[发明专利]一种基于几何约束的团体操队形训练辅助方法

说明书

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：

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；

c、在初始约束边界W₁内随机排布n个Agent，Agent集合表示为；

d、基于外围约束队形边界W_i和Agent集合，通过Voronoi剖分将整个约束边界剖分为n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；

e、计算中每个Voronoi区域的质心，若则设，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W_i=W_n则跳转到步骤g，若W_i≠W_n则将中间约束边界W_i变换为约束边界W_i+1，并且计算是否存在于约束边界W_i+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，基于新的Agent点集和新的约束边界W_i，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。