Adaptace metod simulací davů lidí pro simulování vývoje populací živých buněk

Bc. Zdeněk Hruška

Master's thesis

Adapation of methods for crowd motion simulation for the development of live cell populations

Abstract:

Tato práce se zabývá simulacemi pohybu buněk pomocí modelů určených k simulacím pohybu davů lidí. Konkrétně se soustředí na simulace pohybu endoteliálních buněk a na jejich vlastnost shlukování se a vytváření sítí. Práce ve své teoretické části shrnuje hlavní proudy vývoje, kterými se simulace chování lidských davů ubírají. Z prezentovaných směrů vývoje a jim odpovídajících článků jsou vybrány ty, které svými vlastnostmi nejvíce odpovídají požadavkům stanoveným na začátku tohoto textu. Následně jsou též diskutovány důvody tohoto výběru. Poté jsou podrobněji rozebrány vlastnosti celulárních automatů, jež byly zvoleny jako nejvhodnější přístup, jejich typy a oblasti využití. Je vysvětleno, co znamenají pojmy jako agent, matice preferencí, statické a dynamické podlažní pole a jakou funkci v modelech zastávají. Vybraná a implementovaná metoda je z oblasti diskrétních mikroskopických modelů, proto jsou vlastnosti a jednotlivé části této metody podrobně rozebrány. Popsány jsou také rozšíření, provedené za účelem přizpůsobení modelu konkrétním potřebám. Mezi nejdůležitější rozšíření patří proměnlivá velikost agentů, pro kterou musel být model přizpůsoben — například z hlediska řešení kolizí mezi jednotlivými agenty a mezi agenty a překážkami. K dalším rozšířením patří stavy, mezi kterými mohou agenti v průběhu simulace přecházet, a které ovlivňují, jak se agenti ve scéně pohybují. V praktické části této práce, jejíž součástí je i implementace upravené metody v podobě aplikace naprogramované v programovacím jazyce C#, jsou na jednoduchých úlohách prezentovány vlastnosti a funkcionalita upravené metody. Dále je ukázáno, jak si tato metoda poradí s modelováním scén, které byly součástí zadání této práce a k jejichž modelování byl od začátku směřován i výzkum týkající se této práce. Konkrétně se jedná o růst populace buněk ve volném prostoru a vývoj skupiny buněk, které se dotýkají a postupně vytvářejí síť. Ve druhém případě jsou uvedeny dva způsoby, jak vytvoření sítí pomocí implementované metody dosáhnout.

Abstract:

This thesis deals with simulations of motion of biological cells using models designed for crowd motion simulations. Specificaly, this thesis deals with simulations of motion of endothelial cells, with their ability to aggregate and form networks. This work sumarizes main streams of development of crowd motion simulations in its theoretical part. From the presented trends and the corresponding papers are selected those which by their properties correspond to the requirements set at the beginning of this text. Subsequently there are also discussed reasons for that choice. Then there are described in detail properties of cellular automatons which were chosen as the best approach for simulations that are subject of this work together with their types and their scope of application. There are explained meanings of terms like agent, matrix of preferences, static and dynamic floor field in this thesis together with roles they play in described simulation models. The selected and implemented method belongs to discrete microscopic models, therefore properties and individual parts of this method are discussed in detail. There are also described extensions made to adapt the chosen model to specific needs in this thesis. Among the most important extensions belongs the variable size of agents for which the model had to be adapted - for example in terms of resolving conflicts between agents or between agents and obstacles. Additional enhancements include states of agents which can be switched during the simulation, and which affect how agents in the scene are moving. In the practical part of this work, which also includes the implementation of the extended method in the form of application programmed in C # programming language, are presented features and functionality of the method on few simple tasks. It is shown how this method can cope with modeling of scenes that were part of the assignment of this work and research related to this work was directed to modeling of those scenes from the very beginning. Specifically, there were two scenes to be modeled — the population growth of cells in open space and the development of groups of cells that touch and gradually form a network. In the second case there are two ways to create a network using the implemented method.

Keywords

simulace pohybu davů lidí, simulace pohybu buněk, růst populace buněk, sítě buněk, endoteliální buňky, agenti, celulární automaty, matice preferencí, podlažní pole, statické pole, dynamické pole, crowd motion simulations, cell motion simulations, population growth of cells, networks of cells, endothelial cells, cellular automaton, matrix of preferences, static floor field, dynamic floor field

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 25. 5. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 23. 6. 2015
• Supervisor: RNDr. Vladimír Ulman, Ph.D.
• Reader: doc. RNDr. David Svoboda, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Informatics

Master programme / field:
Informatics / Computer Graphics