專利名稱：一種人工魚模擬系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種智能電視的中間件系統(tǒng)，尤其涉及一種人工魚模擬系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
由各種虛擬的魚類棲息的虛擬深海中，魚類靠使用肌肉和魚鰭得以自由的游動、躲避障礙物，以及在一些水草、珊瑚礁和其它魚類之間穿梭。他們可以自如地探索這個虛擬世界以尋找食物。被捕食者自由行動，直到他們遇到捕食者，然后立即采取逃逸行動。而當(dāng)一個捕食者出現(xiàn)在遠(yuǎn)處，相似種類的被捕食者形成群落以增加他們逃逸的機(jī)會。當(dāng)捕食者靠近一個群落，魚群因?yàn)榭謶侄南卤继印Ｒ粋€捕食者吞食獵物直至酒足飯飽的追逐隨即開始。一些種類的魚似乎并不被捕食者所困擾。當(dāng)他們饑餓時，可以捕食浮游生物。而當(dāng)魚類到了繁殖期，則通過執(zhí)行特有的追逐和求偶儀式來尋求配偶。以上在模擬世界中的動畫，要求可視上的真實(shí)性是非常難的。為了建立動畫框架，涵蓋上述所有復(fù)雜的行為模式，且盡量減少人工的參與，最好的辦法是使用全功能性的人工魚(Artificial Fishes)。人工魚是指一種自主性個體，其外表和復(fù)雜的群落行為都與自然的相一致?，F(xiàn)有技術(shù)沒有較好的實(shí)現(xiàn)方案，無法完備地合成物理、定位、感知和行為，模擬的真實(shí)效果較差。因此，有必要提供一種人工魚模擬系統(tǒng)來滿足現(xiàn)有需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種人工魚模擬系統(tǒng)，所述人工魚外貌形態(tài)模擬程度高，結(jié)合了行為、感知和驅(qū)動三方面，成為具有自主性的智能個體。因此，本發(fā)明提供了一種人工魚模擬系統(tǒng)，所述人工魚位于三維模擬世界中，所述人工魚1旲擬系統(tǒng)包括感知子系統(tǒng)、動力子系統(tǒng)及打?yàn)樽酉到y(tǒng)，所述感知子系統(tǒng)米集周圍環(huán)境生成感知數(shù)據(jù)并過濾后傳遞給所述行為子系統(tǒng)；所述行為子系統(tǒng)將周圍環(huán)境數(shù)據(jù)結(jié)合魚的生活習(xí)性合成廣生意向，制定人工魚的彳丁為路徑；所述彳丁為子系統(tǒng)將彳丁為路徑的控制參數(shù)輸入動力子系統(tǒng)，由所述動力子系統(tǒng)控制人工魚產(chǎn)生相應(yīng)的動作。具體地，所述感知子系統(tǒng)包括視覺感知器組和溫度感知器組，所述溫度感知器對位于魚身中心的環(huán)境水的溫度進(jìn)行采樣，所述視覺感知器從3D的虛擬環(huán)境提取色彩、尺寸、距離及障礙物的種類信息，所述視覺感知器可以通過查詢障礙物數(shù)據(jù)庫來獲知附近的障礙物，同時通過查詢模擬狀態(tài)來獲知周圍物體的瞬時速度，所述視覺感知器的視覺為300。。具體地，所述動力子系統(tǒng)包括動態(tài)模型和若干動力控制器，動力控制器過設(shè)定肌肉收縮來產(chǎn)生動力。所述動態(tài)模型由23個端點(diǎn)和91條線組成，用魚鰭作為人工魚運(yùn)動的主要動力，使用魚體兩側(cè)的后部的肌肉進(jìn)行游動，使用前部的肌肉進(jìn)行轉(zhuǎn)向。所述若干動力控制器包括游動控制器、左轉(zhuǎn)控制器和右轉(zhuǎn)控制器，所述游動控制器控制人工魚向前游動，所述左轉(zhuǎn)控制器和右轉(zhuǎn)控制器分別控制左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。
具體地，所述行為子系統(tǒng)包括意向產(chǎn)生器及行為路徑產(chǎn)生器，所述意向產(chǎn)生器根據(jù)魚的生活習(xí)性產(chǎn)生意向，所述行為路徑產(chǎn)生器根據(jù)意向產(chǎn)生器生成的意向結(jié)合過濾后的感知數(shù)據(jù)合成制定出行為路徑。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明方案展示了對人工魚模型一些動作的模擬框架。這些動作可以通過最少的人工交互而產(chǎn)生令人信服的單個或者組合動作。有機(jī)結(jié)合了感知、意向、行為三個人工智能的基本點(diǎn)，同時在行為中以物理作為基礎(chǔ)，從而產(chǎn)生了自主性極強(qiáng)的智能型個體，能夠?qū)Νh(huán)境自主感知、判斷并執(zhí)行相應(yīng)合理的行為，并對環(huán)境產(chǎn)生影響，模擬的人工魚外貌形態(tài)較為真實(shí)，成為具有自主性的智能個體。


為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。圖1是本發(fā)明實(shí)施例的人工魚模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例的人工魚的動態(tài)模型的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。參考圖1，本發(fā)明提供了一種人工魚模擬系統(tǒng)，包括動力子系統(tǒng)、感知子系統(tǒng)及行為子系統(tǒng)，三個子系統(tǒng)相互協(xié)作，共同完成人工魚的各種動作的模擬。所述感知子系統(tǒng)采集周圍環(huán)境生成感知數(shù)據(jù)如避碰意向需參考周圍的障礙物信息，并過濾后傳遞給所述行為子系統(tǒng)；所述行為子系統(tǒng)將周圍環(huán)境數(shù)據(jù)結(jié)合魚的生活習(xí)性合成產(chǎn)生意向，制定人工魚的行為路徑；所述行為子系統(tǒng)將行為路徑的控制參數(shù)輸入動力子系統(tǒng)，由所述動力子系統(tǒng)控制人工魚產(chǎn)生相應(yīng)的動作。感知子系統(tǒng)通過一系列時刻運(yùn)行的感知器來提供關(guān)于周圍動態(tài)環(huán)境的感知數(shù)據(jù)。通過感知機(jī)制，使得人工魚可以以任務(wù)為目標(biāo)訓(xùn)練其感知器，根據(jù)關(guān)注點(diǎn)及行為路徑的需要，濾除不必要的感知數(shù)據(jù)。具體地，所述感知子系統(tǒng)包括視覺感知器組和溫度感知器組，溫度感知器對位于魚身中心的環(huán)境水的溫度取樣。而視覺感知器則更復(fù)雜。本發(fā)明并沒有試圖模擬真實(shí)魚類高度復(fù)雜的視覺系統(tǒng)。相反，視覺感知器只是從3D的虛擬環(huán)境提取最有用的信息，如色彩、尺寸、距離和障礙物的種類等。人工魚的視覺感知器可以感知幾何形態(tài)、材料特性和照明系統(tǒng)，所有這些都是渲染環(huán)境所需要的圖形學(xué)信息。此外，視覺感知器可以查詢障礙物數(shù)據(jù)庫來獲知附近的障礙物，查詢模擬狀態(tài)來獲知周圍物體的瞬時速度等信息。在本發(fā)明實(shí)施例中，人工魚的視覺是相當(dāng)開闊的，覆蓋了可透視的水環(huán)境中300°的視角。一個物體被“看到”，意味著它進(jìn)入了此人工魚的視野，并且沒有被其它物體徹底遮擋。本發(fā)明實(shí)施例的動力子系統(tǒng)包含了人工魚的動態(tài)模型和若干動力控制器，通過動力子系統(tǒng)真實(shí)地模擬魚的動態(tài)，在自動化、真實(shí)性和計(jì)算機(jī)消耗之間取得較好的平衡。動力控制器是參數(shù)化的流程，每一個被設(shè)計(jì)成執(zhí)行一個特定的動作函數(shù)，比如“向前游” “向左轉(zhuǎn)”等。輸入自然的控制參數(shù)，如游動速度、轉(zhuǎn)動角度可以施行詳細(xì)的肌肉動作。對于魚運(yùn)動的研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)魚類使用魚鰭作為運(yùn)動的主要動力。游動主要使用身體兩側(cè)的后部的肌肉，而轉(zhuǎn)向主要使用前部的肌肉。為了合成真實(shí)可信的魚的運(yùn)動，參考圖2，本發(fā)明實(shí)施例采用了由23個端點(diǎn)和91條線組成的動態(tài)魚的模型。線的排列使得身體在靈活運(yùn)動的同時擁有結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定性。構(gòu)成身體主要部分的12條線作為肌肉的抽象而存在。動力控制器過設(shè)定肌肉收縮來產(chǎn)生動力，像真實(shí)的魚類一樣，本發(fā)明中的人工魚也是靠肌肉的收縮來運(yùn)動。設(shè)Sij是肌肉線，通過縮短長度Iij來表示收縮。為了方便，設(shè)置
了肌肉線的最小收縮長度Guil且將收縮因子規(guī)約化到范圍
中。魚尾特殊的擺動效
果，可以通過周期性收縮身體一側(cè)的運(yùn)動肌肉線、同時放松另一側(cè)的肌肉線來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)魚尾擺動時，會驅(qū)動一股水流。被排除的水會產(chǎn)生垂直于魚的身體的反作用力，其大小與單位時間內(nèi)被排除的水量成正比，驅(qū)動著魚類向前游。本發(fā)明實(shí)施例的模擬人工魚設(shè)定了三個動力控制器:游動控制器控制向前游動，左轉(zhuǎn)控制器和右轉(zhuǎn)控制器分別控制左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。這些動力控制器通過設(shè)定肌肉收縮來產(chǎn)生動力機(jī)制。如圖2，游動控制器控制了游動肌肉段，轉(zhuǎn)動控制器控制了轉(zhuǎn)動肌肉段。大多數(shù)魚類的游動速度與魚尾的周期性振蕩的幅度和頻率成正比，且低于一個特定閾值。本發(fā)明符合了這種實(shí)際觀察:游動速度 和轉(zhuǎn)動角度都與肌肉線的收縮幅度和頻率近似成正比。對于大多數(shù)魚來說，魚鰭控制著上下游動和偏轉(zhuǎn)游動。魚鰭可以收緊在身體兩側(cè)通過減小阻力來增加速度，也可以作為風(fēng)帆一樣伸展來增加阻力。許多魚類在覓食時，通過魚鰭達(dá)到非常好的效果，通過魚鰭像船槳一樣運(yùn)動來保持身體靜止。本發(fā)明實(shí)施例的人工魚有一對魚鰭來協(xié)助它在3D世界中導(dǎo)航。虛擬魚鰭與真實(shí)魚鰭發(fā)揮相似但是相對簡單的作用。因?yàn)楸景l(fā)明的目標(biāo)是模擬魚的身體的運(yùn)動，而非魚鰭，所以僅僅模擬其在運(yùn)動時產(chǎn)生的動態(tài)效果，而非詳細(xì)模擬它的物理機(jī)制。此外，也希望簡化人工魚的模型來簡化計(jì)算。本發(fā)明實(shí)施例的人工魚魚鰭的主要對身體的中段，即點(diǎn)集I < i < 12。魚鰭的作用類似飛機(jī)的機(jī)翼，上下、翻轉(zhuǎn)都可以通過控制它們相對于身體的角度來實(shí)現(xiàn)。假設(shè)魚鰭的面積為A，表面法線為n，且魚相對于水的速度為V，則魚鰭產(chǎn)生的力為Ff=-A(n.V)n=-A( Il V Il cos Y )n,均勻地分布在12個點(diǎn)上。當(dāng)魚鰭的前邊上升時,對身體產(chǎn)生托力，貝!J魚上??；反之，產(chǎn)生一個下沉力，魚下潛。人工魚可以通過翻轉(zhuǎn)魚鰭減小速度來靜止(此時Y = π)。行為子系統(tǒng)是感知子系統(tǒng)和動力子系統(tǒng)之間的媒介，包括意向產(chǎn)生器及行為路徑產(chǎn)生器，所述意向產(chǎn)生器根據(jù)魚的生活習(xí)性產(chǎn)生意向，所述行為路徑產(chǎn)生器根據(jù)意向產(chǎn)生器生成的意向結(jié)合過濾后的感知數(shù)據(jù)合成制定出行為路徑。意向產(chǎn)生器作為人工魚的“認(rèn)知”中心，控制著感知-行為循環(huán)的動態(tài)發(fā)展。本發(fā)明通過一系列習(xí)慣參數(shù)來創(chuàng)建人工魚的內(nèi)在特質(zhì)，如其是否習(xí)慣黑暗，為雌/雄性等。意向產(chǎn)生器結(jié)合習(xí)慣和感知信息流來動態(tài)產(chǎn)生人工魚的動機(jī)及意向，如捕食其它魚。意向產(chǎn)生器也控制著感知機(jī)制過濾不需要的感知信息以優(yōu)先完成當(dāng)下的動機(jī)及意向。例如，如果當(dāng)前動機(jī)和意向?yàn)椴妒?，則人工魚調(diào)控感知信息注意附近的食物源。在每一步模擬時間段內(nèi)，意向產(chǎn)生器激活行為路徑，其以經(jīng)過過濾的感知信息為輸入，經(jīng)過計(jì)算，輸出合適的動力控制參數(shù)，來使得人工魚向著當(dāng)前動機(jī)更近一步。原始行為路徑，如障礙物避碰，以及更復(fù)雜的動機(jī)型行為路徑，如交配，共同組成了人工魚的行為。本發(fā)明方案展示了對人工魚模型一些動作的模擬框架。這些動作可以通過最少的人工交互而產(chǎn)生令人信服的單個或者組合動作。其本質(zhì)是有機(jī)結(jié)合了感知、意向、行為三個人工智能的基本點(diǎn)，同時在行為中以物理作為基礎(chǔ)，從而產(chǎn)生了自主性極強(qiáng)的智能型個體，能夠?qū)Νh(huán)境自主感知、判斷并執(zhí)行相應(yīng)合理的行為，并對環(huán)境產(chǎn)生影響。以上對本發(fā)明實(shí)施例所提供的一種人工魚模擬系統(tǒng)，進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個例對本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的技術(shù)及其核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式
及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。
權(quán)利要求
1.一種人工魚模擬系統(tǒng)，所述人工魚位于三維模擬世界中，其特征在于，所述人工魚模擬系統(tǒng)包括感知子系統(tǒng)、動力子系統(tǒng)及行為子系統(tǒng)，所述感知子系統(tǒng)采集周圍環(huán)境生成感知數(shù)據(jù)并過濾后傳遞給所述行為子系統(tǒng)；所述行為子系統(tǒng)將周圍環(huán)境數(shù)據(jù)結(jié)合魚的生活習(xí)性合成產(chǎn)生意向，制定人工魚的行為路徑；所述行為子系統(tǒng)將行為路徑的控制參數(shù)輸入動力子系統(tǒng)，由所述動力子系統(tǒng)控制人工魚產(chǎn)生相應(yīng)的動作。
2.按權(quán)利要求1所述的人工魚模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述感知子系統(tǒng)包括視覺感知器組和溫度感知器組，所述溫度感知器對位于魚身中心的環(huán)境水的溫度進(jìn)行采樣，所述視覺感知器從3D的虛擬環(huán)境提取色彩、尺寸、距離及障礙物的種類信息，所述視覺感知器可以通過查詢障礙物數(shù)據(jù)庫來獲知附近的障礙物，同時通過查詢模擬狀態(tài)來獲知周圍物體的瞬時速度，所述視覺感知器的視覺為300°。
3.按權(quán)利要求1所述的人工魚模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述動力子系統(tǒng)包括動態(tài)模型和若干動力控制器，動力控制器過設(shè)定肌肉收縮來產(chǎn)生動力。
4.按權(quán)利要求3所述的人工魚模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述動態(tài)模型由23個端點(diǎn)和91條線組成，用魚鰭作為人工魚運(yùn)動的主要動力，使用魚體兩側(cè)的后部的肌肉進(jìn)行游動，使用前部的肌肉進(jìn)行轉(zhuǎn)向。
5.按權(quán)利要求3所述的人工魚模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述若干動力控制器包括游動控制器、左轉(zhuǎn)控制器和右轉(zhuǎn)控制器，所述游動控制器控制人工魚向前游動，所述左轉(zhuǎn)控制器和右轉(zhuǎn)控制器分別控制左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。
6.按權(quán)利要求1所述的人工魚模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述行為子系統(tǒng)包括意向產(chǎn)生器及行為路徑產(chǎn)生器，所述意向產(chǎn)生器根據(jù)魚的生活習(xí)性產(chǎn)生意向，所述行為路徑產(chǎn)生器根據(jù)意向產(chǎn)生器生成的意向結(jié)合過濾后的感知數(shù)據(jù)合成制定出行為路徑。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種人工魚模擬系統(tǒng)，包括感知子系統(tǒng)、動力子系統(tǒng)及行為子系統(tǒng)，所述感知子系統(tǒng)采集周圍環(huán)境生成感知數(shù)據(jù)并過濾后傳遞給所述行為子系統(tǒng)；所述行為子系統(tǒng)將周圍環(huán)境數(shù)據(jù)結(jié)合魚的生活習(xí)性合成產(chǎn)生意向，制定人工魚的行為路徑；所述行為子系統(tǒng)將行為路徑的控制參數(shù)輸入動力子系統(tǒng)，由所述動力子系統(tǒng)控制人工魚產(chǎn)生相應(yīng)的動作。本發(fā)明模擬系統(tǒng)模擬的人工魚，外貌形態(tài)較為真實(shí)，同時有機(jī)結(jié)合了感知、意向、行為三個人工智能的基本點(diǎn)，能夠?qū)Νh(huán)境自主感知、判斷并執(zhí)行相應(yīng)合理的行為，并對環(huán)境產(chǎn)生影響，能夠在行為中以物理作為基礎(chǔ)，從而產(chǎn)生了自主性極強(qiáng)的智能型個體。
文檔編號G06T13/40GK103093489SQ20121056391
公開日2013年5月8日 申請日期2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月21日
發(fā)明者彭曉翠, 羅笑南, 孟思明, 薛凱軍 申請人:東莞中山大學(xué)研究院