（通信与信息系统专业论文）鱼群动画的行为建模与行为规划的研究.pdf

上海大学硕e 学位论文 摘要 人工生命科学是近年来生命科学、信息科学、系统科学等领域的研究热点， 其中，人工生命体的行为建模和行为规划是人工生命与智能行为研究中的重要课 题。本文在分析和研究了国内外有关智能群体，特别是人工鱼群的研究成果基础 上，从人工生命的观点出发，探讨和研究了鱼群动画中的鱼群行为建模与行为规 划，建立了人工鱼群行为模型，主要的研究工作如下： 1 ) 鱼群的行为建模 采用查询图形数据库的方法，建立了人工鱼的虚拟视觉模型，有效地模拟了 视场范围、遮挡判断等虚拟视觉功能。采用队列方法设计了虚拟记忆模型，实现 了对场景的虚拟记忆。结合虚拟视觉与虚拟记忆建立了虚拟感知器，对鱼群的自 主行为进行了模拟。设计了鱼群的基本行为集合，采用了“赢者决定一切”的行 为选择过程，给出了人工鱼群算法( a f a ) 及仿真效果，并对各种影响因子进行 了分析。 2 ) 鱼群的行为规划 提出了在虚拟世界中建立人工鱼认知模型的新方法，将领地知识嵌入角色的 认知模型中，以指导角色获取知识，制定行动规划。通过在行为动画中引入“动 物行为逻辑”的概念，给出了高层非确定性目标导向行为与低层确定性预定义行 为相结合的体系结构和协调控制方案。基于内部状态和外部刺激共同驱动的目标 选择，建立了概率择优的量化方法。基于行为分类和层次结构的行为选择，以抽 象到具体为原则，将行为的层次划分为意图级和行为级。引入生存与竞争机制， 并建立人工鱼的三种基本愿望模型，通过对食物的消耗模拟进食愿望，对捕食者 距离的感知模拟逃跑愿望。基于决策树的目标搜索和角色指导方法。 在本文所建立的鱼群行为模型的基础上，构建了海洋世界中的鱼群行为动画 的仿真平台，建立了区域安全性和最佳捕食目标的评价函数，实现了鱼群的捕食 与逃避敌人的行为动画仿真。仿真实验结果表明，鱼群动画中的角色具备行为选 择智能，且能较好的反应群体行为的真实性。 关键词：人工生命；鱼群动画；行为建模与规划；认知建模方法；捕食与逃避 v i 上海人学硕t 学位论文 a b s t r a c t a r t i f l c i a ll i f es c i e n c eh a sb e c o m ear e s e a r c hf o c u si nt h e 如1 do fl i f es c i e n c e , i n f o r m a t i o n s c i e n c ea n ds y s t e ms c i e n c ee t c ，a n dt h ep r o b l e mo f b e h a v i o rm o d e l i n ga n db e h a v i o rp l a n n i n go f i n t e l l i g e n tg r o u pi sak e yt o p i ct or e s e a r c ht h ea r t i f i c i a ll i f ea n di n t e l l i g e n ta g e n t s o nt h eb a s i so f i n v e s t i g a t i o no nt h ec o r r e s p o n d i n gr e s e a r c hr e s u l t so fi n t e l l i g e n tg r o u p ，e s p e c i a l l yt h ea r t i f i c i a l s h o a l ，t h eb e h a v i o rm o d e l i n ga n dp l a n n i n go fs h o a li ss t u d i e dw i t ht h ev i e w p o i n to fa r t i f i c i a ll i f e ， a n dt h eb e h a v i o rm o d e lo f a r t i f i c i a ls h o a li se s t a b l i s h e d , i nt h i sp a p e r t h em a i nr e s e a r c hw o r ko f t h i sp a p e ra sf o l l o w ： 1 1t h eb e h a v i o rm o d e l i n go f s h o a l u s i n gt h em e t h o do fq u e r yo fg r a p h i cd a t a b a s e ，t h ev i r t u a lp e r c e p t r o no fa r t i f i c i a l f i s hi s e s t a b l i s h e d ，a n dt h ev i s i o nf u n c t i o ns u c ha sr a n g eo f v i s i o na n d j u d g m e n to f o b s t r u c ti ss i m u l a t e d e f f e c t i v e l yb yt h i sv i r t u a lv i s u a lm o d e l t h ev i r t u a lm e m o r ym o d e li sr e a l i z e db yt h em e t h o do f q u e u e ，a n dt h es c e n ec a l lb em e m o r i z e d t h e n , c o m b i n i n gw i t ht h ev i r t u a lp e r c e p t r o n , t h es h o a l s a u t o n o m o u sb e h a v i o ri ss i m u l a t e d t h ea g g r e g a t eo fs h o a l sb a s i cb e h a v i o ri sd e s i g n e d ；a n dt h e b e h a v i o rs e l e c t i n gp r o c e s s “w i n n e rt a k e sa l l ”i sa d o p t e d ；t h ea r t i f i c i a l f i s h s e h o n l - a l g n r i t h ma n di t s s i m u l a t i o i lr e s u l ti sp r e s e n t e d ；a n dt h es e v e r a ik i n d so f i n f l u e n c i n gf a c t o ri sa n a l y z e d 2 1 t h e b e h a v i o r p l a n n i n g o f s h o a l a n e wa p p r o a c h t o b u i l d t h e c o g n i t i v e m o d e l o f a r t i f i c i a l f i s h i ns h o a la n i m a t i o n i s p r e s e n t e d , d o m a i nk n o w l e d g ei si m p l a n t e di nt h ec o g n i t i v em o d e lo f a r t i f i c i a lf i s ht oi n s t r u c ts h o a lo nh o wt o g e tk n o w l e d g ea n dh o wt om a k eap l a n t h r o u g ht h ei n t r o d u c i n gb yt h ec o n c e p t i o no f “a n i m a l b e h a v i o ri o g i c ”i nb e h a v i o ra n i m a t i o n , t h ec o n c e r t e dc o n t r o ls e h e m et 1 1 a tc o m b i n e st h eh i g h - l e v e l u n c e r t a i n t yg o a l - d r e c t e db e h a v i o ra n dl o w e r - l e v e rp r e d e f i n e db e h a v i o ri se s t a b l i s h e d g o a l s e l e c t i o ni sd r i v e nb yb o t hi n s i d es t a t ea n do u t s i d es i m u l a t i o n ；u s i n gt h em e t h o do f p r o b a b i l i t y , t h e b e h a v i o rs e l e c t i o np r o b l e mo fe q u a lp r o b a b i l i t yi ss o l v e d , a n dt h eq u a n t i z e dm e t h o do fb e h a v i o r s e l e c t i o no fe q u a lp r o b a b i l i t yi s 百v e i l o b e y i n gt h ep r i n c i p l ef r o ma b s t r a c tt om a t e r i a l ，t h e b e h a v i o rl e v e li sd i v i d e di n t oi n t e n t i o nl a y e ra n da c t i o nl a y e r t h r o u g ht h ei n t r o d u c i n gb yt h e m e c h a n i s mo f “s u r v i v a la n dc o m p e t i t i o n ”i nb e h a v i o ra n i m a t i o n , t h r e eb a s e di n t e n t i o nm o d e lo f a r t i f i c i a lf i s hi sf o l l i l d e d a n dt h ei n t e n t i o nt ot a k ef o o di ss i m u l a t e db yt h ew a s t a g eo f f o o da n dt h e i n t e n t i o no f e s c a p ei ss i m u l a t e db yt h es e n s e so f d i s t a n c ef r o me n e m y t h em e t h o do f g o a ls e a r c h a n dc h a r a c t e ri n s t r u c t i o ni sb a s e do nd e c i s i o n - m a k et r e e t h es i m u l a t i o ns y s t e mo f s h o a lb e h a v i o ra n i m a t i o ni nt h eo c e a nw o r l db a s e do nt h eb e h a v i o r m o d e lo fa r t i f i c i a ls h o a li se s t a b l i s h e d ，t h ee v a l u a t i o nf u n c t i o nb a s e do rr e g i o ns e c u r i t ya n dt h e b e s tp r e d a t o r yt a r g e ti si n 佛o d u c e d ，a n dt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n to fb e h a v i o ra n i m a t i o nt h a t m a i n l yr e v o l v e st op r e yo na n de v a d et h ee n e m yt ol a u n c hi sr e a l i z e d t h er e s u l t so fs i m u l a t i o n e x p e r i m e n ts h o wt h a tt h i sw a yn o to n l yc a u s e st h er o l et oh a v et h eb e h a v i o rc h o i c ei n t e l l i g e n c ei n t h es h o a lb e h a v i o ra n i m a t i o n ，a l s or e f l e c t st h ea u t h e n t i c i t yo f f l o c k i n gb e h a v i o r k e y w o r d s ：a r t i f i c i a ll i f e ，s h o a la n i m a t i o n ，b e h a v i o rm o d e l i n ga n dp l a n n i n g ，c o g n i t i v em o d e l i n g a p p r o a c h ，p r e ya n de v a d e v i i 上海大学硕t 学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：刍尚痘日期：塑9 ，。；：。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) i l l 上海大学硕1 ：学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究目的和意义 我们有幸生活在这样一个多姿多彩的星球上，多样的物种、多彩的生活， 无不使我们惊叹这大自然的杰作。集群是生物中常见的一种生存现象，如昆虫、 鸟类、鱼类、动物、微生物乃至我们人类等。如图1 1 是在博茨瓦纳的奥卡万 戈河三角洲观察到的红嘴奎利亚雀在黄昏时分返回公共栖息地时形成一个巨大 的群的壮观景象1 1 】，这在自然界中并非少见。生物的这些特性是在漫长的进化 过程中逐渐形成的，对他们的生存和进化有着十分重要的影响，同时这些方式 为人类解决问题的思路带来了不少启发和鼓舞【2 1 。因此，近年来，有不少科学 家对生物的行为进行了广泛的研究，并逐渐形成了一种基于生物行为的人工智 能模式人工生命【3 1 。 图1 1 大自然中的鸟类聚集现象 动物的活动原本是动物学家和动物行为学家的研究课题，却引起了计算机 图形研究者和动画师们的浓厚兴趣。近年来，逼真的动物运动的“自动合成”技 术引起了人们广泛的注意，并且在某些动物的动画方面做了成功的尝试。通过 建立动物及其生存环境的模型来生成动画，而不是采用传统的“关键帧”技术去 制作动画。这在一定程度上克服了关键帧动画的局限性，例如，使用关键帧技 上海大学硕 ：学位论文 术需要动画师大量的劳动，动画角色缺乏自主性，并且动作细节规划繁琐【4 】【5 】。 动物世界中一些群体的行为，如鱼鸟牛羊等动物群体，在最近放映的电影 中也被模拟和表现【6 】。在大规模群体运动场景的仿真与设计中，既不能为群体 中的每个个体设计动作，这需要花费大量的时间和精力，但又不能简单的将一 个个体的动作复制成百上千，那会导致动作千篇律，单调呆板。这就需要具 有计算机智能的群体个体，这些个体应该具有即兴做出反应的能力，能轻易的 与其他个体、环境、用户的化身等进行协作或对之做出反_ 直【7 1 。 合理而逼真地将动物的群体行为再现于数字世界，不仅对计算机动画、游 戏及虚拟现实等领域具有积极的意义，而且也对人工生命学科的发展( 如探索 生命的本质等) 提供了新途径。通过合成、计算的方法去理解自然生命，弥补 了传统的生物学科分析方法的不足，也就是说，人工生命方法不是通过分析解 剖活的生物系统去研究生物系统，而是试图合成其行为表现像活的生物体的人 工系绀8 1 【9 】l l o 。 当前，国内在群体行为动画方面的研究基本空白，本文将在对鱼群行为动 画进行讨论与分析的基础上，研究和探索一些新的建模方法和建模策略，进一 步提高群体行为动画仿真的合理性和有效性。 1 2 国内外的相关研究状况 从2 0 世纪八十年代开始已经有很多人对虚拟生命主体的行为进行了研究。 r e y n o l d s 最早于1 9 8 7 年使用分布式的群体行为模型生成了逼真的鸟群飞行动 耐6 l 【1 1 1 。m a e s 提出了一个分布式的、不分层的行为选择机制，叫做“行为选择 网”( b e h a v i o rc h o i c en e t w o r k ) ，结果表明：这种模型对某些真实动物的行为选 择有重要的意义f 1 2 1 ”j 【1 4 1 。b e e r 和c h i e l 为了使机器昆虫能进行简单的行为选择， 实现了一个基于神经生态学的人工神经网络系纠15 】【1 6 1 。涂晓媛和t e r z o p o u l o s 设计了人工鱼 4 j 翻。人工鱼生活在虚拟的水底世界中，能够自主的避免碰撞、 觅食、逃生和交配等行为。人工鱼系统由运动系统、感知系统、行为系统三部 分组成，其中行为系统由鱼的习性、精神状态、一个意图发生器和一系列行为 程序组成。其代表作“g of i s h 、“t h eu n d e r s e aw b r l do f j a c kc o u s t o ”、“a r t i f i c i a l a n i m a l sf o rc o m p u t e ra n i m a t i o n ：b i o m e c h a n i c s , l o c o m o t i o n , p e r c e p t i o na n d 2 上海人学硕1 学位论文 b e h a v i o r 生动的展示了一个逼真的虚拟海底世界。a l i v e 系统采用层次结构组 织行为，实现了一个更为完备的行为系统刀【1 8 】1 1 9 1 。j a c k 系统为虚拟人设计了 基于行为控制的行走引擎，力图使用尽量少的行为模拟虚拟人的行走【2 0 1 1 2 1 l 【埘。 n o s e r 扩展了i 广系统的语法来描述动态的虚拟环境，使用特殊符号来描述虚拟 人及其行为特征1 2 3 。其虚拟人的行为由自动机指导。浙江大学的许威威建立了 一个虚拟人自主模拟平台，提出首先设计虚拟人的基本行为集合，并将行为组 织成层次结构，通过行为间的组合、包容有效支持虚拟人任务级动画的生成2 4 1 。 后来，人们开始把模糊数学，人工智能等引入到虚拟主体的行为决策中来。如 d i e k e r s o n 等用模糊数学，人工智能中的神经网络学习建立了一个虚拟海洋世界 2 5 。b l u m b e r g 用一种硼练真实的狗的方法 c l i c k e rt r a i n i n g ”调练虚拟狗1 2 6 1 。 1 3 论文各部分的主要内容 本文各部分内容安排如下： 第二章介绍了人工生命和群体行为动画的基本概念和知识，并对鱼群动画 和认知建模方法进行了的叙述； 第三章主要讨论人工鱼群动画的行为建模。建立了人工鱼的感知、运动和 行为控制模型，给出了仿真模拟效果，并对影响行为的参数进行了分析。 第四章主要讨论人工鱼群动画的行为规划。提出了在虚拟世界中建立人工 鱼认知模型的新方法，通过将领地知识嵌入角色的认知模型中，指导角色如何 获取知识，以及如何制定行动规划；给出了高层非确定性目标导向行为与低层 确定性预定义行为相结合的体系结构和协调控制方案：基于内部状态和外部刺 激共同驱动的目标选择，采用概率的方法解决了等概率行为选择的问题，并提 出概率择优的量化方法；基于行为分类和层次结构的行为选择，将行为的层次 划分为意图级和行为级；基于决策树的目标搜索和角色指导方法。 第五章设计并实现了海洋世界中的鱼群动画，主要围绕鱼群的捕食与逃避 敌人行为展开，在分析时采用了区域安全性和最佳捕食目标的评价函数。最后 给出了动画的执行效果。 第六章总结了本文所做的工作和课题中出现的问题与解决方法，提出了课 题进一步的研究方向。 上海大学硕l 学位论文 第2 章计算机动画的人工生命方法 2 1 人工生命 2 1 1 人工生命的概念【2 7 】【2 8 】 1 9 8 7 年9 月2 i 号，在美国罗沙拉莫斯的人工生命研讨会上，人工生命作 为一门新的科学学科诞生了。c g l a n g t o n 是人工生命这一概念的创始人，像许 多新兴学科一样，人工生命尚无统一的定义，不同学科背景的学者对人工生命 有不同的理解。以下试图给出一个综合的定义： “人工生命”研究这样一种人造系统，它能演示具有自然生命系统特征的行 为。通过在计算机或其他人工媒体中对类似生命的行为进行综合探讨，以便对 以经验事实和器官分析为基础的传统生命科学起互补作用，将“已知的生命”的 研究扩展至“可能的生命”的广阔范围，以此为理论生命学做出贡献。 l a n 舒o n 认为【2 9 j f 划：“人工生命是这样一个研究领域：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( 比如说计算机) ，使得 它们进入到这些媒体实现操纵和接受检验。除了为地球上已知的生命形式 ( 1 i f e - a s w e - k n o w - i t ) 提供新的研究方法外，人工生命允许我们去探索更广泛的 可能生命( 1 i f c a s i t c o u l d - b e ) 的领域”，“可以说人工生命的整体代表了一种尝 试，这种尝试极大地提高了综合性方法在生命学研究中的作用”。t r a v 【3 1 】【3 2 3 3 】 也说：“人工生命用非生命的元素去构建生命现象以了解生命学，而不是把自然 的生命体分解成各个单元，它是一种综合性方法而不是还原的方法”。c t a y l o r m 则说：“人工生命模型有足够强大的功能来获取复杂系统中更多的认知。这种方 式较之自然系统更容易被操纵、重复和精确控制实验”。 综合起来，人工生命就是研究那些具有生命特征的人工系统。实际上，有 许多系统符合这种要求，数字的、机械的、社会的。而人工生命涉及生命的形 式化基础，重视生命的信息本质。只有在“可能的生命”的广阔的范围内考察己 知的生命，才能真正理解生命的本质。从这种意义上讲，人工生命的开拓者把 地球上的生命仅仅看成是一种具有特定载体( 蛋白质) 的特定生命形式，地球 4 上海大学硕e 学位论文 上的生命进化也仅仅代表一种特定的进化途径。丽他们认为可以用别的物质来 构造另类载体的生命形式，赋予它们生命的特征。 由于各研究者所处研究领域不同，对人工生命的理解和研究方法也不相同。 “强人工生命”认为：人工生命也是一种生命，只是用不一样的载体而已，而载 体并不是最重要的。例如，具有生命行为的计算机可能就是生命体，未来的生 命计算机就是强人工生命的研究目标之一。而“弱人工生命”认为通过计算机对 生命行为的模拟，可能最终形成生命计算理论，即计算机不会成为生命体，但 可以作为研究人工生命的强有力的工具，并能表现人工生命的一些特有行为。 总的说来，人工生命有如下一些明显特征： 1 人工生命是由单个个体的集团构成，集团中每个个体都只具有简单过程 的行为。 2 人工生命系统既不存在全局控制过程，也不存在决定整体行为的规则。 3 个体的每个过程都包含与其它个体的交叉，反映了它对局部状态的影 响。 4 系统能超越各过程范围产生比较高级的行为，并且有“突现”结构与性 质，如自繁衍、自组织、代谢、适应、进化等。 2 1 2 人工生命的研究内容 十多年来，随着研究领域的扩展，人工生命学科不断被丰富和发展，同时 也影响了许多领域。从已发表的论文来看，当前国际上关于人工生命的研究概 括地有如下方面： 1 ) 数字生命 所谓数字生命专指那些以电脑为工具和媒体，电脑程序为生命个体的人工 生命的研究。这一方面以t r a y 的数字生命世界t i e r r a 为代裂”】，还有许多相 关的研究，如p a r g e l l i s 的数字生命【3 5 】。 数字生命的研究中一个重要的模型是元胞自动机( c e l l u l a ra u t o m a t a ) 。一 种特殊的二维元胞自动机是布尔网络。其每个元胞都是一个布尔自动机，即每 个元胞状态为1 或0 ，当元胞的连接是随机的且每个自动机的转换函数也是随 机确定的时候，就得到随机布尔网络。随机布尔网络表现比较复杂的突现行为。 5 上海大学硕士学位论文 a s k a u f f r a a n 深入地研究了随机布尔网络。 2 1 数字社会 j o s h u ae p s t e i n 和r o b e r ta x t e l l 在计算机上创立了一个数字社会 s u g a r s c a p e 【3 6 1 。这个人工社会是用来研究文化和经济的进化过程。他们认为一 个人工社会是一个这样的计算机模型，它包含：( a ) 一群具有自治能力的行为 者；( b ) 一个独立的环境；( c ) 管理行为者之间、行为者与环境之间、以及环 境各个不同要素之间相互作用的规则。 人工社会的行为者是一个能够随着时问发生变化或具有实用性的数据结 构。每个行为者具有遗传特性、文化特性、以及管理它与环境和其它行为者之 间的规则。其中，行为者的遗传特性在其生命期间是固定的。人工社会是由各 个行为者自我组织形成的，由各个行为者在简单规则的支配下，与人工环境交 互作用突现形成的。 3 ) 数字生态环境 挪威的k e i t h d o w n i n g 提出了一个名为e u z o n e 的一个进化的水中的虚拟 生态环境【3 7 1 ，目的是提供一个观察生态系统是如何从原始状态进化以及复杂生 态系统突现行为的实验手段。它利用具体的物理和化学模型，结合进化规则构 建以碳元素为基础的水中生态环境，可以观察到低等动物的形体的进化及生存 的竞争。e u z o n e ( e u p h o t i cz o n e ) 是浮游生物生存的地方，具有足够的能源进行 光合作用。在这个区域，蓝藻等利用太阳能和别的无机物产生碳水化合物以及 蛋白质，促进水中生物的出现，形成最低层次的食物链以及大多数别的水中生 物的基础。e u z o n e 具有两个基本过程：环境的模拟和生物的进化。前者尽量 反映真实世界的物理、化学以及生物之间的相互作用。生命进化由g p 和g a 来实现。 4 ) 人工脑( a r t i f i c i a lb r a i n ) 日本a t r 的进化系统部( e v o l u t i o n a r ys y s t e m sd e p a r t m e n t ) 致力于开发新 的信息处理系统，这种系统具有自治能力和创造性，他们把这样的系统称为“人 工脑”【3 引。人工脑不仅能够自发的形成新的功能，而且能够自主的形成自身的结 构。其研制者并不想单纯的再现生物大脑的功能和结构，而是想得到在某些方 面优于生命大脑的信息处理系统。人工脑采用了两方面的实现方式：( 1 ) 类似 6 上海大学硕i ：学位论文 生命的模型( 1 i f e - l i k em o d e l i n g ) 和( 2 ) 社会模型( s o c i a lm o d e l i n g ) ，包括传统 的用于神经系统的学习模型，如人工神经网络。在类似生命的模型中，系统有 一个类似于生命系统胚胎发育的功能，使得系统的结构和组成单元能够发生变 化、形成复杂系统。在社会系统中，系统被视为是一个动态过程，在这个过程 中，局部的、各个单元之间的连接使得整体的、全局的功能、词序、状态发生 突变。反过来，各个单元也受到全局状态的影响。因此，两个方向的相互连接： 从宏观到微观，从微观到宏观，影响着系统发生变化。 5 ) 进化机器人( e v o l u t i o n a r yr o b o t i c s ) 传统自律机器人的设计方法是把问题分割成为几个功能单元：感觉 ( s e n s i n g ) ，知觉( p e r c e p t i o n ) ，建模( m o d e l i n g ) ，确定行动方案( p l a n n i n g ) ， 执行任务( t a s ke x e c u t i o n ) ，马达控制( m o t o rc o n t r 0 1 ) 。然而，这种层次化的设 计方法使得机器人缺乏鲁棒性，误差一旦产生，就会沿着它的层次结构传递， 并且，个个模块之间缺乏一致性，对环境的变化反映迟缓。生物系统给人们提 供了分布式控制的思路，其脑神经系统、遗传系统、免疫系统的功能启发了人 们把生物学上的一些现象工程化，并且运用到机器人的设计上，其中免疫系统 的原理在一些设计问题上得到了实施【3 9 1 。 r o d n e yb r o o k s 提出了基于行为的设计方法，此方法在8 0 年代中期开始使 用，设计出了比传统设计方法行动更快和更灵活的机器人，对于同一任务，其 编码的长度可以是传统设计方法的千分之一。进化机器人的操作方式是自律型 的，其定位、移动等是突现形成的，其“智能”也是由各个并行执行的小过程自 组织突现形成的，并且这样的小过程分散在整个系统中。进化机器人具有比传 统机器人更快的速度和更好的灵活性、鲁棒性，进化算法可以比较容易地植入 到这样的系统中，其硬件、软件的设计以及测试费用都比以前要少。d f l o r e a n o 和e m o n d a d a 成功地用k h e p e r a 机器人实现了一个进化系统【柏】。 6 ) 虚拟生物 简单的例子有人工虫、鸟群飞过障碍物的群体操作等，模拟生物形态变化 过程的工具有细胞自动机、l 系统等。涂晓媛和t e r z o p o u l o u s 等的人工鱼演示 系统较好地在一个仿真的物理世界中演示了自律运动、感知、行为和学习1 4 ”。 a l i v e t l 7 1 8 】【19 1 是一个比较完整的人工生命系统，其重点在于生物行为的动态仿 上海大学硕- ：学位论文 真。尽管在某些演示系统中智能水平很低，但是其仿真机制对自适应非线性的 理解是很有益的，这种现象与人工智能发展初期关于某些简单游戏的计算机算 法( 例如1 6 数码问题) 的情况有些类似。 人工生命原理以及高级计算机技术的出现使得人们在9 0 年代早期开始研 究视觉创造过程( v i s u a lc r e a t i o np r o c e s s ) 。在1 9 9 3 1 9 9 4 年，s o m m e r e c r 和 m i g n o n n c a u 介绍了他们的第一个交互式计算机装置( i n t e r a c t i v ec o m p u t e r i n s t a l l a t i o n s ) a - v o l v e 【4 2 】，访问者可以自己创造人工生物( 人工鱼) ，与它们交互 作用且看着它们进化。1 9 9 5 年，他们又发展出另一个系统“p h o t o t r o p y ”，访问者 可以通过饲养和使它们繁殖与虚拟的昆虫交互作用。在1 9 9 6 年，他们对于虚拟 生物的建构模块产生了兴趣，观察了简单结构是如何通过遗传操作形成复杂形 态的，给出了“g e n m a g e n e t i cm a n i p u l a t o r ，在这个系统中，访问者可以创造， 操纵和探索人工昆虫的设计和形状。在实时交互式环境 a - v o l v e 中，访问者可 以与在一个充满水的玻璃缸中活动的虚拟生物进行交互作用。这些虚拟生物的 形成受到进化规则以及人4 f j g , j 造力的影响。人们可以通过用手指在接触屏上设 计任何形状的图形来产生三维的虚拟生物，这些生物自动“成活”并且能够在水 中游动。“a - v o l v e ”现在被安装在日本n h k 大楼。g e n m a 可以使人们从微观 层次操纵虚拟生物的形成。人工生命的原理以及遗传编程被用于构造生命结构， 这允许人们可以实时地操纵虚拟基因。从一个玻璃盒看进去，可以发现生物的 立体投影。也可以把手伸迸玻璃盒去抓取那些浮游的生物。每个生物的遗传编 码被显示在一个触摸屏上。人们可以通过触摸来改变生物的遗传编码，这样实 时地改变生物的外形。选择遗传编码的不同部分，并日把它们进行合并，可以 看到简单的生物是如何产生复杂的形式的。也可以对编码串进行分割，进行变 异操作等等。 7 ) 进化计算 这部分的研究主要是提供具有演化特征的算法，己知的遗传算法是其中之 一。许多新的算法正在研究中。由于遗传算法的整体搜索策略和优化计算时不 依赖于梯度信息，所以它的应用非常广泛，尤其适合于处理传统搜索方法难以 解决的高度复杂的非线性问题。人工生命研究的重要内容就是进化现象，遗传 算法是研究进化现象的重要方法之一4 3 1 。 上海大学硕士学位论文 任何科学的发展都有其两面性，人工生命也不例外，存在一些有争议的问 题，例如生命是否可以形式化的问题，物质结构与功能相互缠绕依赖的问题， 不同学科背景的学者对人工生命有不同的理解，因而对这些问题也有不同的回 答。在人工生命研究中应避免两种倾向，一是试图建立完全自治的系统，排除 任何人为干涉让系统自由发展，这会导致系统复杂性达到无法控制的地步，从 而也就无法从中得到有用的东西；二是完全否认传统方法的作用，正确的做法 应该是将人工生命技术与一些传统方法结合起来，充分利用各学科的优势。 2 1 3 人工生命及行为动画研究的意义 人工生命是自然生命的模拟、延伸与扩展，研究人工生命具有重大意义。 1 1 为自然生命的研究提供新的手段。例如，计算机虚拟生命可以为自然生 命活动机理和进化规律的研究探索提供软件模型和先进的计算机环境； 而人工脑可作为自然脑的机理和功能模型。 2 ) 可以开发基于人工生命的新系统、新产品、新技术。如基于人工生命的 计算机动画方法可以自动生成逼真的人工生命和虚拟社会；基于人工人 的进化机器人，具有更好的自适应、自学习、自寻优的性能，有助于实 现更高智能的自动化。 3 1 利用人工生命研究延伸人类寿命、减缓衰老、防治疾病。 钔扩展自然生命、人工进化、优生优育。 5 1 促进生命科学、信息科学、系统科学的交流与发展。人工生命研究的重 要内容和关键问题是生命信息的获取、传递、变换、处理和利用过程的 机理与方法。而这些正是信息科学面临的新课题，也是信息科学发展面 临的新机遇。 所以，人工生命的研究及应用具有重大的科学意义和深远的社会影响。 人工生命体的行为，是研究人工生命体所要解决的一个基本问题。因为不 管是一个智能的自然生命体或是一个智能的人工生命体，它都必须具备在其生 存的环境中自主地决定其行为的能力。当所处的环境或它的内部状态发生变化 时，它必须能做出合理的反应，选择合适的行为。只有人工生命体对外部刺激 和内部状态能够像人类或动物一样做出合理的反应，才能称为是真正的人工生 9 上海大学硕j = 学位论文 命体。所以行为是研究智能的人工生命体所必须解决的一个重要基本问题，研 究它具有重要的意义。 2 2 群体行为动画 2 2 1 动物自治主体 动物自治主体通常指自主机器人或动物模拟实体，它主要是用来展示动物 在复杂多变的环境里面能够自主的产生自适应的智能行为的一种方式。以下是 r u s s e l 和n o r v i g 对自治主体所做的分类【】： 1 1 反射或反应主体 这是一种最为简单的主体形式，它通过：“i f 条件t h e n 行动”这种形式的规 则对情况做出反应。 有这样一个例子；有一个角色，当看到敌人在视线，射程范围内时会开火， 当敌人离开了它的视线范围，它没有能力记住敌人的存在。我们可以通过使用 一个有限状态机来实现一个反射或反应主体。 2 ) 有内部状态的反射或反应主体 一个简单的反射主体对过去的事没有记忆，对当前状态发生反应。存储器 是我们所想到的能够扩大其能力的第一工具，一个主体应该记住过去发生的事， 例如，主体可以记住敌人上次曾经躲在其后的石块 3 ) 基于目标的主体 基于目标的主体更重视行为的结果，而不是对当前世界状态的反应。如果 主体采取了行为x ，它必须考虑将会发生的事情。因此，主体需要了解或者接 收能运作于当前世界状态的目标和策略，从而了解这些目标是否能够实现以及 如何实现。例如，搜索策略和路径规划策略是产生试图达到主体目标的行为序 列的演绎。 v a nl e n t 和l a i r d t 4 4 1 分别称它们为反应的( r e a c t i v e ) 、环境指定的( c o n t e x t s p e c i f i c ) 和可变的( f l e x i b l e ) ，计算机图形学倾向于把所有的这些分类混合在 一起，归在行为动画( b e h a v i o r a la n i m a t i o n ) 这个一般的定义下。 在本文中，我们所创建的自治主体有如下特征： 1 0 上海大学硕 学位论文 1 ) 它具有物化机制，具备感官和形体的结构等； 2 ) 它是置身于环境的，直接的与环境进行交互的作用，既能感知环境，也 能改变环境； 3 ) 它的行为是自适应的，通过与环境的交互作用，能够自主的做出反应； 4 ) 能在复杂的环境中执行多任务； 5 ) 具备多种行为，并且能够并行分布执行； 6 ) 当它们被组合在一起的时候，高级智能行为往往能在它们的个体的简单 行为中突现出来。 2 2 2 集群和集群智能 长期以来，以群居生活的昆虫如蚂蚁、蜜蜂、黄蜂、白蚁等，引起了 包括自然学家和艺术家在内的人们的兴趣。比利时诗人m a u r i e em a e t e r l i n c k 曾 经感慨道：“到底是谁在主宰着它们? 是谁在维持它们的秩序、预测它们的未来、 精心为它们制作计划、维持它们的平衡? ”。这些确实是一些待解的迷。 群居昆虫中的每一个个体看上去都有自身的行动方式，并且整个群在整体 上呈现出高度的有组织性。显然，在所有个体活动的完美集成过程中不需要任 何的指导。事实上，研究社会性昆虫的科学家发现在群体中的协作是高度自组 织的，它们的协调行为是通过个体之问的交互行为直接实现，或者个体与环境 的交互行为间接实现的。虽然这些交互行为非常简单，但是他们聚在一起却能 解决一些难题。这种潜在方式的集群智能己经逐渐为人们所认识，并得到应用。 意大利学者m d o r i g o 等人通过模拟蚁群的行为，提出了“蚁群算法”1 4 6 1 ， 并用它来求解旅行商问题( t s p ) 、指派问题( a s s i g n m e n tp r o b l e m ) 、j o b s h o p 调度问题等，取得了一系列较好的结果，他们称为蚁群系统( a n tc o l o n y s y s t e m ) 。在蚁群算法中，利用了如下自然现象：一只蚂蚁仅仅追随其他蚂蚁留 下的尾迹，最终会在无数通往食物源的路径中找到最短的一条。如图2 1 所示。 上海大学硕士学位论文 图2 1 蚁群行为模拟 c r a i g r e y n o l d s 对鸟群等的行为进行了模拟【6 】j i l l 。每只虚拟的鸟都作为一个 独立的因素，它们通过感知周围局部的动态环境来确定自身飞行的路线，在仿 真过程中每只虚拟的鸟主要采用了三个行为( 图2 2 ) ：分离，个体同邻近个体 保持一定距离；结合，个体靠近邻近个体并组成一个群体；列队，个体与邻近 个体速度一样( 或朝向一致) 。研究表明，一定数量的这种虚拟鸟能够在复杂的 环境中聚集成群并自由避开障碍物。 怆一好) s e p a r a i o n ：s t e e rt o a v o i dc r o w d i n gl o c a l f l o c k m a t e r s a l i g n m e n t ：s t e e rt o w a r d s t h ea v e r a g e h e a d i n go f l o c a lf l o c k m a t e s c o h e s i o n ：s t e e rt om o v e t o w a r dt h ea v e r a g ep o s i t i o n o fl o c a lf l o c k m a t e s 图2 2 三种行为的模拟 群体动画是对群体行为动画的简称，研究和模拟由简单个体组成的群落与 1 2 上海大学硕 学位论文 环境以及个体之间的互动行为，也可称作“群智能”，如用b o i d s 或f l o y s 来模 拟鸟群或鱼群的运动。通过为每个个体的行为建模，并模拟这些模型来产生一 系列动态的、有目的的复杂图画。这种建模显然不同于传统计算机动画中仅对 个体形状和物理属性的建模，已成为计算机动画设计中的一种很具吸引力的高 层建模方式。 2 2 3 鱼群行为动画 一群色彩鲜艳美丽活泼的热带鱼，大垒小鱼雄鱼雌鱼悠阁地栖息在海底世 界的水草丛中。自由地缱波逐流在礁石堆边戏水漫游，摇头摆尾i 浮下沉，拳爱炙配。 觅食吞饵，突拣一条可怜的小鱼被钩子钩住在痛苦的挣扎着咔得量圯们飞快的造 毒现场 以上是涂晓嫒博士对她们所创建的人工鱼动画的描述。涂晓媛和 t e r z o p o u l o s 等人