CN103093489A - 一种人工鱼模拟*** - Google Patents

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彭晓翠
罗笑南
孟思明
薛凯军
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Abstract

本发明公开了一种人工鱼模拟***，包括感知子***、动力子***及行为子***，所述感知子***采集周围环境生成感知数据并过滤后传递给所述行为子***；所述行为子***将周围环境数据结合鱼的生活习性合成产生意向，制定人工鱼的行为路径；所述行为子***将行为路径的控制参数输入动力子***，由所述动力子***控制人工鱼产生相应的动作。本发明模拟***模拟的人工鱼，外貌形态较为真实，同时有机结合了感知、意向、行为三个人工智能的基本点，能够对环境自主感知、判断并执行相应合理的行为，并对环境产生影响，能够在行为中以物理作为基础，从而产生了自主性极强的智能型个体。

Description

一种人工鱼模拟***
技术领域
本发明涉及一种智能电视的中间件***，尤其涉及一种人工鱼模拟***。
背景技术
由各种虚拟的鱼类栖息的虚拟深海中，鱼类靠使用肌肉和鱼鳍得以自由的游动、躲避障碍物，以及在一些水草、珊瑚礁和其它鱼类之间穿梭。他们可以自如地探索这个虚拟世界以寻找食物。被捕食者自由行动，直到他们遇到捕食者，然后立即采取逃逸行动。而当一个捕食者出现在远处，相似种类的被捕食者形成群落以增加他们逃逸的机会。当捕食者靠近一个群落，鱼群因为恐惧而四下奔逃。一个捕食者吞食猎物直至酒足饭饱的追逐随即开始。一些种类的鱼似乎并不被捕食者所困扰。当他们饥饿时，可以捕食浮游生物。而当鱼类到了繁殖期，则通过执行特有的追逐和求偶仪式来寻求配偶。
以上在模拟世界中的动画，要求可视上的真实性是非常难的。为了建立动画框架，涵盖上述所有复杂的行为模式，且尽量减少人工的参与，最好的办法是使用全功能性的人工鱼（Artificial Fishes）。人工鱼是指一种自主性个体，其外表和复杂的群落行为都与自然的相一致。现有技术没有较好的实现方案，无法完备地合成物理、定位、感知和行为，模拟的真实效果较差。
因此，有必要提供一种人工鱼模拟***来满足现有需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种人工鱼模拟***，所述人工鱼外貌形态模拟程度高，结合了行为、感知和驱动三方面，成为具有自主性的智能个体。
因此，本发明提供了一种人工鱼模拟***，所述人工鱼位于三维模拟世界中，所述人工鱼模拟***包括感知子***、动力子***及行为子***，所述感知子***采集周围环境生成感知数据并过滤后传递给所述行为子***；所述行为子***将周围环境数据结合鱼的生活习性合成产生意向，制定人工鱼的行为路径；所述行为子***将行为路径的控制参数输入动力子***，由所述动力子***控制人工鱼产生相应的动作。
具体地，所述感知子***包括视觉感知器组和温度感知器组，所述温度感知器对位于鱼身中心的环境水的温度进行采样，所述视觉感知器从3D的虚拟环境提取色彩、尺寸、距离及障碍物的种类信息，所述视觉感知器可以通过查询障碍物数据库来获知附近的障碍物，同时通过查询模拟状态来获知周围物体的瞬时速度，所述视觉感知器的视觉为300°。
具体地，所述动力子***包括动态模型和若干动力控制器，动力控制器过设定肌肉收缩来产生动力。所述动态模型由23个端点和91条线组成，用鱼鳍作为人工鱼运动的主要动力，使用鱼体两侧的后部的肌肉进行游动，使用前部的肌肉进行转向。所述若干动力控制器包括游动控制器、左转控制器和右转控制器，所述游动控制器控制人工鱼向前游动，所述左转控制器和右转控制器分别控制左转和右转。
具体地，所述行为子***包括意向产生器及行为路径产生器，所述意向产生器根据鱼的生活习性产生意向，所述行为路径产生器根据意向产生器生成的意向结合过滤后的感知数据合成制定出行为路径。
与现有技术相比，本发明方案展示了对人工鱼模型一些动作的模拟框架。这些动作可以通过最少的人工交互而产生令人信服的单个或者组合动作。有机结合了感知、意向、行为三个人工智能的基本点，同时在行为中以物理作为基础，从而产生了自主性极强的智能型个体，能够对环境自主感知、判断并执行相应合理的行为，并对环境产生影响，模拟的人工鱼外貌形态较为真实，成为具有自主性的智能个体。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例的人工鱼模拟***的结构示意图；
图2是本发明实施例的人工鱼的动态模型的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
参考图1，本发明提供了一种人工鱼模拟***，包括动力子***、感知子***及行为子***，三个子***相互协作，共同完成人工鱼的各种动作的模拟。所述感知子***采集周围环境生成感知数据如避碰意向需参考周围的障碍物信息，并过滤后传递给所述行为子***；所述行为子***将周围环境数据结合鱼的生活习性合成产生意向，制定人工鱼的行为路径；所述行为子***将行为路径的控制参数输入动力子***，由所述动力子***控制人工鱼产生相应的动作。
感知子***通过一系列时刻运行的感知器来提供关于周围动态环境的感知数据。通过感知机制，使得人工鱼可以以任务为目标训练其感知器，根据关注点及行为路径的需要，滤除不必要的感知数据。
具体地，所述感知子***包括视觉感知器组和温度感知器组，温度感知器对位于鱼身中心的环境水的温度取样。而视觉感知器则更复杂。本发明并没有试图模拟真实鱼类高度复杂的视觉***。相反，视觉感知器只是从3D的虚拟环境提取最有用的信息，如色彩、尺寸、距离和障碍物的种类等。
人工鱼的视觉感知器可以感知几何形态、材料特性和照明***，所有这些都是渲染环境所需要的图形学信息。此外，视觉感知器可以查询障碍物数据库来获知附近的障碍物，查询模拟状态来获知周围物体的瞬时速度等信息。
在本发明实施例中，人工鱼的视觉是相当开阔的，覆盖了可透视的水环境中300°的视角。一个物体被“看到”，意味着它进入了此人工鱼的视野，并且没有被其它物体彻底遮挡。
本发明实施例的动力子***包含了人工鱼的动态模型和若干动力控制器，通过动力子***真实地模拟鱼的动态，在自动化、真实性和计算机消耗之间取得较好的平衡。动力控制器是参数化的流程，每一个被设计成执行一个特定的动作函数，比如“向前游”“向左转”等。输入自然的控制参数，如游动速度、转动角度可以施行详细的肌肉动作。
对于鱼运动的研究发现，大多数鱼类使用鱼鳍作为运动的主要动力。游动主要使用身体两侧的后部的肌肉，而转向主要使用前部的肌肉。为了合成真实可信的鱼的运动，参考图2，本发明实施例采用了由23个端点和91条线组成的动态鱼的模型。线的排列使得身体在灵活运动的同时拥有结构上的稳定性。构成身体主要部分的12条线作为肌肉的抽象而存在。
动力控制器过设定肌肉收缩来产生动力，像真实的鱼类一样，本发明中的人工鱼也是靠肌肉的收缩来运动。设Sij是肌肉线，通过缩短长度lij来表示收缩。为了方便，设置了肌肉线的最小收缩长度且将收缩因子规约化到范围[0，1]中。鱼尾特殊的摆动效果，可以通过周期性收缩身体一侧的运动肌肉线、同时放松另一侧的肌肉线来实现。
当鱼尾摆动时，会驱动一股水流。被排除的水会产生垂直于鱼的身体的反作用力，其大小与单位时间内被排除的水量成正比，驱动着鱼类向前游。
本发明实施例的模拟人工鱼设定了三个动力控制器：游动控制器控制向前游动，左转控制器和右转控制器分别控制左转和右转。这些动力控制器通过设定肌肉收缩来产生动力机制。如图2，游动控制器控制了游动肌肉段，转动控制器控制了转动肌肉段。大多数鱼类的游动速度与鱼尾的周期性振荡的幅度和频率成正比，且低于一个特定阈值。本发明符合了这种实际观察：游动速度和转动角度都与肌肉线的收缩幅度和频率近似成正比。
对于大多数鱼来说，鱼鳍控制着上下游动和偏转游动。鱼鳍可以收紧在身体两侧通过减小阻力来增加速度，也可以作为风帆一样伸展来增加阻力。许多鱼类在觅食时，通过鱼鳍达到非常好的效果，通过鱼鳍像船桨一样运动来保持身体静止。本发明实施例的人工鱼有一对鱼鳍来协助它在3D世界中导航。虚拟鱼鳍与真实鱼鳍发挥相似但是相对简单的作用。因为本发明的目标是模拟鱼的身体的运动，而非鱼鳍，所以仅仅模拟其在运动时产生的动态效果，而非详细模拟它的物理机制。此外，也希望简化人工鱼的模型来简化计算。
本发明实施例的人工鱼鱼鳍的主要对身体的中段，即点集1≤i≤12。鱼鳍的作用类似飞机的机翼，上下、翻转都可以通过控制它们相对于身体的角度来实现。假设鱼鳍的面积为A，表面法线为n，且鱼相对于水的速度为v，则鱼鳍产生的力为Ff=-A(n·v)n=-A(‖v‖cosγ)n，均匀地分布在12个点上。当鱼鳍的前边上升时，对身体产生托力，则鱼上浮；反之，产生一个下沉力，鱼下潜。人工鱼可以通过翻转鱼鳍减小速度来静止（此时γ＝π）。
行为子***是感知子***和动力子***之间的媒介，包括意向产生器及行为路径产生器，所述意向产生器根据鱼的生活习性产生意向，所述行为路径产生器根据意向产生器生成的意向结合过滤后的感知数据合成制定出行为路径。意向产生器作为人工鱼的“认知”中心，控制着感知-行为循环的动态发展。本发明通过一系列习惯参数来创建人工鱼的内在特质，如其是否习惯黑暗，为雌/雄性等。意向产生器结合习惯和感知信息流来动态产生人工鱼的动机及意向，如捕食其它鱼。意向产生器也控制着感知机制过滤不需要的感知信息以优先完成当下的动机及意向。例如，如果当前动机和意向为捕食，则人工鱼调控感知信息注意附近的食物源。在每一步模拟时间段内，意向产生器激活行为路径，其以经过过滤的感知信息为输入，经过计算，输出合适的动力控制参数，来使得人工鱼向着当前动机更近一步。原始行为路径，如障碍物避碰，以及更复杂的动机型行为路径，如交配，共同组成了人工鱼的行为。
本发明方案展示了对人工鱼模型一些动作的模拟框架。这些动作可以通过最少的人工交互而产生令人信服的单个或者组合动作。其本质是有机结合了感知、意向、行为三个人工智能的基本点，同时在行为中以物理作为基础，从而产生了自主性极强的智能型个体，能够对环境自主感知、判断并执行相应合理的行为，并对环境产生影响。
以上对本发明实施例所提供的一种人工鱼模拟***，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种人工鱼模拟***，所述人工鱼位于三维模拟世界中，其特征在于，所述人工鱼模拟***包括感知子***、动力子***及行为子***，所述感知子***采集周围环境生成感知数据并过滤后传递给所述行为子***；所述行为子***将周围环境数据结合鱼的生活习性合成产生意向，制定人工鱼的行为路径；所述行为子***将行为路径的控制参数输入动力子***，由所述动力子***控制人工鱼产生相应的动作。
2.如权利要求1所述的人工鱼模拟***，其特征在于，所述感知子***包括视觉感知器组和温度感知器组，所述温度感知器对位于鱼身中心的环境水的温度进行采样，所述视觉感知器从3D的虚拟环境提取色彩、尺寸、距离及障碍物的种类信息，所述视觉感知器可以通过查询障碍物数据库来获知附近的障碍物，同时通过查询模拟状态来获知周围物体的瞬时速度，所述视觉感知器的视觉为300°。
3.如权利要求1所述的人工鱼模拟***，其特征在于，所述动力子***包括动态模型和若干动力控制器，动力控制器过设定肌肉收缩来产生动力。
4.如权利要求3所述的人工鱼模拟***，其特征在于，所述动态模型由23个端点和91条线组成，用鱼鳍作为人工鱼运动的主要动力，使用鱼体两侧的后部的肌肉进行游动，使用前部的肌肉进行转向。
5.如权利要求3所述的人工鱼模拟***，其特征在于，所述若干动力控制器包括游动控制器、左转控制器和右转控制器，所述游动控制器控制人工鱼向前游动，所述左转控制器和右转控制器分别控制左转和右转。
6.如权利要求1所述的人工鱼模拟***，其特征在于，所述行为子***包括意向产生器及行为路径产生器，所述意向产生器根据鱼的生活习性产生意向，所述行为路径产生器根据意向产生器生成的意向结合过滤后的感知数据合成制定出行为路径。
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CN113703317A (zh) * 2021-07-28 2021-11-26 南京邮电大学 一种基于改进的捕食被捕食模型的分岔延迟控制器设计方法

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