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基本信息

項目名稱:
基于OpenGL的自組織魚群仿真系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)
小類:
信息技術
簡介:
本項目主要利用軟件工程方法論,設計一款魚群仿真系統(tǒng)。魚群仿真并不是傳統(tǒng)意義上的給每條魚路徑,而是給每條魚設計一個類,該類具有識別環(huán)境的能力,并且具有一些運動規(guī)則可以針對環(huán)境改變自己的行動,利用這種自組織的智能,使得魚群系統(tǒng)能夠不受任何控制的自組織運行,來模擬真實的魚群行為。
詳細介紹:
本設計是在Craig Reynolds提出的Boid模型基礎上發(fā)展而來,實現(xiàn)Boid模型的避免碰撞、速度匹配、向中心靠攏的規(guī)則,并在此基礎上加入了趨向食物、平行移動、自由游弋規(guī)則。個體的性格因數(shù)采用了一定范圍內(nèi)的隨機賦值,可以更好地體現(xiàn)出種群行為的復雜性。同時還歸結(jié)出視距、視角、個體間距、安全距離、警戒距離等參數(shù)供觀察者調(diào)節(jié),配合性格因數(shù)的調(diào)節(jié),可以使群體系統(tǒng)在不受任何控制的情況下自組織運行,模擬不同群體行為。本設計還增加了個體坐標系,可以更準確地限制個體在不同方向上的最大加速度和最大速度,提高真實性。

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

本設計目的在于總結(jié)魚群的群體運動規(guī)律,提煉它們的運動參數(shù),最后用以模擬魚群甚至其它種群的運動效果。 基本思路:給每條魚設計一個類,該類具有識別環(huán)境的能力,在當前的環(huán)境狀態(tài)下通過運動規(guī)則決定自己下一步的加速度。每條魚只決定自身的行動方式,全部魚合起來就能達到模仿魚群的效果。由C++語言實現(xiàn),利用OpenGL作為圖形接口,顯示效果流暢。

科學性、先進性及獨特之處

主要利用軟件工程方法論,設計一款魚群仿真系統(tǒng)。魚群仿真并不是傳統(tǒng)意義上的給每條魚路徑,而是給每條魚設計一個類,該類具有識別環(huán)境的能力,并且具有一些運動規(guī)則可以針對環(huán)境改變自己的行動,利用這種自組織的智能,使得魚群系統(tǒng)能夠不受任何控制的自組織運行,來模擬真實的魚群行為.

應用價值和現(xiàn)實意義

魚群仿真并不是傳統(tǒng)意義上的給每條魚路徑,而是給每條魚設計一個類,該類具有識別環(huán)境的能力,并且具有一些運動規(guī)則可以針對環(huán)境改變自己的行動,利用這種自組織的智能,使得魚群系統(tǒng)能夠不受任何控制的自組織運行,來模擬真實的魚群行為。

學術論文摘要

看似毫不相關的群體都具有相同的特征,例如成群的鳥、魚或浮游生物,即相對簡單的個體在沒有一個集中控制的情況下,通過相互作用產(chǎn)生復雜的群體行為。許多領域的專家已經(jīng)對這些問題進行了長期、深入的研究,并建立了一些基本仿真模型。 本設計是在Craig Reynolds提出的Boid模型基礎上發(fā)展而來,實現(xiàn)Boid模型的避免碰撞、速度匹配、向中心靠攏的規(guī)則,并在此基礎上加入了趨向食物、平行移動、自由游弋規(guī)則。個體的性格因數(shù)采用了一定范圍內(nèi)的隨機賦值,可以更好地體現(xiàn)出種群行為的復雜性。同時還歸結(jié)出視距、視角、個體間距、安全距離、警戒距離等參數(shù)供觀察者調(diào)節(jié),配合性格因數(shù)的調(diào)節(jié),可以使群體系統(tǒng)在不受任何控制的情況下自組織運行,模擬不同群體行為。本設計還增加了個體坐標系,可以更準確地限制個體在不同方向上的最大加速度和最大速度,提高真實性。 經(jīng)過實驗,通過改變控制參數(shù)可以仿真不同種群的群體行為,同時也給出了魚群、鳥群、昆蟲群的示范參考參數(shù),其它應用人員可利用本系統(tǒng)及其提供的參數(shù)設計各種群體行為動畫。

獲獎情況

鑒定結(jié)果

參考文獻

[1] 段曉東,王存睿,劉向東. 粒子群算法及其應用[M].沈陽:遼寧大學出版社,2004. [2] Craig Reynolds. Boids[EB/OL]. [3] Craig Reynolds. Flocks, Herds, and Schools:A Distributed Behavioral Model [EB/OL]. [4] Craig Reynolds. Steering Behaviors For Autonomous Characters [EB/OL]. [5] Craig Reynolds. Individual-Based Models [EB/OL]. [6] Agha. A Model of Concurrent Computation in Distributed Systems. Massachusetts:The MIT Press,1986. [7] Braitenberg. Vehicles:Experiments in Synthetic Psychology[M]. Massachusetts:The MIT Press,1984. [8] Marion, A., ìArtificially Motivated Objects [M]. ACM SIGGRAPH art show, 1985. [9] Moon, D. A., ìObject-oriented Programming with Flavors[C]. Proceedings of the First Annual Conference on Object-Oriented Programming Systems, Languages, and Applications, ACM, 1986.

同類課題研究水平概述

隨著計算能力的普及,生物群體行為的仿真可以不利用方程,而是通過對個體行為準則的模擬進行建模,許多領域的專家已經(jīng)對這種相互作用產(chǎn)生復雜的群體行為進行了長期、深入的研究,并建立了一些基本仿真模型。 但本項目設計的這款魚群仿真系統(tǒng)并不是傳統(tǒng)意義上的給每條魚路徑,而是基于著名的鳥群仿真模型——Boid模型,將每條魚設計為一個獨立的Agent類,該類具有識別環(huán)境的能力,并且具有一些運動規(guī)則可以針對環(huán)境改變自己的行動,利用這種自組織的智能,使得魚群系統(tǒng)能夠不受任何控制的自組織運行,來模擬真實的魚群行為,更真實、更準確。經(jīng)過實驗,通過改變控制參數(shù)可以仿真不同種群的群體行為,同時也給出了魚群、鳥群、昆蟲群的示范參考參數(shù),其它應用人員可利用本系統(tǒng)及其提供的參數(shù)設計各種群體行為動畫。
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