高密度恐慌人群踩踏现象三维动画仿真的算法性探索

The essential of trampling in crowds is the instant release of accumulating contact forces, which are massive, complex, concurrent, and nonlinear. Building a appropriateModel to simulate the crowd trampling will be a great contribution to our national public safety. Taking the advantage of theoretical methods in differing fields, including crowd dynamics, physics, psychics, biomechanics and so on, this proposal is to explore algorithms and solutions for the scientific difficulties in crowd trampling simulation. First, we will create a computable model to descrie the conditions and evolution of trampling with the mutual information theory and wave theory. Second, an integrated microscopic model for simulating realistic responsive behavior, which is based on pedestrians' physiological, mental, physical, emotional and appearing characteristics as well as mechanism, will be built. Third, we will use a hybrid control of crowd dynamics and data driving, spatial-temporal optimization in interactive grids and the stylized method based on independent eigenspace, so as to synthesize a series of complicated motion, such as pushing, shoving, crushing, tumbling, trampling, piling up and so forth. Last of all, template derivation, heuristic LOD, GPU instantiation, together with the Information theory approach which is according to the vector fields of pedestrians' velocities and density will be utilized to optimize the rendering and camera controlling in large-scale trampling scenarios.

人群踩踏现象的本质是高密度恐慌人群中个体间大量、复杂、并发、非线性的相互接触力累积作用的瞬间释放。对其进行三维动画仿真，能为国家公共安全保障提供科学支持。本项目综合融汇人群动力学、物理学、心理学、生物力学等领域的理论方法，探索其三维动画仿真中若干科学难点问题的求解算法，包括：（1）采用互信息方法和波动理论，建立描述踩踏现象发生条件与演化规律的可计算模型；（2）基于人群个体生理、心理、物理、情绪和外观的特征与机理，建立可全面模拟其在踩踏现象中真实反应行为的微观综合模型；（3）采用动力学模拟与数据驱动结合的混合控制、基于交互网格的时空最优化和基于独立特征空间模型的风格化方法，实现人群踩踏现象中挤压、推搡、抓扶、摔倒、绊倒、踩踏、堆积等复杂动作的运动合成；（4）采用模板派生、启发式LOD和GPU实例化方法，并根据人群速度和密度矢量场采用信息论方法，优化对大规模人群踩踏场景的渲染绘制和摄像机控制。

人群踩踏现象的本质是高密度恐慌人群中个体间大量、复杂、并发、非线性的相互接触力累积作用的瞬间释放。对其进行三维动画仿真，能为国家公共安全保障提供科学支持。本项目综合融汇人群动力学、物理学、心理学、生物力学等领域的理论方法，探索了人群踩踏三维动画仿真中若干科学难点问题的求解算法，包括：（1）采用互信息方法和波动理论，初步建立了描述踩踏现象发生条件与演化规律的可计算模型；（2）基于人群个体生理、心理、物理、情绪和外观的特征与机理，初步建立了可全面模拟其在踩踏现象中真实反应行为的微观综合模型；（3）采用动力学模拟与数据驱动结合的混合控制、基于交互网格的时空最优化和基于独立特征空间模型的风格化方法，初步实现了人群踩踏现象中挤压、推搡、抓扶、摔倒、绊倒、踩踏、堆积等复杂动作的运动合成；（4）采用模板派生、启发式LOD和GPU实例化方法进行场景优化，初步实现了对大规模人群踩踏场景的渲染绘制和摄像机控制。本项目研究成果也是对人群仿真展开更深层次研究的基础，将促进人群踩踏现象研究进入一个新的、以计算机三维动画仿真技术为基础的、多学科深度交叉综合的快速发展阶段。项目执行期内发表论文18 篇，出版学术专著（译著）2部，培养硕士研究生8名（其中已毕业6人）、博士研究生4名、博士后流动人员2人。其中，发表于Comput. Graph. Forum、INFORMATION SCIENCES、NEUROCOMPUTING、PHYSICAL REVIEW E、IEEE Multimedia、Journal of Visualization and Computer Animation、J. Comput. Sci. Technol等国际重要SCI期刊论文12篇，发表于计算机研究与发展、计算机辅助设计与图形学学报、中国计算机学会通讯等国内重要学报级核心期刊论文3篇，发表于ICCV 2015、ACM Multimedia 2012、VRCAI 2014等重要国际会议论文3篇。综上所述，本项目较好地完成了预定研究目标。