团体操虚拟编排和演练原型系统

《团体操虚拟编排和演练原型系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《团体操虚拟编排和演练原型系统（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第 16 卷第 9 期 2004 年 9 月计算机辅助设计与图形学学报 JOURNAL OF COMPUT ER ?AIDED DESIGN 修改稿收到日期: 2003 ?11?27? 本课题得到浙江省自然科学基金优秀人才基金( RC40008) 和教育部优秀青年教师教学科研奖励计划项目资助 ? 纪庆革, 男, 1966 年生, 博士后研究人员, 主要研究方向为虚拟现实和人工智能? 潘志庚, 男, 1965 年生, 博士,研究员, 博士生导师, 主要研究方向为虚拟现实和多媒体技术? 梅? 林, 男, 1981 年生, 硕士研究生, 主要研究方向为虚拟现实 ? 杨世琦, 男, 1981年生, 硕

2、士研究生, 主要研究方向为虚拟现实 ? 李祥晨, 男, 1974 年生, 硕士, 工程师, 主要研究方向为体育系统工程和体育系统仿真 ?团体操虚拟编排和演练原型系统纪庆革1,2) ?潘志庚1) ?梅 ? 林1, 3) ?杨世琦1) ?李祥晨4)1)( 浙江大学 CAD 团体操; 虚拟人群仿真; 避碰; 路径规划; 实时绘制中图法分类号? TP391?9Virtual Arrangement and Rehearsal of Group CalisthenicsJi Qingge1, 2)? Pan Zhigeng1)? Mei Lin1, 3)? Yang Shiqi1)? Li Xiangc

3、hen4)1)( State Key Laboratory of CA D group calisthenics; virtual crowds simulation; collision avoidance; path planning; real?time rendering1 ? 引 ? ? 言团体操是一种体育和艺术高度结合、 以体操动作为主的群众性体育表演项目 1? 它是由几十人、 几百人以至成千上万人, 在大的场( 馆) 中通过以体操为主体的各色各样的体育、 文艺形式和队形变化、 图案造型, 配以音乐、 道具、 服装, 以至背景、 场景( 舞台) 和灯光等艺术装饰所构成的体育艺术性的

4、集体表演项目2? 团体操设计和排练是一件非常烦琐、耗时的工作? 虚拟现实技术在体育仿真中具有很好 的应用前景 3, 将虚拟人群仿真技术应用于团体操设计和演练, 可以提高设计和排练质量, 提高设计人员和排练人员的工作效率? 团体操编排和演练仿真涉及到大量的虚拟人群运动、 动作及队列编排, 其关 键技术为大规模场景的实时绘制技术、 运动建模、 路径规划和避碰等?群仿真应用前景非常广泛, 越来越引起人们的 关注 ? 在一个相同的物理环境中, 一个大组( 团体)叫作一个群, 它是由共享共同目标的个体组成的?群中的个体可能以一种不同于在一个小组中或单独时的方式行动4? 为了模拟聚集运动, Reynold

5、s 5 ?6 研究了行为动画, 并且引入了聚集系统, 其中群的行为是由组内个体的行为构成的, 这些行为包括避碰、 速度匹配和中心聚集? Tu 等7使用聚集系统模 拟了存在于水生态系统中的复杂的组行为? Bouvier等8和 Brogan 等9分别提出了在仿真中使用粒子系统和动力学的组和群仿真概念? 为了创造人造生命, Noser 等10发展了控制集体行为动画的局部规 则, 其中虚拟智能体能够被赋予合成视觉和对环境的感知能力 ? 为了有效地仿真人群行为, Musse 等提出了群行为模型? ? ViCrowd11? 该模型是分层模 型, 由虚拟人群、 组和个体构成, 在同一组内的个体有相同的路径规

6、划方法, 每一组都具有由用户指定的一般行为 ? 按自治程度划分, 群的行为被分为以下三类: 有指导的群、 可被编程的群和自治的群12? 本 文利用有指导的群的思想设计了一个团体操虚拟编排和演练原型系统, 其中群的行为可以由用户指定?该原型系统提供一个可供导演生成阵形的平台, 能够 按照指定的阵形和人工交互方法生成虚拟人群的多个队形的连续变化过程? 该原型系统使团体操的队形设计变得更加容易, 并且能够提高排练效率 ?2 ? 原型系统结构与功能团体操虚拟编排和演练原型系统分为两个子系统: ( 1) 团体操队形及图案设计子系统, 该系统负责 设计团体操各个章节的队形或图案; ( 2) 团体操虚拟排练

7、子系统, 该系统采用虚拟人群技术对团体操队形或图案的变化进行仿真? 2?1? 团体操队形及图案设计子系统团体操分为若干章( 又称之为幕) , 每一章又被分为若干节( 又称之为景) , 这里的景相当于剧本的某一幕中因布景不同而划分的段落? 团体操队形和 图案设计子系统负责设计团体操各个章节的队形或图案, 图 1 所示为团体操队形及图案设计系统流程示意图? 该子系统具有如下功能:( 1) 队列图案编辑器( 多模式输入)? 可以通过 手绘输入、 扫描输入或用基本图案拼图等方式输入 队列的样式? 输入的图形可以用 BMP 格式文件保 存起来, 系统为这些图案编辑提供了简单的编辑器, 用户也可以用其他更

8、加强大的工具进行编辑? 这使 得系统可以设计的团体操队形大大增加 ?( 2) 点阵生成器? 几何图形作为一个整体, 无法 直接运用于队列编排, 只有通过某种方法转化成平 面上点的集合( 其中每个点对应一个团体操队员的 站位) , 才能对个体的运动进行编排? 点阵生成器对 绘制好的图案进行像素扫描, 实现从几何图形到阵 形的转换 ? 这些阵形可以被设置为初始队列形状和 目标队列形状 1、 目标队列形状 2 等一系列中间过渡队列形状?图 1? 团体操队形及图案设计系统流程示意图2?2? 团体操虚拟排练子系统由于团体操是一个群众团体活动, 参与的人数很多, 本文把团体操排练看作? 有指导的群行为?,

9、 即把对团体操队员行为( 或动作) 的仿真建立在 Musse 等 12的群仿真理论之上, 并针对团体操排练这种? 有指导的群行为?设计了一个事件驱动的群行为仿真系统框架? 图 2 所示为本文提出的团体操虚拟排练系统结构框图?图 2? 团体操虚拟排练系统结构( 1) 虚拟环境设定模块? 虚拟环境的设定包括 场景的构建和设定, 虚拟环境由体育场地、 虚拟灯光、 服装道具、 背景图案和若干虚拟人构成? 本文系统可以实现对场景、 光照和摄像机等的设定 ? ( 2) 事件定义模块( 任务规划)? 本文将事件简1186计算机辅助设计与图形学学报2004 年单地分为行为事件和命令事件? 其中, 命令事件表示

10、对虚拟环境的设定指令, 如灯光的设置和音乐的切换等; 行为事件表示组( 或个体) 在群体某一特定 时间段内的运动或相应动作? 用户通过事件定义模块来设定事件的各个参数, 这些仿真参数包括: 组号、 组的路径规划方式、 组的初始区域点集、 组的目 标区域点集、 运动方式、 动作方式、 动作起始时间、 队列变换的初始时间、 组变换所需要的时间段、 插值方法、 组的路径控制点集和吸引点等? 事件被生成以后, 被挂在一个事件队列里, 等待激发时刻的到来, 系统通过解释这些事件参数来驱动群体中的个体运动?( 3) 路径规划模块? 路径由若干控制点和插值 方式确定? 本文系统有两种个体路径插值方法: 直线

11、插值法和 B?zier 样条曲线插值法? 组的简单路径规划方法分为最短路径分散法、 保持队形散开( 聚集) 方法和平行合并法等? 另外, 还有组的复合路径 生成法( 见第 3?1 节)?( 4) 避碰处理模块? 采用我们新提出的? 九宫格碰撞检测法?14? 该算法把操场分割为正方形子区 域, 并设定碰撞检测的范围为以当前虚拟人所在区域为中心的 9 个子区域, 还通过归纳绕行避碰的各种情况, 并把它们分成? 顺时针左绕行?和? 逆时针右绕行?两大类, 从而解决了行走方向校正和绕行避碰 方向矫正的冲突?( 5) 事件解释执行模块? 执行过程中, 当相应事件的激发时刻到来时, 该事件被解释和执行,

12、同时调 用避碰模块 ? 用户可以看到校正后的平面运动预览结果, 并且整个执行过程的数据可以被记录下来, 供虚拟人群仿真模块使用?( 6) 虚拟人群仿真模块? 根据事件解释执行模 块记录的数据, 用虚拟人群回放整个仿真过程?3 ? 实现技术群行为的仿真流程主要分为三个步骤: 路径预测、 路径校正和行动实施( 如图 2 所示)? 在路径预测阶段, 群成员根据自己当前的状态和事件传递的 用户控制信息去预测自己在下一个时间单位应该达到的位置; 然后进入路径校正阶段, 群成员获取碰撞检测范围内的所有其他成员的行动信息, 并根据当时周围的情况对自己下一步达到的位置进行校正, 达到避免碰撞的目的; 最后进入

13、行动实施阶段, 所有成员走到经路径校正得到的新位置? 当所有成员完成了行动以后, 系统进入下一个预测 ? 校正 ? 实施的循环?3?1? 路径规划方法 文献 5?6 提出的领队跟随和路径跟随模式是 应用于自治的群仿真中的, 我们将这两种模式应用于有指导的虚拟人群仿真系统中? 本文根据团体操 队形和图案变换的特点, 提出几种以个体和组为单 位的路径规划方法?( 1) 个体路径规划 个体路径由若干控制点构成, 本系统的个体路 径生成法有直线生成法和 B?zier 曲线生成法? 个体 路径直线生成法通过在初始位置和目标位置之间进行线性插值来生成路径? 直线行走是一个基本的个 体行为, 可以实现任何队

14、形之间的变化? 个体的行 动原则是根据他们的当前位置和目标位置来决定自己行走的方向, 根据两个位置间的距离和所剩时间 的多少来确立行走的速度? 比较复杂的队形变化可 以转化为多个直线行走规划的串行组合? 线性插值公式为 x = x( t) = (1- t) a + tb, 其中 a 和 b 是路径的两个端点, t ? 0, 1? 个体路径 B?zier 曲线生成法根据用户输入的多个路径控制点( 包括初始位置与目标位置) , 利用 B?zier 曲线公式来拟合光滑的曲线路径? B?zier 曲 线插值为Pri( t ) = (1- t )Pr- 1i( t ) + tPr- 1i+ 1( t )

15、,其中 r= 1, 2, ?, n; i = 0, 1, ?, n- r; t ? 0, 1? (2) 组路径规划 组的简单路径规划方法有最短路径分散法、 保 持队形散开( 聚集)法和平行合并法等? 最短路径分散法是由复杂图案分散成散点队形或其他规则图案 (如圆形图案), 按最短路径散开? 保持队形散开(聚 集)法是一个常用的队形变换方式, 如方队或圆的散开或聚集, 这种队形变换需要指定基准人和基准排? 平行合并法是指将一个队列合并到与之平行的另一 个队列中, 该队列中的个体平行地行进, 并且行进速度相同? 组的复合路径规划方法采用两种以上的简单路 径规划方法进行规划, 然后把规划的结果进行融

16、合 (并行或串行)? 这种方法可以实现比较复杂的运动, 可以省去过多的中间设定, 使设计和仿真过程简 单化 ? 3?2? 九宫避碰处理一个实用的避碰算法需要在实时性和逼真感之 间寻找平衡, 下面介绍两个有代表性的重要算法?11879 期纪庆革等: 团体操虚拟编排和演练原型系统Musse 等提出了一种简单的避碰方法11, 该方法通 过检测个体前进方向上是否有其他个体存在来判断 是否即将有碰撞发生? 该方法采用两种避碰策略: 等待避碰策略和绕行避碰策略? 这种方法尽管简单, 但是没有考虑碰撞检测的效率问题? 为了提高 碰撞检测的效率, Kim 等13提出了分割区域的方法 以及探测圆柱体的概念, 该算法需要不断对探测圆 柱体的边界进行维护? 本文原型系统采用的避碰方法吸取了文献 11, 13 方法的优点, 并且根据团体操仿真的特定要求对 前人方法进行了改进? 为了减小计算量, 我们采用分割子区域的方法, 将整个场地剖分成许多正方形, 正方形的边长是个体模型包围盒边长的整数倍( 用 C 表示) , 这样就