人工鱼的智能行为控制研究
人工生命是由信息及生命等多种领域学科交互后的产物，它是21世纪最热门的研究方向之一。人工生命主要是以自然生命作为研究对象，以模拟自然生命过程机理作为主要研究内容，并且以扩展自然生命特性作为研究的终极目标。采用人工生命的手段再现自然生命特性，不仅帮助人们更好地了解自然以及最终受益于自然，而且能够对研究自然动画及智能机器人等相关领域提供借鉴作用，由此可见人工生命的研究具有不可估量的重大意义。 基于软件的虚拟自然生物是人工生命的一个重要研究分支，即通过对自然生物进行行为建模，利用计算机等设备再现生物行为。但是，当前在生物行为建模中仍存在着一些不足之处：（1）目前生物行为决策模型仅将其周围外部环境信息作为其行为决策依据，忽略其自身内部状态信息，并默认其内部状态为理想情况。（2）已有研究者通过实验证明生物的行为决策与其自身情感状态密切相关，而当前的行为决策模型都忽视生物情感这一重要特性。（3）生物的集群过程是个体间不断交互的过程，交互个体的选择方式对生物集群行为具有重大影响，但当前模型都采用基于半径R的方式选择交互个体，采用此方式不仅使交互个体数量受距离 R所限制，而且缺乏相关生物理论依据。（4）当前众多模拟实验仅在一维空间中对生物模型进行构建，但在一维空间中构建生物模型势必会忽略生物的转向以及碰撞等相关问题。 由于鱼类的行为模式与其它自然生物相类似，在自然生物界具有一定代表性，因此本论文以涂晓媛[1]博士建立的人工鱼作为研究对象，以生物科学以及其它相关学科的有关研究成果作为研究理论依据，以生物智能以及人工生命的理论和方法作为研究手段，将人工生命以及生物智能行为合理地整合起来，研究虚拟人工鱼的智能行为控制方法，最后构建出具有高度符合自然生态角色的人工鱼智能行为仿真动画系统。本论文的工作主要包含以下几个方面： （1）研究个体人工鱼的行为控制方法 本文以鱼类具有情感特性以及情感影响生物行为决策能力为依据，在传统人工鱼行为框架中引入情感因素，提出一种基于情感的个体人工鱼行为控制模型。首先，以人工情感为理论依据，建立模糊情感推理模型；其次，将模糊情感推理模型与 CMAC(Cerebellar Model Articulation Controller)神经网络相结合，建立一种混合模型，以此进行行为决策；最后，依据行为决策提出一种基于权值的人工鱼路径选择策略。 （2）研究群体人工鱼的行为控制方法 针对目前生物集群行为模型在设计交互个体机制上的缺陷，本文提出一种基于拓扑距离的人工鱼集群行为模型。首先，以Ballerini[2]等人的研究成果作为理论依据，采用拓扑距离的方式选择交互个体，并对交互个体数量进行限制；其次，为生物个体划分一个同步区域，采用先聚拢后同步的集群策略模式；最后，根据模拟集群行为过程中易产生穿透现象的缺陷，从系统开销以及应用场景角度出发，提出一种碰撞处理方案。 （3）虚拟环境下人工鱼智能行为仿真动画的设计与实现 本文将计算机图形学相关知识作为理论基础，并结合OpenGL图形库与C++编程语言，在Visio Studio2010环境下设计并实现了基于人工鱼行为控制方法的仿真动画系统。该系统分别模拟了人工鱼的个体行为以及群体行为，主要包括人工鱼的捕食、逃逸、集群等常见行为。 本文分别提出了基于情感的人工鱼行为控制模型以及基于拓扑距离的人工鱼集群行为模型，通过理论分析表明本文提出的人工鱼行为控制方法更好地符合自然生物特性，并利用仿真动画证明了方法可行性及有效性，为研究人工生物行为提供了新思路。
人工鱼;智能行为控制;虚拟环境;仿真动画系统
上海海洋大学
硕士
计算机应用技术
袁红春
2014
中文
TP18;TP391.9
62
2015-08-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）