s 2 1 4c o n t e n t so f t m st h e s i s 3 c h a p t e r2 s e v e r a lk i n d so fm o d e l i n gm e t h o d 4 2 1r u l e b a s e dm o d e l 4 2 2c e l l u l a ra u t o m a t am o d e l 5 2 3s o c i a lf o r c e sm o d e l 6 2 4a g e n tm e t h o dm o d e l 7 2 5c h a p t e rs u m m a r y 8 c h a p t e r3g a m ee n g i n e 9 3 1u n r e a l 3c o m m e r c i a lg a m ee n g i n e 9 3 2m a i nf e a t u r e so f u n r e a l 3 9 3 2 1r e n d e r i n ge f f e c t 9 3 2 2a d v a n c e dd y n a m i cs h a d o w i n gt e c h n i q u e s 10 3 2 3m a t e r i a ls y s t e m 11 3 2 4r i g i db o d yp h y s i c ss y s t e m 12 3 2 5a n i m a t i o ns y s t e m 12 3 2 6g a m ef r a m e w o r ka n da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e 13 3 2 7s o u n d i3 3 2 8n e t w o r k 13 3 3u n r e a l 3t o o l s 14 3 3 1u n r e a l e d 1z l 3 3 2m a t i n e e 1z l 3 3 3v i s u a l i z e dm a t e r i a le d i t o r l5 v 广东工业大学硕士学位论文 ：；3 4s c r i p te d i t o ro fu n r e a l 3 l ! ； ：；4d e l t a 3 d 11 ； ：；5m a i nf e a t u r e so fd e l t a 3 d 16 3 6t o p l e v e lc o n s t i t u t eo f d e l t a 3 d 1 7 3 7i n t r o d u c t i o no fd e l t a 3 d l i b r a r y 17 ：；7 1 r e n d e r i n g 17 3 7 2p h y s i c se f f e c t s l9 ：；7 3s o u n d 19 ：；7 4a n i m a t i o n l9 3 7 5s c r i p t 2 0 3 7 6o t h e rf u n c t i o n sa n dt o o l s 2 0 ：；8i n t e r n a lf u n c t i o n sm o d u l e so fd e l t a 3 d 。2 3 ：；9c h a p t e rs u m m a r y ：2 4 - c h a p t e r 4 b u i l d i n go fc r o w ds i m u l a t i o np l a t f o r m 2 5 4 1c o n s t r u c t i o np r i n c i p l e s 2 5 4 2n a v i g a t i o ng r a p ha n dp a t ho p t i m i z a t i o n ：z 6 4 3a g e n tm o d e l i n ga n dc o l l i s i o na v o i d a n c e 2 8 4 4p r o g r a m m i n g ：；l 4 5s i m u l a t i o np r o c e s s 3 3 4 6s i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i s 3 4 4 7c h a p t e rs t m u n a r y 3 7 c h a p t e r5c o n c l u s i o n 3 8 r e f e r e n c e ：；9 p u b l i s h e dp a p e n d u r i n gt h em a s t e rp e r i o d 4 ：! d e c l a r a t i o n s 4 3 a c k n o w l e d g e m e n t s j i l 4 v l 第一幸绪论 第一章绪论 伴随着中国城市化进程的快速发展，大型建筑在各大中小城市迅速拔地而起。同时， 各大中小城市的人口密度越来越大。安全问题也日益突出。特别在紧急情况发生时， 人群如何快速、有效、安全地从大型建筑物安全疏散到一直是个热点研究问题。相比 较以往传统的人员疏散演练都是采用真人参与，实地演练，运用计算机的方法来模拟 人群疏散过程。不仅能节省人力与物力的开销，而且也可以经常重复进行。对整个疏 散过程可以进行全方面、多角度、不限次数的观察。随着计算机仿真技术的发展，计 算机群体模拟近年来己逐渐成为各国科学家研究城市公共安全的热点课题。因此，应 用计算机技术仿真的方法来解决公共场所疏散情况问题已成为一种主流方式。因此， 人群疏散模拟的研究与人员疏散仿真越来越成为学术界研究的热点课题。 1 1 研究背景 最早在8 0 年代就有科学家对自然界中的生物自组织行为并产生浓厚的兴趣，比较 常见的群体聚集现象有鸟群的群聚现象( f l o c k i n g ) 、鱼群的聚集和学习现象( s h o a l i n g a n ds c h o o l i n g ) 以及昆虫的聚集现象( s w a r m i n g ) 等，生物学家将这些现象的过程定 义为：由于群体中所有个体的自发行为而导致的宏观群体现象。对自然环境中各种群 体现象的研究吸引了不同领域的研究者，比如数学家、生物学家、以及自动控制和计 算机专家等心叫1 ，对其运行机理的理解带动和推进了其它领域相似工作的研究进展。 最原始的群体模拟技术是在计算机图形学领域产生的，在1 9 8 5 年的计算机图形学 s i g g r a p h 大会上o h i os t a t eu n i v e r s i t ys u s a na m k r a u t 等人首次展示了他们的鸟群 模拟效晦3 ，接着在1 9 8 7 年，当时在s y m b o l i c si n c 的c r a i gw r e y n o l d s 又提出了著 名的b o i d s 模型，此后，r e y n o l d s 的此项工作引起了众多研究者的关注并产生了众多 研究成果。而这些技术成果也被大量的运用到了工业利用。经过近三十年的发展，群 体运动的模拟已经被广泛用于影视动画、游戏、公共安全等领域。 广东工业大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 近年来，关于群体模型的研究已经取得了较多成果，并且利用这些成果对建筑物 的安全疏散进行评估也取得了不错的效果。最初群体模拟的研究是从鸟群行为模拟开 始，最早可以追溯n 1 9 8 5 年s u s a na m k r a u t 展示的基于规则模型的鸟群模拟效果，以及 c r a i gw r e y n o l d s 在此基础上提出的b o i d s 模型。随后群体模拟领域的研究主要集中 在群体行为建模和群体运动控制等方面，国外在这些问题研究处于领先方面的有 r e y n o l d s 的人工鱼吣3 、以及b r o g a n 最先提出的具带有动力学特征的群体行为模拟盯3 、 m u s s e 提出的基于关系的行为模型1 、h e l b i n g 通过对人群进行动力学分析，率先提出社 会力模型阻 【m 等等，由于力学模型需要在每一帧时计算个体的速度，导致计算量太大， 不适合较大规模的人群模拟。随着行为模型研究的深入，更多的技术要求也日益涌现， 因此对群体模拟领域的研究扩展至群体行为建模、群体运动控制、模拟场景编排、群 体动画控制方法、大规模群体计算和渲染等多个方面。有了近几十年的研究成果的积 累，国外已经有研究机构成功开发出商用的疏散仿真系统，例如美国f r a n c i s 开发的基 于元胞自动机模型的e v a c n e t + 系统，由于该系统在渲染方面的优化，所以主要用于影 视动画特效的制作。另外由爱丁堡大学开发的e x o d u s 、s i m u l e x 系统在建筑物安全疏散 领域的研究具有一定的权威性。 国内虽然相对国外起步较晚，但也提出了较多研究模型，如武汉大学卢兆明、方 正等的“网格模型 1 1 1 在该文章中作者基于元胞自动机模型的基础之上，通过更为 复杂的数学模型建立起出口位置、个体坐标、人群数量与个体运动速度的关系。在中 国科学技术大学火灾科学国家重点实验宋卫国等人研究的元胞自动机模型的方法n 羽、 作者在二维元胞自动机的基础上结合了吸引力与排斥力等五种力的影响，并分析了不 同出口条件下群体疏散的效果，得出了不同人群密度与不同出口宽度的曲线图。国内 较为成熟的疏散系统有中科院计算机研究所开发的人群模拟系统叫u a r d e r u 羽，通过 对环境建立语义模型，将环境划分成块进行组织以描述更为复杂的场景环境，另外通 过拓扑结构可以建立各个场景块的连通关系，可以更快的计算出路径。通过基于规则 和建立全局势能场来驱动群体运动，不仅解决了个体之间的碰撞冲突问题，并且得到 了更平滑的运动轨迹。中科院开发的群体模拟系统较为完善，通过代价函数来评估个 体与环境之间的作用关系对碰撞与运动轨迹问题都得到了较好的结果，由于个体的计 算量比较均衡，因此其在超大人群模拟上也有较大优势。 2 第一章绪论 1 3 研究难点及关键技术 对建筑物当中人群模拟课题的研究涉及到很多因素，其中有创建较真实的虚拟环 境，如何对人群当中的个体进行建模，以及如何表现人群中个体之间的相互作用等。 本文经过研究将从以下几个方面是对人群模拟进行研究： 1 搭建真实的虚拟场景模拟，其中包括对环境和人群动画进行三维建模。 2 对个体采用a g e n t 方法建模。 3 全局路径网格的建立以及优化路径。 4 建立碰撞规避规则对个体穿透行为进行矫正。 最后本文结合d e l t a 3 d 三维游戏引擎与v i s u a ls t u d i 0 2 0 0 8 建立了一套较为完善三 维疏散仿真平台。 1 4 论文研究内容 第一章阐述了选题背景及研究意义，人员疏散模拟技术在国内外的发展现况，介 绍了简介了研究目标和研究内容，提出了研究的难点与关键技术。 第二章主要对人群模拟的模型做了详细介绍，并针对本文的要求，综合各种模型 的优劣，采用a g e n t 方法来对个体进行建模。 第三章主要对d e l t a 3 d - - 维游戏引擎库的功能以及工具进行了详细介绍，同时介绍 了u n r e a l 3 商用游戏引擎主要特点，并对比分析了两者的异同。 第四章首先对人群模拟平台的搭建原理进行阐述，然后分析平台搭建的难点部分。 建立全局路径网格，并对路径问题、碰撞检测、穿透矫正问题提出解决方法。对平台 进行测试并对数据进行分析。 第五章对全文进行总结，提出平台还需改进之处，并提出本文未来的发展研究方 向。 广东工业大学硕士学住论文 第二章群体模拟模型 群体模拟主要分为宏观模型与微观模型，由于大规模的人群运动类似于水流的运 动，因此就有h u g h e s n 4 3 提出将流体力学应用于群体模拟，以及之后在此基础上又衍生 出的势能场n 铂“6 3 模型。这些方法的优点在于可以掌握群体运动的全局状态，在超大规 模的人群模拟有突出的表现。在微观模型中使用的较多的有：基于规则的模型、社会 力模型、元胞自动机模型、a g e n t 模型。 2 1 基于规则模型 r e y n o l d s 最初提出的f l o c k i n gm o d e l 方法是计算机图形学领域中最早的关于行 为模拟的文章之一n7 1 。他的文中描述了一种分布式的行为模型用来模拟鸟群的运动。 如图2 - 1 所示，鸟群中个体的行为主要表现为三个方面： ( 1 ) 鸟群的分离行为，尽量避免与邻近的个体发生碰撞； ( 2 ) 鸟群的对齐行为，尽量与邻近个体的平均运动方法保持匹配的速度运动； ( 3 ) 鸟群的聚集行为，向中心聚集，尽量向邻近个体的平均位置移动。 姥) 厶好) ( a ) 分离行为 ( a ) d e p a r t ( b ) 对齐行为 ( b ) a l i g n m e n t 图2 1 三种行为规则 ( c ) 聚集行为 ( c ) c o n v e r g e f i g 2 - lt h r e eb e h a v i o rr u l e s 基本的行为规则的模型只能模拟较简单的生物运动。对于人群这种高级生物则很难 全面的描述群体运动行为，并且随着规则数量不断地增加，产生的规则顺序排列方法 也会大量增加，实验难度也会加大，此外，基于行为规则模型有可能不考虑群体运动 时个体拥挤所产生的碰撞，基于行为规则的模型有时虽能较好的模拟低密度人群，但 是随着群体密度的加大，模拟效果显然难以保证，总之，上述几个方面是基于行为规 则的方法所面临的主要问题。 4 第二章群体模拟模型 2 2 元胞自动机 元胞自动机模型( c e l1a u t o n o m y ) 模型最早由y o nn e u m a n n 和s t a n is l a wu l a m 最 早提出来的n8 ，目前主要广泛应用于模拟各种物理系统和自然现象，诸如流体运动、 生物行为模式、雪崩、地震等等，元胞自动机模型的优点在于不需要经过复杂的运算 只要直接通过制定行为规则就可以来模拟非线性物理现象。由于人群是一个高度复杂 性和高度不确定性的群体，人群行为的模拟远比车辆等按一定规则进行运动的物体模 拟要困难得多，而元胞自动机模型则是用来模拟人群行为的一种高效的技术。l e v y 在 他的著作n 叫中将元胞自动机模型看作是人工生命的一种模拟建模方法，在元胞自动机 模型中，每个个体受一组局部控制规则约束，他们的相互作用可以涌现出特定的群体 突发性行为。f r u i n 在晗们中对行人流进行了仔细的分析，他的工作反映在公路通行手 册中乜并被其他研究者跟进，上个世纪九十年代初，国外研究者们开发出一系列用于 行人模拟的方法，例如乜2 2 引。 图2 2 元胞自动机模型中的空间表示方法示意副2 4 】 f i g 2 - 2c e l l u l a ra u t o m a t am o d e ls p a c er e p r e s e n t a t i o nd i a g r a m 如图1 - 2 所示，现在所采用的元胞自动机模型都是二维网格形式，将空间划分为均匀的 网格，其中每个网格单元都是一个基本单位，同时只能有一个个体能在这个网格当中， 一般来说，任何一个网格单元可以有三种状态： 1 被障碍物占据，个体不能达到，从相邻网格中找到空闲网格。 2 被行人占据，等待或者寻找相邻的空闲网格。 3 空闲状态，任何个体都可以达到。 在每个计算周期，行人都可查询其相邻网格单元的状态，接着以一定的概率移动 到相邻的网格中。元胞自动机方法的简单以及容易实现等特点使得该方法被广泛的应 用于人员建筑安全分析和模拟，这方面的例子可以参考汹哺1 等。 广东工业大学硕士学位论文 元胞自动机模型的一个显著优点就是仅仅通过少量的简单的规则就能近似的模拟 出现实中观察到的行人现象，并且这些规则在直觉上很容易理解，与那些复杂的行为 模型相比，其计算过程简单且高效。但该模型也有非常明显的缺点，例如当模拟空间 离散成二维的网格，模拟的个体的运动常常会受到限制，只能移动至相邻近的四个或 八个空闲网格之一，另外当较大群体拥挤在一起时，模拟出的人群就像棋盘格一样均 匀，无法模拟出人群之间的推挤和碰撞，所以导致其结果往往失真比较严重。 2 3 社会力模型 d r i kh e l b i n g 最出从物理力学的角度出发，研究了恐慌状态下人群行为的特点， 并提出一种社会力学模型啪儿矧，该模型建立在物理力和个体间相互的社会心理影响力 的基础上，个体运动时会受到如下因素的影响：个体自身的期望速度和方向、个体之 间的相互作用力以及障碍物对个体的作用力，依据以上三个因素，个体在时间t 的速 度改变量可由下面公式计算 得到： 朋，拿= m ，竖盟掣+ 主乃+ 主厶 ( 2 。) 。出 下，鲁叫“” ”一7 h e l b i n g 从人类社会心理学和物理力学方面分析并提出了基本的社会力模型，由 于该模型有较高的可信度，因此被广泛应用和研究，在h e l b i n g 模型的基础上出现了 众多衍化版本。b r a u n 等人提出一种更通用的模型3 ，每个个体具有不同的个体特 征，比如在逃生的过程中，有些个体会倾向于帮助受困的个体，增加了利他作用力和 g r o u p i n g f o r c e ，会表现出不同的个体行为。h e l b i n g 等在3 中通过真实实验测试了社 会力模型的有效性，通过对社会力模型进行校正之后，他们发现了数个不常见的安全 措施，比如合理的设置障碍将有利于产生稳定和流畅的人流，之字形的通道有利于减 轻恐慌人群拥挤的压力等，他们的成果有助于提高公共场所中通道的利用率以及危机 情况下的人员安全性。 b r o g a n 和h o d g i n s m l 提出了一种算法去控制受复杂动力学因素影响的个体的运 动，该模型主要适用对象是一些具有较显著物理特征的特殊人群。并且融合了予系统 的一些原理，但主要还是在建模过程中较多地使用一些动力学原理来对人群的速度、 位置、加速度变化进行量化，同时也从动力学原理角度出发来建立个体运动仿真模型。 6 第二章群体模拟模型 如图2 3 所示一些采用该模型的模拟结果。 图2 3 模拟的单腿机器人和自行车运动员 f i g 2 3s i m u l a t e dl e gr o b o t sa n dc y c l i s t s 基于社会力的方法其物理意义比较直观，能较好的模拟人群在恐慌状态下的人群行为， 但是由于作用力的参数较多，各种作用力之间较难平衡，所以难以获得比较平滑的运 动轨迹。 2 。4 a g e n t 模型 在信息技术研究领域，尤其是人工智能和计算机这一领域，可把a g e n t 看作是有自 适应性和智能性的实体，并能够通过传感器感知其环境，并借助执行器作用于该环境 的任何事物。通常，a g e n t 有一个可用的动作库，这些可能的动作表示一个“a g e n t ” 的有效行为能力。即它可以改变环境的能力，动作都有与之相应的前提定义这个动作 在什么情况下可以执行。一个a g e n t 一般包括如下几个属性： 1 自主性：自动感知外部环境的信息。 2 反应性：根据外部环境变化作出选择。 3 交互性：与其他a g e n t 进行信息交流。 4 主动性：主动执行所设定的行为规则。 人员在紧急情况下的疏散时的高度不确定性的，动态的过程是整个人群模拟中较 难量化的参数。因为在疏散过程中，对人产生人影响的不仅有心理意识的因素，还有 人与人、人与环境之间的频繁交互所产生的，等其它一些较难预测的因素，这些都会 对疏散结果产生无法忽视和回避的影响。a g e n t 是主动的、活的实体。这一些个特点使 得它特别适合人员疏散的仿真，也便于研究群体当中单个个体的属性和行为以及某种 7 广东工业大学硕士学位论文 行为发生的原因。基于a g e n t 方法的人群模拟仿真方法大多将平面空间划分为细小的网 格，将每个网格离散化，然后通过一系列的行为规则，并设定人员只能在网格上移动， 进而模拟人群在紧急状况下逃生的运动过程。国内研究较多的有方正和卢兆明的“网 格模型”、徐高的“基于智能体技术的人员疏散仿真模型汹等。在这些模型当中，a g e n t 与环境以及a g e n t 之间的相互作用简化成已经提前设定好的规则，这就要求在做群体模 拟仿真研究时要对人的行为规则有较高的认识。 2 5 本章小结 本章主要简述了行人流运动的仿真中几种主要的模型包括基于个体规则模型、社 会力模型、元胞自动机模型及基于a g e n t 模型等常用模型。其中可以看到群体模拟技术 已经受到越来越多的关注，许多研究机构与学者面也取得的大量的研究成果，这也推 进了人群模拟技术的快速发展。要实现更真实的人群模拟效果还有很多的问题需要解 决，例如在通用性、真实性、模拟规模上等都需要进一步的研究，因此在现阶段情况 下有必要针对实际的仿真要求，采用合适的模型。 3 第三章开发引擎 第三章开发引擎 3 1 虚幻( u n r e a l ) 3 商用游戏引擎 虚幻引擎3 是一个面向游戏机和d i r e c t x9 个人电脑的完整的游戏开发平台，提供 了游戏开发者需要的大量的核心技术、数据生成工具和基础支持。并且是可扩展的、 面向对象的c + + 引擎，带有用于静态和动态加载代码和资源的软件架构，可移植性， 易于调试。 目前e p i c 公司也发布了免费版本的u n r e a l3 引擎：u d k ( u n r e a ld e v e l o p m e n tk i t ) ， 来面向教育研究团体、个人游戏开发者、众多有着优秀创意却苦于缺乏启动资金的小 游戏工作室，甚至也包括所有需要进行三维应用开发的商业公司。虚幻引擎3 的设计 目的是使该引擎在每一个方面都具有比较高的易用性，因此该引擎就主要侧重于数据 生成、程序编写和图形渲染这几个方面。正是有了这几个先决条件，使得在游戏开发 的过程当中只需要程序员使用较少的代码就能够尽可能多完善游戏的功能，并且该引 擎提供了可视化开发环境，使得这一过程可以在完全的可视化环境中完成，实际操作 非常便利。与此同时，虚幻引擎3 还能提供了一个功能先进，并且具有极高可扩展性 的应用程序框架( f r a m e w o r k ) ，通过这个框架可以各种类型游戏的建立、测试和发布。 3 2u n r e a l 3 游戏引擎主要特点 3 2 1 渲染效果 由于显示芯片行业的高速发展，可以看到在最新的一代显示芯片发布的过程中， 有了一个非常明显的特点，就是新一代的显示芯片已经不再满足于传统的3 2 位色深， 而是需要采用更加高精度的颜色范围，所以该引擎与与时俱进进而支持更高位数的色 彩显示。该引擎采用的6 4 位色的高精度动态渲染管线，此外还包括同时采用的g a m m a 校正技术和线性颜色空间渲染器，可以大大的提高颜色的显示精度。除此之外还支持 了各种后期特效，如光晕、镜头光环和景深等效果。还支持基于像素的光照和渲染技 术，包括使用法线贴图技术的p h o n g 光照，虚拟位移贴图技术。提供了光线衰减函数 进行参数调节，通过使用采用预计算的阴影遮罩技术以及球形h a r m o n i c 贴图的预计算 9 广东工业大学硕士学位论文 可以支持凹凸表面自动生成阴影。如图3 。1 所示采用u n r e a l 3 引擎打造的游戏画面渲染 效果。 3 2 2 高级动态阴影技术 图3 1 游戏实景渲染效果 f i g 3 - 1g a m e r e a lr e n d e r i n g 虚幻引擎3 支持下列三种阴影技术：1 动态模板缓冲的阴影体积技术可以支持动态 照明需要，所以游戏创作人员就可以在游戏场景中的任何对象准确地投上阴影。2 通过 使用1 6 x 超级取样的阴影缓冲技术能够让角色在场景中任意投射出动态的、柔和的模 糊阴影。3 因为极高质量和极高性能的预先计算出的阴影遮罩，从而可以将静态光源的 交互现象进行离线处理，但是完整的动态高光和反射效果同时还是得到了保留。 所有三种阴影技术都是可视化的，并且可以按照设计要求进行自由混合。另外， 还提供了颜色的衰减函数，通过参数调节进而实现具有合适阴影的平行光、聚光灯， 以及投射光等效果。如图3 2 阴影效果。 1 0 第三章开发引擎 3 2 3 材质系统 季勰 强大的材质系统，使得游戏开发人员可以在实时图形化界面中建立任意复杂的实 时s h a d e r 。并且由于材质框架是根据模块化设计的，因此不仅可以加入新的s h a d e r 程 序，还可以能够随意地与其他组件连接的s h a d e r 组件，从而可以实现s h a d e r 代码的动 态合成。该引擎具有另外还可以通过一个可动态变形的基本高度图来建立地形，并使 用多层混合材质，这其中包括位移贴图，法线贴图和任意复杂的材质，动态的基于l o d 的细分，以及植被。强大的地形系统还支持使用者生成任意自然的效果，如平地上的 植被，陡坡上的岩石和山顶上的雪等到。一些环境效果包括高度雾和物理上精确的距 离雾( 图3 3 ) 等也支持自动生成。 广东工业大学硕士学位论文 3 2 4 刚体物理系统 图3 3 云雾效果 f i g 3 - 3c l o u de f f e c t 一套完整的游戏引擎最重要的组成部分还包括完善的物体效果。该引擎采用的是 目前较为流行的一种高级物理引擎布娃娃( r a g d o l l ) 系统。该系统不仅可以赋予能够 付给游戏者和游戏中的物体以一定的质量，形状等特性，从而仿真出真实的力学动态 效果。还可以对人体附加上布娃娃角色动画，进而实现各种角色之间的复杂碰撞和物 体交互，并进行碰撞检测。一些比较著名游戏当中也采用了这个刚体物理系统。而且 还可以将所有可渲染的资源都附加上一些物理特性，例如摩擦、空气阻力系数等参数。 3 2 5 动画系统 与d e l t a 3 d 引擎相似，该引擎使用的骨骼动画系统可以支持每顶点可达4 骨骼同 时影响的效果以及复杂的骨骼结构。动画效果是通过一棵动画物体树驱动，这其中包 括：混合控制器，进行对嵌套在人体上的不同动画效果进行多路混合，产生多种动画 效果。数据驱动的控制器，类似于电影的特效制作，该控制器可以对动作进行捕捉或 通过手动方式来制作动画数据。物理效果控制器，用来连接到刚体动态引擎，以实现 布娃娃系统的游戏者和n p c 相对应的对力的物理响应。过程动画控制器，以c + + 或 u n r e a l s c r i p t 脚本语言实现，可以实现一些诸如使一个n p c 的头部和眼睛跟随一个在行 1 2 第三章开发引擎 走中的游戏者，或使一个角色根据自身健康情况和疲劳度作出不同动作行为。通过在 3 ds t u d i om a x 和m a y a 插件，可以用于向引擎中导出赋予蒙皮权重的网格，骨骼和动 画序列。 3 2 6 游戏框架以及人工智能 该引擎的核心人工智能系统采用了一个可以支持普通游戏对象( 如游戏者，n p c ， 物品，武器和触发器) 的面向对象的游戏设计思想。并且有丰富的多级别a i 系统，包 括寻路、关卡的游历、角色的单独决策和组队舢等等。对如触发器，例如门和升降机 等普通游戏当中常见的游戏效果可以很简单的实现，还有允许在一些复杂的游历设定 中，使得n p c 可以自己按下开关，打开门，并绕过障碍物等。与d e l t a 3 d 当中的s t a g e 类似，a i 路径的设定可以在u n r e a l e d 中可见并可由关卡编辑者编辑，允许用户自定义。 提供可见的a i 脚本工具，使设计者可以创建复杂的交互性游戏设定，例如游戏者目标， 通用的游戏事件触发器和交互式过场动画。 3 2 7 声效 支持各种平台的输出格式，包含5 1 环绕立体声和高品质杜比数码音效，三维声源 位置设置和多普勒效应。在u n r e a l e d 中的可视化音效工具可以为声音设计者提供对音 效的全面的控制，包括声音强度，变调，过滤，顺序，调制，循环和随机化。声音参 数也可从代码中分离开，让所有的与游戏、过场动画和动画序列相关的声音设计者都 可以控制。 3 2 8 网络 u n r e a l 3 游戏引擎的网络部分编程是通过高层的和数据驱动的，客户端和服务器之 间联系的变量和函数是通过u n r e a l 脚本代码来设定，从而使联网客户端的游戏状态保 持同步与近似。底层游戏网络传输采用的是u d p 协议，并且将可靠和不可靠传输方式 结合来优化游戏感，所以即使在低带宽和高延迟的环境下，客户端一服务器模式下也 能最多支持“个游戏者同时游戏。同时还支持非服务器模式( 点对点模式) 下的1 6 游戏者同时游戏。 1 3 广东工业大学硕士学位