Boids 2.1 – コード説明

1 概要
2 分離のアルゴリズム
- 2.1 視野
- 2.2 回避動作
3 コード内容

概要

Boids 2.1では、いよいよBoidsのルールの一つ「分離(Separation)」を導入する。分離行動の考え方は、ここでは以下の通りとした。

視野内に個体が存在するとき、最も距離が近い個体を選択する
その直近個体と反対方向に、自身の進行方向を変化させる

分離のアルゴリズム

視野

個体は自身の進行方向の左右90度以内、180度の視野角を持ち、その視野角内で一定距離以内の個体に反応するものとする。

視野内外の判定の概念は下図の通りで、個体Pは視野内と判定され、個体Qは視野外として無視される。

boids2x_perspective

視野内外判定の手順は以下の通り。

前後判定の方法により、視野角内の個体があればそれを選定
その個体について $\overline{\rm SP}} \leqq l$ ならば次へ進む
その個体が最も近いなら入れ替え

回避動作

回避対象が自身の進路の右にいるなら左に、進路の左にいるなら右に、方向ベクトルの角度を変更する。進路変更の角度は予め設定しておく。

boids2x_separation_avoidance

回避動作の手順は以下の通り。

左右判定の方法により、回避対象が進行方向の左右どちらにあるかを判定
回避対象が進行方向の左にあるなら右へ、右にあるなら左へ方向を少し変化させる。

ここで方向ベクトルの変化量θは予め設定しておき、これに対応するcos、sinによる回転行列を適用して方向を変える。cos、sinの値は、できるだけ計算量が少なくなるようにする。

コード内容

初期パラメータ定義

HTMLで定義する初期パラメータに、分離に関する以下の変数を追加する。

分離に関する視野の深さ(BD21_VIEW_FIELD_LENGTH)
回避行動の進行方向の変化(BD21_SEPARATION_ANGLE)

  <script>
  //<![CDATA[
  BD21_V_MAX = 100;
  BD21_CREATURE_SIZE = 10;
  BD21_WALL_DETECTION_LENGTH = 100;
  BD21_WALL_REPULSION_PARAM = 16;
  // Boids 2.1で追加：視野の深さ
  BD21_VIEW_FIELD_LENGTH = 100;
  // Boids 2.1で追加：分離行動の速度の向きを変更する角
  BD21_SEPARATION_ANGLE = 10 * Math.PI / 180;
  BD21_INTERVAL_SEC = 0.05;
  //]]>
  </script>

//<![CDATA[

BD21_V_MAX = 100;

BD21_CREATURE_SIZE = 10;

BD21_WALL_DETECTION_LENGTH = 100;

BD21_WALL_REPULSION_PARAM = 16;

// Boids 2.1で追加：視野の深さ

BD21_VIEW_FIELD_LENGTH = 100;

// Boids 2.1で追加：分離行動の速度の向きを変更する角

BD21_SEPARATION_ANGLE = 10 * Math.PI / 180;

BD21_INTERVAL_SEC = 0.05;

//]]>

</script>

クラス変数

初期パラメータの保存のため、Creatureクラスのクラス変数を追加する。

  class Creature extends taustation_geom2d.MovingAgent
    # private ｓtaticなクラス・プロパティ
    # 最大速度
    @_vMax: 100
    # 描画の基本となるサイズ
    @_drawSize: 8
    # 壁の衝突回避を認識する距離
    @_wallDetectionLength:  100
    # 反発力パラメータ
    @_wallRepulsionParam: 4
    # 視野の長さ(奥行)
    @_viewFieldLength: 100
    # 分離行動の回避計算用
    @_separationAngle: 0

class Creature extends taustation_geom2d.MovingAgent

# private ｓtaticなクラス・プロパティ

# 最大速度

@_vMax: 100

# 描画の基本となるサイズ

@_drawSize: 8

# 壁の衝突回避を認識する距離

@_wallDetectionLength: 100

# 反発力パラメータ

@_wallRepulsionParam: 4

# 視野の長さ(奥行)

@_viewFieldLength: 100

# 分離行動の回避計算用

@_separationAngle: 0

パラメータのセッター

Controlerクラスに、Creatureクラス変数へのセッターを定義する。

  class Controler

    .....

    # 定数として扱うクラス変数を設定するメソッド群
    setVMax: (vMax) -> Creature._vMax = vMax
    setCreatureSize: (size) -> Creature._drawSize = size
    setWallDetectionLength: (pix) -> Creature._wallDetectionLength =  pix
    setWallRepulsionParam: (param) -> Creature._wallRepulsionParam = param
    setViewFieldLength: (length) -> Creature._viewFieldLength = length
    setSeparationAngle: (angle) -> Creature._separationAngle = angle
    setIntervalSec: (@interval_sec) ->

class Controler

.....

# 定数として扱うクラス変数を設定するメソッド群

setVMax: (vMax) -> Creature._vMax = vMax

setCreatureSize: (size) -> Creature._drawSize = size

setWallDetectionLength: (pix) -> Creature._wallDetectionLength = pix

setWallRepulsionParam: (param) -> Creature._wallRepulsionParam = param

setViewFieldLength: (length) -> Creature._viewFieldLength = length

setSeparationAngle: (angle) -> Creature._separationAngle = angle

setIntervalSec: (@interval_sec) ->

パラメータのセット

HTMLで定義されたパラメータをControlerオブジェクトのセッターによってセットする。

jQuery ($) ->
  # Controlerを作成し、canvasオブジェクトを渡す
  canvas = $("#Boids21_canvas")[0]
  controler = new Boids21.Controler(canvas)
  # 固定パラメータのセット
  # パラメータの値は、Javascript形式でHTMLに埋め込まれている想定
  controler.setVMax(BD21_V_MAX)
  controler.setCreatureSize(BD21_CREATURE_SIZE)
  controler.setWallDetectionLength(BD21_WALL_DETECTION_LENGTH)
  controler.setWallRepulsionParam(BD21_WALL_REPULSION_PARAM)
  controler.setViewFieldLength(BD21_VIEW_FIELD_LENGTH)
  controler.setSeparationAngle(BD21_SEPARATION_ANGLE)
  controler.setIntervalSec(BD21_INTERVAL_SEC)

  # Generateボタンが押されたとき、指定された個体数で群をつくる
  $("#boids21_generate").click ->
    pop = $("#boids21_population").val()
    if pop < 1
      pop = 1
      $("#boids21_population").val(pop)
    controler.generate(pop)

  # Start/Stopボタンが押されたとき、アニメーションの動作を切り替える
  $("#boids21_start_and_stop").click ->
    controler.startAndStop()

jQuery ($) ->

# Controlerを作成し、canvasオブジェクトを渡す

canvas = $("#Boids21_canvas")[0]

controler = new Boids21.Controler(canvas)

# 固定パラメータのセット

# パラメータの値は、Javascript形式でHTMLに埋め込まれている想定

controler.setVMax(BD21_V_MAX)

controler.setCreatureSize(BD21_CREATURE_SIZE)

controler.setWallDetectionLength(BD21_WALL_DETECTION_LENGTH)

controler.setWallRepulsionParam(BD21_WALL_REPULSION_PARAM)

controler.setViewFieldLength(BD21_VIEW_FIELD_LENGTH)

controler.setSeparationAngle(BD21_SEPARATION_ANGLE)

controler.setIntervalSec(BD21_INTERVAL_SEC)

# Generateボタンが押されたとき、指定された個体数で群をつくる

$("#boids21_generate").click ->

pop = $("#boids21_population").val()

if pop < 1

pop = 1

$("#boids21_population").val(pop)

controler.generate(pop)

# Start/Stopボタンが押されたとき、アニメーションの動作を切り替える

$("#boids21_start_and_stop").click ->

controler.startAndStop()

Ceatureクラスの変更 – separation()メソッドの追加

Creatureクラスのmove()メソッドがseparation()メソッドを呼び出すようにする。

  class Creature extends MovingAgent

    .....

    move: (interval_sec) ->
      # 壁を避ける
      @wallAvoidance()

      # 分離行動(separation)
      @separation()

      .....

class Creature extends MovingAgent

.....

move: (interval_sec) ->

# 壁を避ける

@wallAvoidance()

# 分離行動(separation)

@separation()

.....

separation()メソッドを新たに定義する。

速度の方向を変化させる回転行列のcos、sinに対応したローカル変数cs、snを定義している
最も近い個体への参照がnearestCreatureプロパティに保存されるが、視野内に個体が存在しないときはnullとなる
速度の回転方向は、右がマイナス方向、左がプラス方向となることに注意

    # Boids2.1
    # 分離行動(separation)
    # 前方視角180度内で一定距離内の視野の中で、最も近い個体を避ける
    # 相手方の速度の向きには関係なく、相手側と反対方向に速度の向きをを少し変更する。
    separation: ->
      # 回避行動の方向転換計算用cos/sin
      cs = Math.cos(Creature._separationAngle)
      sn = Math.sin(Creature._separationAngle)
      # 自身に最も近い個体
      @nearestCreature = null

      # 自分以外の群のすべての個体についてサーチ
      for other in @cluster.creatures
        if other != this
          # その個体が自分の前方にいるなら
          if other.isInFrontOf(this)
            d = Vector.distance(this.pos, other.pos)
            # その個体が視野の中にいるなら
            if d <= Creature._viewFieldLength
              # 既に個体がセットされていて、今回の個体の方が近ければ入れ替え
              # 最初に認識した個体ならそのままセット
              if @nearestCreature?
                if d <= Vector.distance(@nearestCreature.pos, this.pos)
                  @nearestCreature = other
              else
                @nearestCreature = other
      # 近くの個体が視野内に存在するなら回避計算
      if @nearestCreature?
        # 相手が自分の右にいるなら左へ、自分の左にいるなら右へ向きを変更
        if @nearestCreature.isOnTheRightOf(this)
          vx = @v.x * cs - @v.y * sn
          vy = @v.x * sn + @v.y * cs
        else
          vx =  @v.x * cs + @v.y * sn
          vy = -@v.x * sn + @v.y * cs
        @v.x = vx
        @v.y = vy

# Boids2.1

# 分離行動(separation)

# 前方視角180度内で一定距離内の視野の中で、最も近い個体を避ける

# 相手方の速度の向きには関係なく、相手側と反対方向に速度の向きをを少し変更する。

separation: ->

# 回避行動の方向転換計算用cos/sin

cs = Math.cos(Creature._separationAngle)

sn = Math.sin(Creature._separationAngle)

# 自身に最も近い個体

@nearestCreature = null

# 自分以外の群のすべての個体についてサーチ

for other in @cluster.creatures

if other != this

# その個体が自分の前方にいるなら

if other.isInFrontOf(this)

d = Vector.distance(this.pos, other.pos)

# その個体が視野の中にいるなら

if d <= Creature._viewFieldLength

# 既に個体がセットされていて、今回の個体の方が近ければ入れ替え

# 最初に認識した個体ならそのままセット

if @nearestCreature?

if d <= Vector.distance(@nearestCreature.pos, this.pos)

@nearestCreature = other

else

@nearestCreature = other

# 近くの個体が視野内に存在するなら回避計算

if @nearestCreature?

# 相手が自分の右にいるなら左へ、自分の左にいるなら右へ向きを変更

if @nearestCreature.isOnTheRightOf(this)

vx = @v.x * cs - @v.y * sn

vy = @v.x * sn + @v.y * cs

else

vx = @v.x * cs + @v.y * sn

vy = -@v.x * sn + @v.y * cs

@v.x = vx

@v.y = vy

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Boids 2.1 – コード説明

概要

分離のアルゴリズム

視野

回避動作

コード内容

初期パラメータ定義

クラス変数

パラメータのセッター

パラメータのセット

Ceatureクラスの変更 – separation()メソッドの追加

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概要

分離のアルゴリズム

視野

回避動作

コード内容

初期パラメータ定義

クラス変数

パラメータのセッター

パラメータのセット

Ceatureクラスの変更 – separation()メソッドの追加

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