对大规模人群仿真技术的研究

张子龙

摘 要 虚拟现实技术的出现为虚拟人群仿真创造了便利的条件，一时间也让大规模人群仿真成为了社会相关领域的研究热点。基于这种情况，本文首先分析了虚拟人群仿真技术的瓶颈，并在此基础上对多层次结构模型进行了深刻地分析，其中包括认知层、路径层以及空间层等三个相关模型，旨在为相关研究人员提供一些参考建议。

【关键词】人群仿真技术 认知层模型 路径层模型

大规模人群仿真，不仅在生活当中具有极高的实用性，并且计算机技术的普及也为它真实性的增加创造了良好的条件。研究大规模人群仿真的目的在于研究人群在多种复杂的虚拟环境下所具有的运功规律以及运动特征，而要想确保这些规律及特征的真实性和可靠性，相关研究人员就必须对与之相关的模型进行构建，进而对人群对环境的认知以及路径选择等运动过程进行全面展示。

1 虚拟人群仿真技术所存在的瓶颈

虚拟人群仿真技术的瓶颈主要体现在以下几个方面：

（1）人群规模过于庞大，应该在进行计算机模拟时设计相应的模型，进而提升人们对环境认知的时间；

（2）人群在活动过程中经常会发生一些碰撞现象，因此在进行模拟时需要制定相关的解决策略以防止这些碰撞现象的发生；

（3）个体在对环境认知之后所表现出来的状态应该被其他个体所了解。因此，要想增强人群仿真的应用效果，就必须突破这些难题。

2 大规模人群仿真技术的研究

本文根据人对环境的认知、路径规划以及所采取的行动等相关因素设计了一个多层次的结构模型，该模型包括认知层、路径层以及拓扑空间层等。对于认知层而言，它指的是对人对周围环境的认知进行模拟，并对相关环境数据进行建立。对于路径层而言，指的是人在对环境进行认知之后，所制定的路径规划。对于拓扑空间层而言，它指的是虚拟世界里的大范围空间，对人在各个子空间中的路径规划进行模拟。这三个不同层次模型的建立提升了人群在虚拟世界里寻径决策模拟的效率。

2.1 多层次结构模型中的认知层

认知层主要是模拟人对周围环境的感知，对他们在路径层的路线规划进行指导。对于认知层地图而言，它包含了静态对象地图以及动态对象地图，这些地图的作用是对虚拟人体会到的静态对象信息以及动态对象信息进行存储。

对于静态信息而言，指的是在虚拟环境中没有移动的物体，并且虚拟人不可以和它重叠，也不可以对其进行穿越。例如墙面、家具以及车道等。对于动态对象信息而言，它指的是在虚拟环境中可以移动的物体，例如虚拟人以及汽车等。

动态对象在感知范围方面可以呈现一个扇形区域，进而对各个区域的动态对象存在情况进行由远到近的检查，如果确定某区域的动态对象數量超过了相应的标准，应停止感知过程。

2.2 多层次结构模型中的路径层

在认知层模型中，虚拟人获取相关的静态对象信息以及动态对象信息之后，应该按照这些信息和虚拟人的位置坐标为其制定合理的路径规划。对于路径层地图而言，其应该由虚拟环境里的静态障碍物的GVD以及相对应的路径映射函数构成。

路径层地图的形成过程就是GVD的构造过程。在计算过程中可以运用GVD计算方法，此方法可以对GVD以及相应的路径集合进行快速计算。GVD图建立完成之后，给定虚拟人相应的地理位置，进而对GVD图上的最近结点进行查找，再在图上找到连接各个结点最短路径的集合。最短路径可以运用Dijkstra算法进行计算。为了对路径规划模拟速度进行获取，可以预先计算一下各个结点之间的最短路径，并对预算结果进行保存，通过时间与空间交换的方式来获取模拟速度，避免对结点间的路径进行重复计算。

2.3 多层次结构模型中的拓扑空间层

拓扑空间层可以通过带权图数据结构进行表示，用图上的结点对虚拟环境里的各个子空间进行表示，用边将子空间的关系进行连通。权重则体现了各个子空间的距离。如果各个子空间比较紧密，没有距离，也可以用无权图进行表示。

在路径层模型当中，如果子图比较大，并且在上面存在大规模的虚拟人群，他们的速度就不能有效满足路径规划的相关要求。因此，可以按照空间大小和虚拟人群数量，把空间分成若干个层次。通过层次化思想，在较大的范围空间里制定当前的路径规划，然后在小空间上对路径规划进行细化，进而提升人群仿真效率。

我们可以为虚拟环境建立相应的三维模型，在模型建立完之后，可以将其在二维平面上进行投影，进而建立俯视图。由于人是在地面上行走的，而不是向鱼、飞禽等动物可以在三维空间上进行活动。利用二维平面图，可以建立拓扑空间的关系图。比如，如果虚拟人想要从书房走向厨房时，拓扑空间层可以将这个动作分成两个阶段：第一阶段是从书房到客厅；第二阶段是从客厅到厨房。再如，虚拟人要想从厨房走向卫生间时，这个动作的两个阶段就应该是厨房到客厅以及客厅到卫生间。在路过子空间时，就可以利用其相应的路径层地图来对路径进行规划，这个过程将会对动作进行细化，对于第一个例子而言，应该是虚拟人在书房空间内从书房走向书房门，在客厅空间里，从书房门走向了厨房门。对于第二个例子而言，应该是虚拟人在厨房空间内从厨房走向厨房门，在客厅空间内从厨房门走向了卫生间门。由此可见，该分层寻径方法提升了我们所搭建算法的效率。

在本文当中，与算法有关的最短路径信息可以利用预计算对其进行保存，因此能够通过常数时间对路径层地图中的各个结点间的最短路径进行查询，同时也可以对拓扑空间层上的各个拓扑结点间的最短路径进行查询。而对于离虚拟人坐标点较近的路径层顶点而言，也可以通过常数时间进行查询。因此随着算法规模的不断增长，也会导致算法查询时间的延长。

3 结论

综上所述，本文主要研究了大规模的人群仿真技术，以人的视觉为出发点，由底向上的对三层结构进行建立，进而对虚拟环境进行建模。对于虚拟世界而言，根据人的路径规划逻辑，可以将其分成三层，其中包括认知层、拓扑空间层以及路径层。在进行虚拟人群仿真时，这种层次模型的建立有利于虚拟人寻径决策的制定，进而有利于对大规模人群活动的模拟。

参考文献

[1]赵欣欣.大规模人群运动实时仿真研究[D].北京工业大学，2013.

[2]岳翠苹.基于Vicrowd模型的大规模人群仿真技术的研究[D].电子科技大学，2010.

作者单位

天津理工大学 天津市 300384