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虚拟海洋环境中人工鱼的认知模型和行为控制研究

张淑军  
【摘要】: 人工生命的研究正在兴起。它是21世纪最有活力、最有前景的两大前沿学科——生命科学与信息科学——相互作用的产物,它以生命现象为研究对象,以生命过程的机理及其工程实现技术为主要研究内容,以扩展人的生命功能为主要研究目标,具有十分重要的意义。 人工生命是一个跨学科的研究领域,近20年来它的研究内容也在不断地被丰富。人工动物即通过计算机手段对自然界中各类生物的仿真,已经成为人工生命的一个重要分支。人工鱼即是人工动物的一种,对自然鱼类的形态、习性和行为等进行仿真模拟,展现其各种生命特征和功能,构建其所处的虚拟海洋环境,为人们提供一个栩栩如生的虚拟海底世界,可以作为生物行为、计算机图形学、计算机仿真、虚拟现实等多个领域的研究平台,又可应用于生物和海洋教学演示、海底世界可视化、教育、娱乐等方面,具有重要的研究意义和应用价值。 本论文以“人工鱼”为研究对象,将人工智能、人工生命和虚拟现实相结合,对人工鱼的认知模型和行为控制方法进行探索和研究,构建具有认知功能、高级行为规划能力和逼真运动功能的人工鱼。本文的主要研究内容和创新点如下: 1.人工鱼总体模型。根据混合式智能体(Agent)的结构原理,提出了由感知、认知和行为三个子系统构成的人工鱼总体模型,给出了每个子系统的功能设计,同时建立了人工鱼的内部状态模型。 2.基于记忆的人工鱼认知模型。以自然鱼的生物原理和记忆机制为理论依据,提出并建立了一种基于记忆的人工鱼认知模型,给出了其结构及工作原理。研究了自主角色建模的五个层次,对其特点分别予以分析;给出了记忆过程中的信息编码、存储和提取方法,实现了人工鱼基于记忆的认知能力。 3.人工鱼个体行为双层控制结构,包括高级行为规划和运动模型。基于人工智能和人工生命相结合的思想,提出了一种高级行为规划和运动模型相结合的人工鱼个体行为双层控制结构。通过高级行为规划算法,实现了捕食、逃避、集群等行为的多种策略,解决了人工鱼运动模式单一的问题。给出了运动速度与其内部状态包括体力、饥饿度等的关系,更合理、有效地模拟了真实鱼类的生命特征和智能行为。 4.人工鱼群体行为协同控制方法。将个体Agent建模扩展到群体Agent行为建模,提出了一种基于多Agent的人工鱼群体行为协同控制方法。基于消息中心,通过消息的分发、接收和处理机制实现人工鱼对动态环境和其他Agent的实时感知,再通过高级行为规划和运动模型执行当前意图,从而快速有效地实现人工鱼群体行为的协同控制。 基于上述理论和方法,提出了虚拟海底世界仿真系统的总体设计方案。该系统将利用虚拟现实的实时绘制方法,对虚拟海洋环境进行建模及特效表现,为人工鱼提供外部生活环境;并将本文所提出的模型和方法用于人工鱼的具体设计,使得人工鱼成为具有自主行为和丰富生命特征的智能角色。


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