Unity平臺(tái)中虛擬仿真魚群復(fù)雜行為的算法研究與優(yōu)化

相景麗

(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西 太原 030006)

1 虛擬仿真環(huán)境下魚群算法復(fù)雜行為分析

在虛擬仿真領(lǐng)域，經(jīng)常會(huì)涉及到對(duì)一些生物群組行為的虛擬仿真控制，例如在水中游動(dòng)的魚群、在天空盤旋的鳥群，以及在特定場(chǎng)景中移動(dòng)的動(dòng)物群、人群等。生物群組行為的虛擬仿真控制能夠使3D模擬技術(shù)在更多行業(yè)領(lǐng)域得到實(shí)際應(yīng)用，例如在人群疏散模擬、無(wú)人機(jī)群的飛行模擬等[1]。

群組行為的虛擬仿真主要涉及兩個(gè)方面：一是個(gè)體行為的特征模擬，二是群組行為的特征模擬。個(gè)體與個(gè)體之間通常會(huì)存在隨機(jī)性的差異化行為，實(shí)現(xiàn)個(gè)體差異性行為的智能模擬較為容易，但在群組層面，個(gè)體的差異性行為則需要得到統(tǒng)一的控制，以避免群組行為的失控。特別是針對(duì)一些特殊行為的控制實(shí)現(xiàn)，例如群組的隨機(jī)行為控制和障礙物的避讓路徑規(guī)劃，具體分析如下：

1) 群組中的隨機(jī)行為

一般的魚群算法所實(shí)現(xiàn)的群組移動(dòng)軌跡都是固定的，群組中節(jié)點(diǎn)的行為更新的頻率也是固定的，魚群會(huì)在相同的軌跡上一直飛，所有的魚都會(huì)在同一時(shí)間變快或者變慢。但在真實(shí)環(huán)境中群組移動(dòng)的軌跡不會(huì)一成不變，每個(gè)群組成員的行為改變也不可能同時(shí)發(fā)生，因此模擬群組行為時(shí)，增加一些隨機(jī)行為效果是非常必要的。

2) 障礙物的避讓行為

在真實(shí)場(chǎng)景中群組移動(dòng)經(jīng)常會(huì)遇到各類障礙物，群組就會(huì)依據(jù)實(shí)際情況及時(shí)做出避讓反應(yīng)，例如魚群在水中游動(dòng)時(shí)遇到的礁石，或者其他游動(dòng)的生物等。障礙物在場(chǎng)景中的存在形式也各有不同，有些障礙物是靜態(tài)存在的，這類障礙物在虛擬場(chǎng)景中可以預(yù)判到它的存在，那么最簡(jiǎn)單的方式就是通過(guò)預(yù)先的路徑設(shè)定，使群組直接繞開障礙物。但是還有些障礙物是動(dòng)態(tài)隨機(jī)出現(xiàn)的，這就需要群組具備實(shí)時(shí)的碰撞檢測(cè)功能，并依據(jù)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生相應(yīng)的避讓行為，這也是本研究中魚群算法改進(jìn)策略中重點(diǎn)研究的內(nèi)容之一[2]。

2 Unity3D中的魚群算法的研究與優(yōu)化

2.1 魚群隨機(jī)行為的更新策略研究

群組成員行為更新頻率的隨機(jī)性，這是針對(duì)所有的群組成員實(shí)現(xiàn)的隨機(jī)策略，每執(zhí)行一次，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)的更新頻率。同時(shí)Unity提供有協(xié)程調(diào)用功能，可以利用該功能實(shí)現(xiàn)在群組成員對(duì)隨機(jī)策略的多次調(diào)用。如圖1所示。

圖1 群組成員行為隨機(jī)更新中隨機(jī)策略的應(yīng)用思路

RandomPush()函數(shù)的功能，是在整個(gè)群組移動(dòng)過(guò)程中，以基于FreqRandom的頻率對(duì)PushVel的值進(jìn)行更新。代碼示例：

// radius為自定義的半徑值，time為協(xié)程調(diào)用的間隔時(shí)間

PushVel=Random.insideUnitSphere*radius;time= Random.Range(-FreqRandom，F(xiàn)reqRandom)；

其中PushVel是魚群速度更新的影響因子之一，會(huì)以線性疊加的方式對(duì)魚群的最終速度產(chǎn)生影響。Random.insideUnitSphere()函數(shù)用于返回一個(gè)隨機(jī)速度向量，其取值范圍是以當(dāng)前boid的位置為中心，以radius為半徑的一個(gè)球體區(qū)間內(nèi)。

FreqRandom用于隨機(jī)生成一個(gè)協(xié)程調(diào)用的間隔時(shí)間time，協(xié)同調(diào)用函數(shù)StartCoroutine()會(huì)依據(jù)time實(shí)現(xiàn)對(duì)RandomPush()的隨機(jī)調(diào)用。通過(guò)對(duì)RandomPush()的隨機(jī)調(diào)用，以實(shí)現(xiàn)對(duì)群組移動(dòng)速度的隨機(jī)調(diào)整，群組在移動(dòng)時(shí)就會(huì)具有一個(gè)隨機(jī)的速度增長(zhǎng)或降低的效果，這使得群組行為模擬更加的逼真、自然。

2.2 魚群碰撞檢測(cè)策略優(yōu)化

碰撞檢測(cè)功能用于檢測(cè)虛擬場(chǎng)景中所存在的物體有無(wú)發(fā)生碰撞[3]，當(dāng)發(fā)生碰撞后就會(huì)觸發(fā)一些特定的事件。在群組移動(dòng)過(guò)程中利用碰撞檢測(cè)功能能夠幫助群組節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到障礙物的存在，從而產(chǎn)生避讓行為。

Unity3內(nèi)置有碰撞器組件和三個(gè)特定事件：OnCollisionEnter(進(jìn)入碰撞器)、OnCollisionStay(停留碰撞器)、OnCollisionExit(退出碰撞器)[4]。當(dāng)群組遇到障礙物后，碰撞組件會(huì)觸發(fā)特定事件，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

1) 為障礙物綁定碰撞器組件，并設(shè)定一個(gè)阻力值，為魚群中的所有節(jié)點(diǎn)添加剛體屬性。障礙物通過(guò)碰撞組件對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)發(fā)生節(jié)點(diǎn)進(jìn)入到碰撞器檢測(cè)范圍之后，會(huì)觸發(fā)三類事件：CollisionEnter事件、OnCollisionExit事件、OnCollisionStay事件。CollisionEnter事件會(huì)在碰撞發(fā)生時(shí)響應(yīng)，OnCollisionExit事件會(huì)在碰撞結(jié)束時(shí)響應(yīng)，OnCollisionStay事件在碰撞過(guò)程中可被多次響應(yīng)。將碰撞后所要實(shí)現(xiàn)的群組避讓行為寫入到響應(yīng)事件當(dāng)中，一旦碰撞發(fā)生，即可被即時(shí)調(diào)用處理。

2) 利用剛體屬性中的加速度參數(shù)控制魚群的避讓行為，當(dāng)觸發(fā)碰撞事件之后，獲取節(jié)點(diǎn)A當(dāng)前速度視作進(jìn)入碰撞檢測(cè)范圍的初始速度v0，在碰撞器中設(shè)定一個(gè)最小速度值為A的末速度vt，且vt

(1)

G表示A的加速度值，在OnCollisionEnter事件中對(duì)A的加速度進(jìn)行動(dòng)態(tài)刷新，并將其視作A最終速度的影響因子之一，以線性疊加的方式計(jì)入到A的最終速度當(dāng)中。由于vt

3 研究總結(jié)

本研究圍繞Unity3D虛擬仿真項(xiàng)目開發(fā)中，生物群組的復(fù)雜行為展開了深入的研究。以魚群為例，對(duì)生物群組中移動(dòng)軌跡隨機(jī)更新與障礙物避讓的復(fù)雜行為進(jìn)行了分析，并提出了魚群算法的優(yōu)化改進(jìn)策略：碰撞檢測(cè)策略。碰撞檢測(cè)策略通過(guò)Unity內(nèi)置的剛體組件對(duì)魚群對(duì)象添加了可用于檢測(cè)的碰撞屬性，通過(guò)內(nèi)置的三種檢測(cè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景中障礙物的實(shí)時(shí)檢測(cè)，最后通過(guò)加速度計(jì)算規(guī)劃出新的魚群路徑，從而有效改善了虛擬魚群行為的模擬效果。

除此之外，群組行為的模擬控制需考慮的影響因素還有很多，例如群組中生物質(zhì)量與重力關(guān)系的影響，雨、雪、風(fēng)等自然環(huán)境因素對(duì)群組行為的影響，不同視野范圍對(duì)群組行為的影響等，在后續(xù)研究中，將針對(duì)上述問(wèn)題繼續(xù)展開深入研究，并提出針對(duì)性的優(yōu)化改進(jìn)策略。