Crowd simulation for virtual environments in Unity

Abstract

Crowd simulation, die Simulation einer Masse von Akteuren, und speziell die Simulation von FußgängerInnen, wird in der Verkehrsplanung, der Architektur, der Gebäude- und Verkehrssicherheit sowie für Computeranimation in der Film- und Spieleindustrie eingesetzt. Die größten Herausforderungen liegen dabei (1) im realistischen Verhalten der Agenten, (2) im realistischen Aussehen und der Unterschiedlichkeit und (3) in einer benutzerfreundlichen Erstellung von Crowds. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf das Verhalten der Agenten in Architektur-Kontexten. Zuerst wird der State-of-the-art auf dem Gebiet von Crowd Simulation in virtuellen Umgebungen zusammengefasst. Danach wird das Verhalten von FußgängerInnen durch Beobachtung im Westbahnhof, derzeit einem der beiden größten Bahnhöfe Wiens, analysiert. Ein agentenbasierter Ansatz wird verwendet, um mit Hilfe der Beobachtungen ein Verhaltensmodell zu erstellen, welches aus drei Ebenen (strategisch, taktisch und operationell) besteht. Eine Strategie gibt den Grund (zB Einkauf) an, aus dem eine Person einen Ort aufsucht. Sie besteht auf der taktischen Ebene aus verschiedenen Aktivitäten. Während die Strategie für einen Agenten während seines Lebenszyklus konstant bleibt, werden Aktivitäten (zB Essen kaufen, Toilette aufsuchen, Zeitung kaufen) und damit verbundene Aktivitätsbereiche dynamisch von jedem Agenten gewählt und priorisiert. Dies ergibt eine grobe Route durch die Einrichtung. Die operationelle Ebene besteht aus der Planung von Pfaden und der Vermeidung von Hindernissen. Das Verhaltensmodell wird mit Hilfe der Unity Game Engine umgesetzt und mit Hilfe eines 3D-Modells des Westbahnhofs getestet, wobei nur die wichtigsten Strategien und einige typische Aktivitätsmuster umgesetzt werden. Die Umsetzung wird als Unity-Paket verteilt, das für die Simulation ähnlicher Umgebungen nützlich sein kann. Zusätztlich wird ein Tutorial angeboten, das sich an Studierende und Fachkräfte im Bereich Architektur richtet, die Unity als eine Integrationsplattform für ihre Arbeit verwenden.

Crowd simulation, especially the simulation of pedestrians, is used in traffic planning, architecture, building and transport safety, and computer animation in film and game industries. Major challenges are related to (1) realistic behavior of the agents, (2) realistic appearance and variety, and (3) a user-friendly definition of crowds. This work focuses on behavior in the field of architecture. Initially, the state-of-the-art in crowd simulation for virtual environments is summarized. Subsequently, pedestrian behavior is analyzed by observing pedestrians in the Westbahnhof, currently one of the two most important train stations in Vienna. Following a multi-agent-based approach, the observations are used to create a behavioral model which consists of 3 levels { strategic, tactical and operational. A strategy specifies the reason a person visits a place (e.g. to go shopping) and consists of several activities on the tactical level. While the strategy is constant for an agent during its lifetime, activities (e.g. to buy food, to use a toilet, to buy a newspaper) and associated activity areas are chosen and prioritized dynamically by each agent. This results in a coarse route through the facility. The operational level consists of path planning and obstacle avoidance. The behavioral model is implemented using the Unity game engine and tested using a 3D model of the train station, looking into the most common strategies and their most typical combinations of activities. The implementation is distributed as a Unity package that can be reused and extended to simulate other environments. In addition, a tutorial is provided, which targets architecture students and professionals who use Unity as an integration platform for their work.