Разработка алгоритма процедурной анимации осьминога

Данная работа реализует практическую часть выпускной квалификационной работы по специальности "Технологии разработки компьютерных игр". Полный текст работы можно увидеть здесь.
Целью работы была разработка алгоритма процедурной анимации осьминога, имитирующей его естественное движение, с возможностью в перспективе адаптировать его для использования в видеоиграх.
В основе работы лежит проект SoftCon: Simulation and Control of Soft-Bodied Animals with Biomimetic Actuators за авторством Sehee Min и других.
Исходное описание проекта от авторов, включающее ссылки на их публикации по теме, находится в файле readme_original.
В исходном проекте была реализована физическая модель плавания осьминога, основанная на методе конечных элементов и моделировании нервных импульсов в мышцах. Для реализации целенаправленного и управляемого движения в программе используется обучение с подкреплением на основе библиотеки OpenAI Baselines.
Для решения поставленной задачи в программу были добавлены следующие модификации и улучшения:

• Два альтернативных варианта дополнительного параметра для обучения с подкреплением, включенных для решения проблемы спонтанного вращения осьминога вокруг своей оси
• Загрузка препятствий в сцену
• Базовый алгоритм обработки коллизий с использованием ограничивающих параллелепипедов
• Пользовательское управление
• Адаптация программы для более современных версий операционной системы и библиотек Для использования современных библиотек, помимо изменений в исходном коде данного проекта, был создан отдельный форк библиотеки Stable Baselines), представляющий собой комбинацию OpenAI Baselines и ее более поздней модификации hill-a/stable-baselines, адаптированную под современный Python.

Пример работы программы с добавлением препятствий и ограничивающих параллелепипедов.

Установка и запуск программы

Рекомендованная операционная система для запуска - Ubuntu 24.04

Аналогично исходной инструкции:

sudo apt-get update
sudo apt-get install build-essential cmake-curses-gui git
sudo apt-get install libeigen3-dev freeglut3-dev libtinyxml-dev libpython3-dev python3-numpy libopenmpi-dev

Скачать последнюю версию Boost по ссылке: https://www.boost.org/users/history/version_1_85_0.html
Распаковать: tar -xvf boost_1_85_0.tar.gz
Установить Boost:

sudo ./bootstrap.sh --with-python=python3
sudo ./b2 --with-python --with-filesystem --with-system install

Создание виртуального окружения:

sudo apt-get install python3.12-venv
mkdir -p ~/.venvs
python3 -m venv ~/.venvs/softcon_venv

Установка модулей Python:

~/.venvs/softcon_venv/bin/python -m pip install numpy scipy matplotlib tensorflow mpi4py OpenCV-Python gymnasium ipython

Установка более ранней версии Keras для доступа к legacy функциям:

~/.venvs/softcon_venv/bin/python -m pip install tf-keras~=2.16

Установка Stable Baselines:

sudo apt-get update && sudo apt-get install cmake zlib1g-dev
git clone https://github.com/elenastotskaya/stable-baselines.git
cd stable-baselines
~/.venvs/softcon_venv/bin/python -m pip install -e .

Установка проекта:

cd ..
git clone https://github.com/elenastotskaya/octopus-animation.git

Сборка:

cd octopus-animation
mkdir build
cd build 
cmake ..
make -j

Запуск демонстрационного примера:

./render/render

Для обучения или запуска обученной модели необходимо сначала активировать виртуальное окружение:

source ~/.venvs/softcon_venv/bin/activate

Запуск обученной модели:

./render/render (название_модели)

Уже обученные модели:

• Модель с ограничением на разницу высоты: train_20240426_014248_1900
• Модель с ограничением на разницу скоростей: train_20240501_011254_2550
• Модель с обоими ограничениями: train_20240504_004655_3860

Для обученных моделей реализовано управление движением:
W - поворот вверх, S - вниз, A - влево, D - вправо (в относительной системе координат осьминога)
Регулирование скорости движения в этих моделях не реализовано.

Обучение:

cd octopus-animation/learn
mpirun -np (число-потоков) python3 -m run --type=train

Добавление препятствий на сцену:

Скопировать модель в формате .obj в папку data/meshes.
В файле data/meshes/mesh_list.txt указать параметры в соответствии с примером:

box2.obj
t 0 1.5 -6.0 s 5.0 3.0 1.0 r 0.8 0.0 1.0 0.0

Первая строка - название файла модели
Вторая строка - параметры преобразований, применяемых к модели:
t - смещение, задаются значения смещения по трем координатам
r - поворот, первое число - угол поворота, следующие - ось вращения, заданная как три координаты вектора
s - масштабирование, задаются коэффициенты масштабирования по трем координатам
Все параметры опциональные и могут указываться в любом порядке (если не используется ни один параметр, оставить пустую строку перед следующим названием файла)