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交互型虚拟场景下人物的动态路径工程规划研究

  • 发布日期:2018-07-22
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本文是一篇硕士工程论文,工程硕士(全日制)侧重于学术理论与实践;工学硕士侧重于学术理论与应用;工程硕士(非全日制)侧重于学术实践。工程硕士(全日制)与工学硕士属于统一教育体系,只是类型不同,而工程硕士(非全日制)属于不同教育体系。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇硕士工程论文,供大家参考。
 
第一章 绪论
 
依托于硬件的不断发展以及图像渲染引擎的不断更新换代,虚拟现实技术以其特殊的场景再现能力广泛应用于各个行业中。如何在虚拟现实场景中对目标角色进行合理的路径规划则成为了制作虚拟现实场景过程中的一个基础性问题。本章将从宏观的角度探讨路径规划的问题,从国内外路径规划问题发展的现状出发,探讨适用于虚拟现实场景的路径规划方法。并对交互型虚拟现实场景下人物的动态路径规划遇到的问题进行描述,探讨路径规划问题在虚拟现实场景下需要改进的方向。
 
1.1 选题背景与意义
近年来,由于计算机图形技术的不断增强以及硬件的飞速发展,虚拟现实技术得以较为快速的发展。虚拟现实技术借助图像渲染引擎实现场景的再现或场景创新,以其特殊的图像渲染能力让用户真实的沉浸于场景中,给用户一种身临其境的感觉。由于虚拟现实场景以 3D 的形式细腻的展示开发者设计的世界,该世界既可以是真实世界的再现,也可以是完全出于想象的虚拟场景,用户可以简单而真实的接收到开发者想要表达的内容。因此,虚拟现实技术在各行各业都有着重要的应用。虚拟世界已经渐渐与人们的日常生活密不可分。而虚拟现实场景中的路径规划,可以说是场景中不可避免也是不能替代的基础功能了,如何为虚拟现实场景提供合理的路径规划,决定着虚拟现实场景功能的完备程度,也影响着用户对虚拟场景的体验。另外,伴随着人工智能技术的逐渐兴起,人工智能的应用领域也是愈发广泛。智能寻路技术便是人工智能在虚拟现实场景中的一个重要应用,通过智能寻路对场景中的人物进行合理的路径规划,可以更好地展现场景的逼真效果,从而提升用户体验。因此,如何将智能寻路技术合理地应用在虚拟现实场景中,将虚拟现实技术与人工智能技术有机的结合起来,成为提高虚拟现实场景用户体验的一个重要方向。
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1.2 国内外研究现状
路径规划问题的研究最早可追溯到上世纪六十年代,经过多年的改进也有了长足的进步,应用于机器人、无人机和虚拟现实等众多领域。在传统的方法中,路径规划主要是基于图论进行的,首先将需要寻路的场景抽象成一个图,再从该图中找出最优的路径。这种做法的优点是比较简单,比较容易实现;缺点是被计算出的路径存在不是最优路径的风险。关于寻路算法的优化一直都是路径规划中的热门话题,随着计算机理论技术的不断发展,不同方向但是目的相同的多种优化方案被提出来。在状态空间搜索中,常用的深度优先搜索和广度优先搜索存在需要穷举空间中所有点的缺陷,启发函数为解决此问题提供了新的思路,因此启发式的搜索算法得以提出和发展。其中比较经典的启发式搜索算法是 A*算法以及其改进后相关算法。1968 年,A*算法由 Peter 等人与文章中提出,并且证明了这种启发式搜索算法在路径规划中的准确性和高效性(PETER H, NILS N, BERTRAM R, 1968)。因此,以 A*算法及其衍生算法为基础的路径规划在诸多行业的虚拟现实场景中得到了广泛的应用。然而,关于 A*算法效率优化以及其扩展性的改进一直在进行中。1984 年,Deo 和 Pang 指出,可以在启发式搜索的过程中,可以将之前遍历过的节点信息加入到寻路的迭代过程中(NARSINGH D, CHIYIN P, 1984),从而指引当前节点更快地找到目标节点,然而这种利用寻路过程中的历史信息来指导寻路的做法有很大的偶然性和盲目性。1985 年,Korf 和 Richard 指出可以在在 A*算法的探查过程中,通过深度优先的策略,在每次迭代的过程中动态设置阈值,把寻路代价超过该阈值的节点直接删除(KORF, RICHARD E, 1985)。由于其估值函数具备单调非递减的特性,因此与该算法不需要判重、和排序,并且能减少存储空间。
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第二章 相关技术与理论
 
交互型虚拟现实场景下人物的动态路径规划涉及到多种领域的技术与理论。本章主要介绍下本论文用到的关键技术与理论。首先,介绍虚拟现实技术以及搭建虚拟现实场景的图像渲染工具 Unity3D 引擎;接下来介绍一些经典的寻路算法以及寻路算法判优的条件;最后介绍了几种场景抽象成图的几种方法。通过这些关键技术,进一步探讨适用于交互型虚拟现实场景的路径规划方式。
 
2.1 虚拟现实技术
虚拟现实技术旨在利用多种计算机科学技术,营造出一个具有多感知性、存在感、交互型、自主性的虚拟场景。而所谓虚拟场景的多感知性要求场景除了让用户在视觉感知上感受到场景的存在,还要用户可以感触到场景的存在,并且场景内的运动方式和反馈到用户听觉或者触觉上的感知都要符合用户接受的运动学规律。理想状态下虚拟场景要让用户体验到真假难辨的感知效果(汪成为,1996)。除了多感知性以外,虚拟现实技术还要让用户感到作为主角真实的存在于虚拟场景中,用户对虚拟场景内的任何操作都能得到场景自然的反馈。基于虚拟场景的以上特点,虚拟现实具有了三个最显著的特性,即沉浸性、交互性和想象性(郑彦平,贺钧,2005)。
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2.2 Unity3D 引擎
Unity3D 引擎可以营造一个游戏的良好工具链,开发者可以通过该引擎实现各种创意性虚拟现实场景制作和三维互动开发(Jae H B, Ae H K, 2014)。随着虚拟现实技术的发展,Unity3D 已经不仅仅在游戏开发领域使用,在制作各种领域的虚拟现实场景时都是开发者首选的开发引擎。Unity3D 集成了很多有用的模块来帮助开发者更好、更快地解决问题,从宏观的角度可以分为一下七个模块。即负责处理图像显示部分的图形模块(Graphics),主要包括摄像机、光照、shader、粒子系统等;负责处理物理效果的相关内容的物理模块(Physics),包括刚体、碰撞器等;负责处理音频部分的音频模块(Audio),包括音效分段、发送接收设置等;负责处理动作的动作模块(Animation),包括 Unity3D 4.0 版本新引入的 Mecanim 系统,以及经典动作系统;负责处理寻路的导航模块(Navigation);以及 UI 模块和脚本模块。合理使用这七个模块,开发者可以简单高效的制作虚拟现实场景。使用 Unity3D 进行场景开发主要通过引擎提供的可视化编辑器(刘国柱,2015),该编辑器以可视化的形式将场景中必要的元素集成在一起,同时可以通过调整编辑界面灵活的显示各个元素的各个属性,方便开发者的学习和开发。在编辑器中设计的场景通过脚本控制可以实时的在编辑器中看到脚本的执行效果,方便开发者测试和修改。当然,Unity3D 的编辑器还支持开发者使用第三方插件来定制编辑器界面和功能,而插件本身又是其他开发者通过编写编辑器脚本来创建的个性化功能和界面,在 Unity3D 社区内有许多高效且适用的插件,内容丰富,涵盖了几乎所有的主题。
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第三章 智能寻路算法的探讨与改进............19
3.1 智能寻路算法......19
3.2 启发式 A*算法....20
3.2.1 A*算法的估价函数......20
3.2.2 A*算法的过程....20
3.3 动态路径规划问题分析.........21
3.4 寻路算法实现上的改进.........22
3.4.1 OpenList 表采用最小堆存储.........23
3.4.2 设计合适的启发函数.............25
3.5 改进后算法的分析与比较.....28
第四章 交互型虚拟现实场景设计......33
4.1 虚拟现实场景设计.......33
4.2 虚拟现实场景搭建.......33
4.3 用户与场景交互...........39
4.4 场景中的障碍类型..........44
第五章 智能寻路算法应用于交互型虚拟场景......45
5.1 交互型场景下寻路的问题分析.......45
5.2 智能寻路算法在应用时的调整.......45
5.3 寻路算法在虚拟现实场景下的应用.........49
 
第五章 智能寻路算法应用于交互型虚拟场景
 
交互型虚拟场景下,由于存在较为复杂的地形和较多的障碍,并且障碍类型也是既有动态障碍的也有不动障碍。为了实现这种场景下人物的自动导航,需要将寻路算法做一些调整,让自动导航寻找到的路径更合理化,更适用与交互型虚拟场景。本章就寻路算法在交互型虚拟场景下出现的问题,提出了寻路算法在应用时的调整方案,使寻路算法更适用于虚拟现实场景。
 
5.1 交互型场景下寻路的问题分析
寻路算法致力于找到两点之间的最短路径,这和虚拟场景中的自动导航的目的几乎一致,但还有些许不同,因为自动导航更看重的是其合理的路径规划,此路径并不一定是最短的,但需要保证该路径适用于虚拟场景。所谓适用,就是指该路径的选定符合虚拟场景中的各个特性。对于虚拟公园场景来说,就是目标角色在自动导航的路径上行走时,目标角色的路线首先要保证是顺畅的,不会让用户感觉到有很生硬的转弯或者平移,在此基础上,再保证路径尽量是从起点到终点的最短路径。从这个角度出发,交互型虚拟场景下的寻路有两个亟待解决的问题,一个问题就是寻路算法寻找的最短路径可能出现多种转弯,以至于目标角色的路径会让用户感觉极度不自然;另一个问题就是最短路径会为了找到代价最小值而试图在障碍物较多的区域反复的探查和回溯,导致算法效率大幅降低。除了这两个较大的问题之外,还有一个寻路算法不能解决的问题就是,交互性场景下的动态障碍物,因为其位置的实时性,导致导航时并不能将其抽象到寻路地图上,因此,对于动态障碍物要进行特殊的智能避障处理。
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总结
 
本论文以交互型虚拟现实场景为背景,讨论了如何在此场景下高效率的进行人物的路径规划。以路径规划中寻路算法为切入点,深入讨论了寻路算法在虚拟现实场景下的应用。论文中的主要的工作内容与研究成果有:
(1)基于 Unity3D 平台,结合三维建模、动画制作、事件驱动等相关技术,设计并制作了以公园漫游为背景的交互型虚拟场景,通过对人物移动策略设计,能够实现人物在该场景下的动态路径规划。
(2)针对标准 A*算法在实现过程中存在的耗时较长、启发函数启发信息不足以及算法只能应用于二维地图的问题,本论文对 A*算法的实现提出了改进方案。首先,采用最小堆结构来存储 A*算法的开启列表,从而降低因对开启列表进行频繁排序所消耗的时间;然后,为 A*算法的启发函数添加探查方向上的加权,以方位信息和距离信息两个方面的信息来引导算法下一步的探查方向,在保证算法准确性的同时加快了向目标节点搜索的速度,从而加快了搜索的过程;最后,为 A*算法的启发函数添加高度信息,并且加入高度限制和宽度限制,保证算法在三维场景中也能够正常寻路。经过实验比较,改进后的 A*算法在搜索过程中访问的节点数平均减少了 53%,寻路消耗的时长平均降低了 55%。
(3)针对寻路算法在虚拟场景中应用会出现的频繁回溯、人物频繁转弯和不能规避动态障碍物的问题,本论文提出了寻路算法在应用时的调整方案。首先,在寻路之前使用 K-means 算法对地图障碍进行预处理,将密集障碍物进行模块化,从而避免算法为了找到代价值最小的节点而在多障碍之间频繁探查和回溯,也能有效减少算法在搜索过程中遍历的节点数;然后,使用删除结点的关键点平滑处理方式对寻路之后的路径进行平滑处理,避免人物移动过程中出现频繁的横移和转向;最后,基于 Unity3D 引擎的包围盒检测机制,实现动态障碍物的位置预判,从而实现对动态障碍物的智能避障。通过以上方案的处理,能够实现路径平滑并且可以规避动态障碍物的人物路径规划。
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参考文献(略)
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