基于流体框架的大规模实时性人群模拟

作     者：吴子奇 

作者单位：上海交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨旭波

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：人群模拟 智能体 流体动力学 群体作用力 碰撞避免 

摘      要：人群运动仿真是一种使用计算机来模拟现实生活中人群运动特征和行为的技术。通过建立虚拟世界场景,可以真实地模拟人群运动的过程。而随着计算机图形学技术的不断进步,人群模拟技术也在越来越多的领域内一展身手。如在游戏、电影动漫、虚拟现实等等应用中,都可以发现这项技术的身影。近年来,随着城市化进程的逐步开展、人口密度的持续增大,复杂的路况、地形等等都给公共安全带来了较多隐患。一旦发生紧急情况,就可能出现踩踏等对生命安全产生巨大威胁的事件。因此,建立一种高度真实的大规模人群运动的模拟模型并提供一种实时人群模拟碰撞避免的评估检测方法对于群体性灾难事件的预防是刻不容缓的。基于智能体的人群仿真就是一种较为成熟的技术。该方法将人群中的每一个人视为单独的个体,通过计算个体之间的相互作用力来驱使个体运动。这种方法虽然在模拟人群差异化方面有不俗的表现,但是无法模拟人群根据外界环境的影响动态改变自身行为的特性;此外,该方法在模拟大规模人群时涉及海量计算,实时性较差。针对上述问题,本文将流体动力学与人群模拟相结合,提出了一种基于流体动力学和智能体仿真的混合模拟框架。该框架创新点在于既保留现有智能体仿真的优点,又提供了一种整体性模拟人群运动的手段,可以有效地降低整个模拟过程中的计算消耗,同时克服智能体方法中人群运动轨迹突变的缺陷。其次,本文提出了一种基于群体综合力的相互作用力计算方法。该方法将人群之间的作用力简化,拆解成聚合力、排斥力、分离力。通过关系向量的形式将作用力组合,可以真实地控制人群个体之间相互影响的行为。最后,为了提升整体模拟的效率,本文还提出了基于多细节层次的虚拟人群节点加速算法。这种算法将同特征小群体划分为簇类,合并近似节点,大幅度减少了人群模拟的计算规模,非常适合于大规模人群模拟的实时交互和预览。本文完整地实现了基于流体模拟的大规模人群运动框架,通过一系列实验与评估以测试本文框架性能以及其模拟结果的正确性。实验结果证明本文系统在场景较为复杂的情况下也能到达实时的反馈速度,同时模拟的结果也与现实生活的现象一致。