专利名称：一种基于几何约束的团体操队形训练辅助方法
技术领域：
本发明涉及计算机仿真学的运动训练辅助方法领域，具体为一种基于几何约束的团体操队形训练辅助方法。
背景技术：
团体操是一项体育与艺术高度结合的综合性的集体表演项目。在团体操的表演中，场面宏大、内容丰富多彩，并且队形变化多样，贯穿整个表演过程。团体操在队形变换过程中起到了宣传和教育作用，使观众有视觉和精神上的冲击，得到健和美的享受和精神上的满足。并且在一定程度上，它能放映出不同国家和民族的精神面貌和经济实力，以及国际形象。因此诸多国家倍受重视。大型团体操往往涉及成百上千的演员，而队形的快速、整齐切换似乎是这类演出不可缺少的重头戏。然而团体操队形设计和排练是一件非常繁琐、耗时的工作，并且反复排练和设计必然导致时间、经济、人力的极大浪费。对于队形控制方法有人提出基于关键队形约束的群体运动实现方法，该方法先在源约束形队形和目标约束队形中进行点阵数据采样，再进行点阵数据匹配，并应用插值算法进行群体移动导航。该方法必然导致队形变换不平滑，变换过程中容易出现交叉混乱、不整齐现象，从而影响团体操队形设计效率和视觉效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于几何约束的团体操队形训练辅助方法，以解决现有技术团体操队形设计和排练工作上的繁琐和耗时，队形控制方法中队形变换不平滑、流畅，变换过程中容易出现人群交叉混乱、不整齐的问题。为了达到上述目的， 本发明所采用的技术方案为:—种基于几何约束的团体操队形训练辅助方法，其特征在于:首先设定团体操队形变换的初始约束队形和目标约束队形，通过Morphing方法生成由团体操源约束边界到目标约束边界的一系列中间约束边界，并且将这些边界作为人群队形的外围约束条件；再基于CVT理论，通过几何Voronoi剖分方法将每个人划分到特定外围约束边界内的一个独立、不相交的空间区域，接着利用Lloyd下降法逐步迭代实现人群在外围约束边界内的均匀排布和无碰撞、交叉的路径导航；为了实现团体操队形变换效果，通过持续变换外界约束边界的方法，再采用CVT理论和Lloyd下降法实现人群在一系列外围约束边界间的平滑流畅的均匀布局切换和导航，最终完成团体操人群由源队形到目标队形的平滑流畅变换效果;具体步骤进行:a、团体操群体队形变换可看为在2D空间中人群受到外围队形的约束而进行队形变换，因此通过人工设置或者读取点线文件的形式设置团体操的初始约束边界和目标约束边界；
b、基于步骤a设定的初始约束边界和目标约束边界，通过Morphing方法，找到源约束边界点集和目标约束边界点集之间的最佳映射关系，继而通过插值的方法得到从源约束边界到目标约束边界的一系列团体操外围约束边界I1 ;C、在初始约束边界W1内随机排布η个Agent, Agent集合表示为1 =；d、基于外围约束队形边界Wi和Agent集合I = ,通过Voronoi剖分将整个约束边界剖分为η个互不相交的Voronoi区域,此时每个Voronoi区域内的点到生成它的Agent的距离，同到其他Agent的距离相比为最小，剖分区域表示为F = {il=1 ；e、计算F = RH1中每个Voronoi区域的质心尤’ =WjL1，若{本#Hi则设I = Pd1，并且返回步骤d，若相等则初始队形形成，且对Agent点集X = Pd1进行保存，作为当前的团体操人群布局；f、若约束边界Wi=Wn则跳转到步骤g，若Wi古Wn则将中间约束边界Wi变换为约束边界wi+1，并且计算是否存在于约束边界wi+1内，如果不在则通过映射和牵引方法将其约束在其中 ，并且形成新的Agent位置Z = {I, ，基于新的Agent点集I = {I, \:=1和新的约束边界Wi,再跳转到步骤d ；g、步骤完成，所有保存的Agent位置集合为团体操队形变换过程中队员移动轨迹路线。本发明首先通过Morphing方法生成由团体操源约束边界到目标约束边界的一系列中间约束边界，并且将这些边界作为人群队形的外围约束条件。再基于CVT理论(基于质心的Voronoi结构),通过几何Voronoi剖分方法将每个人划分到特定外围约束边界内的一个独立、不相交的空间区域，接着利用Lloyd下降法逐步迭代实现人群在外围约束边界内的均匀排布和无碰撞、交叉的路径导航。为了实现团体操队形变换效果，本发明通过持续变换外界约束边界的方法，再采用CVT和Lloyd方法实现人群在一系列外围约束边界间的平滑流畅的均匀布局切换和导航。最终完成团体操人群由源队形到目标队形的平滑流畅变换效果。该发明解决了现有方法在队形变换过程中不平滑、流畅、整齐和人群交叉碰撞的问题，极大的提高团体操队形设计和排演质量和效率，并且可以广泛的推广到所有大型活动中团体操演练中，极大的节约了人力和财力。与已有技术相比，本发明有益效果体现在:1、本发明提供的基于几何约束的团体操队形辅助设计的方法，团体操排练人员只需对团体操人数、初始约束队形和目标约束队形进行简单的设置，即可获得群体由源约束队形到目标约束队形的平滑流畅的队形变换效果，既方便直观，又降低了团体操人工排练过程中的繁琐度、耗时性；2、本发明提出基于几何约束机制的团体操队形的控制，因此可以实现团体操排演图案的多样化设置，和多种复杂图案队形间平滑、快速的变换效果；3、本发明将VOTonoi剖分和Lloyd迭代算法应用到团体操队形变换中，进行人群布局和路径规划控制，有良好的碰撞避免特性，可以很好的解决队形变换过程中人群交叉混乱和相互碰撞的问题，具有很好的队形变换视觉效果。
图1为本发明方法原理框图。图2为由源约束队形到目标队形的变换过程示意图。
具体实施例方式Morphing算法，即变形算法,在本发明中通过计算源对象与目标对象的对应/映射关系生成一系列逐渐变化的中间对象，实现从源对象到目标对象的渐变过程。Voronoi结构,又叫泰森多边形结构，由俄国数学家M.G.Voronoi于1908年发现并以他的名字命名。它实质是一种在自然界中宏观和微观实体以距离相互作用的普遍结构，具有广泛的应用范围。Voronoi图是一种由多边形或多面体构成的图。CVT理论，即基于质心的Voronoi剖分理论,应用于本发明中标记Voronoi图中每个多边形的质心,在队形变化过程中个体移动路径受质心位置限制，有效实现稳定、均匀的队形变化。Lloyd算法，即劳埃德算法，是迭代式改进探索法。劳埃德算法首先把输入点分成k个初始化分组，可以是随机的或者使用一些启发式数据。然后计算每组的中心点，根据中心点的位置把对象分到离它最近的中心，重新确定分组。继续重复不断地计算中心并重新分组，直到收敛，即对象不再改变分组(中心点位置不再改变)。如图1所示。本实施例是基于几何约束方法，结合Morphing、CVT和Lloyd技术，解决团体操队形约束、个体分布布局、个体配对、个体运动路径规划等方面问题。首先设定团体操队形变换的初始约束边界和目标约束边界，通过Morphing方法生成由团体操源约束边界到目标约束边界的一系列中间约束边界，并且将这些边界作为人群队形的外围约束条件。再基于CVT理论(基于质心的Voronoi结构)，通过几何Voronoi剖分方法将每个人划分到特定外围约束边界内的一个独立、不相交的空间区域，接着利用Lloyd下降法逐步迭代实现人群在外围约束边界内的均匀排布和无碰撞、交叉的路径导航。为了实现团体操队形变换效果，本发明通过持续变换外界约束边界的方法，再采用CVT和Lloyd方法实现人群在一系列外围约束边界间的平滑流畅的均匀布局切换和导航。最终完成团体操人群由源队形到目标队形的平滑流畅变换效果。本发明方法按如下步骤进行:a、团体操群体队形变换可看为在2D空间中人群受到外围队形的约束而进行队形变换，所以可以通过人工设置或者读取点线文件的形式设置团体操的初始约束边界和目标约束边界。b、基于步骤a设定的初始约束边界和目标约束边界，通过Morphing方法,找到源约束边界点集和目标约束边界点集之间的最佳映射关系，继而通过插值的方法得到从源约束边界到目标约束边界的一系列团体操外围约束边界,=队!；Li ;C、在初始约束边界W1内随机排布η个Agent，Agent集合表示为Z = {疋)；7=1 ；d、基于外围约束队形边界Wi和Agent集合尤= {Of=1,通过Voronoi剖分将整个约束边界剖分为η个互不相交的Voronoi区域,此时每个Voronoi区域内的点到生成它的Agent的距离，同到其他Agent的距离相比为最小，剖分区域表示为厂=!丨:；e、计算F = Ul1中每个Voronoi区域的质心夂={0:^。若沭式(匕则设Ι = {ΙΛΒ=1，并且返回步骤d。若相等则初始队形形成，且对Agent点集进行保存，作为当前的团体操人群布局；f、若约束边界Wi=Wn则跳转到步骤g，若Wi古Wn则将中间约束边界Wi变换为约束边界wi+1，并且计算z = {X,)「=1是否存在于约束边界wi+1内，如果不在则通过映射和牵引方法将其约束在其中，并且形成新的Agent位置X = {X； \U，基于新的Agent点集I = {X；-
和新的约束边界Wi,再跳转到步骤d ；g、步骤完成，所有保存的Agent位置集合为团体操队形变换过程中队员移动轨迹路线。
具体实施例:在CVT团体操队形变换控制软件的操作界面上直接设置参与团体操演练的人数，再设置团体操队形变换的源约束队形(方正队形)和目标约束队形(五角星队形)，如图2所示；设置源约束队形和目标约束队形可以通过软件平台手工设置点集、边集方法获取，也可在3dmax软件中构建约束图形，然后将导出的obj文件作为约束队形，进行文件直接读取；接着通过Morphing方法生成的一系列平滑流程的中间约束队形，用以团体操队形的约束；基于某个约束队形，本发明通过设置密度场(本例采用均匀密度)，以达到最终均匀的CVT分布布局，即人群均匀的分布在约束队形中；初始人群随机分布于源约束空间中，首先通过Lloyd下降法迭代使人群逐步趋于均匀分布状态。接着在队形变换过程中(即源约束队形逐步趋于目标约束队形)，通过变空间域下的Lloyd下降法，使群体在趋于每个约束队形的目标位置移动同时 考虑约束于下一个约束队形中，最终实现无碰撞并且平滑流程的队形变换效果。
权利要求
1.一种基于几何约束的团体操队形训练辅助方法，其特征在于:首先设定团体操队形变换的初始约束队形和目标约束队形，通过Morphing方法生成由团体操源约束边界到目标约束边界的一系列中间约束边界，并且将这些边界作为人群队形的外围约束条件；再基于CVT理论，通过几何Voronoi剖分方法将每个人划分到特定外围约束边界内的一个独立、不相交的空间区域，接着利用Lloyd下降法逐步迭代实现人群在外围约束边界内的均匀排布和无碰撞、交叉的路径导航；为了实现团体操队形变换效果，通过持续变换外界约束边界的方法，再采用CVT理论和Lloyd下降法实现人群在一系列外围约束边界间的平滑流畅的均匀布局切换和导航，最终完成团体操人群由源队形到目标队形的平滑流畅变换效果；具体步骤进行: a、团体操群体队形变换可看为在2D空间中人群受到外围队形的约束而进行队形变换，因此通过人工设置或者读取点线文件的形式设置团体操的初始约束边界和目标约束边界； b、基于步骤a设定的初始约束边界和目标约束边界,通过Morphing方法,找到源约束边界点集和目标约束边界点集之间的最佳映射关系，继而通过插值的方法得到从源约束边界到目标约束边界的一系列团体操外围约束边界,
全文摘要
本发明公开了一种基于几何约束机制的团体操队形辅助设计的方法，首先设定团体操队形变换的初始约束边界和目标约束边界，通过Morphing方法生成由团体操源约束边界到目标约束边界的一系列中间约束边界，并且将这些边界作为人群队形的外围约束条件。再基于CVT理论，通过几何Voronoi剖分方法将每个人划分到特定外围约束边界内的一个独立、不相交的空间区域，接着利用Lloyd下降法逐步迭代实现人群在外围约束边界内的均匀排布和无碰撞、交叉的路径导航。为了实现团体操队形变换效果，本发明通过持续变换外界约束边界的方法，再采用CVT和Lloyd方法实现人群在一系列外围约束边界间的平滑流畅的均匀布局切换和导航。
文档编号A63B69/00GK103252069SQ20131014779
公开日2013年8月21日 申请日期2013年4月25日 优先权日2013年4月25日
发明者郑利平, 刘晓平, 赵建明, 路强, 李琳, 程亚军 申请人:合肥工业大学