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
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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
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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 } }
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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 }
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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 } } }
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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)); }
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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 $101010$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;
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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; }
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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 }
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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】
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