Флокирование (поведение) - Flocking (behavior)

Ройная стая скворцов

Стадо - это поведение, которое проявляется, когда группа птиц, называемая стайкой , собирает пищу или летит.

Компьютерное моделирование и математические модели, которые были разработаны для имитации стайного поведения птиц, также могут быть применены к «стайному» поведению других видов. В результате термин «стая» иногда применяется в информатике к другим видам, кроме птиц.

Эта статья посвящена моделированию поведения флокирования. С точки зрения разработчика математических моделей, «стайки» - это коллективное движение группы самоходных сущностей и коллективное поведение животных, проявляемое многими живыми существами, такими как птицы , рыбы , бактерии и насекомые . Это считается эмерджентным поведением, возникающим из простых правил, которым следуют отдельные люди, и не требует какой-либо центральной координации.

В природе

Есть параллели с обмелением поведения рыб, в кишащем поведении насекомых, и стадного поведением наземных животных. В зимние месяцы скворцы, как известно, собираются в огромные стаи от сотен до тысяч особей, бормоча , которые, когда они все вместе взлетают , создают большие проявления интригующих закрученных узоров в небе над наблюдателями.

Поведение флокирования было смоделировано на компьютере в 1987 году Крейгом Рейнольдсом с его программой моделирования Boids . Эта программа имитирует простых агентов (боидов), которым разрешено перемещаться в соответствии с набором основных правил. Результат сродни паствы из птиц , в школу из рыбы , или рой из насекомых .

Измерение

Измерения стая птиц проводились с помощью высокоскоростных камер, и был проведен компьютерный анализ, чтобы проверить простые правила стада, упомянутые выше. Было обнаружено, что они обычно верны в случае стайки птиц, но правило притяжения на большие расстояния (сплоченность) применяется к ближайшим 5–10 соседям стекающейся птицы и не зависит от расстояния этих соседей от птицы. Кроме того, существует анизотропия в отношении этой тенденции к сплочению, при этом большая сплоченность проявляется по отношению к соседям по бокам от птицы, а не спереди или сзади. Вероятно, это связано с тем, что поле зрения летящей птицы направлено в стороны, а не прямо вперед или назад.

Другое недавнее исследование основано на анализе видеозаписей с высокоскоростной камеры стад над Римом и использует компьютерную модель, предполагающую минимальные правила поведения.

Алгоритм

Правила

Базовые модели поведения стая регулируются тремя простыми правилами:

Разделение
Избегайте тесноты соседей (отталкивание на короткое расстояние)
Выравнивание
Держитесь ближе к среднему направлению соседей
Сплоченность
Держитесь ближе к среднему положению соседей (дальнобойное влечение)

С помощью этих трех простых правил стадо движется чрезвычайно реалистично, создавая сложные движения и взаимодействия, которые было бы чрезвычайно сложно создать в противном случае.

Варианты правил

Базовая модель была расширена несколькими различными способами с тех пор, как Рейнольдс предложил ее. Например, Delgado-Mata et al. расширил базовую модель, включив в нее эффекты страха. Обоняние использовалось для передачи эмоций между животными с помощью феромонов, смоделированных как частицы в свободном расширяющемся газе.

Хартман и Бенеш внесли в расклад дополнительную силу, которую они называют сменой руководства. Этот бычок определяет шанс птицы стать лидером и попытаться убежать.

Хемельрейк и Хильденбрандт использовали влечение, мировоззрение и избегание и расширили это с помощью ряда черт настоящих скворцов:

  • птицы летают по аэродинамике неподвижного крыла, перекатываясь при повороте (теряя подъемную силу);
  • они координируются с ограниченным количеством взаимодействующих соседей из 7 (как настоящие скворцы);
  • они стараются оставаться над местом для сна (как скворцы на рассвете), и когда им случается выходить из места для сна, они возвращаются на него, поворачиваясь; а также
  • в-четвертых, они движутся с относительной фиксированной скоростью.

Авторы показали, что особенности летного поведения, а также большой размер стаи и небольшое количество партнеров по взаимодействию были важны для создания изменчивой формы стай скворцов.

Сложность

В симуляциях флокирования нет централизованного управления; каждая птица ведет себя автономно. Другими словами, каждая птица должна решить для себя, какие стайки рассматривать в качестве среды обитания. Обычно окружающая среда определяется как круг (2D) или сфера (3D) с определенным радиусом (представляющий досягаемость).

Базовая реализация алгоритма стайки имеет сложность - каждая птица просматривает всех остальных птиц, чтобы найти тех, которые попадают в ее среду обитания.

Возможные улучшения:

  • пространственное деление бинарной решетки . Вся территория, на которой может двигаться стадо, разделена на несколько контейнеров. В каждом контейнере хранится информация о птицах, которые в нем содержатся. Каждый раз, когда птица перемещается из одного контейнера в другой, необходимо обновлять решетку.
    • Пример: 2D (3D) сетка в 2D (3D) симуляции флокирования.
    • Сложность:, k - количество окружающих бинов, которые необходимо учитывать; как раз тогда, когда в

Ли Спектор, Джон Кляйн, Крис Перри и Марк Файнштейн изучали возникновение коллективного поведения в эволюционных вычислительных системах.

Бернар Шазель доказал, что в предположении, что каждая птица регулирует свою скорость и положение относительно других птиц в пределах фиксированного радиуса, время, необходимое для достижения устойчивого состояния, является повторяющейся экспоненциальной логарифмической функцией высоты от числа птиц. Это означает, что если количество птиц достаточно велико, время конвергенции будет настолько большим, что может быть бесконечным. Этот результат применим только к сходимости к устойчивому состоянию. Например, стрелы, выпущенные в воздух на краю стаи, вызовут более быструю реакцию всего стада, чем это можно объяснить взаимодействиями с соседями, которые замедляются из-за временной задержки в центральной нервной системе птицы - от птицы до от птицы к птице.

Приложения

Подобное стае поведение у людей может возникать, когда людей привлекает общая точка фокусировки или когда они отталкиваются, как показано ниже: толпа, убегающая от звука выстрелов.

В Кельне, Германия, два биолога из Университета Лидса продемонстрировали поведение людей, похожее на стаю. Группа людей демонстрировала поведение, очень похожее на поведение стада: если 5% стада изменят направление, остальные последуют их примеру. Когда одного человека назвали хищником, а все остальные должны были его избегать, стая вела себя как косяк рыб.

Флокирование также рассматривалось как средство управления поведением беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).

Флокирование - это распространенная технология в заставках , которая нашла свое применение в анимации. Флокирование использовалось во многих фильмах для создания толпы, которая движется более реалистично. В « Возвращении Бэтмена» Тима Бертона (1992) фигурировали стекающиеся летучие мыши.

Поведение флокирования использовалось для других интересных приложений. Применен для автоматического программирования многоканальных интернет-радиостанций. Он также использовался для визуализации информации и для задач оптимизации.

Смотрите также

использованная литература

Другие источники

внешние ссылки