虛擬環(huán)境動態(tài)人群繪制技術研究.pdf

1、隨著虛擬現實技術的廣泛應用，人們對虛擬場景的復雜度和真實感的要求越來越高，不僅要生成高度真實的復雜虛擬環(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雜度，人群系統(tǒng)普遍基于層次細節(jié)技術(Level of Detail， LOD)結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的應用需求。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的并行處理架構非常適合于人群相關的各種并行計算。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研究提供了新的切入點。
　　 本文在系統(tǒng)總結和深入分析當前國內外虛擬環(huán)境中人群繪制技術成果的基礎上，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技術。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Shader Model4.0渲染架構設計了基于幾

7、何和圖像的人群混合繪制算法，根據視點顯示需要，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，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用的方法實現了人機交互。此模型完全基于GPU進