[发明专利]基于自顶向下的多层次虚拟环境建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机动画与环境建模的交叉领域，尤其涉及一种基于自顶向下的多层次虚拟环境建模方法。

背景技术

虚拟人与虚拟环境的交互非常重要，主要包括了感知环境、遍历环境以及环境中的路径规划等交互行为。最初的虚拟环境建模主要存在于机器人技术中，辅助机器人仿真中的遍历行为。随着计算机动画领域的不断发展，自主智能体与行为动画开始走入人们的视线，对于人群动画中虚拟环境建模的需求也越来越引起人们的重视。

在机器人技术中的环境建模技术中，Metric maps地图绘制技术将真实世界中的距离信息与地图中的距离信息成一定的比例关系，可以在地图上方便的找到路径长度、建筑物尺寸以及物体的精确位置信息。这种地图就是我们常常见到的量度图，如中华人民共和国的地图。主要包括两种：Grid map与featuremap。Elfes与Moravec在1987年首次提出前者[1]，将机器人所处的环境表示为具有固定分辨率的多维网格。该网格的每一个单元都记录了对应地图单位的空间占有状态，这种表示方法简单有效，可以利用有限的资源表示丰富的环境信息，但也存在两大缺点，网格不能直观的表示出环境中各个区域之间的拓扑关系，而且在查询环境细节时，所需要的时间及空间代价都比较大。feature map技术[2]将环境表示为一些具有参数特性的几何元素，如点、线、柱体等，并具有颜色、位置等性质。机器人的传感器很容易感知到这些特性，使得它在感知数据的可视化处理过程中非常有效；但同时也不适用于非结构化的环境，不容易找到清晰的区域划分方式。Topological approach拓扑方法[3]利用图这一数据结构来表示环境，图的节点与边表示了区域之间的连通性与邻接性关系。与Metric map不同的是，拓扑地图并不提供详细的坐标信息，环境中区域之间与物体之间的距离是无从知晓的，它所注重的是表达出区域之间的连接关系。这种方法与今天流行的环境表示方法比较相似，方便解决路径规划等问题。但是因为它缺少环境对象的绝对坐标等关键细节信息，不太支持更为细致的环境遍历过程。

在计算机动画领域中，随着动画角色变得越来越智能化，对动画中的环境建模也越来越重要了。Lamarche与Donikian提出了一个基本模型[4]，用于重建虚拟人在虚拟环境中的遍历行为。基于此模型，能进一步实现相应的可见性计算，邻域检测，碰撞避让以及最优化路径算法等。这种方法能够同时仿真出数以百计的行人在户内户外环境中的活动场景。它从虚拟环境的几何元素数据库中得到了十分精确的多层次拓扑结构信息，并基于这种结构创建了一个最优化的路径规划算法。Noser等人提出将合成视觉应用到虚拟人的遍历过程中去[5]，在处理遍历问题时，它提出了两种方法。在全局方法中，使用动态的八叉树作为全局的三维可视化内存，虚拟人能够借此记忆它所看到的环境信息，并适应不断改变的动态环境。在本地方法中，利用了更低层次的视觉感知，本地遍历模型使用视觉环境中直接输入的信息来达到指定的目标或子目标。

[1]Elfes，A.，Sonar-basedreal-world mapping and navigation.Roboticsand Automation，IEEE Journal of[legacy，pre-1988]，1987.3(3)：p.249-265.

[2]Leonard，J.J.and H.F.Durrant-Whyte，Mobile robot localization bytracking geometric beacons.Robotics and Automation，IEEE Transactionson，1991.7(3)：p.376-382.

[3]Kuipers，B.and Y.T.Byun，A robot exploration and mapping strategybased on a semantic hierarchy of spatial representations.Toward LearningRobots.MIT Press，Cambridge，Massachusetts，1993：p.473.

[4]Lamarche，F.and S.Donikian，Crowd of Virtual Humans：a New Approachfor Real Time Navigation in Complex and Structured Environments.ComputerGraphics Forum，2004.23(3)：p.509-518.