毕业设计开题报告
计算机科学与技术
动漫游戏中虚拟角色的自主行为模型研究
一、选题的背景与意义
计算机动画是计算机图形学和动画技术相结合的产物，是随着计算机硬件和图形算法发展起来的一门高新技术，是使用计算机生成活动的图像的技术。

随着计算机图形学和硬件技术的高速发展，计算机动画取得了很大的发展，正逐渐渗透到人们的生活中，传统的关键帧技术下，计算机只是用来设计关键帧之间的中间帧，这样创作出来的动画具有许多缺点，缺乏自主性，也难以保证其自然真实性。

为了增强虚拟角色的自然真实性，许多研究者开始研究智能动画技术，结合人工智能创造出人工生命，其中人工动物是模拟真实动物自主性的角色，属于人工生命研究的一个重要方面，能用计算机再现生态系统的复杂性，为人们提供了认识自然和生命的新手段，不仅仅能为图形学和计算机动画提供研究课题，也能作为人工生命领域的研究对象，在教育游戏娱乐等方面也能提供服务。

现阶段比较著名的研究便是人工鱼的研究，其在教学和科研方面都有了一定的应用，生成的智能动画能为生物学仿真、海洋可视化、教育、游戏和娱乐等服务，在虚拟角色的人工智能和模拟复杂的生物过程等方面也起到了极大的推动作用，提供了通向智能图形角色的道路，具有理论研究意义和实际应用价值。

在动漫游戏的应用中，虚拟角色的自主行为属于反映人工生命的一个方面，这使得虚拟环境中的生物更加贴近真实世界的生物，根据具体的场景以及事件，环境中的生物能做出相对应的合适的自主行为动作会令虚拟生物具有一定的生物特征，使得整个游戏具有自然真实感。

二、研究的基本内容与拟解决的主要问题：
本课题是动漫游戏中虚拟角色的自主行为动作，是一款模拟海底生物在各种情况下的动作反应的的三维互动动画。

为了达到这个目标，需要研究真实世界的鱼类的反应动作，用3DMAX制作海底环境和海底生物，使用DirectX 3D引擎，在编程环境下使用一定的算法使程序中角色具有一定智能，其动作反应上有自主性。

基本内容如下：
1、利用3DMAX创建令人满意的海底景观和生物，创建外观、形状、运动和行为在视觉上接近于真实世界的动画，需要研究基于真实鱼类的鱼体模型以及真实鱼类的运动方式，以产生真实的运动效果。

2、海底生物的运动行为基于其生理构造，因此需要研究真实鱼类的感知系统和行为系统之间的关系，在算法中设定习性参数，建立鱼的先天特性，以决定虚拟鱼类的喜好、性别和个性等。

3、海底生物的自主性，虚拟鱼类除了具有自然生命特征之外，还需要在算法中着重研究虚拟鱼类在不同环境和刺激下的自然反应。

拟解决的问题如下：
1、如何创建尽量贴近现实的海底生物和环境
2、创建出具有自然游动动作和自主行为的虚拟海底生物。

三、研究的方法与技术路线：
1、熟悉3DMAX的基本建模，学习DirectX 3D的基本坐标表示和模型导入，包括光照纹理以及坐标变换等。

这里涉及到三维模型主要包括海水、海底的植物，海底的一些建筑，以及海底的生物。

植物、海底等简单模型可以通过图片形式以纹理方式导入到程序中，主要为纹理表现技术。

而复杂建筑和虚拟角色需要通过其他图形软件制作（本设计中用3DMAX 8）。

虚拟角色需要具有三维真实效果和动画，完成模型后要用插件导出为.X文件使程序能够方便使用。

环境塑造的难点主要在于如何创建出接近于真实的海底环境，为了达到这个目的，要配合海底环境的声音和水流气泡，加上适合的光照效果，从而表现出海底的光影和海水的流动效果。

2、在建立虚拟鱼类的模型时，需要参考真实世界的鱼类，以及电影动画《海底总动员》里的角色的造型，以创造出合理夸张的角色造型。

角色动画的制作则结合动画以及文献中提到的运动系统研究章节，对模型加上运动控制器，肌肉运动控制器，胸鳍运动控制器，参数化人工控制，使得虚拟角色的游动贴近真实生物。

3、结合现阶段的研究，使得虚拟角色具有一定的自主性，这里会涉及到人工智能，人工智能算法主要有有限状态机、决策树、遗传算法等，由于人工智能算法很复杂，在本设计中，主要运用有限状态机，由感知反应到行为，使海底中的虚拟生物具有一定自主行为。

首先需要参数化虚拟角色的感知系统，这里着重于虚拟鱼类的视觉感知系统，设定鱼类的视觉范围参数，球形的视觉感受器在半透明的水中能看到的有效半径为Vr，角度范围为300°，再利用眼睛球体的角度和视觉半径Vr来定义虚拟鱼类的视觉范围。

同时也要建立附加的感知功能，如嗅觉感知，将感知半径由Vr扩展到Or，从而扩大了感知范围；利用视觉嗅觉感知，虚拟鱼类能获取周围环境与生物的几何形状、性质和其他信息，做出比如觅食、躲避碰撞和逃避等行为。

接下来就是行为的实现，由感知到行为，虚拟角色通过感知而感受到周围的环境和障碍物，从而能有效地躲避。

建立意图发生器，结合感知系统，通过有限状态机进行情感意图上的建模，根据设定好的规则进行判断，从而做出相应的反应。

这里的难点是如何将虚拟角色的感知行为变得更自然，而不是仅仅依靠规则进行行动，需要设定更多的内部行为参数，如饥饿感，欲望，恐惧感，疲劳度，敏感度等反应鱼类个性的参数，使得具体的虚拟角色在遇到同样的环境条件时能根据自身的情况做出相应的不同的反应。

四、研究的总体安排与进度：
（1）2010.11.20～2010.11.26：教师出题，学生选题，搜索资料，阅读文献，编写开题报告
（2）2010.12.20～2010.12.26：进行开题答辩，根据老师的建议进行开题报告的修改（3）2010.12.01～2010.12.30：完成文献翻译
（4）2011.01.01～2011.03.01：进行3D建模，熟悉D3D，系统原型初版设计（5）2011.03.01～2011.03.20：完成文献综述，在初版原型上进行改进，进行中期检查（6）2011.03.20～2011.04.30：改进原型，根据老师列出的提纲撰写论文
（7）2011.04.30～2011.05：论文修改，预答辩演练，修改不足之处
（8）2011.05：正式论文答辩，准备好所需的原型演示系统以及演说PPT
五、主要参考文献：
[1]班晓娟，艾冬梅，陈泓娟.人工鱼.科学出版社，2007.10.
[2]王德才，杨关胜，孙玉萍.精通DirectX 3D图形与动画设计[M].第一版，人民邮电出版社，2007.5
[3]涂晓媛.人工鱼-计算机动画的人工生命方法.北京：清华大学出版社，2001[4]JohnDavidFunge著.班晓娟，艾迪译.人工智能在计算机游戏和动画中的应用[M].清华大学出版社.2004.5.
[5] Funge J D.班晓娟，艾迪明译.人工智能在计算机游戏和动画中的应用：认知建模方法.北京：清华大学出版社
[6] Andrew Kirmse编著.沙鹰等译.游戏编程精粹4[M].人民邮电出版社，2005.9[7]MichaelDickheiser编著.孟宪武等译.游戏编程精粹6[M].人民邮电出版社，
2007.11，178-228
[8]SteveRabin编著.庄越挺，吴飞等译.人工智能游戏编程真言[M].清华大学出版社，
2005.1
[9]涂晓媛,陈弘娟,涂序彦.“人工鱼”动画模型设计[J].软件世界, 2000,(04)[10]涂晓媛,陈弘娟,涂序彦.“人工鱼”及虚拟海底世界建模方案[J].软件世界,2000,(04)
[11] Funge J. Making them behave: cognitive models for computer animation. University ofToronto, Ph. D Thesis,1998
[12] L.M.Kelly, 3ds max 8 Bible, Hoboken, N.J.: Wiley Publishing,Inc, 2004。