CN101075352A - 一种用于动态实体的分层避障方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于动态实体的分层避障方法，包括：对动态实体进行静态避障操作，在静态避障过程中，当动态实体进入某一静态障碍物作用范围时，从所述静态障碍物周围的备选环境路线里选出用来避开所述静态障碍物的路线；对动态实体进行动态避障操作，在动态避障过程中，在每个更新周期计算所述动态实体与其他障碍物的冲突可能性，对即将发生位置冲突的动态实体，改变所述动态实体的运动速度或运动方向，直至所述动态实体不再与障碍物发生位置冲突。本发明可以生成合理且无穿透发生的避障模拟结果，提高了虚拟个体运动模拟以及虚拟群体模拟的逼真性；且可用于各种类型的基于个体的虚拟个体以及虚拟群体模拟。

Description

一种用于动态实体的分层避障方法

技术领域

本发明涉及虚拟现实领域，特别涉及一种用于动态实体的分层避障方法。

背景技术

随着虚拟现实技术和计算机图形技术的不断发展和普及，虚拟个体及虚拟群体模拟被广泛应用在安全预演、影视特技、动画生成及虚拟世界构建等诸多领域，在近年来成为了一个倍受研究者们关注的主题。

在虚拟个体及虚拟群体模拟研究的各个方面，动态实体的避障实现是保证模拟结果真实性的一个关键因素。其中，动态实体是指可以在模拟环境中运动的虚拟物体，包括虚拟个体和可运动的环境物体。为了实现动态实体间以及动态实体和静态环境物体间的碰撞避免，并杜绝穿透，人们结合各种模拟模型，提出了大量避障方法。然而在模拟中，由于避障的实现涉及到环境信息的提取和利用、行为决策的制定和实施、路径的选择和规划、具体运动的控制和实现以及模拟结果可视化等诸多方面，对研究者们提出了严峻的考验。其中最关键的挑战在于：如何杜绝穿透现象并最大程度地减少由于避障需求而带来的动态实体行为模拟上的空间限制和失真。

现有技术中一类常用的避障方法是使用斥力来实现动态实体的避障。这类方法首先在动态实体和动态实体之间以及动态实体和静态实体之间设置一定的斥力产生方式；然后，在动态实体运动的过程中，将其受到的各种斥力通过一定的方式叠加起来得到一个斥力的合力；最后，将斥力的合力同动态实体受到的其它类型的力一起通过牛顿力学公式改变动态实体的位置。在参考文献1：“C.W.Reynolds，SteeringBehaviors For Autonomous Characters(对于自治个体的引导行为)，in：ConferenceProceedings of the 1999 Game Developers Conference，1999，pp.763-782.”中对这种避障方法做了详细的介绍。这种方法可以生成流畅的运动轨迹，但难以避免动态实体之间，动态实体和静态实体之间的穿透发生，尤其是在动态实体比较多，速度比较大的情况下。

现有技术中的另一类常用的避障方法是通过对环境的强行划分和独占性设定来进行动态实体的避障。在此类方法中，通常环境会被均匀地划分成和动态实体占有空间一致大小的网格(以正四方形或正六边形为主)，每个网格依据环境的属性被赋予不同状态，如可走和不可走；同时规定每个网格只能同时为一个动态实体所占有。动态实体在运动的过程中按照一定的规则进行网格的选取，从而获得位置的更新。在参考文献2：“N.Ketchell，A.Holt，k.Kinsella，A Technical Summary of The AEAEGRESS Code(关于AEA EGRESS代码的技术总结)，in：AEA Technology Safety andRisk Management，2002”中对这类避障方法做了详细介绍。这种避障方法可以确保动态实体和动态实体以及动态实体和静态实体之间无穿透现象发生，但是，过多的限制了动态实体的行为，导致动态实体只能像棋子在棋盘那样按格子行走，极大的损害了模拟行为的真实性。这些方法只侧重于某些避障模拟需求的满足，如要求轨迹平滑或者动态实体完全无穿透等，而并没有提供全面的避障模拟解决方法，因此无法满足现实应用中更高的需求。

发明内容

本发明的目的是克服现有的避障方法在虚拟过程中真实性低、容易发生穿透现象等缺陷，从而提供一种分层避障方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于动态实体的分层避障方法，包括以下步骤：

步骤1)、对动态实体进行静态避障操作，在静态避障过程中，当动态实体进入某一静态障碍物作用范围时，从所述静态障碍物周围的备选环境路线里选出用来避开所述静态障碍物的路线；

步骤2)、对动态实体进行动态避障操作，在动态避障过程中，在每个更新周期计算所述动态实体与其他障碍物的冲突可能性，对即将发生位置冲突的动态实体，改变所述动态实体的运动速度或运动方向，直至所述动态实体不再与障碍物发生位置冲突。

上述技术方案中，在对所述的动态实体完成所述的静态避障和动态避障操作后，还要进行冲突检测与矫正操作，直至所述动态实体与所述障碍物不再有位置冲突。

上述技术方案中，所述的备选环境路线是指在虚拟环境中预先在每个静态障碍物周围划定的用于避开该静态障碍物的路线段集合。

上述技术方案中，在所述的步骤1)中，从所述静态障碍物周围的备选环境路线里选出用来避开所述静态障碍物的路线时，从所述备选环境路线中选出与所述动态实体的目标运动方向最接近的最短路线。

上述技术方案中，在所述的步骤2)中，所述的动态避障操作具体包括以下步骤：

步骤21)、将所述动态实体的周围空间按角度划分方向，以其中的一个方向作为目标方向；

步骤22)、以所述的目标方向作为前进方向，根据所述动态实体的运动速度，预测是否有其他障碍物与所述运动实体发生位置冲突，如果没有位置冲突，所述动态实体保持原来的路线继续前进，如果存在位置冲突，执行下一步；

步骤23)、根据所述动态实体与所述发生位置冲突的障碍物之间的距离和相对速度，降低所述动态实体在运动方向上的前进速度；

步骤24)、判断所述动态实体降低后的前进速度是否小于一个速度阈值，如果不小于，则所述动态实体根据降低后的前进速度保持原来的路线继续前进，如果小于，则在目标方向外的其它方向上查找不发生位置冲突可能的方向，若存在多个不发生位置冲突可能的方向，则选择与目标方向最为接近的方向，如果找到不发生位置冲突可能的方向，执行下一步，如果没有找到，即所有方向都会发生位置冲突，则所述动态实体保持位置不动；

步骤25)、根据所找到的新的方向以及当前时刻所述动态实体的速度，计算下一个更新周期内所述动态实体的位置。

所述的冲突检测与矫正操作包括：

在每一个更新周期，检测所述动态实体的当前位置是否与其他障碍物发生位置冲突，若发生冲突，则根据优先级准则，为所述的动态实体或障碍物设置优先级，并利用冲突矫正方法对所述动态实体或所述障碍物的位置进行调整。

所述的优先级准则包括：

若所述的动态实体与静态障碍发生位置冲突，则所述的静态障碍的优先级高于所述动态实体的优先级；

两个动态实体发生位置冲突，若一个动态实体的当前位置为上一时刻时的原位置，则改动态实体的优先级高于另一动态实体的优先级；若两个动态实体的位置都不是上一时刻的位置，则原位置在前方者优先级较高。

所述的冲突矫正方法或根据发生冲突的动态实体与障碍物在上一时刻的原位置，或根据发生冲突的动态实体与障碍物的连线方向，或根据某个随机方向，拉开所述动态实体与障碍物间的距离，直至两者不再发生位置冲突为止。

所述的冲突矫正方法根据发生冲突的动态实体与障碍物在上一时刻的原位置，拉开两者间的距离时，其具体实现步骤包括：

步骤a)、用直线连接动态实体更新后发生穿透的位置P2和更新前的位置P1，可得P2到P1的矢量为PP；

步骤b)、依据矫正的精度需求，设定一个最大执行数N，所述N的值大于等于1；

步骤c)、设定一个执行数n，初始化该执行数的值为0；

步骤d)、在一次执行过程中，对动态实体与周围物体做冲突检测，若没有冲突，则该动态实体的冲突矫正过程结束，若有冲突，且所述动态实体的优先级不高于对方的优先级，则用矫正位置P₃＝P₁+1/(N-n)×P₂₁取代位置P₂，若所述动态实体的优先级高于对方的优先级，则矫正对方的位置；

步骤e)、将执行数n的值加1，并判断当前执行数n的值是否小于最大执行数N，若小于，则重新执行步骤d)，否则结束该轮矫正过程。

步骤f)、对有穿透的动态实体重复执行以上步骤，直至没有位置冲突为止。

本发明的优点在于：

1、本发明的用于动态实体的分层避障方法只对发生位移的物体进行位置矫正，因此避免了静止物体由于矫正而带来的运动失真。

2、由于各个物体在初始位置无穿透现象发生，因此本发明的方法保证了穿透完全避免的可行性，可以生成合理且无穿透发生的避障模拟结果，提高了虚拟个体运动模拟以及虚拟群体模拟的逼真性。

3、本发明的分层避障法具有良好的通用性，可用于各种类型的基于个体的虚拟个体以及虚拟群体模拟。

附图说明

图1为本发明的用于动态实体的分层避障方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

与现实世界一样，在虚拟世界中，当一个动态实体在运动时，可能会遇到各种各样的障碍物，按照障碍物是否运动可分为静态障碍物和动态障碍物。对于动态实体而言，要避开静态障碍物相对简单，而动态障碍物由于位置、运动速度等都可能会随着时间的变化而改变，因此，要避开动态障碍物则更为困难。基于对静态障碍物的规避和对动态障碍物的规避有不同的特点，本发明提出了一种分层避障方法，该方法对动态实体所遇到的静态障碍物和动态障碍物进行不同的处理。

图1为本发明方法的流程图，在该流程图中，虚线框表示相应的动作，实线框表示动作执行后所得到的结果。下面结合该流程图对本发明的方法做详细的描述。

在一个虚拟环境中，有一个动态实体，假定为一个虚拟人，当他在路上行走时，路上有多个不同种类的障碍物，假设所包含的静态障碍物有路灯、路旁的垃圾箱、道路维修时所设的路障等，假设所包含的动态障碍物有行人、自行车等。

当该虚拟人运动时，首先进行静态避障。此处所说的静态避障就是指避开静态障碍物。假设人在运动过程中，进入道路维修时所设路障的作用范围时，从备选环境路线里选出可以用来避开该路障的路线。其中，所述的备选环境路线是指在虚拟环境中预先在每个静态障碍物周围划定的用于避开该静态障碍的路线段集合，这些路线段可以由手工交互指定，也可以依据信息自动生成。静态障碍物的作用范围可以通过对人工指定的静态障碍物的影响范围大小进行计算得到，也可以给定阈值后由程序自动生成。

很容易想到，在备选环境路线中可能会有不止一条的可选择线路，那么路线的选择原则是：从路线段集合中选出与动态实体的目标运动方向最接近的最短路线。

通过上述的静态避障过程，虚拟人得到了一条可避开静态障碍物的参考路线，这条路线为虚拟人提供了一个行走的方向和目标，但并不要求虚拟人完全按照这条路线行走，在后续的动态避障过程中，可能会对虚拟人的行走路线、行走方向进行调整，以避开随时可能出现的动态障碍物。

当虚拟人完成静态避障后，还需要完成动态避障操作。动态避障是指避开运动过程中所遇到的动态障碍物。由于动态障碍物在虚拟环境中的不确定性及不可预测性，因此，在动态避障过程中，虚拟人需要在路线行进过程中的每一时刻进行位置冲突检测，根据位置冲突检测的结果决定虚拟人的运动路线、行进速度等。

动态避障的具体实现如下：将虚拟人周围的空间分成6个方向，分别为前向、后向、左前、左后、右前、右后，两个相邻方向之间的夹角为60度，前向是虚拟人的目标运动方向。虚拟人对前向方向上下一个或几个更新周期内是否有障碍物与自己发生位置冲突进行预测，若存在冲突，则根据人和障碍物间的距离和相对速度降低人的运动速度，使得降低运动速度后的虚拟人不会与障碍物发生冲突。但如果降低后的运动速度小于一个预先指定的阈值，例如0.1m/s，则开始在其他的5个方向上寻找与目标方向最接近且没有发生位置冲突可能性的方向作为运动方向，如果所有的方向上都发生位置冲突，则虚拟人保持原位置不动。在预测过程中，由于虚拟人当前的位置和速度都是已知的，因此，很容易计算得到下一个或几个更新周期后自己的位置，以及动态障碍物届时的可能位置，通过比较两者的位置即可预测虚拟人是否会与动态障碍物发生位置冲突。

上述动态避障过程中，若要改变运动方向，可优先考虑左前和右前方向，然后是左后和右后方向，最后是后向。

在本发明中，模拟过程中更新周期的长短可由用户根据模拟的效果、运算的效率等因素确定，比如可以是0.33秒～1秒，一般取更新周期为0.1秒。

通过上述的静态避障和动态避障操作，可基本实现虚拟人在虚拟环境中的避障实现。

在另一个实施例中，本发明的多层避障方法在完成静态避障和动态避障操作后，还要进行冲突检测与矫正操作。冲突检测与矫正操作的目的是为了防止穿透现象的发生。在冲突检测与矫正操作中，首先在每一个更新周期内，当虚拟人的移动位置计算完毕后，检测是否会与其他的障碍物发生位置冲突，如果存在位置冲突，则对发生冲突的虚拟人与障碍物进行冲突矫正，直至没有位置冲突发生为止。

在上述的冲突检测与矫正过程中，检测位置冲突时，可采用避障包围盒的方法进行检测。当检测到人与其他障碍物间发生位置冲突，本领域的技术人员很容易想到，在对发生冲突的人或物进行调整时，涉及到对哪一个的位置进行调整。为了解决这一问题，本发明提出了相应的优先级准则，根据该准则调整发生冲突的人或物的位置，其中，优先级低的人或物较优先级高的人或物优先调整。优先级准则的具体内容包括：1、动态实体如与静态障碍发生位置冲突，静态障碍优先级高于动态实体；2、两个动态实体如发生位置冲突，若某一实体的当前位置为上一时刻原位置，则该实体优先级高于另一动态实体；3、如双方当前位置均非上一时刻位置，则原位置在前方者优先级高。

在冲突矫正过程中，可将发生冲突的动态实体根据原先的位置逐步拉开两者间的距离，直至两者不再发生位置冲突为止。结合公式对上述的冲突矫正过程进行具体说明：首先用直线连接动态实体更新后发生穿透的位置P2和更新前的位置P1，可得P2到P1的矢量为PP；然后依据矫正的精度需求，设定一个最大执行数N，N大于等于1；接着初始化实际执行数n＝0；最后在每一次执行时，对该实体与它周围动态实体进行冲突检测，如果没冲突，该实体冲突矫正结束；如果有冲突发生，且优先级不高于对方实体，则用矫正位置P₃＝P₁+1/(N-n)×P₂₁取代位置P₂，若优先级高于对方实体，则对对方实体做同样调整，直到所有动态实体的P₂位置均无位置冲突为止。只要保证模拟开始时的初始位置为无穿透位置，该算法就一定可以将动态实体矫正为无穿透情况。该算法的计算复杂度为O(N×C×M×r)，其中C为个体查寻范围内所能有的最多的个体数目，N为最大执行数，M为模拟中总共的个体数，r为需要整体循环的次数。在最坏的情况下，r＝M-1。

在本实施例中，冲突矫正的方法将发生冲突的动态实体按照原位置逐步拉开，直至不再发生冲突为止，但在其他的实施例中，也可将发生冲突的两个动态实体直接沿着两者连线的方向拉开距离，或者按照某个随机方向拉开距离，直至两个动态实体间不再发生冲突。此外，对于本实施例中所提到的优先级准则也可添加、删除或修改，如可根据动态实体的身份决定动态实体的优先级，所述优先级准则只要保证发生冲突的动态实体间可根据准则调整冲突位置即可。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1、一种用于动态实体的分层避障方法，包括以下步骤：

步骤1)、对动态实体进行静态避障操作，在静态避障过程中，当动态实体进入某一静态障碍物作用范围时，从所述静态障碍物周围的备选环境路线里选出用来避开所述静态障碍物的路线；

步骤2)、对动态实体进行动态避障操作，在动态避障过程中，在每个更新周期计算所述动态实体与其他障碍物的冲突可能性，对即将发生位置冲突的动态实体，改变所述动态实体的运动速度或运动方向，直至所述动态实体不再与障碍物发生位置冲突。

2、根据权利要求1所述的用于动态实体的分层避障方法，其特征在于，在对所述的动态实体完成所述的静态避障和动态避障操作后，还要进行冲突检测与矫正操作，直至所述动态实体与所述障碍物不再有位置冲突。

3、根据权利要求1或2所述的用于动态实体的分层避障方法，其特征在于，所述的备选环境路线是指在虚拟环境中预先在每个静态障碍物周围划定的用于避开该静态障碍物的路线段集合。

4、根据权利要求1或2所述的用于动态实体的分层避障方法，其特征在于，在所述的步骤1)中，从所述静态障碍物周围的备选环境路线里选出用来避开所述静态障碍物的路线时，从所述备选环境路线中选出与所述动态实体的目标运动方向最接近的最短路线。

5、根据权利要求1或2所述的用于动态实体的分层避障方法，其特征在于，在所述的步骤2)中，所述的动态避障操作具体包括以下步骤：

步骤21)、将所述动态实体的周围空间按角度划分方向，以其中的一个方向作为目标方向；

步骤22)、以所述的目标方向作为前进方向，根据所述动态实体的运动速度，预测是否有其他障碍物与所述运动实体发生位置冲突，如果没有位置冲突，所述动态实体保持原来的路线继续前进，如果存在位置冲突，执行下一步；

步骤23)、根据所述动态实体与所述发生位置冲突的障碍物之间的距离和相对速度，降低所述动态实体在运动方向上的前进速度；

步骤24)、判断所述动态实体降低后的前进速度是否小于一个速度阈值，如果不小于，则所述动态实体根据降低后的前进速度保持原来的路线继续前进，如果小于，则在目标方向外的其它方向上查找不发生位置冲突可能的方向，若存在多个不发生位置冲突可能的方向，则选择与目标方向最为接近的方向，如果找到不发生位置冲突可能的方向，执行下一步，如果没有找到，即所有方向都会发生位置冲突，则所述动态实体保持位置不动；

步骤25)、根据所找到的新的方向以及当前时刻所述动态实体的速度，计算下一个更新周期内所述动态实体的位置。

6、根据权利要求2所述的用于动态实体的分层避障方法，其特征在于，所述的冲突检测与矫正操作包括：

在每一个更新周期，检测所述动态实体的当前位置是否与其他障碍物发生位置冲突，若发生冲突，则根据优先级准则，为所述的动态实体或障碍物设置优先级，并利用冲突矫正方法对所述动态实体或所述障碍物的位置进行调整。

7、根据权利要求6所述的用于动态实体的分层避障方法，其特征在于，所述的优先级准则包括：

若所述的动态实体与静态障碍发生位置冲突，则所述的静态障碍的优先级高于所述动态实体的优先级；

两个动态实体发生位置冲突，若一个动态实体的当前位置为上一时刻时的原位置，则改动态实体的优先级高于另一动态实体的优先级；若两个动态实体的位置都不是上一时刻的位置，则原位置在前方者优先级较高。

8、根据权利要求6所述的用于动态实体的分层避障方法，其特征在于，所述的冲突矫正方法或根据发生冲突的动态实体与障碍物在上一时刻的原位置，或根据发生冲突的动态实体与障碍物的连线方向，或根据某个随机方向，拉开所述动态实体与障碍物间的距离，直至两者不再发生位置冲突为止。

9、根据权利要求8所述的用于动态实体的分层避障方法，其特征在于，所述的冲突矫正方法根据发生冲突的动态实体与障碍物在上一时刻的原位置，拉开两者间的距离时，其具体实现步骤包括：

步骤a)、用直线连接动态实体更新后发生穿透的位置P2和更新前的位置P1，可得P2到P1的矢量为PP；

步骤b)、依据矫正的精度需求，设定一个最大执行数N，所述N的值大于等于1；

步骤c)、设定一个执行数n，初始化该执行数的值为0；

步骤d)、在一次执行过程中，对动态实体与周围物体做冲突检测，若没有冲突，则该动态实体的冲突矫正过程结束，若有冲突，且所述动态实体的优先级不高于对方的优先级，则用矫正位置P₃＝P₁+1/(N-n)×P₂₁取代位置P₂，若所述动态实体的优先级高于对方的优先级，则矫正对方的位置；

步骤e)、将执行数n的值加1，并判断当前执行数n的值是否小于最大执行数N，若小于，则重新执行步骤d)，否则结束该轮矫正过程。

步骤f)、对有穿透的动态实体重复执行以上步骤，直至没有位置冲突为止。

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