Drei Regeln der Schwarmbildung
So, wir sind zurück!
Haben Sie es geschafft, die drei Regeln herauszufinden,
die in diesem Modell herrschen?
Lassen Sie uns nochmal einen Blick auf das Bild werfen.
Dies ist ein anderer Schwarm Stare.
Ich finde es erstaunlich,
wie komplex dieses Verhaltensmuster sein kann.
Und es fasziniert mich sehr,
wie drei kleine Regeln
solch eine komplexe Dynamik erzeugen können,
wie Sie sie in dem Modell, und davor in dem Video, gesehen haben.
Lassen Sie uns das etwas genauer erkunden.
Wie entstehen Vogelschwärme? - Gibt es einen zentralen Anführer? - Wissen sie genau, wo sie zu welchem Zeitpunkt sein sollen? - Ist der Prozess deterministisch? - Hängt ihr Verhalten nur von lokalen Informationen ab?
Dieses Modell für das Verhalten von Vögeln nennt man oft auch Boids Modell.
Es stammt von Craig Reynolds und wurde auf der SIGGRAPH-Konferenz vorgestellt,
einer rennomierten Konferenz für Computergraphik 1987.
In der Tat hat dieses Modell und die Darstellung der Schwarmbildung bei Vögeln,
Craig Reynolds 1998 zu einem Oscar verholfen.
Er erhielt die Auszeichnung für Wissenschaft und Technik
als Anerkennung seiner Vorreiterrolle bei der Entwicklung dreidimensionaler Animationen für die Filmproduktion.
Das Boids Modell wurde tatsächlich genutzt
um im Spielfilm "Batmans Rückkehr" von 1992
die Schwärme von Fledermäusen zu erzeugen, die durch die Straßen von Gotham City wandern.
Es war natürlich nicht genau dieses Modell, aber es beruhte im Wesentlichen darauf.
Lassen Sie uns einen Schritt zurück gehen.
Dieses Modell kann Ihnen helfen, verschiedene Fragen zu beantworten.
Es kann Ihnen beantworten, wie sich Vogelschwärme bilden.
Und es kann beantworten, oder zumindest einen Nachweis dafür liefern,
ob ein zentraler Anführer existiert, der die Schwarmbildung steuert.
Es kann zum Verständnis beitragen, ob die Vögel immer wissen müssen wo sie sind
um zu entscheiden, wohin sie sich als nächstes bewegen.
Und wir können untersuchen, ob ein deterministischer Prozess nötig ist,
um so ein Verhaltensmuster zu erzeugen.
Und ob die Vögel sich anhand von ausschließlich lokaler Information bewegen können,
oder ob globale Information nötig ist um diese Verhaltensmuster zu erzeugen.
Lassen Sie uns also zurück gehen und das Modell etwas genauer anschauen
und zu sehen, welche dieser Fragen wir anfangen können zu beantworten.
Wie gesagt, gibt es drei Grundregeln
in dem Schwarmmodell.
Wenn Sie sich überlegen, was ein Schwarm ist:
Es ist eine Gruppe von Vögeln,
die eng zusammen bleiben,
sie bewegen sich etwa in die gleiche Richtung
und natürlich stoßen sie nicht zusammen, das ist wichtig.
Das beschreibt tatsächlich schon im Wesentlichen
die drei Regeln des Schwarmmodells.
Jeder Vogel trifft seine Entscheidungen anhand seiner lokalen Umgebung.
Er sieht sich um, wer in seiner Nähe ist.
Dies wird durch den "vision"-Regler des Modells gesteuert:
er legt fest bis zu welcher Distanz der individuelle Vogel seine Umgebung sieht.
In diesem Gebiet nimmt er alle anderen Vögel wahr
und betrachtet diese als seine Schwarmmitglieder.
Anhand dieser Schwarmmitglieder
versucht er zu entscheiden, wohin er sich bewegt.
Zum einen versucht er seine Richtung
an die der anderen Vögel anzupassen (Richtungsregel).
In anderen Worten: er bewegt sich so, dass seine Richtung
der durchschnittlichen Richtung seiner Schwarmmitglieder ähnelt.
Dadurch können sich die Vögel in etwa der selben Richtung bewegen.
Das allein wäre schon großartig,
aber es führt nicht dazu, dass die Vögel eng verknüpfte Gruppen bilden.
Dafür braucht man die Zusammenhaltregel.
Sie besagt: wenn du dich entsprechend deiner Nachbarn ausgerichtet hast,
solltest du dich auch ein kleines Stückchen
Richtung Massemitelpunkt dieser Vögel bewegen.
Damit halten die Vögel allmählich als Gruppe von Schwarmnachbarn
immer enger zusammen.
Dabei dürfen sie sich natürlich nicht zu nah kommen.
Das wird durch die Trennungsregel gesteuert.
Sie besagt, dass ein Vogel, der mit einem anderen zusammenstoßen würde,
sich wegbewegen sollte.
Und diese Regel setzt sich grundsätzlich über die anderen hinweg.
Wenn man diese drei Regeln zusammenfügt und das Modell laufen lässt,
bekommt man die wunderbaren Schwarmmuster, die wir hier sehen.
Jetzt können Sie damit herumspielen und z.B. sehen,
was passiert, wenn man die Richtungsregel abschaltet.
In diesem Durchlauf der Simulation habe ich die Richtungsregel abgeschaltet.
Und wenn ich das Modell ein wenig beschleunige,
so dass Sie sehen, was am Ende dabei herauskommt,
so sehen Sie, dass, auch wenn ich das Modell für einen sehr langen Zeitraum laufen lasse,
sich niemals richtig Schwärme bilden.
Das geschieht natürlich, weil nichts die Vögel daran hindert,
sich immer weiter in die gleiche Richtung zu bewegen.
Also fliegen sie gewissermaßen an einander vorbei.
Das geschieht, obwohl die Zusammenhaltregel und die Abstandsregel angeschaltet sind.
Sie stoßen also nicht zusammen und sie versuchen, enger zusammen zu kommen.
Aber weil sie ihre Bewegungsrichtung nicht aneinander ausrichten,
bleiben sie nie lange mit den gleichen Individuen
als Schwarmmitglieder zusammen.
Wir können die Richtungsregel wieder anschalten,
auf 5 Grad, wie zuvor.
Und wir können die Zusammenhaltregel ausschalten.
Wenn wir jetzt das Modell neu starten und für eine lange Zeit laufen lassen
beginnen wir tatsächlich ein paar Schwärme zu sehen.
Leider sind diese Schwärme ausgebreitet,
sie bewegen sich in unterschiedliche Richtungen,
gewissermaßen spalten sie sich auf.
Das liegt daran, dass nichts sie eng zusammen hält.
Als letztes können wir die Zusammenhaltregel wieder einschalten und die Trennungsregel ausschalten.
Dann starten wir das System neu und lassen es für einen langen Zeitraum laufen.
Wieder bekommen wir Schwärme,
aber andere als die wir früher gesehen haben.
Denn sie sind gewissermaßen übereinander;
die Vögel stoßen zusammen.
Es entstehen nicht mehr die eleganten Muster wie zuvor.
Der Bedeutung dieser Beobachtungen ist natürlich, dass diese drei einfachen Reglen
tatsächlich Verhaltensmuster hervorbringen können, die denen echter Vögel sehr ähneln.
Das Problem ist jedoch, dass diese Regeln ganz genau aufeinander abgestimmt sein müssen damit es funktioniert.
Es dauert einige Zeit, zu überlegen, wie diese Regeln aussehen könnten.
Und das ist, was wir in diesem Kurs untersuchen wollen.
Wir sprechen über einfache Regeln, die Verhalten steuern
und über Verhaltensmuster, die wir aus eigener Anschauung kennen,
und darüber, wie wir Modelle erstellen können, die diese einfachen Regeln ausführen.
Danke!