Microscopic crowd simulation : evaluation and development of algorithms

par David Wolinski

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Julien Pettré.

  • Titre traduit

    Simulation microscopique de foules : évaluation et développement d'algorithmes


  • Résumé

    Dû au grand intérêt porté à la simulation de foules, beaucoup d'algorithmes ont été et sont encore proposés. Toutefois, (1) il n'existe pas de méthode standard pour évaluer le réalisme et la flexibilité de ces algorithmes, et (2) même les algorithmes les plus récents produisent encore des artéfacts évidents. Abordant la première question, nous proposons une méthode visant à évaluer le réalisme des algorithmes de simulation de foules d'une manière objective et impartiale. ''Objective'' grâce à des métriques quantifiant la similitude entre les simulations et des données acquises en situation réelle. ''Impartiale'' grâce à l'estimation de paramètres permettant d'étalonner automatiquement les algorithmes en vue de décrire au mieux les données (par rapport aux métriques), permettant de comparer les algorithmes au mieux de leur capacité. Nous explorons aussi comment ce processus permet d'augmenter le niveau de contrôle d'un utilisateur sur la simulation tout en réduisant son implication. Abordant la deuxième question, nous proposons un nouvel algorithme d'évitement de collisions. Alors que les algorithmes existants prédisent les collisions en extrapolant linéairement les trajectoires des agents, nous allons au-delà grâce à une approche probabiliste et non-linéaire, prenant en compte entre autres la configuration de l'environnement, les trajectoires passées et les interactions avec les obstacles. Nous éliminons ainsi des simulations résultantes des artefacts tels que : les ralentissements et les agglomérats dérangeants d'agents, les mouvements oscillatoires non naturels, ou encore les manœuvres d'évitement exagérées/fausses/de dernière minute. Dans une troisième contribution, nous abordons aussi l'utilisation de notre travail sur l'évaluation et l'estimation de paramètres dans le cadre de systèmes plus larges. Dans un premier temps, nous l'appliquons à la simulation d'insectes, prenant en charge leur comportement local. Après avoir complété le système aux niveaux intermédiaire et global, cette approche basée-données est capable de simuler correctement des essaims d'insectes. Dans un second temps, nous appliquons notre travail au suivi de piétons, construisant un ''méta-algorithme'' servant à calculer la probabilité de transition d'un filtre particulaire, et surpassant les systèmes existants.


  • Résumé

    With the considerable attention crowd simulation has received, many algorithms have been and are being proposed. Yet, (1) there exists no standard scheme to evaluate the accuracy and flexibility of these algorithms, and (2) even the most recent algorithms produce noticeable simulation artifacts. Addressing the first issue, we propose a framework aiming to provide an objective and fair evaluation of the realism of crowd simulation algorithms. ''Objective'' here means the use of various metrics quantifying the similarity between simulations and ground-truth data acquired with real pedestrians. ''Fair'' here means the use of parameter estimation to automatically tune the tested algorithms to match the ground-truth data as closely as possible (with respect to the metrics), effectively allowing to compare algorithms at the best of their capability. We also explore how this process can increase a user's control on the simulation while reducing the amount of necessary intervention. Addressing the second issue, we propose a new collision-avoidance algorithm. Where current algorithms predict collisions by linearly extrapolating agents' trajectories, we better predict agents' future motions in a probabilistic, non-linear way, taking into account environment layout, agent's past trajectories and interactions with other obstacles among other cues. Resulting simulations do away with common artifacts such as: slowdowns and visually erroneous agent agglutinations, unnatural oscillation motions, or exaggerated/last-minute/false-positive avoidance manoeuvres. In a third contribution, we also explore how evaluation and parameter estimation can be used as part of wider systems. First, we apply it to insect simulation, taking care of local insect behavior. After completing it at the intermediate and global levels, the resulting data-driven system is able to correctly simulate insect swarms. Second, we apply our work to pedestrian tracking, constructing a ''meta-algorithm'', more accurately computing motion priors for a particle-filter-based tracker, outperforming existing systems.


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