人工魚

前言

　　20世紀80年代后期誕生的人工生命是當前生命科學、信息科學、系統科學及工程技術科學等學科交叉研究的熱點，也是人工智能、計算機、自動化科學技術的發(fā)展動向之一。人工生命研究具有“自然生命”特征和功能的人造系統，它的研究有三種途徑：生物科學途徑，如克隆羊；工程技術途徑，如人工魚；生物科學加工程技術途徑?；谟嬎銠C科學技術的人工生命方法是通過合成的、計算的方法去理解自然生命，彌補了傳統的生物分析方法的不足，也就是說，人工生命方法不是通過分析解剖活的生物去研究生物系統，而是嘗試著去合成行為表現像活的生物體的人工系統，其中一個重要方面是“人工動物”的合成?！　∪斯ぶ悄苷Q生，形成了計算機科學的新領域，開拓了計算機研究與發(fā)展的一些新思維、新方法。人工智能的研究目標之一就是模擬復雜的生物過程，如學習和記憶等。這些自然功能是數百萬年來生物進化的結果。現在。人們開始利用這一機理來研究人工生命。人工生命方法是用計算機或其他人工手段模擬自然生命，它結合了生物科學等領域的一些新技術、新觀點，將人工智能的研究帶入了一個嶄新的階段。人工智能領域涉及許多復雜的專業(yè)和領域，單一強調某方面都不可能達到預期目的。由于人工智能本身的特殊性，僅僅依靠傳統的計算機模式無法滿足我們的需要，所以它必須與多種學科結合，尤其是與生命科學結合，才能有所突破，解決問題?！　‰S著計算機圖形學和硬件技術的高速發(fā)展，計算機動畫近十幾年也取得了很大的發(fā)展，正逐漸滲透到我們生活的各個方面。如何在動畫中逼真地展現自然界棲息著的具有復雜運動和行為的自然生態(tài)系統的動畫，對計算機動畫創(chuàng)作者來說，是富有吸引力和挑戰(zhàn)性的難題。在一個動畫系統中，可能會有大量的動物，每個動物都表現出不同的行為。

內容概要

本書詳細介紹了“人工魚”研究的背景，目前的研究成果，以“曉媛的魚”為基礎的人工魚總體設計方案、關鍵技術、算法及動畫效果，人工魚的自繁衍理論和方法，人工魚的競爭機制和定向演化，人工魚的自規(guī)劃、自學習模型和方法，人工魚群的研究情況，人工情感在人工魚中的應用等。    本書可作為計算機圖形學、計算機動畫、虛擬現實、人工智能等領域從事教學、科研與開發(fā)的教師、研究人員的參考書，也可作為相關專業(yè)研究生和高年級本科生教材。

書籍目錄

《智能科學技術著作叢書》序前言第一章　緒論　　1.1　引言　　1.2　計算機動畫技術　　　1.2.1　關鍵幀動畫　　1.2.2　變形物體的動畫　　1.2.3　過程動畫　　1.2.4　關節(jié)動畫和人體動畫　　1.2.5　基于物理模型的動畫　　1.2.6　智能動畫　1.3　人工生命與廣義人工生命　　1.3.1　人工生命的概念　　1.3.2　人工生命的研究內容　　1.3.3　人工生命的基礎理論　　1.3.4　廣義人工生命　1.4　計算機動畫的人工生命方法　1.5　人工智能技術在計算機動畫中的應用　　1.5.1　人工智能　　1.5.2　人工智能與計算機動畫　參考文獻第二章　人工魚的研究　2.1　引言　2.2　基于行為建模的人工魚——曉媛的魚　2.3　基于認知建模的人工魚　2.4　可交互的人工魚　　2.4.1　A-Volve　　2.4.2　人工魚生態(tài)系統　　2.4.3　虛擬水族館　2.5　作者的工作　　2.5.1　人工魚的自繁衍　　2.5.2　人工魚的認知和自學習　　2.5.3　人工魚多感知系統　　2.5.4　基于記憶的人工魚認知模型　　2.5.5　魚群行為表現　　2.5.6　人工魚交互系統　　2.5.7　人工魚的情感研究　2.6　人工魚研究的科學意義　參考文獻第三章　人工魚設計方案　3.1　曉媛的魚的學術意義　　3.1.1　人工魚對計算機動畫和人工生命的影響　　3.1.2　人工魚對計算機視覺和機器人的影響　　3.1.3　人工魚在生態(tài)學方面潛在的應用　　3.1.4　其他人工動物　3.2　人工魚的總體方案設計　　3.2.1　研究目標　　3.2.2　人工動物　　3.2.3　人工動物設計目標　　3.2.4　研究成果　3.3　運動系統　　3.3.1　運動控制器　　3.3.2　肌肉運動控制器　　3.3.3　胸鰭運動控制器　3.4　人工魚的感知系統　　3.4.1　動畫的感知建?！　?.4.2　人工魚感知系統……第四章　人工魚的關鍵技術及動畫效果第五章　人工魚的自繁衍理論和方法第六章　人工魚的進化機制和方法第七章　人工魚的自規(guī)劃模型和方法第八章　人工魚的自學習方法和技術第九章　人工魚群的研究第十章　人工魚的情感研究第十一章　結論和展望

章節(jié)摘錄

　　5.4.1 人工魚遺傳操作設計　　遺傳算法是生物進化的計算模型，盡管與自然進化相比遺傳算法極為簡單，但是它抓住了進化的本質。在自然界中，物種通過進化不斷地適應復雜變化的環(huán)境。一般認為：進化過程發(fā)生在染色體結構上，而不是生物體上。物種以群體遺傳的方式實現進化適應，自然選擇使適應環(huán)境的個體生存，不適應環(huán)境的個體淘汰，這隱含著對生物體所攜帶的遺傳物質的挑選，有性生殖使兩個親代染色體上的基因在于代中混合、重組，以快速形成更好的基因組合，而偶然發(fā)生的變異有時也能改進染色體的結構。　　作為生物進化的計算模型，遺傳算法將自然選擇、遺傳和變異均看作是遺傳信息傳遞和處理的方式。這種高度理想化的模型可能會揭示出自然進化系統的本質屬性，因此，遺傳算法是研究人工生命的基礎理論之一?！　∩矬w通過各種生殖方式繁衍種族，單細胞生物通過細胞分裂來繁衍自己，多細胞生物通過無性繁殖和有性生殖來繁衍后代。無論哪種生殖方式，都是為了生命在世代間的延續(xù)，并使子代跟親代相似?！　⊥粋€品種的人工魚，其外部形態(tài)特征基本相似。第一組基因中的“種類”決定了人工魚的魚種，同一品種的人工魚這個基因值是相同的。當兩條同種的人工魚交配后，子代小魚中決定“種類”的這個基因值直接從父輩中復制，其他基因，隨機地取自雄魚或雌魚，因此小魚的表現型可能某些方面像雌魚，某些方面像雄魚。當同種人工魚進行交配時，應產生同種的小魚，主要考慮遺傳的作用。下面是我們設計的幾種遺傳操作?！　?.單點交叉遺傳操作　　在人工魚的染色體結構中，決定人工魚各種性狀的基因是由長度不同的二進制編碼組成的，我們將每一個基因看成是一個不可分割的單元，每個單元的不同取值，決定了人工魚某個性狀的不同表現，如紅色的魚或灰色的魚等。因此，在遺傳操作中，我們也將基因看成是最小的單元。在單點交叉遺傳操作中，在人工魚所組成的染色體上，隨機地選擇一個基因點（不像遺傳算法中那樣，隨機地選擇一個二進制點），互換該基因點前后雌魚和雄魚的各個基因值，生成西個新的小魚的染色體。如圖5.3 所示?！　∪斯~染色體上有21個基因。則可能有20個不同的交叉點，即每兩條人工魚通過單點交叉遺傳操作能夠產生20種特征不同的子代?！　?.兩點交叉遺傳操作　　在單點交叉遺傳操作中，在人工魚所組成的染色體上。隨機地選擇兩個基因點（不像遺傳算法中那樣，.隨機地選擇兩個二進制點），互換雌魚和雄魚在這兩個基因點之間的基因值，生成兩個新的小魚的染色體，如圖5.4所示。

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