[发明专利]一种基于卡尔曼滤波的群组动态跟踪特效设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于个体的群组运动引导和卡尔曼滤波动态跟踪技术， 特别是涉及一种基于卡尔曼滤波的群组动态跟踪方法。

背景技术

随着三维软件技术的发展及硬件运算能力的提高，群组动画作为一 个新兴的技术领域，越来越多的被人们所关注。在娱乐产业中，群组动 画技术可以模拟成千上万的角色，在降低拍摄成本的同时真实的再现了 壮观的场面。

大规模群组的模拟中，最自然的方法是基于个体的方法。每个个体 独立的决定自己的行动。整个群组以一个粒子系统的形式进行模拟，每 个粒子模拟一个个体。每个独立的个体通过对周围的动态环境的感知， 在综合外力的趋势下进行运动，同时满足与群组速度匹配以及与其他个 体和环境的碰撞避免的移动趋势等群组特有的性质，参见Hartman C and  BenessB.“Autonomous boids.”Computer Animation and Virtual Worlds， 2006，17：286-297。但是，现有的算法在模拟成千上万的个体时，往往达 不到实时处理的效率。特别是关于群组在运动过程中，保持有趣的动态 阵形这类特效，也是前人所没有模拟过的。

发明内容

本发明提供了一种基于卡尔曼滤波的群组动态跟踪特效设计方法， 该方法包括：

(1)用户输入群组的个体数量、个体属性和群组的全局控制参数， 实时地生成用户所要求的群组动画，群组的全局控制参数包括群组动画 模拟开始时刻的起始位置、终止时刻的目标位置，整体保持的起始阵 形、终止阵形和群组运动过程中要遵循的外形序列；

所述的群组由大量的个体组成，整个群组宏观上呈现的运动趋势和 整体阵形通过所有个体微观行为的集合表现出来。同一群组的每个个体 成员具有相似的属性，包括个体的质量M，个体在运动时能达到的最大 速度V_max、最大加速度a_max、、个体避免碰撞的半径r。

由于每个个体有一定的可视范围，因而指定个体的视域范围表示可 视区域；

在拥挤的环境下，成员之间自然的保持一定的间距，那么，我们定 义一个避免碰撞的半径r。

观察群组宏观上的行为，主要是指所有成员保持的动态阵形在运动 过程中的变化。

出于效率和效果上的考虑，在群组动画模拟的起始位置和目标位 置，群组的整体外形大体满足用户设定的参数即可。在群组运动的路途 中，不必严格的遵循固定的整体外形。

(2)为群组的每个个体指定虚拟的引导点，将群组运动模拟的过程 按照时间离散化，每个时间步长为δt，运动初始时刻为t₀，使用卡尔曼 滤波方法计算个体在第n步时刻t₀+δt×n的最优化的新作用力F_h，n为 第任意步，重新调整每个个体的运动参数，实现引导点对个体的引导作 用，引导个体向下一个时间步长的目标位置运动，过程中群组整体的阵 形向用户设定的终止阵形前进，保证群体动态变化的大致阵形和移动过 程平稳自然。

引导点类似于个体在下一时刻的目标，其自身的参数也是随着时间 和空间变化的；

引导点对个体产生的吸引力决定了个体的速率和运动方向；

个体的自主漫游行为，由其初始速度，质量和随机驱动外力决定。 在任一时刻，个体都试图跟踪引导点，但是由于个体特性的差异，跟踪 的紧密程度各有不同；个体运动受虚拟的引导点的约束，在保留一定自 主运动的条件下，向目标点移动，达到自主运动和受控运动的平衡。

使用卡尔曼滤波来预测和调整每个个体的运动参数，实现虚拟的引 导点引导个体运动的方法步骤如下：

I.将群组的每个运动的个体定义成一个运动的粒子，粒子的运动完 全由力来驱动，作用力被截取在用户定义的大小内，限制作用力在合理 的范围内；

Ⅱ.将群组运动模拟的过程按照时间离散化，每个时间步长为δt，n 为第任意步，n-1为n步的上一步，任意一个粒子经过一个时间步长后由 局部规测重新计算更新得到该粒子在第n步的速度、加速度、位置等状 态；