基于Voronoi图的群体队形控制方法

影视作品中采用群体队形控制技术来制作大量角色处于某种队形运动的场景，但许多群体队形技术往往侧重于对自由移动的个体角色进行控制，而忽视了对队形运动的整体控制，导致场景画面缺乏美感性、整体性和条理性。针对这些问题，提出了基于Voronoi图的群体队形控制方法。首先，将群体队形进行Voronoi图空间划分，建立一个包含所有智能体的队形网格；然后，提出一种新的群体队形形变算法，采用人工势能场和相对速度障碍法进行合理避障，再结合弹簧系统使群体队形在形变过程中尽可能保持整体稳定；最后，采用Lloyd算法快速恢复到目标队形。实验结果表明，该方法可以很好地模拟群体队形变换运动，适用各种复杂场景，具有美感、整体、条理的队形变换效果。     

从表面重构的体数据实现3维网格剖分

目的 针对有限元分析中网格最优化问题,提出一种改进的生成四面体网格的自组织算法。方法 该算法首先应用几何方法将三角形表面模型重新构造成规定大小的分类体数据,同时由该表面模型建立平衡八叉树,计算用以控制网格尺寸的3维数组;然后将体数据转换成邻域内不同等值面的形态一致的边界指示数组;结合改进的自组织算法和相关3维数据的插值函数,达到生成四面体网格的目的。结果 实验结果对比表明,该方法能够生成更高比例的优质四面体,增强了对扁平面体的抑制能力,同时很好地保证了边界的一致。结论 在对封闭的3维表面网格进行有限元建模时,本文算法为其提供了一种有效、可靠的途径。     

群体动力学的群组行为仿真

目的 许多群体动画算法侧重从宏观或微观角度模拟人群运动,而结合两种方法模拟群组动态的算法较少,为解决这个问题,提出一种基于群体动力学的群组行为仿真算法。方法 首先,采用连续模型构建动态势能场,为个体计算运动初始速度;然后,基于群体动力学模拟组内跟随和组间避让行为;在组内跟随行为中采用“Car-following”模型为个体计算跟随加速度;在组间避让行为中提出群组的凸包表示方法,并引入局部势能场;最后,结合动态势能场和局部势能场实现群组行为仿真。结果 在每个仿真循环中动态更新全局势能场信息,对比不同群体规模及网格精度的人群仿真效率。实验结果表明本文算法能用于模拟规模较大的多样性群组运动。在网格分辨率为80×80像素的场景中对5 000个个体的运动进行仿真,平均帧速率为35.7 ms（约28帧/s）,与传统的连续模型相比产生了更多的群组行为。采用快速行进法构建全局动态势能场,即使在粗糙网格中也能得到较为平滑的路径。结论 提出算法适用于多样性群组行为仿真,同时结合全局规划和局部控制,无需额外碰撞检测便能真实地模拟组内跟随和组间避让行为,仿真效果具有高效性和多样性。     

具有直线结构保护的网格化图像拼接

目的 基于网格变形的图像配准方式,针对待拼接图片重叠区域的视差具有一定的容忍性,并且能够适应更复杂的图像拼接场景。在NISwGSP （natural image stitching with the global similarity prior）算法基础上提出了一种具有直线结构保护的图像拼接算法（MISwLP）,该算法通过提取图片中的直线结构并施加约束,可以得到视觉效果自然、畸变较小的图像拼接结果。方法 首先对图片进行网格划分,建立网格优化模型,针对网格顶点坐标集定义能量函数,在保证图片重叠区域高度对齐的同时,对网格进行相似性连续约束,并辅以直线结构约束,最后使用共轭梯度最小二乘法求解得到最优网格顶点集,指导网格变形。结果 针对不同场景下的图片进行拼接实验,同时和几种比较流行的图像拼接软件和算法进行比较。结果表明,同经典拼接算法,比如Autostitch相比,基于网格优化的图像拼接算法能够适应更加复杂的多平面场景,在减小投影失真和对齐误差方面表现更好;同现在比较好的几种网格拼接算法,比如SPHP （shape-preserving half-projective warps for image stitching）、APAP （as-projective-as-possible image stitching with moving DLT）、NISwGSP等的比较,MISwLP算法不仅能够很好地对齐图像和避免投影失真,并且能够保持图像重叠区域到非重叠区域的一致性,即保护原图中的直线结构。结论 提出了一种基于网格优化的直线约束方法,对于具有显著几何结构的图像拼接场景,能够较好地保护拼接后图像中原有的直线结构,具有较好的应用价值。     

结合网格密度聚类的行人检测候选域生成

目的 行人检测是计算机视觉领域中的重点研究问题。经典的可变形部件模型（DPM）算法在行人检测领域素有高检测精度的优点,但由于在构建特征金字塔前处理过多召回率低的候选区域,导致计算速度偏慢,严重影响系统的实时性。针对该问题,本文对模型中选取候选检测区域的流程进行了改进,提出一种结合网格密度聚类算法和选择性搜索算法的行人检测候选对象生成方法来改进DPM模型。方法 首先使用三帧差法和高斯混合模型收集固定数量的运动物体坐标点,然后结合基于网格密度的聚类算法构建网格坐标模型,生成目标频繁运动区域,同时进行动态掩层处理。随后引入改进的选择性搜索算法,结合支持向量机（SVM）训练得到的行人轮廓宽高比,提取该区域中高置信度的行人候选检测窗口,从而排除大量冗余的区域假设,完成对候选行人检测区域的精筛选,最后融合至DPM算法进行行人检测。结果 所提方法在PETS 2009 Bench-mark数据集上进行检测,实验结果表明,该方法对复杂背景下的检测有较强的稳定性,与传统DPM模型相比,精度提高了1.71%、平均对数漏检率降低2.2%、检测速度提高为3.7倍左右。结论 本文提出一种基于网格密度聚类的行人检测候选域生成算法,能够有效表达行人信息,与其他行人检测算法相比,有更好的精度和更快的速度,在检测率、检测时间方面均有提高,能够实现有效、快速的行人检测,具有实际意义。     

分区域变尺度网格的社区火灾场景数值仿真

目的 火灾场景数值仿真对消防救援和应急疏散具有重要意义。火灾场景仿真需要对室内外地物及环境进行精细建模和大量数值计算,而传统地图和空间分析无法满足日趋复杂的建筑物消防场景表达。为此本文基于室内外地图研究基础,构建面向社区安全的火灾场景数值仿真模型。方法 通过传统制图技术建立社区地物分布模型,利用室内制图技术建立建筑物内部场景,利用3维建模技术重建社区室内外3维模型,引入火灾数值模拟方程进行仿真计算。根据社区建筑物分布和其内部结构复杂程度的差异,提出分区域变尺度的网格划分方法,以提高计算效率。结果 通过对红树湾社区进行"精细"、"粗糙"和"分区域变尺度"3种不同方法的仿真实验,分析火灾模型的计算速度、温度场及烟气扩散情况。与精细网格方法相比,分区域变尺度方法和粗糙网格方法的计算速度是其8倍和24倍,烟气最低能见度误差为2 m和13.5 m,分区域变尺度方法相较于粗糙网格方法与精细网格方法的温度变化曲线更加吻合。分区域变尺度方法的模拟精度更接近于精细网格方法,同时效率得到提升。结论 本文提出的火灾场景仿真模型将室内制图应用扩展到社区消防研究,实验结果表明,所提出的分区域变尺度网格划分方法能够在保证数值模拟精度的前提下提高仿真效率,具有重要的应用价值。     

保特征的联合滤波网格去噪算法

目的 在去噪的过程中保持网格模型的特征结构是网格去噪领域研究的热点问题。为了能够在去噪中保持模型特征,本文提出一种基于变分形状近似（VSA）分割算法的保特征网格去噪算法。方法 引入变分形状近似分割算法分析并提取噪声网格模型的几何特征,分3步进行去噪。第1步使用变分形状近似算法对网格进行分割,对模型进行分块降噪预处理。第2步通过分析变分形状近似算法提取分割边界中的特征信息,将网格划分为特征区域与非特征区域。对两个区域用不同的滤波器联合滤波面法向量。第3步根据滤波后的面法向量,使用非迭代的网格顶点更新方法更新顶点位置。结果 相较于现有全局去噪方法,本文方法可以很好地保持网格模型的特征,引入的降噪预处理对于非均匀网格的拓扑结构保持有着很好的效果。通过对含有不同程度高斯噪声的网格模型进行实验表明,本文算法无论在直观上还是定量分析的结果都相较于对比的方法有着更好的去噪效果,实验中与对比算法相比去噪效果提升15%。结论 与现有的网格去噪算法对比,实验结果表明本文算法在中等高斯噪声下更加鲁棒,对常见模型有着比较好的去噪效果,能更好地处理不均匀采样的网格模型,恢复模型原有的特征信息和拓扑结构。     

复杂环境中群机器人网格分布与移动

如何控制不受数量限制的群机器人形成队形并在复杂环境中移动,是一个极具挑战性的问题。基于虚拟力原理分析了群机器人网格队形分布和移动控制方法,制定了详细的系统性能评价指标（稳定时间、碰撞次数、连接数、簇数等参数）,研究了网格队形在复杂环境中的移动以及不同虚拟力对移动的影响。通过在复杂障碍物环境中的仿真,显示出该方法可以鲁棒、有效地完成网格分布和移动任务。指出了今后的研究方向。     

基于Leader-Follower的分队队形控制寻径算法研究

在战场环境中,战术分队的队形在面对复杂静态或动态障碍物难以较好地保持,针对此问题,提出了基于Leader-Follower算法的改进队形控制方法。在Leader寻径阶段,通过在战场导航网格中应用两阶段路径搜索方法,先使用A*算法寻找由三角形通道和可利用地物组成的路径,再使用改进的Funnel算法在考虑队形规模的约束条件下对路径作平滑处理。在Follower跟随阶段中,通过采用morphing技术,产生在复杂障碍约束下平滑的中间约束队形序列,并结合提出的队形弹簧模型,局部修正并控制Follower每一时刻的速度。为解决面对动态障碍的避碰问题,基于相对速度障碍法,并加入速度协同控制,避免队形在避碰过程中失效。最后通过实验表明了该方法的有效性。     

网格修补的特征配准方法

目的 网格重建和编辑会产生几何特征缺失的模型,填补这些空洞具有重要的意义。为了克服复杂曲面修补中网格融合难以配准的问题,提出了环驱动球坐标结合基于曲率及法向ICP(iterative closest point)迭代配准的网格修补方法。方法 首先用户查找合适的源网格面片放入空洞处周围;然后对目标网格空洞环建立B样条曲线,将带修补网格包边界置于B样条曲线上,构架环驱动球坐标,将源网格变形初步配准目标网格空洞周围领域;最后使用Laplacian光顺并基于网格曲率及法向进行ICP迭代配准,使源网格与目标网格光滑拼接融合。结果 该方法能够有效修补网格空洞缺失的细节特征,并且拼接处光滑连续。 结论 环驱动球坐标配准避免了网格变形的包围网格笼子构造,再通过ICP迭代精确配准网格,和以往的网格修补方法相比,该方法能够很好地修补网格空洞处细节特征。     

鲁棒的网格实时几何编辑算法

目的 本文提出一种网格实时编辑方法,能够实现精确的参数化区域选择来对网格进行复制粘贴操作。方法 首先通过提供给用户的笔刷在网格上选择感兴趣区域,通过半边结构遍历和种子填充算法精确指定参数化区域;在遍历过程中加入一个距离场限制,然后使用平面中值坐标方法对被复制区域进行变形处理;最后将被复制区域和目标网格进行无缝融合,恢复三维形状。结果 实验表明本文提出的方法能够对高曲率和凸长网格进行有效编辑,复制得到的模型能够符合需求,并且鲁棒稳定。结论 泊松方程结合平面中值坐标的网格实时编辑方法,能够实现精确的参数化区域选择对网格进行复制粘贴操作。通过与已有的网格克隆方法相比较,该方法具有很好的鲁棒性并且效果良好。     

A fast path planning by path graph optimization

A fast path planning method by optimization of a path graph for both efficiency and accuracy is proposed. A conventional quadtree-based path planning approach is simple, robust, and efficient. However, it has two limitations. We propose a path graph optimization technique employing a compact mesh representation. A world space is triangulated into a base mesh and the base mesh is simplified to a compact mesh. The compact mesh representation is object-dependent; the positions of vertexes of the mesh are optimized according to the curvatures of the obstacles. The compact mesh represents the obstacles as accurately as the quadtree even though using much fewer vertexes than the quadtree. The compact mesh distributes vertexes in a free space in a balanced way by ensuring that the lengths of edges are below an edge length threshold. An optimized path graph is extracted from the compact mesh. An iterative vertex pushing method is proposed to include important obstacle boundary edges in the path graph. Dijkstra's shortest path searching algorithm is used to search the shortest path in the path graph. Experimental results show that the path planning using the optimized path graph is an order of magnitude faster than the quadtree approach while the length of the path generated by the proposed method is almost the same as that of the path generated by the quadtree.     

基于逆3 细分的渐进网格生成算法研究

提出一种基于逆3 细分的渐进网格生成算法,用于解决图形的快速传输和显示问 题。算法的基本思路是：将细密网格通过边折叠操作得到简化网格,以细分极限点逼近原始网 格为准则进行网格调整,采用3 细分得到高密度网格,调整后进行逆3 细分,即逐层次删除 部分顶点,生成用于重构渐进网格模型的基网格,并记录每层删除顶点在采用本层表示时相对 于细分计算位置的几何调整量。3 细分过程中三角片数量增长速度较慢,采用逆3 细分利于 生成多层次的渐进网格,经实例验证,逆3 细分生成渐进网格的效果能满足快速、多分辨率显 示要求。     

A swarm system design based on a modified particle swarm algorithm for a self-organizing scheme

In this paper, an attempt has been made to incorporate some special features in the conventional particle swarm optimization (PSO) technique for decentralized swarm agents. The modified particle swarm algorithm (MPSA) for the self-organization of decentralized swarm agents is proposed and studied. In the MPSA, the update rule of the best agent in a swarm is based on a proportional control concept and the fitness of each agent is evaluated on-line. The virtual zone is developed to avoid conflict among the agents. In this scheme, each agent self-organizes to flock to the best agent in a swarm and migrate to a moving target while avoiding obstacles and collision among agents. Aided by these advantages such as cooperative group behaviors, flexible formation and scalability, the proposed approach enables large-scale swarm agents to distribute themselves optimally for a given task. The simulation results have shown that the proposed scheme effectively constructs a self-organized swarm system with the capability of flocking and migration.     

Hierarchical agent-based secure and reliable multicast in wireless mesh networks

We propose and analyze a hierarchical agent-based secure and reliable multicast (HASRM) algorithm for efficiently supporting secure and reliable mobile multicast in wireless mesh networks, with design considerations given to minimize the overall network cost incurred by reliable multicast packet delivery, mobility management, security key management, and group membership maintenance. HASRM dynamically maintains a group of multicast agents running on mesh routers for integrated mobility and multicast service management and leverages a hierarchical multicast structure for secure and reliable multicast data delivery. The regional service size of each multicast agent is a key design parameter. We show via model-based performance analysis and simulation validation that there exists an optimal regional service size that minimizes the overall communication cost and the optimal regional service size can be dynamically determined. We demonstrate that HASRM under optimal settings significantly outperforms traditional algorithms based on shortest-path multicast trees extended with user mobility, security, and reliability support. We also show that a variant of HASRM is superior to a recently proposed multicast algorithm for secure group communication in wireless mesh networks.     

基于变形图的谱姿态迁移

为减低谱姿态迁移结果受几何代理 Cage 的影响程度,提出基于变形图的谱姿态迁 移方法。首先,利用优化二次误差度量方法简化源网格得到变形图,将源网格顶点以测地距离 为权重用变形图顶点表示,强制源网格顶点与基于耦合准调和基的姿态迁移结果尽可能相同, 同时保持变形图的拉普拉斯坐标,获得低频姿态迁移结果,并利用嵌入变形算法对此结果进行 优化;然后,通过观察找到次级姿态学习不充分的局部网格,分割出局部子网格,对这些子网 格使用低频姿态迁移方法,可以学习到次级姿态。实验结果表明,在一定程度上降低了几何代 理的影响,有效地提高了谱姿态迁移结果。     

A navigation mesh for dynamic environments

Games and simulations frequently model scenarios where obstacles move, appear, and disappear in an environment. A city environment changes as new buildings and roads are constructed, and routes can become partially blocked by small obstacles many times in a typical day. This paper studies the effect of using local updates to repair only the affected regions of a navigation mesh in response to a change in the environment. The techniques are inspired by incremental methods for Voronoi diagrams. The main novelty of this paper is that we show how to maintain a 2D or 2.5D navigation mesh in an environment that contains dynamic polygonal obstacles. Experiments show that local updates are fast enough to permit real‐time updates of the navigation mesh. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

边收缩池化的网格变分自编码器

目的 3D形状分析是计算机视觉和图形学的一个重要研究课题。虽然现有方法使用基于图的卷积将基于图像的深度学习推广到3维网格,但缺乏有效的池化操作限制了其网络的学习能力。针对具有相同连通性,但几何形状不同的网格模型数据集,本文利用网格简化的边收缩操作建立网格层次结构,提出了一种新的网格池化操作。方法 本文改进了传统的网格简化方法,以避免生成高度不规则的三角形,利用改进的网格简化方法定义了新的网格池化操作。网格简化的边收缩操作建立的网格层次结构之间存在对应关系,有利于网格池化的定义。新定义的池化操作有效地编码了层次结构中较粗糙和较稠密网格之间的对应关系。最后提出了一种带有边收缩池化和图卷积的变分自编码器（variational auto-encoder,VAE）结构,以探索3D形状的隐空间并用于3D形状的生成。结果 由于引入了新定义的池化操作和图卷积操作,提出的网络结构比原始MeshVAE需要的参数更少,因此可以处理更稠密的网格模型。结论 实验表明提出的方法具有更好的泛化能力,并且在各种应用中更可靠,包括形状生成、形状插值和形状嵌入。     

A liquid sphere‐inspired physicomimetics approach for multiagent formation control

A liquid sphere‐inspired physicomimetics approach is presented for multiagent formation control. The agents are formulated as a liquid sphere, which is modeled by a virtual spring network. Then, a decentralized controller is obtained for each agent. The stability and convergence are proved. The scalability and flexibility are analyzed. Using the proposed approach, arbitrarily shaped formations can be obtained; and an extra agent can be added to a formation like mixing a drop of liquid into a liquid sphere. By designing extra virtual repulsive forces from obstacles, a formation avoids obstacles like a fluid flowing over obstacles or squeezing through narrow passages. The required number of communication links is N for N agents. The use of physicomimetics makes the approach computationally simple, and the physical meanings of the parameters definite. To illustrate the advantages of the proposed approach, a structural potential function‐based approach is selected as the comparative method. Simulation results demonstrate the effectiveness of the liquid sphere‐inspired formation control approach.     

实现牙体预备触觉交互仿真的图形显示

介绍了在牙科手术训练触觉交互系统的虚拟手术环境中,通过材料去除速率控制构成牙齿的网格变形实现牙齿被切削时材料去除过程的图形仿真.针对牙体预备操作和触觉交互装置输出力的特点,在交互系统的虚拟环境中,当工具与牙体模型发生接触时,所有进入工具空间范围的顶点都会沿着其外法线的反方向进行投射,投射量受控于材料去除速度,且网格变形速度不超过真实的牙齿材料去除速度,同时针对网格的变形位置绘制虚拟工具.通过限制网格变形可以动态的实现牙齿被切削过程的形状变化,图形显示逼真同时没有滞后.