D0I:10.13374/j.issn1001053x.2004.05.025 第26卷第5期 北京科技大学学报 Vol.26 No.5 2004年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2004 计算机动画角色的高级行为控制 班晓娟”艾冬梅”曾广平”尹怡欣) 1)北京科技大学信息工程学院，北京I000832)北京科技大学应用科学学院，北京100083 摘要用人工生命方法创造计算机动画，增强了计算机动画的逼真度和生动性.为了更好 地控制动画的进程，指导动画角色的行动，本文将人工智能方法引入到计算机动画的创作中， 提出并建立了面向自繁衍的人工鱼的认知模型，提高人工鱼的认知能力，实现基于“动物逻 辑”的人工鱼高级行为控制，建立了人工鱼产生交配欲望、产卵和环境选择等预定义行为的 认知模型.实验表明，人工鱼的高级行为控制器可以使人工鱼更好地适应虚拟海底环境，并 顺利完成交配、产卵等生命过程， 关键词人工生命：人工鱼：自繁衍：认知模型：预定义行为：高级行为控制 分类号P18 近十几年来，计算机动画取得了很大的进 交配欲望、产卵及环境选择等自繁衍过程，可用 展，正逐渐渗透到日常生活的各个方面.应用传 一阶有序数理逻辑进行描述（本文略）， 统的计算机动画技术，如关键顿技术，曾制作了 许多出色的动画，但也有一些严重的缺陷.因此， 基于动物逻辑 墟拟海底环境条件 需要研究和开发计算机动画的新方法、新技术， 的预定义行为 认 华人学者涂晓媛的“人工鱼”是基于人工生命 人工鱼高级行为控制器 的，生活在三维虚拟环境中的动画鱼，是人工鱼 基于动物逻辑 社会.但是在动画中，没有特别控制人工动物的 的随意性行为 行为，它们自由自在、自然地行动.然而，在许多 标引导 协 动画创作中，人们希望控制动画的进程，也就是 约東满足 在更高级别上指导人工动物的行为四.本文在人 图1人工鱼的高级行为控制器 工鱼现有动画系统之上建造了一个高级行为控 Fig.1 High-level motion controller of artificial fish 制器，实现对人工动物的行为指导， 2产生交配欲望的认知模型 1人工鱼的高级行为控制器 2.1人工鱼的生理发育模型 人工鱼高级行为控制器模型设计如图1所 自然界中大多数动物的繁殖是有性繁殖，而 示.认知模型是高级行为控制器的主要部分，人 且一一般要长到一定年龄，性成熟后才具有繁衍能 工鱼的行为分为预定义行为和随意性行为，本文 力.鱼的生长发育要经历从小到大，到成熟，到 给出面向自繁衍的人工鱼预定义行为模型.在动 衰老、死亡的过程 画世界中的普通自主角色，它们并不具备领域知 借鉴理论生物学的基础上提出的生长法则 识，必须为它们在各种情况下所应采取的行动进 VBGF模型)来建立人工鱼的生理发育函数，定 行预定义.在这种情况下，称角色的行为是“确定 义人工鱼的生理发育函数D()在闭区间[0,1)上 性的”或“预定义的”，认知模型控制人工鱼产生 取值，是个相对值.忽略环境等次要因素的影响， 收稿日期200402-23班晓娟女，34岁，讲师，博士 认为人工鱼的发育函数D()是只同时间和人工 ★国家自然科学基金资助项目(No.60374032,60375038)及清华 鱼的自然寿命长短相关的函数.D(t)由下式给出： 大学智能技术与系统国家重点实验室开放课题(No.0109)
第 2 6卷 第 5期 2 00 4年 1 0月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u r n a l o f U n vi e sr yit o f S c i e n c e a. d Te e h朋 ol yg B e ij ni g V d l . 26N o . 5 O C t . 2 00 4 计算机动画 角色 的高级行为控制 班 晓 娟 ` , 艾冬梅 ” 曾广 平 ” 尹 怡 欣 ” 1)北 京科技 大学信 息工 程学 院 , 北 京 10 0 0 83 2 )北京科技 大 学应用科 学学 院 , 北 京 10 0 53 摘 要 用 人工 生命 方法 创造计 算机 动 画 , 增 强 了计 算机 动画 的逼真 度和 生动 性 . 为 了更好 地控 制动 画的进程 , 指导动 画角色 的行动 , 本 文将人 工智 能方法 引入 到计算 机动 画的创作 中 . 提 出并 建立 了面 向 自繁衍 的 人工 鱼的认 知模 型 , 提 高人 工鱼 的认 知能 力 , 实现基 于 “ 动 物逻 辑 ” 的人工 鱼 高级 行为控 制 . 建立 了人 工鱼产 生交 配欲 望 、 产 卵和 环境 选择 等预 定义行 为 的 认 知模 型 . 实验 表 明 , 人 工鱼 的高 级行 为控制 器可 以使 人工 鱼更好 地适 应虚 拟海底 环境 , 并 J顷利 完成 交配 、 产卵 等生命 过程 . 关键 词 人工 生命 ; 人工鱼 : 自繁 衍 ; 认 知模 型 ; 预 定义 行为 : 高级行 为控 制 分类 号 冲 18 近 十 几 年 来 , 计 算机 动 画 取 得 了很 大 的 进 展 , 正 逐渐 渗透 到 日常生 活 的各 个方 面 . 应 用传 统 的计算 机动 画 技 术 , 如 关键 帧 技术 , 曾制 作 了 许多 出色 的动 画 , 但 也有 一些严 重 的缺 陷 . 因此 , 需要研 究 和开 发 计 算机 动 画 的新方 法 、 新技 术 . 华 人 学者 涂 晓媛 的 “ 人 工鱼 ” 〔l] 是基 于 人工 生命 的 , 生活 在三 维 虚拟 环 境中 的动 画 鱼 , 是人 工鱼 社 会 . 但 是在动 画 中 , 没有 特 别控 制 人 工动物 的 行 为 , 它 们 自由 自在 、 自然地 行 动 . 然而 , 在许 多 动 画创 作 中 , 人 们希 望控 制 动 画 的进程 , 也就 是 在更 高 级别 上 指 导人 工动 物 的行 为 份, . 本 文在 人 工 鱼现 有 动 画 系 统之 上 建 造 了一 个 高 级行 为控 制器 , 实现 对 人 工动 物 的行 为指 导`31 . 交配 欲 望 、 产 卵及环 境选 择等 自繁衍 过程 , 可用 一 阶有 序数 理逻 辑 进行 描述 ( 本 文略 ) . 基 于动 物逻 辑 虚拟海底环境条件 的预定 义行 为 认矢口 人工鱼高级行为控制器 模 型 基 于动物 逻辑 的随意性 行 为 目 行 约 标 为 束 引 协 满 导 调 足 图 1 人工 鱼的 高级 行 为控 制器 F喀 . 1 H ig h · vle e l m o iot n c o n t or il e r o f a rt in c i a l n s b 1 人工 鱼 的高级 行 为控制 器 人 工 鱼 高 级行 为 控 制 器模 型 设 计如 图 1 所 示 . 认 知模型 是 高级行 为 控 制器 的主 要 部分 . 人 工鱼 的行 为分 为预 定义行 为和 随 意性行 为 , 本 文 给 出面 向 自繁衍 的人 工鱼 预 定义 行为模型 , 在 动 画 世界 中 的普通 自主 角色 , 它们 并不 具备 领域 知 识 , 必 须为 它们 在各 种情 况 下所应 采 取 的行 动 进 行 预定 义 . 在这种 情况下 , 称 角色 的行 为是 “ 确 定 性 的 ” 或 “ 预 定 义 的 ” . 认 知模型控 制 人 工鱼 产 生 收稿 日期 2 0 0 4-() 2佗 3 班晓 娟 女 , 34 岁 , 讲师 , 博 士 * 国家自然科学基金资助项 目 ( N o . 6 0 37 4 0 3 2 , 6 0 3 7 5 0 3 8 ) 及清华 大学智能技术与系统国家重点实验室开放课题(N .0 0 10 9) 2 产 生 交 配欲 望 的认 知模 型 .2 1 人工 鱼 的生理 发 育模 型 自然 界 中大 多数动 物 的繁 殖是 有性 繁殖 , 而 且一 般要 长 到一定 年龄 , 性 成熟 后才 具有繁 衍 能 力’I1 . 鱼 的生长 发育 要经 历 从 小到 大 , 到成 熟 , 到 衰老 、 死亡 的过 程 . 借 鉴 理 论 生 物 学 的基 础 上 提 出的 生长 法 则 V B GF 模 型 `5] 来建 立人 工 鱼 的生 理发 育 函数 , 定 义人 工鱼 的生理 发育 函数 D ( )t 在 闭区 间 0[ , l] 上 取 值 , 是个 相对值 . 忽略环 境等 次要 因素 的影 响 , 认 为人 工 鱼 的 发育 函数 D (t) 是 只 同时 间和 人 工 鱼 的 自然寿命 长短 相关 的 函数 . D 。) 由下式 给 出 : DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2004. 05. 025
Vol.26 No.5 班晓娟等：计算机动画角色的高级行为控制 ·557· 1-e台 0≤t≤0.5a 1.0 D()= (1) 1-e-个0.5a≤tsa 0.5 其中，a表示由遗传基因决定的某条鱼的寿命，k 为生理发育系数，k为常数.当k=847,k=0.015 0.0 时，其函数如图2所示 to-0 人工鱼的发育曲线在生命初期呈快速上升 0.5 趋势.当人工鱼的生理发育函数D()20.7时，表 0 50 100 150 200 示人工鱼发育成熟，具有了繁殖能力，在条件成 图3人工鱼的摄食欲望曲线 熟时，能够交配产生后代，其他时间是生长期或 Fig.3 Appetite curves of artificial fish 衰老期，不适合繁殖。 1.0 人工鱼从最初的吃饱状态（仁），经过一段 0.8 时间后，摄食欲望函数值将到达1.当值逼近1 时，人工鱼就要停止求偶活动，进行摄食活动.人 0.4 工鱼进入摄食状态后，要计算摄食量，如果摄食 0.2 量<(C+p),则继续摄食：否则停止摄食，其中t' 0 为开始摄食以后的时间，人工鱼在摄食的同时也 0 02 0.40.6 0.8 1.0 进行着消化和吸收 (2)性欲函数.自然鱼的性欲是多方面因素的 图2人工鱼的生理发育曲线 结果，既有内部因素，也有外部因素，内部因素主 Fig.2 Physiological development curve of artificial fish 要有与上次交配时间间隔的长短（一般是间隔越 2.2人工鱼精神状态摸型 长性欲越强)，是否处于饥饿状态（摄食欲望越 ·人工鱼能产生交配欲望，还需要有良好的精 强，则性欲越低)等.这里只考虑内部因素.性欲 神状态，如人工鱼是否吃饱，近期内是否进行过 函数为： 交配及是否刚刚从危险中逃脱等，建立人工鱼的 L(t)=1-el-paut-xm) (4) 精神状态模型，重要的是保证模型具有类似自然 其中，p为常数，△1是从上次交配后的时间间隔. 鱼的三个基本性质：(a)它们应该是时变的：(b)它 P△t表示性欲强弱，时间间隔越长，性欲越强. 们应依赖于内部冲动或外部刺激，或二者作用之 S()是时刻t的摄食欲望函数，摄食欲望较低时， 和：（©）它们应该是可满足的.在此，建立了摄食欲 才可能产生性欲. 望函数、性欲函数和恐惧感函数， (3)恐惧感函数.摄食欲望和性欲是由内部刺 (1)摄食欲望函数.生物学研究表明，鱼并不 激产生的，而恐惧感是由外部刺激产生的.当附 是永远不停地摄食.吃饱之后，摄食的总量达到 近有捕食者，或刚刚被捕食者追逐，则人工鱼的 一个平稳状态，从最初的吃饱状态到产生摄食欲 恐惧感比较强烈，此时，不可能产生交配行为.恐 望应该是一个随时间变化的量，人工鱼的摄食欲 惧感函数为向： 望函数为： F)=minΣF,1 (5) S(r)=1-e4i-AANc (2) 其中， 其中，t表示时间：4表示人工鱼平均消耗的食物 量，可通过食物颗粒数或被捕食鱼数目的减少量 F=mm品器小 来计算：0≤P<1是消化率，不同的人工鱼p的取 恐惧感F()的值在闭区间0,1]中变化：D。=200是 值不同：△1=-6是从上次吃饱后的时间间隔，本 一个常数：F和d()分别表示对所发现的捕食者 次消化从。开始：C为摄食量与鱼的大小有关. 的恐惧感和距离， C=aW (3) 3人工鱼产卵的认知模型 其中，W为鱼的体重（动画中可为鱼体长）：a,b为 常数，b一般情况下不小于1.随着鱼体增长，食 鱼类繁殖方式根据产出幼体的形式可以分 物重量与鱼的体重的相对比例下降.例如，假设 为卵生、胎生和卵胎生，产卵的生态习性可以分 有四种取值不同的人工鱼，其函数如图3： 为产卵于水层、水草上、水底部、石块、贝壳内等
、 b弓 . 2 6 N 0 . 5 班晓 娟等 : 计 算机 动 画 角色 的高级 行 为控 制 一 55 7 - n ù I ù 0 ,1 00 爵 D ()t 1一 e 一 心 一 司 1一 e 一喊巫翁二一 司 0 三 t 感 0 . s a 0 . s a s t 三 a ( l ) 其 中 , a 表 示 由 遗 传基 因 决 定 的某 条鱼 的寿命 , k 为生 理发 育 系数 , 稿为常 数 . 当 k = .8 47 , k0 = .0 01 5 时 , 其 函数 如 图 2 所 示 . 人 工 鱼 的 发 育 曲线 在 生命 初 期 呈 快速 上 升 趋 势 . 当人 工鱼 的生 理发 育 函 数 D (t) 之 .0 7 时 , 表 示 人 工鱼 发育 成 熟 , 具有 了繁 殖 能 力 , 在条 件 成 熟 时 , 能够 交配 产 生后 代 . 其他 时间 是 生长 期 或 衰 老期 , 不适 合 繁殖 . t0 = O 刁 . 5 0 5 0 10 0 15 0 2 0 0 图 3 人工 鱼的摄 食欲 望 曲线 F ig . 3 A P P e it e e u yr 韶 o f a rt i打e 妞l 血h 3 .0 6 自 / 一一一 、 \ 、 / \ 人 工 鱼从 最 初 的吃 饱 状态 (卜t0) , 经 过一 段 时 间 后 , 摄食 欲 望 函 数值 将到达 1 . 当值 逼近 1 时 , 人 工鱼 就 要停 止求 偶活动 , 进 行摄 食活 动 . 人 工 鱼进 入 摄 食状 态 后 , 要计 算摄 食 量 , 如果 摄 食 量 < ( C 切0t ) , 则 继 续摄 食 ; 否则 停 止摄 食 . 其 中 厂 为 开始 摄食 以后 的时 间 , 人 工 鱼在 摄食 的 同时 也 进 行着消 化 和 吸收 . (2 )性欲 函数 . 自然 鱼 的性 欲是 多方 面 因素 的 结 果 , 既有 内部 因素 , 也有 外部 因素 . 内部 因素主 要有 与 上次 交配 时 间 间隔 的长短 ( 一般 是 间隔越 长 性欲 越 强 ) , 是 否处 于饥 饿 状 态 ( 摄 食 欲 望越 强 , 则性 欲越 低 ) 等 . 这 里 只考 虑 内部 因素 . 性欲 函数 为 : L (t) = l 一 e , 一 p , “ ,一动 , (4 ) 其 中 , p l为常 数 , 山 是 从上 次交 配 后 的时 间间 隔 . lP △t 表 示 性 欲 强 弱 , 时 间 间隔 越 长 , 性欲 越 强 . (S t) 是 时刻 t 的摄 食欲望 函数 , 摄食 欲 望较 低 时 , 才 可 能产 生 性 欲 . (3 )恐 惧感 函 数 . 摄食 欲望和 性欲是 由 内部 刺 激 产 生 的 , 而 恐惧 感 是 由外部 刺 激产 生 的 . 当附 近 有 捕食 者 , 或 刚刚 被 捕食 者 追 逐 , 则 人工 鱼 的 恐 惧感 比 较强 烈 , 此 时 , 不 可 能产 生交 配行 为 . 恐 惧 感 函 数 为 陌, : 月,ù,n : 0 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 t 图 2 人 工鱼 的生 理 发育 曲线 F ig . 2 P b y s i o l o gl e a l d ve e l o Pm e n t e u vr e o f a rt 访 c i a l 血 h .2 2 人 工 鱼精 神状 态 模型 · 人 工鱼 能产 生 交 配欲 望 , 还 需 要有 良好 的精 神 状态 . 如 人 工鱼 是 否 吃饱 , 近 期 内是 否进 行 过 交 配及 是 否刚 刚从 危 险中逃 脱 等 . 建立 人 工鱼 的 精 神状态 模 型 , 重 要 的是保 证模 型 具有 类 似 自然 鱼 的三 个 基本 性质 : a( ) 它 们应 该 是 时变 的 : (b) 它 们应 依赖 于 内部 冲动 或 外部 刺激 , 或二 者 作用 之 和 ; c( )它们 应 该是 可满 足 的 . 在 此 , 建立 了摄食 欲 望 函数 、 性欲 函 数和 恐 惧感 函数 . ( l) 摄食 欲 望 函数 . 生物 学研 究表 明 , 鱼 并 不 是永 远 不 停地 摄 食 . 吃饱 之 后 , 摄 食 的 总量 达 到 一 个平稳 状 态 . 从最 初 的吃 饱状 态 到产 生摄 食欲 望应 该是 一 个随 时 间变化 的量 . 人 工鱼 的摄 食欲 望 函数 为 : (S )t = l 一 e “ , ” 内 ,c/ (2 ) 其 中 , t 表 示 时 间 ; u 表 示 人工 鱼 平 均 消耗 的食物 量 , 可通 过 食物颗 粒数 或 被捕 食鱼 数 目的减 少量 来计 算 ; 0 ` 0P l< 是 消 化率 , 不 同 的人 工鱼 P 。 的取 值 不 同 ; △t 二 卜 0t 是 从 上次 吃 饱后 的时 间 间隔 , 本 次消 化从 t0 开始 ; C 为摄 食 量 与 鱼 的大 小有 关 . C = a 护 (3 ) 其 中 , 砰 为鱼 的体 重 ( 动 画 中可 为 鱼体 长 ) ; a , b 为 常数 , b 一般 情 况 下不 小 于 1 . 随着鱼体 增 长 , 食 物 重 量与 鱼 的体 重 的相 对 比例 下 降 . 例如 , 假 设 有 四种 取 值 不 同 的人 工鱼 , 其 函 数 如 图 3 : 。 t) 一 i · {千尸 , ` : ( 5 ) 其 中 , ~ 、 . 「从 . 1 厂 ’ = m , n l万石歹 , `」 · 恐惧感 F ()t 的值在 闭区 间 0[ , l] 中变化 : 从 = 20 0是 一个 常 数 ; 尸 和 留 (t) 分 别表 示对 所 发现 的捕 食者 i 的恐惧 感 和 距 离 . 3 人工 鱼 产 卵 的 认 知模型 鱼 类 繁殖 方式 根 据 产 出幼 体 的形 式 可 以分 为 卵生 、 胎 生 和 卵胎 生 . 产 卵 的生态 习性 可 以分 为产 卵于 水层 、 水 草上 、 水 底 部 、 石 块 、 贝壳 内等
·558· 北京科技大学学报 2004年第5期 另外，产卵后不同鱼种母鱼处理方式不同：一种 一个综合算法，这个算法应反应四个原则： 是母鱼产卵后走开：另一种是母鱼产卵后在附近 (1)当环境中食物较多而捕食者较少时，人工 守护.不同的鱼繁殖力（即产卵的数目）不同.一 鱼生活舒适，不会考虑寻找其他环境 般情况下，繁殖力的大小同体长相关.如下式： (2)当环境中食物与捕食者数量均衡且食物 G=eH (6) 量能满足人工鱼时，人工鱼生活较舒适，不会考 其中，G为绝对繁殖力，H为体长，e,f为常数，e为 虑寻找其他环境. 表示鱼种类的参数，∫为喂养好坏的标示，假定不 (3)当环境中食物量较少，不能满足人工鱼需 同的鱼喂养情况∫是一样的，繁殖力是一个线型 要时，人工鱼寻找其他环境. 函数.由此而知人工鱼产卵的认知模型由三部分 (4)当环境中捕食者较多，严重威胁人工鱼种 组成，如图4.利用认知模型，实现了人工鱼的交 群的存活时，人工鱼寻找其他环境 配、产卵过程如图5 在仿真程序中，对人工鱼环境选择的情况进 行了简单模拟.根据建立的认知模型，当食物被 人工鱼产卵的认知模型 人为或自然地减少到一定程度时，有些人工鱼的 中 食物不够吃，它们将游走，图6是食物颗粒与人 地点选择 形状和数量选择 产卵后母鱼状态 工鱼数目的对比情况.曲线L表示食物颗粒数目 的变化情况，曲线Z表示人工鱼数目的变化情况 形状 数量 水 水 开 器 由于人工鱼不断摄食等自然因素或人为因素（图 底 中圆圈部分为人为大量减少食物的情况下人工 卵 卵 数量与体 鱼的反应)，当食物颗粒数目低于某一警戒线J 生 长成正比 生 时，人工鱼数目就会跟着大量减少，这是因为一 图4人工鱼产卵的认知模型 部分壮年人工鱼由于不够吃而游走了或衰老的 Fig.4 Cognitive model of artificial fish's spawning 人工鱼死掉了，由能量守衡原理，死掉的人工鱼 会转化为食物颗粒数目，所以，食物颗粒数目紧 接着会有所回升. 图5交配和产卵场景 Fig.5 Scene of mating and spawning 图6食物颗粒数与人工鱼数目的对比 4人工鱼环境选择的认知模型 Fg.6 Numerical contrast between food grain and artificial fish 鱼类之所以能够存活下来与其具有环境选 择的能力息息相关m.人工鱼进行环境选择的原 5结论 因很多，为了简单地表现动画，只选取其中的两 个原因，食物和捕食者建模.如下式所示： 本文在“晓媛的鱼”的行为模型、物理模型和 Ut)=t)BP)） (7) 几何模型周等基础上，建立了面向自繁衍的人工 其中，()表示在时刻t人工鱼能感知的生活环境 鱼预定义行为模型.同时，在动画仿真程序中实 中的食物量：P()表示在时刻t人工鱼能感知的 现了人工鱼的认知模型.实验表明，认知模型能 生活环境中的捕食者数量：⊕并不表示简单算术 够自主、灵活地控制动画中人工鱼的行为，表现 加和，而是基于某种原则之上的综合，其实质是 了基于“动物逻辑”的智能性
北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 4年 第 5期 另外 , 产 卵后 不 同鱼种 母鱼 处 理 方式 不 同 : 一种 是母 鱼产 卵后走 开 ; 另一 种 是母鱼 产 卵后在 附近 守护 . 不 同 的鱼 繁 殖 力 ( 即产 卵的 数 目) 不 同 一 般 情 况 下 , 繁殖 力 的大 小 同体 长相 关 . 如 下式 : G = 召尸 ( 6 ) 其 中 , G为 绝对 繁 殖力 , H 为 体长 , e , f 为常 数 , e 为 表 示鱼 种类 的参数 琪为喂 养好 坏 的标 示 . 假 定不 同的鱼 喂 养情况无是一样 的 , 繁殖 力 是一 个线 型 函数 . 由此 而知 人工鱼 产 卵 的认知模型 由三 部分 组 成 , 如 图 4 . 利用 认 知模型 , 实现 了人 工 鱼 的交 配 、 产 卵过 程 如 图 5 . 人工鱼产卵的认知模型 地点选择 形状和数量选择 产卵后母鱼状态 形状 数量 数量与体 长成正 比 胎卵生 卵生 水草上 图 4 人 工鱼 产卵 的认 知模型 F啥 · 4 C o g . i ivt e m o d e l o f a r it 方c is l 血血 , s s P aw n in g 一个 综合 算法 . 这个 算 法应 反应 四个原 则 : ( l) 当环境 中食物 较 多而捕 食者较 少 时 , 人 工 鱼生 活舒 适 , 不 会考 虑 寻找 其他 环 境 . (2 ) 当环境 中食物 与捕 食 者数 量均 衡且 食 物 量 能满 足 人工 鱼 时 , 人工 鱼 生活 较 舒适 , 不会 考 虑 寻 找其 他环 境 . (3 ) 当环 境 中食物 量较 少 , 不能满 足人 工鱼 需 要 时 , 人 工鱼 寻 找其 他环 境 . (4 )当环 境中捕食 者较 多 , 严 重威 胁人 工鱼种 群 的存 活 时 , 人工 鱼 寻找 其他 环境 . 在仿 真程 序 中 , 对 人 工鱼环 境 选择 的情况进 行 了简 单模 拟 . 根 据 建立 的认 知模 型 , 当食物 被 人 为或 自然地减 少 到一 定程度 时 , 有些 人工鱼 的 食物 不够 吃 , 它 们将 游走 . 图 6 是食 物颗 粒 与人 工鱼 数 目的对 比 情况 . 曲线 L 表 示食 物颗 粒数 目 的变化情 况 , 曲线 Z 表示 人工鱼 数 目的变化 情况 . 由于人 工鱼 不 断摄食 等 自然 因素 或 人为 因素 ( 图 中 圆圈 部 分为 人 为 大量 减 少食 物 的情 况 下人 工 鱼 的反应 ) , 当 食物 颗 粒数 目低 于 某一 警 戒 线J 时 , 人工 鱼数 目就会 跟着 大 量减 少 , 这 是 因为 一 部 分 壮年 人 工 鱼 由于 不 够 吃 而游 走 了或 衰 老 的 人 工鱼 死 掉 了 . 由能量 守衡 原理 , 死掉 的人 工 鱼 会 转化 为 食物颗 粒 数 目 , 所 以 , 食 物颗 粒数 目紧 接着 会 有所 回升 . 图 5 交配 和产 卵场 景 F i.g 5 S e e n e o f m a 血9 a n d s p a 例 , in g 4 人 工 鱼环境 选择 的认 知 模 型 鱼 类 之 所 以能够 存 活下 来 与 其 具 有环 境 选 择 的能力 息 息相 关 `刀 . 人 工鱼 进行 环 境选 择 的 原 因很 多 . 为 了简 单 地表 现动 画 , 只 选 取其 中的 两 个 原 因 , 食 物 和捕 食 者建 模 . 如 下式 所 示 : (U t) =(I t) 田列t) (7 ) 其 中 , (I t) 表 示在 时刻 t 人工 鱼 能感知 的 生活环 境 中的 食物 量 ; (P t) 表 示在 时刻 t 人 工鱼 能感 知 的 生 活环 境 中的捕 食者 数 量 ; 。 并 不表 示 简单算 术 加 和 , 而 是基 于 某种 原 则之 上 的综 合 , 其 实质 是 图 ` 食物颗粒数 与人 工鱼数 目的对 比 F .g 6 N u m e ir ca l con t r a s t 加幻耳 . e n fe o d g r a in a n d a r t i丘c i a l n s h S 结论 本文 在 “ 晓 媛 的鱼 ” 的行 为模 型 、 物 理模型和 几 何模 型 `盯等基 础 上 , 建立 了 面 向 自繁衍 的人 工 鱼 预 定义行 为模型 . 同 时 , 在动 画 仿真程 序中 实 现 了人 工 鱼 的认知模 型 . 实验 表 明 , 认知 模 型 能 够 自主 、 灵活 地控 制动 画中人 工 鱼 的行 为 , 表现 了基 于 “ 动 物逻 辑 ” 的智 能性
VoL.26 No.5 班晓娟等：计算机动画角色的高级行为控制 ·559· 参考文献 6 Tu X.Artificial animals for computer animation:biome- 1涂晓媛.人工鱼一计算机动画的人工生命方法 chanics,locomotion,perception,and behavior [A].ACM Outstanding Ph.D Dissertation Book Series [M].Spring- [M.北京：清华大学出版社，2001 er-Verlag,1999 2 Funge J.AI for Games and Animation:a Cognitive Mod- eling Approach [M].Massachusettts:A K Peters,Ltd., 7杨业华.普通遗传学M).北京：高等教育出版社， 2000 1999 3班晓娟.人工鱼的高级行为规划和自进化方法研究 8 Tu X,Terzopoulos D.Artificial fishes:physics,locomo- tion,perception,behavior [A].ACM Computer Graphics, D1北京：北京科技大学，2003 4陈阅增.普通生物学[M.北京：高等教育出版社， Annual Conference Series,Proceedings of SIGGRAPH'94 1997 [C].USA,1994.43 5刘建康高级水生生物学[M北京：科学出版社，2000 High-level Motion Control of Characters in Computer Animation BAN Xiaqjuan",AI Dongmei,ZENG Guanping",YIN Yixin 1)Information Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Applied Science School,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT Artificial life enhances the reality and vitality of computer animation.To control the process of ani- mation and instruct the action of characters in animation,artificial intelligence is introduced in computer animation. Cognitive models based on self-reproduction are presented and built to improve the cognition of artificial fish,and high-level motion controls based on animal logic are implemented.Deterministic behavior models on copulation, spawning and environmental selection of artificial fish are built.It is shown by experiments that a high-level motion controller makes artificial fish adapt the virtual environment of sea and complete the process of life such as copula- tion,spawning,etc. KEY WORDS artificial life;artificial fish;self-reproduction;cognitive model;deterministic behavior;high-level motion control 架架架架架架架架架解架架架架架程解架醉架架架架架黎架邵架架能架解架架黎架架架程代架 (上接第547页) Compensating Tactics of Flatness Control for Hot Strip Mills SUN Kewen",HE Anrui",YANG Quan",ZHANG Oingdong,ZHAO Lin,GUO Xiaobo 1)National Engineering Research Center for Advanced Rolling,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Mechanical Engineering School,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China 3)Anshang Iron and Steel Group Co.,Anshang 114021,China ABSTRACT In the flatness control system of hot strip,measured flatness signals usually contains additional sig- nals caused by temperature difference along the lateral direction of the hot strip after rolling.The lateral temperature of the hot strip was measured by a kind of thermovision in ASP1700 hot strip mill in AnSteel,China.By analyzing the influence of the temperature differece on the flatness control system of hot strip,the lateral temperature field dis- tributing law was obtained based on the least square method and a temperature compensating model for the control target of strip flatness was set up at the same time. KEY WORDS hot strip mill;temperature field;flatness;least square method
V匕】 . 2 6 N 0 . 5 班 晓 娟等 : 计 算机 动 画角 色的 高级 行 为控 制 一 5 59 - 参 考 文 献 1 涂 晓媛 . 人工 鱼— 计算 机 动画 的人 工 生命方 法 M[ ] . 北 京 : 清华 大 学 出版社 , 2 0 01 2 而n g e J . A l fo r G am e s an d A n ha at i o n : a C o gn i ti ve M o d - e li n g A PP or ac h [M ] . M a s s ac h u s e t s : A K P e et r s , L td . , 1 9 9 9 3 班 晓娟 . 人 工鱼 的 高级 行为 规划 和 自进 化方 法研 究 [D ] . 北 京: 北京 科技 大学 , 2 0 0 3 4 陈 阅增 . 普通 生物 学 [M ] . 北京 : 高 等教 育 出版 社 , 1 9 9 7 5 刘 建康 . 高级 水生 生物 学 [M ] . 北 京 : 科 学 出版 社 , 2 0 0 uT X . A rt i if e i a l an im a l s fo r c o m PtU e r an im at i o n : b i o m e - c h an i c s , l o c o m o t i o n , P e cr e Pt i o n , an d b e hva ior [A ] . A e M o ut s ant di n g P h . D D i s s e rt a t i o n B o o k S e ir e s [MJ . S P inr g - e -r Ve lr a g , 1 9 9 9 杨业 华 . 普 通遗 传 学 [M ] . 北 京 : 高等 教育 出版 社 , 2 0 0 0 uT X , eT r劝P o u l o s D . A rt iif e i a l if s he s : P坷s i e s , l o e o m o - ti o n , P e cr e Pti o n , b e h va i o r [A ] . A C M C o m Put e r G r a Phi e s , A n u ia C on fe enr e e S e ir e s , P r o e e e di ng s o f S IG G R A P H , 9 4 [ C ] . U S A , 1 9 9 4 . 4 3 H i g h 一 l e v e l M o t i o n C o n tr o l o f C h ar a c t e r s i n C o mP ut e r A n im at i o n BA N Xi a ’oj u a n ” , AI D o n g 用 e i , , , Z E N G G u a nP i ng , , , 兀N 批i雌, , l ) I n fo mr at i o n E n g in e er in g S e h o o l , U n i v e rs ity o f s e i e cn e an d eT e hn o l o gy B e ij i n g , B e ij in g l 0 0 0 8 3 , C ihn a 2 ) A P P li e d S e i e n c e S e ho o l , U n i v e r s ity o f s e ie n c e an d 介 e hn o l o gy B e ij in g , B e ij l n g l 0 0 0 8 3 , C h运 a A B S T R A C T A rt iif e i a l life e hn an e e s ht e re a lity an d v iat lity o f e om Put er an im iat on oT e o n t r o 1 ht e P r o e e s s o f an i - m at i o n an d i n s trU e t ht e ac t i o n o f e h a r a c t e r s i n an ha at i o n , 叭iif e i a l iin e lli g e n c e i s i n tr o du e e d i n e o m PUt e r an 而iat o n . C o gn it i v e m o d e l s b a s e d o n s e l-f er P r o du e it o n aer P r e s e in e d an d b ul lt t o im P r o v e ht e e o gn i t i o n o f 叭iif e i a l if s h , an d h ihg 一 l e v e l m o t i曲 e o n tr o l s b a s e d on a n im a l l o g i e aer im Pl e m en t e d . D e t e n 刀 iin ist e b e h va i or m o d e l s o n e op u l at i o n, s P a认叽 i n g an d e vn i or nm ent a l s e l e e tion o f a rt iif e i al if s h aer b lu it . l i s s h o wn by e x P e ir m e nt s ht at a ih hg 一 l e v e l m o it on e o n t r o ll er m a k e s 叭iif e i a l fl hs a d ap t ht e v irt u a l e vn ior nm e in o f s e a an d e o m Pl e ot ht e P r o e e s s o f li fe s cu h as e oP u l a - ti on , s P a 场叽 i n g , e t e . K E Y W O R D S a ir iif e i a l l i fe : art iif e i a l if s h : s e l -f r e P r o d u c it o n ; e o g n lt iv e m o de l; d et e n 力 in s t i c b he va i o r ; ih gh 一 l ve e l m o t i o n e o n l r 0 1 (上接第 5 4 7 页 ) C o m P e n s at i n g aT e ti c s o f F I咖 e s s C o ntr o l fo r H o t S tr iP M ill s S 之八 r eK w e n , ), 月晒 . A n ur i , ), YA N G Qau n , ), Z从搜刀 G Qi gln 为褚,) 乙从咬O Lin , ), G乙吟尤抽口 b o , , l ) N at ion al DE g in e ier 飞 R es e ar hc C e n t e r ofr A d v an e e d OR lli n g , U n i v e rs ity o f s e i e n e e an d eT e hn o l o g y B e 幼ing , B e ij ign l 0 00 8 3 , C h ian 2 ) M e e h an i e a 1 E n g l n e e r i n g S e h o o l , U n i v e rs ity o f s e i e n e e an d eT e hn o l o gy B e ij i n g , B e ij i n g l 0 0 0 8 3 , C h ian 3 ) A n s h an g orI n 助d S te e l G or uP C o . , nA sh an 名 114 0 2 1 , 以in a A B S T R A C T nI th e fl atn e s s e o n tr o l s y s t em o f h o t s itr p , m e as uer d fl hat e s s s ign al s us u a lly e o nt ian s ad d iti o n a l 5 19 - n a l s e aus e d by t e mP e r a ut r e id fe r ecn e a l o n g ht e laet r a l d ier e it o n o f ht e h o t s itr p a ft er or llin g . T b e l at e ar l t e m P e r a it 叮 e 0 f ht e h o t istr P Wa s m e a suer d b y a k i n d o f ht e mr o v i s i o n i n A S p l 7 0 o ho t s itr p m ill i n A n S t e e l , C hin a . B y an ly iZ gn ht e in fl u e n c e o f ht e et m P e r a奴止 e di fe r e e e on th e fl ian e s s e o ntr o l sy s t em o f h ot s itr P , ht e lat aer l t e m P e r a t u r e if e ld d i s - itr b ut ign l aw w a s o b at i n e d b as e d o n t he l e as t s q aur e m e ht o d an d a t e m P er a n 厅 e e om P e n s at in g m o d e l fo r ht e e o n t r o l t ar g e t o f s tit P if ian e s s w a s s e t uP at ht e s晚 e it m e . K E Y WO R D S h o t s itr P m ill; t e m P e r al 力r e if e l d ; fl ant e s s : I e as t s q u ar e m e ht o d