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在虚拟骑乘系统中模拟骑自行车者行为的计算机模型

发表时间：2020/6/4 来源：《文化时代》2020年3期作者：高尔建郑清才张敬尧

[导读] 人们对电脑游戏中虚拟人物的逼真度的要求越来越高。在本文中，我们建立了一个计算机模型来模拟一个人虚拟骑车的行为。为了提高人虚拟骑车系统的真实感，提出了一种计算人骑车速度的方法。该方法引入了体力的性质，根据骑自行车者体力与骑自行车速度的关系实时计算骑自行车的速度。并在此基础上，设计了虚拟骑车者的各种行为，并构建了虚拟骑车人的行为的行为树。在此基础上，开发了虚拟骑行系统。实验结果表明，该系统可以模拟虚拟

华北理工大学人工智能学院河北唐山 063200
        摘要：人们对电脑游戏中虚拟人物的逼真度的要求越来越高。在本文中，我们建立了一个计算机模型来模拟一个人虚拟骑车的行为。为了提高人虚拟骑车系统的真实感，提出了一种计算人骑车速度的方法。该方法引入了体力的性质，根据骑自行车者体力与骑自行车速度的关系实时计算骑自行车的速度。并在此基础上，设计了虚拟骑车者的各种行为，并构建了虚拟骑车人的行为的行为树。在此基础上，开发了虚拟骑行系统。实验结果表明，该系统可以模拟虚拟自行车骑行者的行为，从而鼓励人们在固定的自行车上锻炼。
        关键词：虚拟的自行车骑手；行为树；仿真系统；电脑游戏


自行车骑行在世界各地都有广泛的基础。它的参与者可能是年轻人和老年人，活动类型包括通勤、休闲、旅游和体育竞赛等。但自行车运动受到天气因素的制约，自行车运动成绩受主观和客观因素的影响。虚拟现实技术和人机交互技术使体育运动可以在计算机上进行。随着社会和科技的发展，电脑游戏逐渐成为娱乐的重要组成部分。游戏产业融合了计算机硬件、软件、网络技术等多种元素和多种文化艺术。本文的虚拟骑术系统也提供了一个单人训练模型，并增加了虚拟对手来解决单人训练的单调乏味，从而让人们体验骑术游戏的乐趣。由计算机生成的虚拟骑手将在比赛开始时自动骑行。因此，改进虚拟骑手的设计，提高其行为的真实性是至关重要的。
        目前，国内外对虚拟人物的研究日趋多样化。越来越多的技术和方法被开发人员使用，例如树状或图表的搜索算法、A*算法、碰撞检测算法、Unity3D和cocos2d-x开发引擎。在《神偷4》中，每个虚拟角色都可以通过听到声音来确定敌人的位置，根据光线的强度调整视觉，并对敌人使用分级报警技术。
        本文建立了一个计算机模型来模拟虚拟骑车人在虚拟骑车人系统中的行为。针对虚拟骑车人的实际骑行行为，提出了一种虚拟骑车人骑行速度的计算方法，并采用行为树状系统设计了虚拟骑车人的决策行为。该方法考虑了影响虚拟骑车人的各种骑行因素，如环境因素对物理能量消耗和回收的影响、剩余物理能量、虚拟骑车人的排名以及到目前为止骑行的距离等。
        虚拟骑手的速度计算模型
        根据牛顿第二定律，通过分析骑手的受力来计算骑手的加速度，并实时改变骑手的骑行速度。骑车人的速度变化会影响骑车人的骑行能力，影响物理能量消耗的速度。对虚拟骑手来说，两个主要的阻力来源是空气阻力Fw和攀登阻力Fb。据统计，90%的能量是用来克服空气阻力的速度为40公里/小时。风阻计算公式如下：

        其中C为空气阻力系数；ρ是空气密度；S是物体迎风面积，V是物体与空气的相对速度。在系统运行中，每一帧都要进行速度和加速度的计算。

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每秒有60帧，所以虚拟骑手的速度看起来是连续的。
        虚拟骑车人系统必须根据环境、骑车人自身的条件以及虚拟骑车人之间的相互作用来实现虚拟骑车人的功能。虚拟骑手根据当前环境调整自己的骑行行为，并在一定条件下进行加速或减速。他们的体力值也是调整速度的一个重要参数。虚拟骑手将根据剩余的体力来决定何时减速，何时停下来补充体力。
        根据虚拟骑手功能的描述，行为树的思想是感知骑行时的环境，分析当前状态的功能，并提供相应的反馈。首先，必须给予骑行者感知，在感知范围内观察其他骑行者，在环境变化时根据当前环境调整骑行速度。当与其他骑手追逐时，骑手可以根据自己的性格改变自己的追逐策略。如果没有其他车手出现在该地区，那么将根据当前赛道的形状创建一些骑行速度的策略。
        虚拟骑手骑行速度计算公式中各参数的设计是以职业自行车比赛中运动员的骑行速度为基础的。虚拟骑手的速度接近于职业运动员的速度，通过微调整公式中的影响参数，最终得到一个有效的公式。在我们的系统中，一个完整的室内体育场的跑道大约需要5分钟。室外跑道可以绕西湖一圈，也可以在岛上找到。室外跑道可以绕西湖一圈，也可以在岛上找到。在室外赛场，选手们喝能量饮料来补充水分和能量。在实验的户外场景中，沿着路线放置水点，虚拟骑行者到达水点后补充体力。
        用户必须手动选择游戏地图，虚拟骑手的难度和虚拟骑手的人数。本软件竞争对手人数上限为8人；因此，虚拟骑手的数量被选择在1-7的范围内。当用户选择finish时，点击确认直接跳转到相应的虚拟轨迹，完成单人训练模式。
        结论：
        本文建立了一个计算机模型来模拟自行车骑乘者在虚拟骑乘系统中的行为。在设计模型时，根据实际情况对骑乘者的受力进行了分析。根据牛顿第二定律，可以得到骑手的速度和加速度。在热指数的基础上，建立了骑车人的物理模型。骑乘速度、骑乘长度和环境因素对体力消耗有影响。体力会影响车手的最大和平均骑行速度。其他外部因素，如车手排名和骑行距离，也会影响骑行速度。在本研究中，我们考虑了环境温度、湿度、等级和骑行距离。基于这些因素，我们提出了虚拟骑车人的物理模型和速度计算模型，并设计了虚拟骑车人的行为树来模拟骑车人的行为。在未来的工作中，可以考虑其他几个因素，如天气条件、背光和环境噪声，使虚拟骑手模型更像一个真实的骑手。

        参考文献：
        [1]《自行车运动虚拟环境研究》Yang Haitao
        [2]《使用选定的可视化方法对体育赛事进行历史分析的可能性》V.Ba?ík and M.Klobu?ník
        [3]《不同环境温度和不同活动强度下人体汗液调节机制的研究》Qiu Man