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一、引言
正式开始之前，我们先来搞懂一下究竟什么叫Flocking算法？
Flocking algorithm 国内一般称为蜂拥算法，由许多离散的动物形成，但群体整体上是流动的，这是个体行为的综合结果。
典型的自然现象包括：蜂群、鸟群、鱼群、兽群等，这些动物聚集的现象（包括人类）可以帮助生物更好的躲避天敌、迁徙、获取食物......
下面放几张图片：
野兽迁徙
狼群捕食
蜂群制造蜂蜜
大雁南飞
鱼群移动
二、发展
1987 年 7 月，Craig Reynolds这位老先生率先提出了经典的Flocking模型，该模型要求群体行为满足三个规则：
-
聚合：独立的个体逐渐加入到群体
-
速度匹配：个体与群体的航向保持一致，不要脱离
-
分离：避免群体内的个体相互碰撞
三、鱼群
下面主要在Unity3D中，实现一个简易的鱼群模拟，实现了生成鱼群、聚合鱼群、速度匹配、捕食、分离等功能模块，下面来介绍一下。
1.组件
为了，更好的管理鱼群，我们在脚本中定义了一个组件。
-
[
Header("Fish Setting")]
//控制面板
-
[
Range(0.0f,5.0f)]
-
public
float min;
//速度最小值
-
[
Range(0.0f, 5.0f)]
-
public
float max;
//速度最小值
-
[
Range(1.0f, 10.0f)]
-
public
float neighborDistance;
//聚合的距离
-
[
Range(0.0f, 5.0f)]
-
public
float RotationSpeed;
//转速
2.生成鱼群
在脚本Create里面要定义一个范围，让数组里面的鱼群在这个范围内生成、移动。
-
public GameObject prefab1;
//🐟种类1
-
public GameObject prefab2;
//🐟种类2
-
public
int fishnum=
50;
//初始化🐟数量
-
public GameObject[] fish;
//数组存储
-
public
Vector3
swimlimt
=
new
Vector3(
5,
5,
5);
//边界10*10*10
生成的话，我们采取随机生成，范围还是固定在边界范围内部。
-
public void Start()
-
{
-
fish =
new GameObject[fishnum];
-
for(
int i=
0;i<fishnum;i++)
-
{
-
Vector3 pos =
this.transform.position +
new Vector3(Random.Range(-swimlimt.x,swimlimt.x),
-
Random.Range(
0, swimlimt.y),
-
Random.Range(-swimlimt.z, swimlimt.z));
-
if(i%
2==
0)
-
fish[i] = (GameObject)Instantiate(prefab1,pos,Quaternion.identity);
//克隆🐟
-
else
-
fish[i] = (GameObject)Instantiate(prefab2, pos, Quaternion.identity);
-
fish[i].GetComponent<FlockSpeed>().sp =
this;
//两个脚本间联系
-
}
-
}
3.鱼群运动
对于鱼群的移动，要在FlockSpeed脚本里面添加速度、方向。
-
private void Update()
-
{
-
speed = Random.Range(sp.min, sp.max);
//速度范围
-
this.transform.Translate(
0,
0, speed * Time.deltaTime);
//开始移动
-
}
这时候，鱼群只会朝向Z轴移动，其他的什么也完成不了，下面的步骤才是Flocking算法应用的关键。
四、聚合
聚合是Flocking算法的关键，这个算法会把鱼聚集到一起。
还记得我们之前组件定义的变量neighborDistance，这个是聚合的距离。假如两只鱼之间的距离<=neighborDistance，那么它就属于这个集群，我们要想办法把这只鱼加到集群里面来。
那如何让加入的鱼满足整体，不至于脱离呢？这时候就需要鱼群的中心位置，也叫平均位置。
对于一个鱼群来说，每一个🐟都有一个特定的位置，不可能出现两只🐟重合的情况，所以：
平均位置=鱼群位置相加的总和/鱼群的数量
红色星星就是计算的中心位置，最下面的🐟neighborDistance，但满足如果还不修正位置，它就会跑出集群了。向量都学过吧，对于一个三维的坐标，上图红色箭头的向量等于坐标：
average-desired。
所以，这只鱼需要转向中心位置，转向的时候还需要注意不要碰到别的鱼，这部分留到分离的时候细讲。
-
void
Community
()
-
{
-
GameObject[] gos=sp.fish;
-
float Distance;
-
Vector3
center
= Vector3.zero;
-
Vector3
avoid
= Vector3.zero;
-
int size=
0;
-
float goSpeed=
0.01f;
-
foreach(GameObject go in gos)
-
{
-
if(go!=
this.gameObject)
//遍历数组内除掉本身所有的鱼
-
{
-
Distance = Vector3.Distance(
this.transform.position, go.transform.position);
//相邻两条鱼距离
-
if (Distance<=sp.neighborDistance)
//满足集群规则
-
{
-
size++;
-
center+= go.transform.position;
-
-
if (Distance < limt)
//避免碰撞
-
{
-
avoid +=
this.transform.position - go.transform.position;
-
}
-
FlockSpeed
flockSpeed
= go.GetComponent<FlockSpeed>();
-
goSpeed += flockSpeed.speed;
-
}
-
}
-
}
-
if(size>
0)
-
{
-
center = center / size+(sp.goal-
this.transform.position );
//后面加上的是目标位置，朝着目标移动
-
goSpeed = goSpeed / size;
//平均速度
-
Vector3
direction
= (center + avoid) - transform.position;
-
if(direction!=Vector3.zero)
//需要转向
-
{
-
transform.rotation = Quaternion.Slerp(transform.rotation, Quaternion.LookRotation(direction), sp.RotationSpeed * Time.deltaTime);
//from to 平滑旋转 Quaternion.LookRotation注视旋转
-
}
-
}
-
}
五、速度匹配
如上图所示，每一条🐟都有一个前进的方向。我们要保障所有鱼的速度最终和虚拟领航者一致，那么，对于整个集群来说，虚拟领航者的速度是什么？
虚拟领航者的速度=总体速度和/鱼群数目
如上图所示，current heading和 average heading朝向有偏差，所以要调整方向。
调整之后，两个方向保持一致。
最后，集群内部的每条鱼要达到这样的效果。
速度匹配是goSpeed变量，代码部分也在上面的Community()函数里面了。
六、捕食
鱼群捕食的实现，首先定义一个目标，这个目标有10%的概率移动，鱼群会跟随目标移动。
-
private void Update()
-
{
-
//10%的几率更换目标
-
if(Random.Range(
0,
100)<
10)
-
goal =
this.transform.position +
new Vector3(Random.Range(-swimlimt.x, swimlimt.x),
-
Random.Range(
0, swimlimt.y),
-
Random.Range(-swimlimt.z, swimlimt.z));
-
}
为了更加清晰的看见鱼群的移动，我关闭了随机移动，手动更换目标物体的位置。可以看到，鱼群跟随目标的移动而移动。
七、分离
1.躲避🐟
为了避免鱼群内部的鱼相互碰撞，要指定一个分离的原则。
如上图所示，鱼本来要向中心位置聚合的，但由于会碰撞到其他的鱼，所以需要转向。
🐟和🐟之间的躲避变量是avoid，代码部分也在上面的Community()函数里面了。
2.躲避边界
一开始，我们定义了一个10*10*10的边界还记得吗？
为了防止鱼游动超出边界，我们要定义一个转向，让鱼即将超出边界时，掉头向着中心方向移动。
-
Bounds
b
=
new
Bounds(sp.transform.position,sp.swimlimt);
//边界的盒子
-
Vector3
direction
= Vector3.zero;
-
RaycastHit
hit
=
new
RaycastHit();
-
if (!b.Contains(transform.position))
//即将超出边界
-
{
-
turning =
true;
//开始转向
-
direction = sp.transform.position - transform.position;
//转向方向指向中心位置
-
}
-
else
-
turning =
false;
3.躲避障碍
鱼群在移动的过程中，可以会遇到障碍物、捕食者，这时候需要鱼群做出快速避障的功能。
初中的物理知识，入射角=反射角，我们需要鱼的脑子上面向前发射一条长长的射线，碰到障碍物的时候。
原本的方向等于反射的光线。
判断转向
-
if(Physics.Raycast(
this.transform.position,transform.forward*
5,
out hit))
//遇到障碍物
-
{
-
//Debug.DrawRay(this.transform.position,this.transform.forward*5,Color.red);红色射线
-
direction = Vector3.Reflect(
this.transform.forward, hit.normal);
//反射角 = 入射角 转向
-
turning =
true;
-
}
开始转向
-
if(turning)
-
{
-
this.transform.rotation = Quaternion.Slerp(transform.rotation,
-
Quaternion.LookRotation(direction), sp.RotationSpeed * Time.deltaTime);
-
}
-
else
-
{
-
Community();
//聚合函数
-
}
八、效果展示
这里gif图片太大了，放不了！！的gif图片，我特意把鱼群的目标放到了柱子里面，看看鱼会不会直直的撞向柱子？
鱼一般可以看清12m以内的物体，这里我将鱼的视野范围特意扩大了5倍。事实上，当鱼脑袋上面发射的红线，碰到海底的这个大柱子时就会发生转向。
但由于目标没有移动，所以鱼群只好围绕着柱子旋转（团队合作捕猎），直到我将目标移出柱子，鱼群才开始远离。
九、总结
Flocking算法是群居动物的合作行为，通过个体间的相互作用实现整体的目标。本文实现的只是一个简单的🐟集群模拟，仅仅是模式识别领域数据聚类的一个算法分支，转向角度、视野、领队方面还没有实现。
总之，非常感谢大家耐着性子阅读这篇长文(￣︶￣)。
【参考资料】
转载：https://blog.csdn.net/qq_53673551/article/details/127846830