專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于幾何約束的團(tuán)體操隊(duì)形訓(xùn)練輔助方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)仿真學(xué)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練輔助方法領(lǐng)域，具體為一種基于幾何約束的團(tuán)體操隊(duì)形訓(xùn)練輔助方法。
背景技術(shù)：
團(tuán)體操是一項(xiàng)體育與藝術(shù)高度結(jié)合的綜合性的集體表演項(xiàng)目。在團(tuán)體操的表演中，場(chǎng)面宏大、內(nèi)容豐富多彩，并且隊(duì)形變化多樣，貫穿整個(gè)表演過(guò)程。團(tuán)體操在隊(duì)形變換過(guò)程中起到了宣傳和教育作用，使觀眾有視覺(jué)和精神上的沖擊，得到健和美的享受和精神上的滿足。并且在一定程度上，它能放映出不同國(guó)家和民族的精神面貌和經(jīng)濟(jì)實(shí)力，以及國(guó)際形象。因此諸多國(guó)家倍受重視。大型團(tuán)體操往往涉及成百上千的演員，而隊(duì)形的快速、整齊切換似乎是這類(lèi)演出不可缺少的重頭戲。然而團(tuán)體操隊(duì)形設(shè)計(jì)和排練是一件非常繁瑣、耗時(shí)的工作，并且反復(fù)排練和設(shè)計(jì)必然導(dǎo)致時(shí)間、經(jīng)濟(jì)、人力的極大浪費(fèi)。對(duì)于隊(duì)形控制方法有人提出基于關(guān)鍵隊(duì)形約束的群體運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方法，該方法先在源約束形隊(duì)形和目標(biāo)約束隊(duì)形中進(jìn)行點(diǎn)陣數(shù)據(jù)采樣，再進(jìn)行點(diǎn)陣數(shù)據(jù)匹配，并應(yīng)用插值算法進(jìn)行群體移動(dòng)導(dǎo)航。該方法必然導(dǎo)致隊(duì)形變換不平滑，變換過(guò)程中容易出現(xiàn)交叉混亂、不整齊現(xiàn)象，從而影響團(tuán)體操隊(duì)形設(shè)計(jì)效率和視覺(jué)效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于幾何約束的團(tuán)體操隊(duì)形訓(xùn)練輔助方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)團(tuán)體操隊(duì)形設(shè)計(jì)和排練工作上的繁瑣和耗時(shí)，隊(duì)形控制方法中隊(duì)形變換不平滑、流暢，變換過(guò)程中容易出現(xiàn)人群交叉混亂、不整齊的問(wèn)題。為了達(dá)到上述目的， 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:—種基于幾何約束的團(tuán)體操隊(duì)形訓(xùn)練輔助方法，其特征在于:首先設(shè)定團(tuán)體操隊(duì)形變換的初始約束隊(duì)形和目標(biāo)約束隊(duì)形，通過(guò)Morphing方法生成由團(tuán)體操源約束邊界到目標(biāo)約束邊界的一系列中間約束邊界，并且將這些邊界作為人群隊(duì)形的外圍約束條件；再基于CVT理論，通過(guò)幾何Voronoi剖分方法將每個(gè)人劃分到特定外圍約束邊界內(nèi)的一個(gè)獨(dú)立、不相交的空間區(qū)域，接著利用Lloyd下降法逐步迭代實(shí)現(xiàn)人群在外圍約束邊界內(nèi)的均勻排布和無(wú)碰撞、交叉的路徑導(dǎo)航；為了實(shí)現(xiàn)團(tuán)體操隊(duì)形變換效果，通過(guò)持續(xù)變換外界約束邊界的方法，再采用CVT理論和Lloyd下降法實(shí)現(xiàn)人群在一系列外圍約束邊界間的平滑流暢的均勻布局切換和導(dǎo)航，最終完成團(tuán)體操人群由源隊(duì)形到目標(biāo)隊(duì)形的平滑流暢變換效果;具體步驟進(jìn)行:a、團(tuán)體操群體隊(duì)形變換可看為在2D空間中人群受到外圍隊(duì)形的約束而進(jìn)行隊(duì)形變換，因此通過(guò)人工設(shè)置或者讀取點(diǎn)線文件的形式設(shè)置團(tuán)體操的初始約束邊界和目標(biāo)約束邊界；
b、基于步驟a設(shè)定的初始約束邊界和目標(biāo)約束邊界，通過(guò)Morphing方法，找到源約束邊界點(diǎn)集和目標(biāo)約束邊界點(diǎn)集之間的最佳映射關(guān)系，繼而通過(guò)插值的方法得到從源約束邊界到目標(biāo)約束邊界的一系列團(tuán)體操外圍約束邊界I1 ;C、在初始約束邊界W1內(nèi)隨機(jī)排布η個(gè)Agent, Agent集合表示為1 =；d、基于外圍約束隊(duì)形邊界Wi和Agent集合I = ,通過(guò)Voronoi剖分將整個(gè)約束邊界剖分為η個(gè)互不相交的Voronoi區(qū)域,此時(shí)每個(gè)Voronoi區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)到生成它的Agent的距離，同到其他Agent的距離相比為最小，剖分區(qū)域表示為F = {il=1 ；e、計(jì)算F = RH1中每個(gè)Voronoi區(qū)域的質(zhì)心尤’ =WjL1，若{本#Hi則設(shè)I = Pd1，并且返回步驟d，若相等則初始隊(duì)形形成，且對(duì)Agent點(diǎn)集X = Pd1進(jìn)行保存，作為當(dāng)前的團(tuán)體操人群布局；f、若約束邊界Wi=Wn則跳轉(zhuǎn)到步驟g，若Wi古Wn則將中間約束邊界Wi變換為約束邊界wi+1，并且計(jì)算是否存在于約束邊界wi+1內(nèi)，如果不在則通過(guò)映射和牽引方法將其約束在其中 ，并且形成新的Agent位置Z = {I, ，基于新的Agent點(diǎn)集I = {I, \:=1和新的約束邊界Wi,再跳轉(zhuǎn)到步驟d ；g、步驟完成，所有保存的Agent位置集合為團(tuán)體操隊(duì)形變換過(guò)程中隊(duì)員移動(dòng)軌跡路線。本發(fā)明首先通過(guò)Morphing方法生成由團(tuán)體操源約束邊界到目標(biāo)約束邊界的一系列中間約束邊界，并且將這些邊界作為人群隊(duì)形的外圍約束條件。再基于CVT理論(基于質(zhì)心的Voronoi結(jié)構(gòu)),通過(guò)幾何Voronoi剖分方法將每個(gè)人劃分到特定外圍約束邊界內(nèi)的一個(gè)獨(dú)立、不相交的空間區(qū)域，接著利用Lloyd下降法逐步迭代實(shí)現(xiàn)人群在外圍約束邊界內(nèi)的均勻排布和無(wú)碰撞、交叉的路徑導(dǎo)航。為了實(shí)現(xiàn)團(tuán)體操隊(duì)形變換效果，本發(fā)明通過(guò)持續(xù)變換外界約束邊界的方法，再采用CVT和Lloyd方法實(shí)現(xiàn)人群在一系列外圍約束邊界間的平滑流暢的均勻布局切換和導(dǎo)航。最終完成團(tuán)體操人群由源隊(duì)形到目標(biāo)隊(duì)形的平滑流暢變換效果。該發(fā)明解決了現(xiàn)有方法在隊(duì)形變換過(guò)程中不平滑、流暢、整齊和人群交叉碰撞的問(wèn)題，極大的提高團(tuán)體操隊(duì)形設(shè)計(jì)和排演質(zhì)量和效率，并且可以廣泛的推廣到所有大型活動(dòng)中團(tuán)體操演練中，極大的節(jié)約了人力和財(cái)力。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在:1、本發(fā)明提供的基于幾何約束的團(tuán)體操隊(duì)形輔助設(shè)計(jì)的方法，團(tuán)體操排練人員只需對(duì)團(tuán)體操人數(shù)、初始約束隊(duì)形和目標(biāo)約束隊(duì)形進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)置，即可獲得群體由源約束隊(duì)形到目標(biāo)約束隊(duì)形的平滑流暢的隊(duì)形變換效果，既方便直觀，又降低了團(tuán)體操人工排練過(guò)程中的繁瑣度、耗時(shí)性；2、本發(fā)明提出基于幾何約束機(jī)制的團(tuán)體操隊(duì)形的控制，因此可以實(shí)現(xiàn)團(tuán)體操排演圖案的多樣化設(shè)置，和多種復(fù)雜圖案隊(duì)形間平滑、快速的變換效果；3、本發(fā)明將VOTonoi剖分和Lloyd迭代算法應(yīng)用到團(tuán)體操隊(duì)形變換中，進(jìn)行人群布局和路徑規(guī)劃控制，有良好的碰撞避免特性，可以很好的解決隊(duì)形變換過(guò)程中人群交叉混亂和相互碰撞的問(wèn)題，具有很好的隊(duì)形變換視覺(jué)效果。


圖1為本發(fā)明方法原理框圖。圖2為由源約束隊(duì)形到目標(biāo)隊(duì)形的變換過(guò)程示意圖。
具體實(shí)施例方式Morphing算法，即變形算法,在本發(fā)明中通過(guò)計(jì)算源對(duì)象與目標(biāo)對(duì)象的對(duì)應(yīng)/映射關(guān)系生成一系列逐漸變化的中間對(duì)象，實(shí)現(xiàn)從源對(duì)象到目標(biāo)對(duì)象的漸變過(guò)程。Voronoi結(jié)構(gòu),又叫泰森多邊形結(jié)構(gòu)，由俄國(guó)數(shù)學(xué)家M.G.Voronoi于1908年發(fā)現(xiàn)并以他的名字命名。它實(shí)質(zhì)是一種在自然界中宏觀和微觀實(shí)體以距離相互作用的普遍結(jié)構(gòu)，具有廣泛的應(yīng)用范圍。Voronoi圖是一種由多邊形或多面體構(gòu)成的圖。CVT理論，即基于質(zhì)心的Voronoi剖分理論,應(yīng)用于本發(fā)明中標(biāo)記Voronoi圖中每個(gè)多邊形的質(zhì)心,在隊(duì)形變化過(guò)程中個(gè)體移動(dòng)路徑受質(zhì)心位置限制，有效實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、均勻的隊(duì)形變化。Lloyd算法，即勞埃德算法，是迭代式改進(jìn)探索法。勞埃德算法首先把輸入點(diǎn)分成k個(gè)初始化分組，可以是隨機(jī)的或者使用一些啟發(fā)式數(shù)據(jù)。然后計(jì)算每組的中心點(diǎn)，根據(jù)中心點(diǎn)的位置把對(duì)象分到離它最近的中心，重新確定分組。繼續(xù)重復(fù)不斷地計(jì)算中心并重新分組，直到收斂，即對(duì)象不再改變分組(中心點(diǎn)位置不再改變)。如圖1所示。本實(shí)施例是基于幾何約束方法，結(jié)合Morphing、CVT和Lloyd技術(shù)，解決團(tuán)體操隊(duì)形約束、個(gè)體分布布局、個(gè)體配對(duì)、個(gè)體運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃等方面問(wèn)題。首先設(shè)定團(tuán)體操隊(duì)形變換的初始約束邊界和目標(biāo)約束邊界，通過(guò)Morphing方法生成由團(tuán)體操源約束邊界到目標(biāo)約束邊界的一系列中間約束邊界，并且將這些邊界作為人群隊(duì)形的外圍約束條件。再基于CVT理論(基于質(zhì)心的Voronoi結(jié)構(gòu))，通過(guò)幾何Voronoi剖分方法將每個(gè)人劃分到特定外圍約束邊界內(nèi)的一個(gè)獨(dú)立、不相交的空間區(qū)域，接著利用Lloyd下降法逐步迭代實(shí)現(xiàn)人群在外圍約束邊界內(nèi)的均勻排布和無(wú)碰撞、交叉的路徑導(dǎo)航。為了實(shí)現(xiàn)團(tuán)體操隊(duì)形變換效果，本發(fā)明通過(guò)持續(xù)變換外界約束邊界的方法，再采用CVT和Lloyd方法實(shí)現(xiàn)人群在一系列外圍約束邊界間的平滑流暢的均勻布局切換和導(dǎo)航。最終完成團(tuán)體操人群由源隊(duì)形到目標(biāo)隊(duì)形的平滑流暢變換效果。本發(fā)明方法按如下步驟進(jìn)行:a、團(tuán)體操群體隊(duì)形變換可看為在2D空間中人群受到外圍隊(duì)形的約束而進(jìn)行隊(duì)形變換，所以可以通過(guò)人工設(shè)置或者讀取點(diǎn)線文件的形式設(shè)置團(tuán)體操的初始約束邊界和目標(biāo)約束邊界。b、基于步驟a設(shè)定的初始約束邊界和目標(biāo)約束邊界，通過(guò)Morphing方法,找到源約束邊界點(diǎn)集和目標(biāo)約束邊界點(diǎn)集之間的最佳映射關(guān)系，繼而通過(guò)插值的方法得到從源約束邊界到目標(biāo)約束邊界的一系列團(tuán)體操外圍約束邊界,=隊(duì)!；Li ;C、在初始約束邊界W1內(nèi)隨機(jī)排布η個(gè)Agent，Agent集合表示為Z = {疋)；7=1 ；d、基于外圍約束隊(duì)形邊界Wi和Agent集合尤= {Of=1,通過(guò)Voronoi剖分將整個(gè)約束邊界剖分為η個(gè)互不相交的Voronoi區(qū)域,此時(shí)每個(gè)Voronoi區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)到生成它的Agent的距離，同到其他Agent的距離相比為最小，剖分區(qū)域表示為廠=!丨:；e、計(jì)算F = Ul1中每個(gè)Voronoi區(qū)域的質(zhì)心夂={0:^。若沭式(匕則設(shè)Ι = {ΙΛΒ=1，并且返回步驟d。若相等則初始隊(duì)形形成，且對(duì)Agent點(diǎn)集進(jìn)行保存，作為當(dāng)前的團(tuán)體操人群布局；f、若約束邊界Wi=Wn則跳轉(zhuǎn)到步驟g，若Wi古Wn則將中間約束邊界Wi變換為約束邊界wi+1，并且計(jì)算z = {X,)「=1是否存在于約束邊界wi+1內(nèi)，如果不在則通過(guò)映射和牽引方法將其約束在其中，并且形成新的Agent位置X = {X； \U，基于新的Agent點(diǎn)集I = {X；-
和新的約束邊界Wi,再跳轉(zhuǎn)到步驟d ；g、步驟完成，所有保存的Agent位置集合為團(tuán)體操隊(duì)形變換過(guò)程中隊(duì)員移動(dòng)軌跡路線。
具體實(shí)施例:在CVT團(tuán)體操隊(duì)形變換控制軟件的操作界面上直接設(shè)置參與團(tuán)體操演練的人數(shù)，再設(shè)置團(tuán)體操隊(duì)形變換的源約束隊(duì)形(方正隊(duì)形)和目標(biāo)約束隊(duì)形(五角星隊(duì)形)，如圖2所示；設(shè)置源約束隊(duì)形和目標(biāo)約束隊(duì)形可以通過(guò)軟件平臺(tái)手工設(shè)置點(diǎn)集、邊集方法獲取，也可在3dmax軟件中構(gòu)建約束圖形，然后將導(dǎo)出的obj文件作為約束隊(duì)形，進(jìn)行文件直接讀取；接著通過(guò)Morphing方法生成的一系列平滑流程的中間約束隊(duì)形，用以團(tuán)體操隊(duì)形的約束；基于某個(gè)約束隊(duì)形，本發(fā)明通過(guò)設(shè)置密度場(chǎng)(本例采用均勻密度)，以達(dá)到最終均勻的CVT分布布局，即人群均勻的分布在約束隊(duì)形中；初始人群隨機(jī)分布于源約束空間中，首先通過(guò)Lloyd下降法迭代使人群逐步趨于均勻分布狀態(tài)。接著在隊(duì)形變換過(guò)程中(即源約束隊(duì)形逐步趨于目標(biāo)約束隊(duì)形)，通過(guò)變空間域下的Lloyd下降法，使群體在趨于每個(gè)約束隊(duì)形的目標(biāo)位置移動(dòng)同時(shí) 考慮約束于下一個(gè)約束隊(duì)形中，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)碰撞并且平滑流程的隊(duì)形變換效果。
權(quán)利要求
1.一種基于幾何約束的團(tuán)體操隊(duì)形訓(xùn)練輔助方法，其特征在于:首先設(shè)定團(tuán)體操隊(duì)形變換的初始約束隊(duì)形和目標(biāo)約束隊(duì)形，通過(guò)Morphing方法生成由團(tuán)體操源約束邊界到目標(biāo)約束邊界的一系列中間約束邊界，并且將這些邊界作為人群隊(duì)形的外圍約束條件；再基于CVT理論，通過(guò)幾何Voronoi剖分方法將每個(gè)人劃分到特定外圍約束邊界內(nèi)的一個(gè)獨(dú)立、不相交的空間區(qū)域，接著利用Lloyd下降法逐步迭代實(shí)現(xiàn)人群在外圍約束邊界內(nèi)的均勻排布和無(wú)碰撞、交叉的路徑導(dǎo)航；為了實(shí)現(xiàn)團(tuán)體操隊(duì)形變換效果，通過(guò)持續(xù)變換外界約束邊界的方法，再采用CVT理論和Lloyd下降法實(shí)現(xiàn)人群在一系列外圍約束邊界間的平滑流暢的均勻布局切換和導(dǎo)航，最終完成團(tuán)體操人群由源隊(duì)形到目標(biāo)隊(duì)形的平滑流暢變換效果；具體步驟進(jìn)行: a、團(tuán)體操群體隊(duì)形變換可看為在2D空間中人群受到外圍隊(duì)形的約束而進(jìn)行隊(duì)形變換，因此通過(guò)人工設(shè)置或者讀取點(diǎn)線文件的形式設(shè)置團(tuán)體操的初始約束邊界和目標(biāo)約束邊界； b、基于步驟a設(shè)定的初始約束邊界和目標(biāo)約束邊界,通過(guò)Morphing方法,找到源約束邊界點(diǎn)集和目標(biāo)約束邊界點(diǎn)集之間的最佳映射關(guān)系，繼而通過(guò)插值的方法得到從源約束邊界到目標(biāo)約束邊界的一系列團(tuán)體操外圍約束邊界,
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于幾何約束機(jī)制的團(tuán)體操隊(duì)形輔助設(shè)計(jì)的方法，首先設(shè)定團(tuán)體操隊(duì)形變換的初始約束邊界和目標(biāo)約束邊界，通過(guò)Morphing方法生成由團(tuán)體操源約束邊界到目標(biāo)約束邊界的一系列中間約束邊界，并且將這些邊界作為人群隊(duì)形的外圍約束條件。再基于CVT理論，通過(guò)幾何Voronoi剖分方法將每個(gè)人劃分到特定外圍約束邊界內(nèi)的一個(gè)獨(dú)立、不相交的空間區(qū)域，接著利用Lloyd下降法逐步迭代實(shí)現(xiàn)人群在外圍約束邊界內(nèi)的均勻排布和無(wú)碰撞、交叉的路徑導(dǎo)航。為了實(shí)現(xiàn)團(tuán)體操隊(duì)形變換效果，本發(fā)明通過(guò)持續(xù)變換外界約束邊界的方法，再采用CVT和Lloyd方法實(shí)現(xiàn)人群在一系列外圍約束邊界間的平滑流暢的均勻布局切換和導(dǎo)航。
文檔編號(hào)A63B69/00GK103252069SQ20131014779
公開(kāi)日2013年8月21日 申請(qǐng)日期2013年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月25日
發(fā)明者鄭利平, 劉曉平, 趙建明, 路強(qiáng), 李琳, 程亞軍 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)