摘要： 本文提出基于正態(tài)云模型的群體動(dòng)畫生成技術(shù)的研究，將此研究設(shè)計(jì)成數(shù)字媒體藝術(shù)專業(yè)學(xué)生的綜合性及創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在數(shù)字媒體領(lǐng)域有較強(qiáng)的前瞻性和創(chuàng)新性，有嚴(yán)密的理論基礎(chǔ)，并且有合理的人員分工及實(shí)施方案。實(shí)踐證明，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力和綜合能力的提升有很大的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞： 群體動(dòng)畫生成技術(shù) 創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 正態(tài)云模型

目前，高校的實(shí)驗(yàn)教育通常都是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新能力提高幫助不大，基于這個(gè)現(xiàn)狀，很多高校都在改革，要求在實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中設(shè)計(jì)綜合性和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要結(jié)合學(xué)生的專業(yè)情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，在本學(xué)科領(lǐng)域有創(chuàng)新性和前瞻性。

群體動(dòng)畫創(chuàng)作一直是計(jì)算機(jī)動(dòng)畫界的一個(gè)難題，目前群體動(dòng)畫的研究工作主要集中在對(duì)群體角色進(jìn)行建模。Reynolds[1]提出了一個(gè)集群行為計(jì)算模型，其中每個(gè)角色是在各自的環(huán)境中獨(dú)立的行為者，能通過感知局部環(huán)境來決定在給定的時(shí)間采取有仿真的簡(jiǎn)單視覺、觸覺和聽覺感受器，能夠完成諸如跟隨領(lǐng)導(dǎo)者、相互致意甚至玩球類游戲等任務(wù)。Mataric[2]通過物理機(jī)器人演示了群體隊(duì)形，在Thamann[3]的工作中，虛擬角色具。Tu[4]提出了基于自然生命模型的動(dòng)畫自動(dòng)生成方法，把魚作為自激勵(lì)的自主智能體，創(chuàng)作了生動(dòng)逼真的人工魚群，Tu的工作是智能角色動(dòng)畫的典型代表。

群體動(dòng)畫生成技術(shù)對(duì)與數(shù)字媒體藝術(shù)專業(yè)的學(xué)生來說，既是本學(xué)科領(lǐng)域應(yīng)該掌握的知識(shí)，又具有前瞻性和創(chuàng)新性，將其作為綜合性創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，有助于學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合能力的提升。

1.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及實(shí)施方案步驟設(shè)計(jì)

1.1理論基礎(chǔ)的引入與論證

基于傳統(tǒng)的智能角色動(dòng)畫和近來的運(yùn)動(dòng)編輯技術(shù)，筆者提出了一種基于云模型的群體動(dòng)畫創(chuàng)作框架，思路如下：對(duì)于一群運(yùn)動(dòng)的生物體，就二維來講，在一個(gè)平面上，每個(gè)個(gè)體不確定的因素有三個(gè)：速度、橫坐標(biāo)位置、縱坐標(biāo)位置。這三個(gè)參數(shù)有一定的隨機(jī)性，又有一定規(guī)律性，符合不確定性人工職能的特點(diǎn)，為此現(xiàn)引入云計(jì)算模型來模擬這三個(gè)參數(shù)：

云模型的引入[5]：

1實(shí)驗(yàn)中選擇一個(gè)金魚缸，共放養(yǎng)10條金魚，大量采集這些金魚的橫坐標(biāo)變化和縱坐標(biāo)的變化，以及移動(dòng)速度的變化，實(shí)驗(yàn)對(duì)每個(gè)個(gè)體共收集1000組數(shù)據(jù)，將這些參數(shù)逆向云發(fā)生器并進(jìn)行歸一化處理，得到該魚群十個(gè)個(gè)體的移動(dòng)的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)、速度等參數(shù)的期望，熵和超熵。

1.3正態(tài)云發(fā)生器的算法實(shí)現(xiàn)

1.4基于云模型群體動(dòng)畫設(shè)計(jì)思路實(shí)現(xiàn)

根據(jù)自然魚的2個(gè)基本特性，人工魚應(yīng)該具有以下特性：（1）它們是時(shí)變的；（2）它們應(yīng)依賴于內(nèi)部沖動(dòng)或者依賴外部刺激，或兩者都依賴。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)精神狀態(tài)變量：饑餓感H，恐懼感F。這兩個(gè)變量值在閉區(qū)間[0，1]中變化，當(dāng)取值較高時(shí)，依次表明有較強(qiáng)的愿望去進(jìn)食、躲避捕食者。H由內(nèi)部沖動(dòng)和外部刺激決定，而F則單獨(dú)由外部刺激引起。

1.5軟件實(shí)現(xiàn)方案及動(dòng)畫角色實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)前面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)軟件的實(shí)驗(yàn)流程及動(dòng)畫角色的實(shí)驗(yàn)流程，將實(shí)驗(yàn)參與同學(xué)分成兩個(gè)小組，分別擔(dān)任軟件設(shè)計(jì)和動(dòng)畫角色設(shè)計(jì)的工作。

2.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施情況及效果

基于上述設(shè)計(jì)方案的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在綿陽(yáng)師范學(xué)院2007級(jí)的數(shù)字媒體藝術(shù)專業(yè)學(xué)生中進(jìn)行了實(shí)施，由學(xué)生自由選擇，有18名學(xué)生參與該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施，整個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的五個(gè)階段實(shí)施時(shí)間為一學(xué)期，最終設(shè)計(jì)出逼真的魚群活動(dòng)規(guī)律的群體動(dòng)畫效果。同時(shí)，經(jīng)過跟蹤調(diào)查，該年級(jí)學(xué)生于2011年畢業(yè)，參與本文所設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的同學(xué)100%從事與自己專業(yè)相關(guān)的工作，同時(shí)學(xué)生都反饋在參與該創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的過程中，自己的綜合能力和創(chuàng)新能力有了質(zhì)的提高。

3.將來的工作

目前的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)是基于二維動(dòng)畫設(shè)計(jì)的，將來的實(shí)驗(yàn)方案將在三維動(dòng)畫的基礎(chǔ)上進(jìn)行探索，并且將實(shí)驗(yàn)的對(duì)象從魚群推廣到其他群體動(dòng)畫中去。

參考文獻(xiàn)：

[1]D Reynolds.Flocks，herds，and schools：A distributed behavioral mode1.ACM Computer Graphics，1987，21（4）：289—296.

[2]M Mataric.Interaction and intelligent behavior.Ph Ddissertation.Department of EEcS，MIT，Cambridge，MA，1994.

[3]D Thalmama.Virtual sensors：A key tool for the artificial life of virtual actor.The Pacific Graphics 95，Singapore，1995.

[4]Xiaovuan Tu.Artificial animals for computer animation：Biomechanics，locomotion，perception，and behavior.Ph I）dissertation.De partment of Computer science，University of Toronto，Toronto，1996.

[5]李德毅.不確定性人工智能.國(guó)防工業(yè)出版社，2005—7：138—149.