虚拟蜘蛛建网跟步行的互动式模拟系统.doc

PAGE PAGE 7 虛擬蜘蛛建網及步行的互動式模擬系統 Interactive Simulation of Web Construction and Locomotion for Virtual Spider 林翰儂 李蔡彥 政治大學 政治大學 北市指南路二段64號 北市指南路二段64號 HYPERLINK mailto:s8908@.tw s8908@.tw li@.tw 圖一：最粗的線條是外框，輻射狀的普通粗線是輻射絲，螺旋狀的細線是螺旋絲。擁有黏性的絲線只有螺旋絲。 Abstract 目前在電腦動畫方面，已有許多模擬生物運動的規劃並且也到達相當成熟技術，像是人類的行走運動規劃；但是對於節肢動物的運動規劃，現在並不多見，大多並不是採用程式自動產生的方式製造節肢動物的運動動畫。本論文研究模擬蜘蛛網的建構及虛擬蜘蛛在蜘蛛網上自動規劃行走運動的模擬程式。此論文的所採用的方法是依據我們定義的蜘蛛網結網規則和指定參數的方式建構蜘蛛網，蜘蛛在網上的步行也是經過搜尋判斷後才得到路徑。本系統建造蜘蛛網的部分已經可以成功的模擬出蜘蛛網的型態，也能夠自動規劃蜘蛛在蜘蛛網上的運動路徑。在實作方面是混合2D與3D的使用者介面，使用者以2D介面操作，以3D的方式呈現結果。 簡介 圖二：蜘蛛網的建造順序是外框- 輻射絲 - 螺旋絲。圖片來源出自[5]。 製作電腦動畫的方式主要有動作擷取(Motion Capture)和取動作關鍵格(key-framing)以及程式自動產生動畫這三種方法。一般製作動畫主要是利用動作擷取和取動作關鍵格這兩個方式產生動畫。動作擷取的特點是利用真人演員的表演動作，讓電腦讀取後產生虛擬演員的動作。其優點是可以得到看起來很自然的動作模組，但是要把動作套到虛擬人物的時候仍然需要做關節間距的調整，而且得到的動作不能適應其他環境或是地型的變化。取動作關鍵格的方法常見於坊間的3D動畫製作軟體，使用者可以將做好的模型依照時間先後，每間隔一段時間調整模型在該時間點要擺放的位置，此動作就是在設定模型的動作關鍵格。之後，讓軟體利用內插法(interpolation)產生關鍵格與關鍵格之間連接的動作。而程式自動產生的動畫可以做到動作擷取美中不足的地方。此方式根據運動原理以程式方式模擬動作，優點是重複性極是用性高。此方法式要解決的問題定義好，設定要遵循的規則，基本上就可以得到需要的動作。而且重複使用性高，但可以花費較少的時間得到不錯的結果。 我們的目標在於程式自動模擬蜘蛛網與蜘蛛在蜘蛛網上的行走模式。而動機可以分成兩種，第一是藉由程式模擬蜘蛛的行為。如此，就可以讓一般人藉由虛擬的方式就可以觀察蜘蛛的行為與蜘蛛網的構成，不需到野外捕抓蜘蛛也不會破壞生態。能藉由模擬系統來讓一般人了解蜘蛛結網的行為以及結網的規則和特性；另外使用者可以和虛擬蜘蛛互動，決定蜘蛛在蜘蛛網上行走的終點，藉以觀察蜘蛛在蜘蛛網上的步行達到育教娛樂的效果。第二點是在動畫特效娛樂上的呈現。提供出一個基本的架構給想要做出蜘蛛網或是蜘蛛爬行運動的場景或效果，不需再從頭開始，直接利用此程式即可產生出雛型再加以修飾就可以呈現出蜘蛛網的效果及蜘蛛爬行的動畫。為使用者提供基礎，提升動畫製作的效率及便利性。實做的部分，藉由少量的參數得到變化多端的蜘蛛網以及模擬蜘蛛的行走運動，所使用的方法是利用程式自動產生蜘蛛網與規劃蜘蛛在蜘蛛網上行走的路徑，再利用抓取動作關鍵格用內插法產生腳步之間的動作。本論文所描述之系統的目標有兩個；第一點是藉由使用者指定蜘蛛網的外框讓程式自動產生虛擬蜘蛛網的架構。圖一是擷取自我們的程式自動產生的結果，其中最粗的線段代表的就是外框，輻射絲和螺旋絲的部分就由程式依據給定的規則，自動產生。第二點是模擬蜘蛛在蜘蛛網上的行走運動規劃，其行走的環境也就是之前第一點產生的虛擬蜘蛛網。 在第二單元會簡單介紹過去相關研究，其中包括多腳機器人和模擬蜘蛛網的部分；第三單元會提到關於蜘蛛網的建構規則以及虛擬蜘蛛機器人的身體構造定義；第四、五單元會探討蜘蛛網建構以及蜘蛛步行產生的演算法，第六單元討論實做方法及實驗結果，第七單元是未來發展與結論。 相關研究 關於蜘蛛網的模擬已經有人[1]作出蜘蛛結網歸納出一般性的規則，但是它所用的方法是先給予一些建造網子的規則以及一些變數，再利用基因演算法(Genetic Algorithm)和評估蜘蛛網的真似程度的評估程式來調整衍生出的蜘蛛網。而我們的目標也以他們歸納出來的蜘蛛網架構為主要參考原則來建立蜘蛛網。但是我們不同於[1]的地方，在於我們的蜘蛛網產生出來之後必須成為蜘蛛機器人行走的環境。他們的結果是最終產生的蜘蛛網要用來和真實世界的蜘蛛網做比較，其目標在於蜘蛛網的擬真程度。至於蜘蛛或多腳機器人步行的模擬目前已經有相當多的研究成果[2,3,4,8]，但