做群集动画的人经常用到上篇blog中我刊登出来的速度算法来算计算机软件粒子的碰撞算法，不但算法简单实用，而且符合科学和实际人工智能的模拟，其实AI只是一个虚像，真正产生AI效果的重要元素就是控制粒子之间速度的交互算法，现在大量的群集软件都是基于这套算法，说到算法的创始人，就是国内顶顶大名的涂晓媛，涂晓媛获得ACM博士论文奖而成为获得该奖项的第一位女性，也是在1984年siggraph上第一次有人显示群集动画的人，比MASSIVE还要伟大，她是第一位也是迄今唯一一位获此殊荣的中国学者。

我们来看看她的伟大简历：

84届，涂晓媛，1984年至1989年在清华大学自动化系学习并获得工学学士学位。在加拿大留学期间，曾于1994年以数字媒体多项科学创新荣获加拿大多媒体和艺术学院所颁发的技术优异奖。1996年，她获得多伦多大学的博士学位，并荣获ACM博士论文奖而成为获得该奖项的第一位女性。1997年至2000年，她作为研究科学家工作于英特尔公司媒体和图形研究实验室。之后，她在美国硅谷参与创办iKuni公司，并作为首席科学家致力于先进计算机娱乐技术的研究和开发。

中国青年学者涂晓媛在1996年获国际计算学会acm最佳博士论文奖，她的获奖论文题目是“人工动物的计算机动画”(artificial animals for computer animation: biomechanics , locomotion, perception and behavior)。acm是计算机科学领域的国际性权威学术机构，颁发“图灵奖”、“最佳博士论文奖”等计算机科学技术界的高级奖励。涂晓媛是第一位也是迄今唯一一位获此殊荣的中国学者。

涂晓媛博士研究开发的新一代计算机动画“人工鱼”被学术界称之为“晓媛的鱼”（xiaoyuan's fish），被引用于在英语国家通用的数学教科书。题头图片就是教科书中的插图。

“晓媛的鱼”被许多西方国家的学术刊物广泛介绍，但在中国，却只有几家报纸简短介绍过。“晓媛的鱼”具有极高的学术价值，并且我们相信它可以为国内的计算机动画开发者提供新的思路。

为此，本刊记者专门走访了涂晓媛博士的父亲—中国人工智能学会理事长、北京科技大学涂序彦教授，就“人工鱼”的一些问题向他请教。

一、什么是“人工鱼”？它是“动画鱼”吗？

据涂教授介绍，晓媛研究开发的“人工鱼”（artificial fish）是基于生物物理和智能行为模型的计算机动画新技术，是在虚拟海洋中活动的人工鱼社会群体。请看图1。


图1 一个多彩的虚拟海底世界

“人工鱼”不同于一般的计算机“动画鱼”之处在于：“人工鱼”具有“人工生命”的特征，具有“自然鱼”的某些生命特征，如：意图、习性、感知、动作、行为等。

“人工鱼”的形态（外形、颜色、姿态）和“自然鱼”非常相似，几乎达到了“以假乱真”的程度。在一次国际会议上，晓媛演示了“人工鱼”的录像，人们看到屏幕上一群色彩美丽、活泼可爱的热带鱼，在海水中漫游，逼真的外形、生动的姿态，伴随着水流的运动，还以为是在水族馆中拍摄的真热带鱼的录像。直到晓媛把“人工鱼”的彩色消隐，变成黑白的鱼，再把“人工鱼”的肌肉剥离，剩下一群热带鱼的骨架在游泳，才确信这是计算机动画的“人工鱼”。

“人工鱼”和一般的“动画鱼”的不同之处还在于：“人工鱼”具有某些自然鱼的“活”性。

“人工鱼”有“鱼脑”、“鱼眼”，能感知其他的“人工鱼”和海底环境，有“鱼肉”、“鱼骨”、“鱼嘴”、“鱼头”、“鱼尾”、“鱼鳍”等，能产生类似于自然鱼的随意动作和行为。例如：人工鱼有性欲，当“雄鱼”看到“雌鱼”时，会产生求爱的动作，以获得配偶（请看图2）；人工鱼有饥饿感，当看到食物时，会进行扑食（请看图3）；人工鱼有学习能力，若一条鱼误吞了鱼饵，被鱼钩钩上，会进行挣扎，而其他的“人工鱼”，就会吸取教训不再上当，不去吞食带钩的鱼饵，离开钓鱼的水域；“人工鱼”有恐惧感，如果发现凶恶的鲨鱼来侵犯，都迅速散开，东奔西逃，脱离危险……


图2 雄鱼向雌鱼求爱

从计算机动画创作的观点，也可以说，“人工鱼”是新一代的计算机动画。但人工鱼具有思维、感知、行为等多层次的智能，具有饥饿感、性欲、恐惧感，具有游泳能力、进食能力、学习能力、逃避能力、避障能力、集群能力、求偶能力等多方面的习性和功能。在一般的计算机动画中，创作者需要在动画设计和程序编制中确定动画鱼的所有动作的细节，预先知道动画鱼的全部动作过程。然而，人工鱼的创作者并不去设计和规定每条鱼的动作和行为的细节，也不能预知人工鱼群中可能发生的各种具体动作和实际行为。例如，“人工鱼”的创作者虽然赋予“人工鱼”的求偶性能，但是，不必规定，也不知道，某条“雄鱼”将在什么时间、什么地点、以什么方式、对哪一条雌鱼产生求爱行为，举行求婚仪式。


图3 侵略者鲨鱼偷袭被扑食的小鱼群

二、“人工鱼”有“人工智能”吗？

涂教授很肯定地说：“人工鱼是具有人工智能的，人工鱼群体是一种典型的多智能主体（multiple intelligent agent）的分布式人工智能系统（distributive artificial intelligent system）。”

晓媛研究开发的“人工鱼”是栖息在虚拟海底世界中人工鱼群的社会，其中，每条“人工鱼”都是一个自主的智能体（autonomous intelligent agent），都可以独立地活动，也可以相互交往。每条鱼都表现出某些人工智能，如：自激发（self-animating）、自学习（self-learning）、自适应（self-adapting）等智能特性，所以会产生相应的智能行为，如：因饥饿而激发寻食、进食行为；有性欲而激发求爱行为；能学习其他鱼被鱼钩钓住的教训，而不去吞食有钩的鱼饵（请看图4）；能适应有鲨鱼的社会环境，逃避被扑食的危险等（请看图5）。人工鱼群的社会具有某些自组织（self-organizing）能力和智能集群行为。如：人工鱼群体在漫游中遇到障碍物等，会识别障碍改变队形，绕过障碍后，又重组队列，继续前进。因此，从人工智能的角度看来，“晓媛的鱼”是一种基于智能主体的分布式人工智能系统，这正是人工智能当前的研究发展动向。因此，“人工鱼”也是人工智能的研究对象之一。


图4 一条可怜的鱼被钓出水面


图5 逃散的鱼群

三、“人工鱼”是“人工生命”吗？与“多莉羊”有什么不同？

涂教授介绍说，“人工生命”（artificial life）是指具有“自然生命”特性和功能的人造系统，或者说是“人造活体”，这里，“活体”是指有生命特征的个体或群体。

“人工生命”是当前生命科学、信息科学、系统科学及工程技术科学的研究热点，也是人工智能、计算机、自动化科学技术的发展动向之一。它的研究方法和技术途径，可以分为两类：

其一是生命科学途径。如：生物化学、分子生物学、遗传学、基因工程、“克隆”技术等，用人工方法合成蛋白质，用克隆技术进行哺乳动物的无性繁殖。如：人工胰岛素、人工羊等。

其二是工程技术途径。如：仿生学、控制论、人工智能、计算机科学技术等，用电子技术、精密机械技术、计算机软、硬件技术，设计和制造出人工生命的工程技术模型，如：人工脑模型、智能进化机器人、人工动物模型、人工植物生长模型……

晓媛的“人工鱼”是由工程技术路径研究开发的“人工生命”，是基于生物物理和智能行为模型的，用计算机动画技术在屏幕上画出来的“人工鱼”，是具有自然鱼生命特征的计算机动画。而“人工羊”多莉是由生命科学途径，用基于生物化学和遗传工程的无性繁殖方法，在胚胎中生出来的“人工生命”，是自然羊的同类生物。

四、怎样创作“人工鱼”？

“人工鱼”不同于一般的“动画鱼”，它的创作方法，涂教授建议大家去参阅dr. xiaoyuan tu 关于“人工鱼”的著作，acm将出版她的专著，也可以通过internet查询晓媛的网页www.dgp.toronto.edu/people/tu/。

涂教授的个人看法是，虽然“人工鱼”是基于计算机动画技术的“人工生命”，但是，“人工鱼”的动画创作方法和技术，已经突破了传统的计算机动画的框架，是新一代的计算机动画创作方法和技术。

首先，“人工鱼”不仅有逼真于“自然鱼”的外形和彩色，而且具有类似于“自然鱼”的运动和姿态。这样，就需要研究开发一种基于“自然鱼”的生物物理和生物力学、“自然鱼”的形态学和解剖学、计算机图形学、运动学、动力学的“人工鱼”建模方法和技术。从而，使“人工鱼”在三维虚拟的海底世界中，通过肌肉和骨骼的伸缩和变形的协调控制，利用鱼鳍、鱼尾的动作和鱼体的姿态变化，以及海水及水中植物、岩石等的相互作用，在流体动力学、运动学条件下，产生各种优美的随意运动，如：前进后退、左右转身、上下翻滚、摇头摆尾……“人工鱼”不仅有运动协调控制，还有姿态协调控制。不仅和“自然鱼”静态相似，而且动态相似。

其次，“人工鱼”不仅具有“自然鱼”的形态，而且具有“自然鱼”类似的生命特性—“活性”。如：“人工鱼”有饥饿感、性欲、恐惧感等，会寻觅食物，吞咽食物；会寻求配偶，进行求爱；会发现危险，进行逃避等。为此，在“人工鱼”的创作中，需要研究开发基于自然鱼的“动物行为学”的智能行为动画模型。从而，可以使“人工鱼”具有基本行为和激发行为，如：进食、避障等条件反射行为；求偶、逃避等激发行为，以及人工鱼社会的集群行为等。

再次，“人工鱼”是具有人工智能的“灵巧鱼”，而传统的“动画鱼”是程序化的“木偶鱼”。在“人工鱼”中，有“意图发生器”（intention generator）相应于“鱼脑”，其中，具有人工鱼的某些特性参量，如：雄鱼或雌鱼，喜明或喜暗，贪食或不贪食，胆大或胆小等。有基于计算机视觉的虚拟感受器官—“鱼眼”，有光感、距离感以及非视觉的温度感等，因此，人工鱼可以识别和感知其他人工鱼以及周围的虚拟海洋环境，如：水草、岩石、水温、光照等。

意图发生器是人工鱼的“感知中心”，将各种感知信息与特性参量相结合，产生人工鱼的动作意图，如：搜索食物、扑食进食等。并且具有集中注意力的意图集中或知觉集中机制，可以使“人工鱼”将注意力集中在当前主要的感知和行为上，抑制或滤除其他次要信息或干扰。因此，“人工鱼”是在动态的虚拟水底世界中，以“感知-动作”模式，具有自主能力的，自激发、自适应的智能体。需要创作和设计人工鱼的“意图发生器”、“多感知融合器”、“运动协调控制器”等。

最后“人工鱼”不是一条单独的“动画鱼”，而是具有各种不同的人工鱼的鱼群社会，其中，各种人工鱼之间的相互通信、相互交往、相互作用，组成人工鱼社会。如：由领头的鱼带队漫游的鱼群；由雌鱼和雄鱼组成的人工鱼配偶或情侣；由大鲨鱼和小热带鱼形成的“弱肉强食”的鱼社会……因此，“人工鱼”社会是一种具有多智能体（multi-agent）的分布式人工智能系统。由于多智能体之间多种多样的相互影响、相互作用，使人工鱼社会出现丰富多采的群体行为和生态现象。一方面，提高了人工鱼群对自然鱼群的逼真度，丰富了人工鱼社会现象和活动内容；另一方面，也增加了人工鱼的动作和行为细节的不可预知性、事件的突发性及活动的趣味性。这是传统的动画中的“木偶鱼”做不到的。也就是说，人工鱼的具体动作和实际行为并不是创作者都可以预知的、规定的。“人工鱼”的动画是在自然鱼的生物物理和智能行为模型驱动下由计算机“自动”画出来的，这是不同于传统动画的新一代的计算机动画创作方法和技术。

五、“人工鱼”有何意义和价值？

涂教授认为“人工鱼”有以下几方面的意义和价值。

首先，“人工鱼”开拓了计算机动画创作的新途径。因为，在自然环境中栖息活动的生物群体，是长期困扰着计算机动画创作者的“老大难”问题。如果用传统的计算机动画创作方法和技术，去创作“人工鱼”这种在虚拟海洋环境中活动的多种人工鱼的社会群体，是十分复杂而又极其繁琐的。不仅要在软件设计和程序编制中，详细规定每一条动画鱼的每一个采样时刻、每一个动作、每一种体形、每一种姿态，而且，要具体描述许多条动画鱼之间的相互关系、相互位置、相互作用，其计算复杂性将以指数率增长，造成“组合爆炸”，即使采用高速、大容量的计算机，也未必能使动画鱼群达到逼真于自然鱼群的满意效果。“人工鱼”的研究与开发，突破了传统计算机动画的框架，开拓了计算机动画创作的新途径。提供了基于生物物理和智能行为模型的、具有人工生命特征、自动生成计算机动画的创作方法和技术。不仅显著地减少了动画创作者对计算机动画生成过程的介入和干预，而且有效地提高了动画的逼真度和临场感。

其次，“人工鱼”提供了“人工生命”的新范例。

“人工鱼”的研究开发成功，一方面为基于计算机动画的“人工生命”提供了新的范例，另一方面，也为在屏幕上创建其他人工生命，提供了动画创作的新方法—基于生物物理和智能行为模型的动画生成方法。人们可以把“人工鱼”作为范例，用基于生物物理和智能行为模型的动画生成方法，研究开发计算机屏幕、电视、电影屏幕上的各种“人工生命”，例如：“人工猫”、“人工狗”、“人工鸟”、“人工马”……乃至于“人工人”……结合虚拟现实技术，可以创作和摄制各种基于计算机动画的电视片和电影片。

再次，“人工鱼”实现了分布式“人工智能”。

“人工鱼”以计算机动画的模式、在屏幕上实现了分布式“人工智能”系统—“人工鱼社会”群体。在人工鱼社会中，每一条人工鱼都是一个自激发的自主的智能体（self-animating autonomous intelligent agent）。具有模拟自然鱼的动物人工智能，在意图、感知、行为等多层次上，以“感知-动作”的模式，如：“寻食-进食”、“求偶-交配”、“惊恐-逃逸”、“钩住-挣扎”……在多方面表现出智能行为。在人工鱼群体中，分布在虚拟海底世界中的各种人工鱼，体现出复杂的相互关系和智能社会行为，如：配偶关系、敌对关系、同伴关系和集群行为、逃逸行为、求偶行为等。因此，“人工鱼”也提供了多智能体分布式人工智能系统的一种范例，以及相应的设计方法和实现技术。类似地，也可以借鉴、推广应用于其他分布式人工智能系统，如：智能机器人的群体的研究与开发。

国际计算学会acm最佳博士论文奖获得者

涂晓媛简介

涂晓媛：博士，祖籍江西南昌，出生于北京，1989年以优良学习成绩毕业于清华大学自动化系。在校期间，多次受到奖励和表扬，是清华大学五四青年奖获得者。

1990年：加拿大mcmaster大学获硕士学位，并获安太略州教学奖

1994年：获加拿大多媒体艺术科学院的技术优秀奖

1996年：加拿大多伦多大学获博士学位，论文获国际计算学会最佳博士论文奖

目前，是intel 公司的图形研究小组的科学家

主要研究领域：计算机动画（computer animation）、人工生命（artificial life）、虚拟现实（virtual reality）。

主要科研成果：“人工鱼”（artificial fish），被学术界称为“xiaoyuan's fish”。其代表作有“go fish！”（去钓鱼！）、“the undersea world of jack cousto”（jack cousto的海底世界）、“artificial animals for computer animation: biomechanics, locomotion, perception and behavior”（人工动物的计算机动画：生物力学，运动，感知和行为）……多次获得国际学术界的奖励，在加、美、英、法、意、日、德、瑞士、西班牙、澳大利亚等国家有关计算机动画、多媒体、虚拟现实学术刊物上发表；在技术展览会展出；电视台播放；电子剧场演出；被录入光盘，引用于教科书。