ボイド

OpenGLで作成されたボイドの例

ボイドは、1986年にクレイグ・レイノルズが開発した人工生命プログラムで、鳥の群れ行動やそれに関連する集団運動をシミュレートする。このテーマに関する彼の論文は、1987年にACM SIGGRAPH会議の議事録で発表された。^[1]「ボイド」という名前は、「鳥のような物体」を意味する「bird-oid object」の短縮形に由来する。^[2] レイノルズのボイドモデルは、より広い一般概念の一例であり、それ以来、この概念に基づいて多くのバリエーションが開発されてきた。青木一郎の密接に関連する研究は、レイノルズのボイド論文の5年前の1982年に発表されたため注目に値する。^[3]

単純なボイドに適用されるルール

モデルの詳細

ほとんどの人工生命シミュレーションと同様に、ボイドは創発的な行動の例です。つまり、ボイドの複雑さは、一連の単純なルールに従う個々のエージェント (この場合はボイド) の相互作用から生じます。最も単純なボイドの世界で適用されるルールは次のとおりです。

分離：近くの群れの仲間に群がらないように誘導する
配置: 地元の群れの平均的な方向へ向かって操縦する
凝集性：地元の群れの仲間の平均位置（質量の中心）に向かって移動するように誘導する

障害物の回避や目標の追求など、より複雑なルールを追加することもできます。

レイノルズが提案して以来、基本モデルはさまざまな方法で拡張されてきました。たとえば、デルガド・マタら^{[4] は}基本モデルを拡張して恐怖の影響を取り入れました。嗅覚は、自由膨張ガス内の粒子としてモデル化されたフェロモンを介して、動物間で感情を伝達するために使用されました。ハートマンとベネス^[5]は、リーダーシップの変更と呼ぶ補完的な力をアラインメントに導入しました。この舵取りは、ボイドがリーダーになり、逃げようとする可能性を定義します。

ボイドの動きは、混沌とした動き（グループを分裂させたり、乱暴な行動をとったりする）と秩序立った動きのどちらかに分類できます。群れを分裂させたり、障害物を回避した後に再集結したりするなどの予期しない行動は、突発的なものと見なすことができます。

boids フレームワークはコンピュータグラフィックスでよく使用され、鳥の群れや魚の群れ、動物の群れなどの生き物のリアルな表現を提供します。たとえば、1998 年のビデオゲーム Half-Life では、Xenのゲームの最後に表示される、ゲームファイル内で「boid」と名付けられた空飛ぶ鳥のような生き物を表現するために使用されました。

Boidsモデルは、群ロボットにおける単純な無人地上車両（UGV） ^[6]または超小型航空機（MAV）^[7]のチームの直接制御と安定化に使用できます。異種のUAV-UGVチームの安定化のために、このモデルはSaskaらによって機上の相対位置推定を使用するように適応されました。^[8]

提案当時、レイノルズのアプローチは、映画用コンピュータアニメーションで使用されていた従来の技術に比べて大きな進歩を表していた。このモデルを使用して作成された最初のアニメーションは、映画「ブレイキング・ザ・アイス」（1987年）のスタンリーとステラであり、その後、ティム・バートンの映画「バットマンリターンズ」（1992年）で、コンピューターで生成されたコウモリの群れとペンギンの軍隊がゴッサムシティの通りを行進する長編映画デビューを果たした。^[9]

ボイドモデルは他の興味深い用途にも使用されています。インターネットのマルチチャンネルラジオ局の自動プログラムに適用されています。^{[10]また、情報の視覚化}^[11]や最適化タスクにも使用されています。^[12]

生物学者リチャード・ドーキンスは2009年の著書『地球上で最大のショー：進化の証拠』の中でボイドモデルに言及している。^[13]

参照

群知能 – 分散型、自己組織化システムの集団行動
集団細胞移動
人工生命 – 研究分野
コンウェイのライフゲーム – 2次元セルオートマトン

参考文献

^ レイノルズ、クレイグ(1987)。「群れ、群れ、群れ群: 分散行動モデル」。第14 回コンピュータグラフィックスおよびインタラクティブ技術に関する年次会議の議事録。計算機協会。pp . 25–34。CiteSeerX 10.1.1.103.7187。doi : 10.1145 / 37401.37406。ISBN 978-0-89791-227-3.S2CID 546350 。
^ Banks , Alec; Vincent, Jonathan; Anyakoha, Chukwudi (2007 年 7 月) 。「粒子群最適化のレビュー。パート I: 背景と開発」。Natural Computing。6 ( 4): 467–484。CiteSeerX 10.1.1.605.5879。doi : 10.1007 /s11047-007-9049-5。S2CID 2344624 。
^ 青木一郎 (1982年8月25日). 「魚の群れ形成機構に関するシミュレーション研究」.日本水産学会誌. 48 (8): 1081–1088. doi : 10.2331/suisan.48.1081 . 2023年11月26日閲覧。
^ Delgado-Mata, Carlos; Martinez, Jesus Ibanez; Bee, Simon; Ruiz-Rodarte, Rocio; Aylett, Ruth (2007). 「仮想環境における人工的な恐怖感を伴う仮想動物の使用について」. New Generation Computing . 25 (2): 145–169. doi :10.1007/s00354-007-0009-5. S2CID 26078361.
^ Hartman, Christopher; Beneš, Bedřich (2006 年 7 月). 「自律ボイド」.コンピュータアニメーションと仮想世界. 17 (3–4): 199–206. doi :10.1002/cav.123. S2CID 15720643.
^ Min, Hongkyu; Wang, Zhidong (2011).分散自律移動ロボットのグループ脱出行動の設計と分析。IEEE 国際ロボティクス・オートメーション会議 (ICRA)。doi :10.1109/ICRA.2011.5980123。
^ Saska, Martin; Jan, Vakula; Libor, Preucil (2014).視覚的な相対位置推定下で安定化されたマイクロ航空機の群れ。IEEE 国際ロボティクス・オートメーション会議 (ICRA). doi :10.1109/ICRA.2014.6907374.
^ Saska, Martin; Vojtech, Vonasek; Tomas, Krajnik; Libor, Preucil (2012). Coordination and Navigation of Heterogeneous UAVs-UGVs Teams Localized by a Hawk-Eye Approach (PDF) . IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). 2017年8月10日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2019年8月11日閲覧。
^ Lebar Bajec, Iztok; Heppner, Frank H. (2009). 「鳥の組織化された飛行」(PDF) .動物行動. 78 (4): 777–789. doi :10.1016/j.anbehav.2009.07.007. S2CID 53180059.
^ Ibáñez, Jesús; Gómez-Skarmeta, Antonio F.; Blat, Josep (2003). 「DJ-boids: マルチチャンネルラジオ局プログラミングとして の出現する集団行動」第 8 回国際インテリジェントユーザーインターフェイス会議の議事録。pp. 248–250。doi :10.1145/604045.604089。
^ Moere , AV (2004). 「情報群集ボイドを使用した時間変動データの視覚化」。IEEE情報視覚化シンポジウム議事録。pp . 97–104。CiteSeerX 10.1.1.208.7409。doi :10.1109/INFVIS.2004.65。
^ Cui, Zhihua; Shi, Zhongzhi (2009). 「ボイド粒子群最適化」.国際イノベーティブコンピューティングおよびアプリケーションジャーナル. 2 (2): 77–85. doi :10.1504/IJICA.2009.031778.
^ リチャード・ドーキンス（2009年）『地球上で最も偉大なショー：進化の証拠』フリープレス、219～220頁。ISBN 978-1-61664-829-9。

外部リンク

クレイグ・レイノルズのボイドページ
「Boids デモリール」 1986 年から 1987 年にかけての初期モーションテスト。
「スタンリーとステラ：ブレイキング・ザ・アイス」1987年。インターネットアーカイブにて（2023年にリマスター、最高品質。YouTubeでも視聴可能。）
疑似コードによるアルゴリズムの説明
JavaScript実装
Phaser Framework を使用した JavaScript 実装
BBC の自然史ユニットが使用する OpenGL を使用した 3D ボイドシミュレーション
Unity3D での鳥の群れ行動のライブブラウザ内 3D シミュレーション - Windows、Linux、Mac 向けのオープンソース実装
OpenGL とシミュレーションコントロールを使用した C++ による UNIX+Windows オープンソース実装
javafx API を使用した Java 実装
GLSchool - XScreenSaverソフトウェアの一部

[1] レイノルズ、クレイグ(1987)。「群れ、群れ、群れ群: 分散行動モデル」。第14 回コンピュータグラフィックスおよびインタラクティブ技術に関する年次会議の議事録。計算機協会。pp . 25–34。CiteSeerX 10.1.1.103.7187。doi : 10.1145 / 37401.37406。ISBN 978-0-89791-227-3.S2CID 546350 。

[2] ^ Banks , Alec; Vincent, Jonathan; Anyakoha, Chukwudi (2007 年 7 月) 。「粒子群最適化のレビュー。パート I: 背景と開発」。Natural Computing。6 ( 4): 467–484。CiteSeerX 10.1.1.605.5879。doi : 10.1007 /s11047-007-9049-5。S2CID 2344624 。

[3] 青木一郎 (1982年8月25日). 「魚の群れ形成機構に関するシミュレーション研究」.日本水産学会誌. 48 (8): 1081–1088. doi : 10.2331/suisan.48.1081 . 2023年11月26日閲覧。

[4] Delgado-Mata, Carlos; Martinez, Jesus Ibanez; Bee, Simon; Ruiz-Rodarte, Rocio; Aylett, Ruth (2007). 「仮想環境における人工的な恐怖感を伴う仮想動物の使用について」. New Generation Computing . 25 (2): 145–169. doi :10.1007/s00354-007-0009-5. S2CID 26078361.

[5] Hartman, Christopher; Beneš, Bedřich (2006 年 7 月). 「自律ボイド」.コンピュータアニメーションと仮想世界. 17 (3–4): 199–206. doi :10.1002/cav.123. S2CID 15720643.

[6] Min, Hongkyu; Wang, Zhidong (2011).分散自律移動ロボットのグループ脱出行動の設計と分析。IEEE 国際ロボティクス・オートメーション会議 (ICRA)。doi :10.1109/ICRA.2011.5980123。

[7] Saska, Martin; Jan, Vakula; Libor, Preucil (2014).視覚的な相対位置推定下で安定化されたマイクロ航空機の群れ。IEEE 国際ロボティクス・オートメーション会議 (ICRA). doi :10.1109/ICRA.2014.6907374.

[8] Saska, Martin; Vojtech, Vonasek; Tomas, Krajnik; Libor, Preucil (2012). Coordination and Navigation of Heterogeneous UAVs-UGVs Teams Localized by a Hawk-Eye Approach (PDF) . IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). 2017年8月10日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2019年8月11日閲覧。

[9] Lebar Bajec, Iztok; Heppner, Frank H. (2009). 「鳥の組織化された飛行」(PDF) .動物行動. 78 (4): 777–789. doi :10.1016/j.anbehav.2009.07.007. S2CID 53180059.

[10] ^ Ibáñez, Jesús; Gómez-Skarmeta, Antonio F.; Blat, Josep (2003). 「DJ-boids: マルチチャンネルラジオ局プログラミングとして の出現する集団行動」第 8 回国際インテリジェントユーザーインターフェイス会議の議事録。pp. 248–250。doi :10.1145/604045.604089。

[11] ^ Moere , AV (2004). 「情報群集ボイドを使用した時間変動データの視覚化」。IEEE情報視覚化シンポジウム議事録。pp . 97–104。CiteSeerX 10.1.1.208.7409。doi :10.1109/INFVIS.2004.65。

[12] Cui, Zhihua; Shi, Zhongzhi (2009). 「ボイド粒子群最適化」.国際イノベーティブコンピューティングおよびアプリケーションジャーナル. 2 (2): 77–85. doi :10.1504/IJICA.2009.031778.

[13] リチャード・ドーキンス（2009年）『地球上で最も偉大なショー：進化の証拠』フリープレス、219～220頁。ISBN 978-1-61664-829-9。