對大規模人群仿真技術的研究

張子龍

摘 要 虛擬現實技術的出現為虛擬人群仿真創造了便利的條件，一時間也讓大規模人群仿真成為了社會相關領域的研究熱點。基于這種情況，本文首先分析了虛擬人群仿真技術的瓶頸，并在此基礎上對多層次結構模型進行了深刻地分析，其中包括認知層、路徑層以及空間層等三個相關模型，旨在為相關研究人員提供一些參考建議。

【關鍵詞】人群仿真技術 認知層模型 路徑層模型

大規模人群仿真，不僅在生活當中具有極高的實用性，并且計算機技術的普及也為它真實性的增加創造了良好的條件。研究大規模人群仿真的目的在于研究人群在多種復雜的虛擬環境下所具有的運功規律以及運動特征，而要想確保這些規律及特征的真實性和可靠性，相關研究人員就必須對與之相關的模型進行構建，進而對人群對環境的認知以及路徑選擇等運動過程進行全面展示。

1 虛擬人群仿真技術所存在的瓶頸

虛擬人群仿真技術的瓶頸主要體現在以下幾個方面：

（1）人群規模過于龐大，應該在進行計算機模擬時設計相應的模型，進而提升人們對環境認知的時間；

（2）人群在活動過程中經常會發生一些碰撞現象，因此在進行模擬時需要制定相關的解決策略以防止這些碰撞現象的發生；

（3）個體在對環境認知之后所表現出來的狀態應該被其他個體所了解。因此，要想增強人群仿真的應用效果，就必須突破這些難題。

2 大規模人群仿真技術的研究

本文根據人對環境的認知、路徑規劃以及所采取的行動等相關因素設計了一個多層次的結構模型，該模型包括認知層、路徑層以及拓撲空間層等。對于認知層而言，它指的是對人對周圍環境的認知進行模擬，并對相關環境數據進行建立。對于路徑層而言，指的是人在對環境進行認知之后，所制定的路徑規劃。對于拓撲空間層而言，它指的是虛擬世界里的大范圍空間，對人在各個子空間中的路徑規劃進行模擬。這三個不同層次模型的建立提升了人群在虛擬世界里尋徑決策模擬的效率。

2.1 多層次結構模型中的認知層

認知層主要是模擬人對周圍環境的感知，對他們在路徑層的路線規劃進行指導。對于認知層地圖而言，它包含了靜態對象地圖以及動態對象地圖，這些地圖的作用是對虛擬人體會到的靜態對象信息以及動態對象信息進行存儲。

對于靜態信息而言，指的是在虛擬環境中沒有移動的物體，并且虛擬人不可以和它重疊，也不可以對其進行穿越。例如墻面、家具以及車道等。對于動態對象信息而言，它指的是在虛擬環境中可以移動的物體，例如虛擬人以及汽車等。

動態對象在感知范圍方面可以呈現一個扇形區域，進而對各個區域的動態對象存在情況進行由遠到近的檢查，如果確定某區域的動態對象數量超過了相應的標準，應停止感知過程。

2.2 多層次結構模型中的路徑層

在認知層模型中，虛擬人獲取相關的靜態對象信息以及動態對象信息之后，應該按照這些信息和虛擬人的位置坐標為其制定合理的路徑規劃。對于路徑層地圖而言，其應該由虛擬環境里的靜態障礙物的GVD以及相對應的路徑映射函數構成。

路徑層地圖的形成過程就是GVD的構造過程。在計算過程中可以運用GVD計算方法，此方法可以對GVD以及相應的路徑集合進行快速計算。GVD圖建立完成之后，給定虛擬人相應的地理位置，進而對GVD圖上的最近結點進行查找，再在圖上找到連接各個結點最短路徑的集合。最短路徑可以運用Dijkstra算法進行計算。為了對路徑規劃模擬速度進行獲取，可以預先計算一下各個結點之間的最短路徑，并對預算結果進行保存，通過時間與空間交換的方式來獲取模擬速度，避免對結點間的路徑進行重復計算。

2.3 多層次結構模型中的拓撲空間層

拓撲空間層可以通過帶權圖數據結構進行表示，用圖上的結點對虛擬環境里的各個子空間進行表示，用邊將子空間的關系進行連通。權重則體現了各個子空間的距離。如果各個子空間比較緊密，沒有距離，也可以用無權圖進行表示。

在路徑層模型當中，如果子圖比較大，并且在上面存在大規模的虛擬人群，他們的速度就不能有效滿足路徑規劃的相關要求。因此，可以按照空間大小和虛擬人群數量，把空間分成若干個層次。通過層次化思想，在較大的范圍空間里制定當前的路徑規劃，然后在小空間上對路徑規劃進行細化，進而提升人群仿真效率。

我們可以為虛擬環境建立相應的三維模型，在模型建立完之后，可以將其在二維平面上進行投影，進而建立俯視圖。由于人是在地面上行走的，而不是向魚、飛禽等動物可以在三維空間上進行活動。利用二維平面圖，可以建立拓撲空間的關系圖。比如，如果虛擬人想要從書房走向廚房時，拓撲空間層可以將這個動作分成兩個階段：第一階段是從書房到客廳；第二階段是從客廳到廚房。再如，虛擬人要想從廚房走向衛生間時，這個動作的兩個階段就應該是廚房到客廳以及客廳到衛生間。在路過子空間時，就可以利用其相應的路徑層地圖來對路徑進行規劃，這個過程將會對動作進行細化，對于第一個例子而言，應該是虛擬人在書房空間內從書房走向書房門，在客廳空間里，從書房門走向了廚房門。對于第二個例子而言，應該是虛擬人在廚房空間內從廚房走向廚房門，在客廳空間內從廚房門走向了衛生間門。由此可見，該分層尋徑方法提升了我們所搭建算法的效率。

在本文當中，與算法有關的最短路徑信息可以利用預計算對其進行保存，因此能夠通過常數時間對路徑層地圖中的各個結點間的最短路徑進行查詢，同時也可以對拓撲空間層上的各個拓撲結點間的最短路徑進行查詢。而對于離虛擬人坐標點較近的路徑層頂點而言，也可以通過常數時間進行查詢。因此隨著算法規模的不斷增長，也會導致算法查詢時間的延長。

3 結論

綜上所述，本文主要研究了大規模的人群仿真技術，以人的視覺為出發點，由底向上的對三層結構進行建立，進而對虛擬環境進行建模。對于虛擬世界而言，根據人的路徑規劃邏輯，可以將其分成三層，其中包括認知層、拓撲空間層以及路徑層。在進行虛擬人群仿真時，這種層次模型的建立有利于虛擬人尋徑決策的制定，進而有利于對大規模人群活動的模擬。

參考文獻

[1]趙欣欣.大規模人群運動實時仿真研究[D].北京工業大學，2013.

[2]岳翠蘋.基于Vicrowd模型的大規模人群仿真技術的研究[D].電子科技大學，2010.

作者單位

天津理工大學 天津市 300384