一种快速创建大规模虚拟人群的方法.docx

一种快速创建大规模虚拟人群的方法专利名称：一种快速创建大规模虚拟人群的方法技术领域：本发明涉及虚拟现实领域，尤其涉及的是虚拟人群创作领域，用于在虚拟场景中逼真地再现多样的人群背景技术：人是现实世界中最重要和最基本的组成元素之一，虚拟角色对于虚拟世界来说具有同样重要的意义，利用群体模拟技术，在计算机生成空间中创建并模拟现实世界中的群体及其运动，能够极大地提高虚拟世界的真实感和沉浸感近年来，随着计算机群体模拟技术的不断发展，其应用也越来越广泛，涉及的领域包括模拟训练、计算机游戏动画、影视特效和公共安全辅助设计等比如，影视画面中可以将包含大量人群活动的场景通过计算机模拟实现，从而提高特效制作的效率并降低制作成本；通过对日常人流或紧急情况下人群的运动过程进行模拟与分析，为建筑物结构设计、大型活动客流管理、公共场所应急预案制 定起到很好的指导作用对于成千上万的人群，如果需要依次对每个人物角色进行位置、朝向等模拟相关属性进行设置和修改，对用户来说，将是一个巨大的繁琐的任务如果只是随机设置这些属性，则会导致结果不符合真实人群特点，很难控制达到用户所需效果如果采用简单规则对人群进行排列，会导致结果过于规整或重复，同时，复杂的人群分布规则难以用数学方程描述。

对于大规模场景及人群模拟来说，如何快速高效地完成人群的初始分布及状态设置，并使其具有多样性和真实性，是一个急需解决的问题在虚拟人群创作方面，已有部分模型被提出，例如Reynolds的flocking模型(Reynolds C. , Flocks, Herds and Schools A distributed behavioralmodel[J].Computer Graphics, 1987, 21 (4) :25-34.), Helbing 的社会力模型(Helbing D.，MolnarP., Social force model for pedestrian dynamics. [J]. Physical Review E,1995,51 (5) :4282-4286.),可以用于模拟生成具有一定复杂性的人群分布，但很难通过调整局部规则来控制最终效果，也难以模拟达到用户指定效果Ulciny的Crowdbrush系统(Ulicny B. , Ciechomski 0.and Thalmann D., Crowdbrush :Interactive authoringof real-time crowdscenes[C]. In Proceedings of ACM SIGGRAPH/EurographicsSymposium onComputer Animation, 2004, 243-252.)提供了用户实时创作和绘制人群的方法，通过使用笔刷来编辑和控制人物角色信息，由于操作更多的针对的是单个或若干个角色，需要大量用户交互。

Yersin等人提出基于Crowd Patch的大规模场景人群创作及动画方法(Yersin B. , Maim J. , Pettre J. andThalmann D. , Crowd patches populating large-scale virtual environments forreal-time applications [C].In Proceedings of the 2009symposium onlnteractive 3D graphics and games,2009，207-214.)，通过预先将人物角色的运动轨迹存储在Patch中，拼接得到最终效果，该方法中Patch的设计复杂，需要满足空间及时间连续，所能模拟的人群分布及动画种类十分有限，同时，用户无法修改拼接后的人群场景Ju等人提出了基于数据驱动的人群模拟方法(Ju E. , Choi M. , Park, M. , Lee J. , Lee K. , Takahashi S. , Morphablecrowds [J].ACM Trans. Graph. , 2010, 29 (6) Article 140.),从真实视频中分类学习获得小规模人群分布样本，模拟中，通过检测人群中每组的分布是否在样本集中来添加个体及控制运动，由于需要检测每个个体邻近区域与整个样本集的相似度，人群的合成速度很慢，合成结果十分规律，不适用于大规模多样人群的快速合成。

Guy等人提出了基于心理学模型参数化描述人物角色行为特性的方法(Guy S. J. , Kim S. , Lin M. C. , Manocha D. , Simulatingheterogeneous crowd behaviors using personality trait theory[C]. In Proceedingsof ACM SIGGRAPH/Eurographics Symposium on ComputerAnimation, 2011,43-52.),生成多样的人群运动效果，关注的是控制角色运动相关的参数设置另外，也有基于全局速度场的宏观方法，包括基于地图信息、用户交互控制导航、基于连续介质理论、基于流体模型等，这些方法只能用于全局运动控制效果，无法控制局部人群分布效果发明内容本发明的目的是为了解决在虚拟人群时操作复杂和过于规整的问题，提出一种基于真实图片的虚拟人群创建方法，用于快速创建大规模虚拟人群本发明提供了一种快速创建大规模虚拟人群的方法，用于在用户输入的场景区域内创建虚拟人群，包括步骤(I)基于真实图片创建虚拟人群样本库；(2)基于创建的虚拟人群样本库,合成王氏砖Wang Tile,建立王氏砖集合；(3)使用王氏砖集合中的Wang Tile对用户输入的场景区域拼接覆盖。

进一步地，所述步骤(I)基于真实图片创建虚拟人群样本库，具体包括步骤(I. I)初始化样本正方形；(I. 2)从真实图片中选取关注的正方形区域；(I. 3)从选取的正方形区域中选定个体并采集其分布信息和角色属性信息，从三维人物模型库中选择符合角色属性信息的角色模型，根据采集的分布信息对角色模型进行位置和朝向的变换，放入样本正方形区域，作为一个样本；(I. 4)为每个样本设置一个不同的颜色编码，将样本放入样本库为了保证虚拟人群的真实性和自然性，本发明采用基于真实图片来创建样本库，样本库越大能提供越丰富的样本，因此可以尽可能多的采集真实照片中的个体的分布信息和角色属性信息来构建尽可能多的样本，根据后期要制作的虚拟人群的规模大小，来适当建立样本库也是可行的进一步地,所述步骤(2)中合成王氏砖Wang Tile的步骤包括(2. I)分四次从所述样本库中各挑选一个样本，将4个样本拼接组成一个较大的样本块，两两样本之间具有一定的重合区，重合边长为样本边长的0. I 0. 35，4个样本正方形的对角线彼此相交组成的菱形区域即为Wang Tile ；(2. 2)在菱形区域内，对相邻样本重叠区域内的粒子集进行Voronoi划分，选择一条由Voronoi边组成的分割线，使得所隔开的粒子距离最远，分别保留位于分割线左侧的左侧样本粒子和位于分割线右侧的右侧样本粒子，保证重叠区域内粒子分布的自然性；(2.3)旋转裁剪后的菱形区域及位于其内的粒子，得到正方形WangTile，其上、下、左、右边分别标记为N、S、W、E，根据样本颜色设置对应Wang Tile边的颜色编码；(2. 4)、遍历所有的4个样本组合，建立王氏砖集合，使得建立的王氏砖集合为完全王氏砖集合。

本发明通过遍历样本库中4个样本的组合，建立完全的王氏砖集合，使的每条边可选的颜色为整个样本库进一步地，所述样本库包括第一子样本库和第二子样本库，将用于上下边拼接的样本放入第一样本库，将用于左右边拼接的样本放入第二样本库采用所述样本库合成Wang Tile时，上下边可选的颜色只从第一子样本库中选择，左右边可选的颜色只从第二子样本库中选择通过上述方法，可以使得人群横向和纵向分布特点不同进一步地，所述步骤(3)还包括(3. I)、用户指定需要虚拟人群覆盖的多边形场景区域，选择最长边作为覆盖需要对齐的边界，构建矩形区域包括用户指定需要人群覆盖的多边形场景区域；(3. 2)、指定需要对齐的约束边界上的颜色；(3. 3)、从约束边界开始选择满足匹配条件的Wang Tile铺排矩形区域；(3. 4)、根据原输入场景区域，删除位于其外的粒子，得到最终覆盖场景区域的虚拟人群所述指定需要对齐的约束边界上的颜色是指定所述矩形区域的最上一整条和最左一整条边界上的颜色所述从约束边界开始选择满足匹配条件的Wang Tile铺排矩形区域是指，铺排方向从上到下，从左到右；所述满足匹配条件的Wang Tile是指所选WangTile的上边颜色必须与其上方Wang Tile的下边相同、左边颜色必须与其左方Wang Tile的右边相同，剩下两条边的颜色由系统随机指定，但与周围已铺排好的Wang Ti Ie的边的颜色不同。

优选地，将合成的Wang Tile记录到一张四维的索引表中，所述四维索引表的四个分量分别为合成该Wang Tile的4个样本的颜色，在拼接场景区域时，只需要给出所述WangTile的上下左右四条边的颜色，从所述四维索引表中找到对应的Wang Tile，可以快速完成拼接本发明公开了一种快速创建大规模虚拟人群的方法，将人视为具有分布和角色信息的粒子，通过从真实图片中获取包含小规模人群粒子信息的样本，建立样本库，并基于王氏砖方法，使用样本制作王氏砖集合，使用王氏砖非周期性拼接覆盖场景区域，从而迅速生成任意规模场景内的多样虚拟人群本发明的创建方法简单快速，用户只需输入若干样本和需要人群覆盖的场景区域，就可以快速完成创建工作本发明基于真实图片中具有真实复杂特征的人群做成样本，并采集多个不同的样本形成样本库，在后续的使用过程中，使用拼接、合成、复制等方式产生大量形态各异的大规模虚拟人群，为虚拟人群创作提供极大的便利，同时也具有了真实性和自然性图I为本发明快速创作大规模虚拟人群方法流程图；图2为本发明建立样本库步骤流程图3为本发明建立Wang Tile的步骤流程图；图4为本发明拼接Wang Tile的步骤流程图。

具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成对本发明的限定本发明为了快速创作大规模虚拟人群，首先基于真实图片建立虚拟人群样本库，然后利用样本库建立王氏砖(Wang Tile),最后对Wang Tile进行拼接,形成大规模虚拟人群具体实施方法如图I所示，包括以下步骤步骤101、基于真实图片创建虚拟人群样本库步骤102、基于创建的虚拟人群样本库，合成王氏砖Wang Tile，建立王氏砖集合 其中王氏砖概念由数学逻辑家王浩在1961年提出，是一组大小相同的正方形Tile J^Tile的每条边都给定一种颜色，如果两个Tile的邻边颜色相同，则可以将这两个Tile拼接摆放合成的王氏砖Wang Tile，其上、下、左、右边分别标记为N、S、W、E，根据样本颜色设置对应Wang Tile边的颜色编码建立的王氏砖集合为完全王氏砖集合，即每条边可选的颜色为整个样本库步骤103、使用王氏砖集合中的Wang Tile对用户输入的场景区域拼接覆盖，得到场景区域内人群粒子集合即根据用户输入的场景区域，使用王氏砖非周期性快速拼接覆盖，得到场景内人群粒子集合为了保证虚拟人群的真实性和自然性，本发明采用基于真实图片来创建样本库，如图2所示，基于真实图片创建虚拟人群样本库包括以下步骤步骤201、初始化样本正方形，将边长置为I个单位长度，包含的人群位置信息对应缩放至0 1.0单位长度。

步骤202、从真实图片中选取关注的正方形区域步骤203、从选取的正方形区域中选定个体并采集其分布信息和角色属性信息，从三维人物模型库中选择符合角色属性信息的角色模型，根据采集的分布信息对角色模型进行位置和朝向的变换，放入样本正。