Ambientes virtuais povoados com simulação eficiente de detecção de colisões e planeamento de trajectos em navegação realmente 3D

• Author(s): Deusdado, Leonel
• Date: 2008
• Persistent ID: http://hdl.handle.net/10198/1209
• Origin: Biblioteca Digital do IPB
• Subject(s): Ambientes virtuais; Computação gráfica
• Document Type: Doctoral thesis
• Language: Portuguese
• Contributor(s): Biblioteca Digital do IPB

Description

Tese Phd - Área Computação Gráfica e Inteligencia Artificial

A tecnologia de produção de ambientes virtuais tem vindo cada vez mais a ser utilizada em projectos de animação, desenho e avaliação em diversas áreas. Mundos virtuais com níveis de detalhe consideráveis estão a começar a emergir em toda a parte, desde largas áreas das actuais cidades até ambientes virtuais interiores mais específicos e detalhados (edifícios habitacionais, estádios, estruturas industriais, reconstruções arqueológicas, etc). No entanto, melhorar a aparência visual destes edifícios virtuais já não é suficiente. Com o propósito de proporcionar novas condições de simulação a aplicações tais como o planeamento urbano, simulações comportamentais e de fluxo de pedestres, entretenimento, etc, é necessário o povoamento destes ambientes. Povoar estes mundos simulando a presença de vida, adiciona um toque extra à visualização e realismo, mas infelizmente traz também carga adicional ao sistema. Uma das lacunas da pesquisa nesta área é a representação eficiente de ambientes densamente povoados, com simulação de navegação autónoma realmente tridimensional das personagens, enquadradas em modelos ou cenários arbitrários. Diversas condições e áreas de actuação são necessárias quando pretendemos simular a presença humana (através de personagens sintéticas animadas) nestas circunstâncias, tais como a detecção de colisões, planeamento de trajectos, algoritmos comportamentais, rendering dinâmico da geometria, entre outros. Nesta tese, é publicado um método transversal de modo a exibir e consolidar comportamentos autónomos de multidões virtuais em ambientes reais de animação. O sistema tem a capacidade de incluir um grande número de personagens lidando com mundos 3D arbitrariamente complexos, não requerendo qualquer conhecimento prévio da geometria, e proporcionando navegação em tempo real, autónoma, e tridimensional. Inicialmente, é apresentado um método de detecção de colisões usando técnicas conservadoras, capaz de comportar milhares de avatares e lidar com cenas 3D de grandes dimensões e complexidade, não necessitando de qualquer informação ou conhecimento prévio do modelo. Este método demonstrou ser um mecanismo eficiente e escalável de detecção de colisões entre os agentes e o ambiente 3D. Recorrendo a um mapeamento e extracção de dados automático a partir do modelo inicial, fornece a detecção de colisões e a interacção entre os próprios agentes virtuais, e os agentes virtuais e o ambiente que os rodeia. Este método mostrou-se apropriado como base de implementação posterior de algoritmos de planeamento de percursos e outros algoritmos comportamentais, onde o avatar incorporará procedimentos de mais alto-nível. Para projectos de desenho, simulação e testes de facilidades de navegação em locais públicos, é importante prever as principais rotas ou fluxos a serem usados. Uma segunda aproximação apresentada, consiste em decompor a cena 3D em partições multi-nível (para navegação em ambientes 3D, principalmente em interiores de edifícios) criando um sistema que possa usar este tipo de catalogação como informação relevante de modo a planear rotas de acordo com as deslocações em várias alturas. A outro nível, o objectivo foi também testar a base de navegação criada, desenvolvendo mecanismos de implementação de novos e naturais comportamentos associados à navegação das personagens virtuais, lidando com várias variáveis de interacção, permitindo um comportamento mais realista e de reacção entre estes e o ambiente virtual. Em resumo, foram definidos sistemas de condições, regras e propriedades capazes de produzir comportamentos mais naturais e autónomos em personagens virtuais representativos da conduta humana. Virtual environment technology has been increasingly used for animation projects, design and evaluation in several areas. Virtual worlds, with considerable levels of detail, are starting to emerge everywhere, from large areas of actual cities to detailed and complex virtual indoor environments (buildings, stadiums, industrials structures, archaeological reconstructions, etc). However, improving the visual appearance of these virtual buildings is not enough anymore. In order to provide applications with new simulation conditions such as urban planning, behaviour and flow of pedestrian’s simulation, entertainment, etc, requires the populating of these virtual environments. Populating these worlds to simulate the presence of life, adds an extra touch to the visualization and credibility, but unfortunately it also brings an extra burden to the system. One of the issues of the research in this area is the representation of a densely crowded environment, simulating autonomous and real three-dimensional navigation to the virtual characters in arbitrary three-dimensional models or scenarios. Several steps are required when we need simulate the human presence (by synthetic animated characters) in these circumstances, such as collision detection, path planning/finding, behavioural algorithms, dynamic rendering of geometry, amongst others. In this thesis, a transversal approach is presented to demonstrate and consolidate autonomous virtual crowd behaviours in realistic animation environments. The system is able to include a large number of characters dealing with arbitrarily complex 3D worlds, not requiring any prior knowledge of the geometry, and providing real-time navigation, autonomous, and really three-dimensional. Initially, a method for efficient and scalable conservative collision detection is presented, that is able to deal with large and complex 3D scenes with thousands of avatars, not requiring any prior knowledge of model. This method demonstrated to be a fast, efficient and scalable collision detection process between virtual agents and the 3D environment. Using an automatic data extraction and mapping process from the initial graphical model, it provides collisions detection and interaction between virtual agents, as well as virtual agents and the environment that encircles them. This method proved to be appropriate as a basis for further implementation of path planning/finding algorithms and other behaviours algorithms. For design projects, simulation and the study of crowd behaviour facilities in public places, it is however important to be able to predict heavily used routes or peak flows. The second approach presented, consists in decomposing the 3D scene in multi-level sub-divisions (for navigation in 3D environments such as indoor building) creating a system that can use this type of cataloguing as relevant information to planning and finding routes, according to the movements at the various levels of heights. At another level, the goal was testing the base of navigation, developing mechanisms for new and natural behaviour implementations associated with virtual characters navigation, dealing with some interaction variables, representing a more realistic react/interact behaviour. In summary, autonomous conditions systems, rules and properties were defined, that are capable to produce behaviours representative of human condition.

Uminho, IPB