基于计算机辅助设计的喷泉控制方法与流程

1.本发明涉及计算机辅助设计领域，具体涉及基于计算机辅助设计的喷泉控制方法。


背景技术：

2.计算机辅助设计是一种包括交互技术、图形变换技术、仿真模拟技术等的交叉技术学科，传统的计算机辅助设计常应用于工业设计，例如利用cad设计机械图纸等。但是随着图形技术的发展和不同领域的需求，计算机辅助设计具有了更加广阔的应用领域，例如利用计算机辅助技术来设计景区景观等，但是现有的计算机辅助设计只是在计算机构建的虚拟场景中进行规划布局、建模、渲染，例如用于景观设计的lumion软件、用于游戏服装设计的marvelous designer软件等，都不能和现实场景数据的进行自动化交互和自动化辅助设计。
3.为了让计算机辅助设计技术更加符合现有技术的发展和各种需求，需要提出一种能够自动化的根据场景需求分析场景数据然后实现自动化辅助设计的方法。


技术实现要素：

4.本发明提供基于计算机辅助设计的喷泉控制方法，以解决现有的喷泉开启未考虑本身作为景观对游客吸引性的问题，所采用的技术方案具体如下：本发明一个实施例提供了基于计算机辅助设计的喷泉控制方法，该方法包括以下步骤：获取景区内游客位置信息、喷泉位置信息及喷泉相关参数；所述喷泉相关参数包括景区中每个喷泉的活动等级、每个喷泉每个活动等级有效范围以及每个喷泉每个活动等级开启人数；对喷泉位置信息及游客位置信息分别进行仿真模拟，获取喷泉图结构和游客图结构，并对游客图结构根据喷泉图结构中节点数量进行图聚类，获取若干游客类别；根据每个喷泉大于当前活动等级的所有活动等级开启人数及大于当前活动等级的所有活动等级有效范围内的第一游客数量，获取每个喷泉的第一开启阈值；根据每个喷泉与每个游客类别的距离、每个喷泉与每个游客类别的相对方向差异以及每个游客类别的第二游客数量获取每个喷泉的模拟开启概率；根据计算机仿真模拟得到的每个喷泉的模拟开启概率与第一开启阈值的比较结果，对景区内每个喷泉进行交互控制。
5.可选的，所述获取若干游客类别，包括的具体方法为：采用格里-纽曼算法对游客图结构进行图聚类，选取图聚类形成类别数量与喷泉图结构节点数量差值最小的作为聚类结果，得到的聚类结果中多个类别即为多个游客类别。
6.可选的，所述获取每个喷泉的第一开启阈值，包括的具体方法为：
其中，表示第个喷泉的第一开启阈值，为喷泉当前状态的下一个更高的活动等级，表示第个喷泉的第个活动等级开启人数，表示该喷泉第个活动等级有效范围的第一游客数量，表示该喷泉的活动等级数量，表示该喷泉第个活动等级开启人数，表示该喷泉第个活动等级有效范围的第一游客数量。
7.可选的，所述每个喷泉与每个游客类别的相对方向差异，具体的获取方法为：根据每个游客位置信息获取每个游客的轨迹序列，通过pca算法获取游客的主成分方向及对应的特征值，选取特征值最大的作为游客的主方向，将每个游客类别内所有游客的主方向矢量加和作为每个游客类别的第一前进方向，获取每个游客类别的质心指向每个喷泉的第二前进方向，将第一前进方向与每个喷泉对应的第二前进方向差值作为每个喷泉与每个游客类别的相对方向差异。
8.可选的，所述获取每个喷泉的模拟开启概率，包括的具体方法为：其中，表示第个喷泉的模拟开启概率，表示图聚类得到的游客类别数量，表示第个游客类别的第二游客数量，表示第个游客类别与第个喷泉之间的距离，为第个喷泉与第个游客类别的相对方向差异，表示相对方向差异的归一化处理，表示以自然常数为底的指数函数。
9.本发明技术方案至少具有的有益效果是：通过对每隔一个时间段的每个时刻的游客节点进行聚类，得到与喷泉数量相近的类别，有助于得到不同游客对应的喷泉节点，与直接计算每个游客的对应喷泉节点来说，体现了游客的聚集性（人们往往是聚集性出门或参观，例如一家人出游或一个旅游团旅行），有助于通过计算机对实际情况进行更好的仿真模拟；通过计算游客前进指向每个喷泉的趋势，根据趋势性对每个喷泉的游客数量限制条件进行削弱，有助于吸引游客聚集到一个区域，达到喷泉的更高模式的开启指标，进而可以提高用户的体验，提高喷泉景观的景区好评贡献度。
10.通过计算机辅助设计地方法，结合景区内游客位置分布和景区内诸如喷泉等地景点交互数据设计交互模型，用来实现游客和景区的交互控制，实现了自动化的根据场景需求分析场景数据然后实现自动化辅助设计的功能，提高了游客对景区自动化交互的需求，进而提高用户的体验。
附图说明
11.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
12.图1为本发明的一个实施例二所提供基于计算机辅助设计的喷泉控制方法的流程示意图；图2为方向坐标系的简化示意图。
具体实施方式
13.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
14.本发明提供的实施例一：步骤s101、采集需要进行计算机辅助设计的场景中的数据。
15.本实施例将景区作为计算机辅助设计对象为例进行叙述，景区中存在的可互动对象为游客和景区景点对象，所述景点对象包括景区中的展览馆、雕塑画像、喷泉、灯光、花草树木等。
16.需要说明的是，为了对景区进行计算机辅助设计，需要提前构建景区的虚拟场景，即将景区的地形和景点对象建立成虚拟的三维场景，然后导入到计算机辅助设计软件中，常用的计算机辅助软件有传统的cad、专用于园林景观设计的lumion，而本发明采用设计自由度和功能性很多的虚幻5游戏引擎（unreal engine5），该游戏引擎不仅用于游戏设计、电影设计，也适用于其他计算机辅助设计领域。
17.本实施例首先需要获取游客位置信息；具体的，游客位置信息可以利用手持终端或摄像头追踪进行获取，所述手持终端是用来对用户进行景区的讲解，同时用户也可以通过终端进行提问，到达自己想要去的区域，同时终端上嵌有gps定位芯片，可以获得游客的位置信息；所述摄像头追踪，通过景区摄像头采集到的图像，由于每个摄像头的实际坐标位置是已知的，通过人物识别得到图像上的游客区域，然后将摄像头采集到的目标游客图像坐标系通过现有方法转换到世界坐标系，可以采用opencv库中的转换函数实现，进而得到了游客的位置信息，将游客位置信息导入到计算机辅助设计软件中。
18.需要说明的是，由于景点对象在计算机辅助设计软件中的虚拟场景中是固定位置不变的，因此可以直接获得虚拟场景中景点对象的位置。
19.由于景点对像需要和游客进行交互，因此需要为计算机辅助设计软件中的景点对象设计交互参数，例如对于展览馆等建筑，其交换参数设计为大门或窗户的开与关、室内温度湿度、室内室外灯光强弱等；对于喷泉，其交互参数为活动等级、每个活动等级开启人数等，对于花草树木或雕像等，其对应的交互参数就是语音播报或视频展示内容信息等。
20.本实施例为了实现自动化的计算机辅助设计，需要根据景区的游客分布情况来自动的改变便景点对象的交互参数，利用计算机辅助设计软件设计一个交互模型，该模型输
入游客信息，输出景点对象的交互参数，使得游客处于不同分布状态时，景点对象具有不同的交互状态，例如根据展览馆室内游客的位置和运动状态多打开展览馆不同位置的窗户进行通风，再例如游客往喷泉走来时，喷泉开启响应的活动等级，或者变换灯光状态。
21.s102、根据计算机辅助设计软件中的游客位置信息，对游客进行聚类，获取若干游客类别。
22.实时获取景区中每个游客位置，并实时的将位置导入计算机辅助设计软件中，在计算机辅助设计软件中每个游客位置处，生成一个人体模型，并人体模型设计动作，使得人体模型能够产生和现实场景中游客相同的运动趋势。
23.计算机辅助设计软件中获取所有游客同一时刻的位置，对这些位置进行聚类，获得若干游客类别；由于游客和景点对象交互时一般是多个游客和一个景点对象进行交互，因此需要将游客进行分类，保证对景点对象的进行交互时是对多个游客群体进行交互参数调整的，避免只考虑单个游客个体导致交互效果差以及设计的交互模型泛化能力弱的问题。
24.需要说明的是，常用的聚类方法有均值漂移聚类方法、图聚类方法等。
25.步骤s103、根据游客的位置分布获取景点对象交互参数变化的阈值范围。
26.景点对象在和游客进行交互时，需要根据游客的位置分布、运动状态或游客数量等改变景点对象的交互参数，因此需要计算景点对象由当前交互参数变化成下一个交互参数的阈值。具体方法为：在计算机辅助设计软件中获取实时当前交互参数下景点对象预设范围内的游客数量，以及获取事先设定好的景点对象处于下一个交互参数时所需的人数；在计算机辅助设计软件中设计一个阈值变化模型，该模型输入的是和，输出景点对象由当前交互参数变化成下一个交互参数的阈值。
27.例如本实施例中：步骤s104、根据景点对象与游客类别，得到景点对象当前交互参数变成下一个交互参数的概率。
28.实时获取游客类别距离景点对象的距离d、游客类别中游客数量v以及游客运动方向和景点对象所在方向的差异。
29.在计算机辅助设计软件中设计一个概率评估模型，该模型输入d、v和，输出景点对象当前交互参数变成下一个交互参数的概率。
30.例如本实施例中：步骤s105、根据阈值变化模型和概率评估模型设计交互模型，进而获得游客和景点对象的交互方法。
31.在计算机辅助设计软件中，设计一个交互模型，该模型的输入为、和一个交互参数a，当时交互模型输出的交互结果是：景点对象切换到下一个交互参数，实现景点对象与游客的交互；当时交互模型输出的交互结果是：景点对象保持当前交互参数不变，即景点对象保持当前状态不变。
32.交互参数a的获取方法为：在0到2区间内随机生成n个不同数字，分别将这些数字作为a；那么相当于计算机辅助设计软件种存在了n个交互模型，分别运行这n个交互模型中每个模型分别运行1天，总共运行n天，这n天中选择景区游客数量最多的一天对应的数字作为最终的交互参数a，之后交互模型就以该交互参数构建的交互模型将进行和景点对象的交互。本实施例以n=50为例进行叙述。
33.需要说明的是，在获取交互参数a时，上述n天需要排除天气、节假日等非变量因素或干扰因素的影响，具体方法时数据分析或数据统计领域的常规方法，不再赘述。另一方面，为了节省获得a的时间成本，可以给a设置一个预设值，例如令a=1。
34.至此本实施例一利用计算机辅助设计的方法设计了交互模型，使得能够根据景区的具体游客数据实现景点交互。
35.本发明提供一个实施例二：请参阅图1，其示出了本发明实施例二所提供的基于计算机辅助设计的喷泉控制方法流程图，该方法包括以下步骤：步骤s001、获取景区内游客位置信息、喷泉位置信息及喷泉相关参数。
36.由于喷泉作为一个景观，是否开启必然与游客相关，因此首先需要获取游客位置信息以及喷泉的位置信息；同时每个喷泉景观都有相关参数，包括每个喷泉的活动等级、每个喷泉每个活动等级有效范围以及每个喷泉每个活动等级开启人数，而喷泉位置信息及喷泉相关参数提前输入到计算机中进行仿真模拟，游客位置信息可以通过多种方法获取。
37.具体的，游客位置信息可以利用手持终端或摄像头追踪进行获取，所述手持终端是用来对用户进行景区的讲解，同时用户也可以通过终端进行提问，到达自己想要去的区域，同时终端上嵌有gps定位芯片，可以获得游客的位置信息；所述摄像头追踪，通过景区摄像头采集到的图像，由于每个摄像头的实际坐标位置是已知的，通过人物识别得到图像上的游客区域，然后将摄像头采集到的目标游客图像坐标系通过现有方法转换到世界坐标系，可以采用opencv库中的转换函数实现，进而得到了游客的位置信息。
38.需要说明的是，景区喷泉通常有多个活动等级，由于能耗影响不可能一直保持最高活动等级运行，喷泉的目的是吸引游客来观赏，只有当游客数量越多时，才会开启越高活动等级的喷泉。
39.步骤s002、根据喷泉位置信息和游客位置信息分别进行仿真模拟，得到喷泉图结构和游客图结构，对游客图结构进行图聚类，获取若干游客类别。
40.通过获取的喷泉位置信息和游客位置信息，在计算机辅助设计软件上进行仿真模拟，得到模拟的喷泉和游客，并分别构建喷泉图结构和游客图结构，所述喷泉图结构的节点表示每个喷泉，边值表示喷泉之间的距离，图结构为无向图；所述游客图结构中的节点表示每个游客，边值表示不同游客之间的距离，图结构为无向图。
41.需要说明的是，由于游客图结构中的节点数量与喷泉图结构中的节点数量差异较
大，计算游客对应的喷泉节点需要较大计算量，因此对游客图结构通过图聚类的方式，用类别代替节点，便于计算游客对应的喷泉节点。
42.具体的，喷泉图结构中喷泉节点的数量为，对游客图结构根据喷泉节点数量进行图聚类，采用格里-纽曼算法。所述格里-纽曼算法聚类是通过逐步去除图结构中最大介数的边，从而形成不同类别，因此每次去除最大介数的边后，可以得到一个类别数量，即去掉该最大介数的边后的类别数量，可以形成一个类别数量序列，例如：[1,1,2,2,3,
…
]，由于当去掉第一个最大介数的边后，不一定能形成两个类别，因此可能出现去掉多条边后，没有形成新类别，如实例中的两个1表示在去掉第一条边和第二条边时，均没有形成新类别。选择最接近喷泉节点数量的对应类别划分情况作为图聚类的结果，具体的，计算类别数量序列中每个元素与的差值，选择最小差值对应的类别划分情况作为游客图结构的图聚类结果，每个类别称之为每个游客类别。
[0043]
步骤s003、计算每个喷泉在当前状态下开启下一个更高活动等级的第一开启阈值。
[0044]
计算得到每个喷泉在当前状态下开启下一个更高活动等级有效范围内的第一游客数量，所述第一游客数量是指与喷泉距离在对应活动等级有效范围内的游客数量，但游客数量太少时，达不到喷泉的开启要求；同时，有效范围内的游客数量越多，对应喷泉开启时的等级越高，可以带给游客更好的体验。
[0045]
需要说明的是，所述喷泉活动等级已经事先在计算机系统中输入，不同活动等级喷泉的高度、规模和水流变化多样性不同，越高等级的喷泉给游客带来的观赏效果越好；同时不同活动等级的喷泉对应不同有效范围和开启人数，活动等级越高的喷泉，有效范围越大，且所需要的开启人数越多。例如：活动等级划分为5类:a、b、c、d、e，等级a最低，等级e最高；每个活动等级对应的有效距离分别为：f(a)、f(b)、f(c)、f(d)、f(e)，每个喷泉每个活动等级的有效范围设置为以该喷泉为中心，半径为有效距离的圆形区域；每个活动等级对应的开启人数分别为：n(a)、n(b)、n(c)、n(d)、n(e)；所述每个喷泉的活动等级和对应的有效范围及开启人数，所述有效距离是指在该距离内可以看到喷泉且不显拥挤的距离值，用户可以根据实际情况自行设置。例如：共有2个喷泉:a、b，三个活动等级：a（类别a中有20人）、b（30人）、c（50人），其中喷泉a三个活动等级有效范围对应的有效距离为：a-a：10m，a-b：20m，a-c：30m。
[0046]
进一步的，根据每个喷泉在当前状态下开启下一个更高活动等级有效范围内的第一游客数量，计算每个喷泉开启下一个活动等级的第一开启阈值，具体的，以第个喷泉为例，其在当前状态下开启下一个更高活动等级的第一开启阈值的计算方法为：其中，为喷泉当前状态的下一个更高的活动等级，表示第个喷泉的第个活动等级开启人数，表示该喷泉第个活动等级有效范围的第一游客数量，表示该喷泉的活动等级数量，表示该喷泉第个活动等级开启人数，表示该喷泉第个活动等级
有效范围的第一游客数量，表示大于当前活动状态的出去下一个活动等级之外的更高的活动等级的数量，其中。
[0047]
此时，下一个更高活动等级有效范围内的第一游客数量与下一个更高活动等级开启人数之间差异越小，喷泉越应该开启下一个更高活动等级，相应的第一开启阈值越小；同时，当下一个活动等级喷泉开启时，尽管第一游客数量未满足更高的活动等级开启人数，但由于喷泉吸引性其有效范围会提升到更高的活动等级上，进而第一游客数量与更高活动等级开启人数的比值越大，称之为满足度越大，当前状态下的喷泉同样更应该开启下一个更高活动等级，则相应的第一开启阈值也就越小；计算后续更高等级的满足度均值作为第一开启阈值的相关参数。
[0048]
步骤s004、计算每个喷泉与每个游客类别的距离、每个喷泉与每个游客类别的相对方向差异以及每个游客类别的第二游客数量，得到每个喷泉的模拟开启概率。
[0049]
根据游客的聚集位置与不同喷泉节点的距离、聚集的游客人群的前进趋势方向与喷泉所在位置的关系、以及每个聚集的游客人群中游客数量，通过计算机辅助进行仿真，获取每个喷泉节点的模拟开启概率，作为后续对景区喷泉控制的参数。
[0050]
需要说明的是，传统通过计算机智能辅助喷泉控制的方法中，仅考虑喷泉有效范围内的游客数量，不考虑未来趋势对于喷泉以及游客之间的影响，未考虑到喷泉本身作为景观具有一定吸引性的参考因素，这种方法下的喷泉开启控制对于整个景区的好评贡献较少，可以将未来趋势作为参数引入到传统喷泉控制中，通过计算游客可能的聚集方向加上该方向存在的喷泉吸引，就有较大概率使得游客朝着该方向的喷泉前进，进而满足更高活动等级的喷泉的开启人数，再利用计算机仿真模拟出喷泉开启的后续发展，进而对景区喷泉进行控制。
[0051]
具体的，在步骤s002中通过图聚类获取每个游客类别后，需要确定每个游客类别的类别中心，所述每个游客类别的类别中心的计算方法为：计算某个游客类别中每个游客与其它所有游客的距离之和，将最小距离之和对应的游客节点作为该游客类别的类别中心节点；进一步的，计算每个游客类别中心节点与每个喷泉节点的距离，采用直线距离进行计算。此时，对于每个喷泉，游客类别与其距离越小，喷泉越应该开启；距离较小的游客类别中第二游客数量越多，喷泉越应该开启；距离较小的游客类别数量越多，喷泉也越应该开启；所述第二游客数量，即是每个游客类别中的游客节点数量。
[0052]
需要说明的是，计算每个喷泉与每个游客类别的相对方向差异，所述相对方向差异表征每个游客类别向某个喷泉的前进趋势，利用游客类别的第一前进方向与游客类别中心节点指向喷泉的第二前进方向的差异来表示相对方向差异，相对方向差异越小，说明该游客类别越有可能前进到对应的喷泉周围，则喷泉越应该开启。
[0053]
具体的，根据每个游客位置信息获取每个游客的轨迹序列，此时，若采用手持终端获取游客位置信息，则可以直接获取前进轨迹；若采用摄像头追踪获取游客位置信息，则可以通过多摄像机协同目标跟踪技术得到每个游客的前进轨迹；得到每个游客的前进轨迹后，每个游客在不同时刻的坐标可以形成一个序列，称之为轨迹序列，需要说明的是，此时获得的坐标是世界坐标系下的坐标，是将不同图像中同一个游客的图像坐标均转换到了世
界坐标系中。
[0054]
进一步的，通过pca算法分析任意一个游客的轨迹序列，所述的轨迹序列是一个位置序列，可获得该游客对应的若干主成分方向，每个主成分方向都是一个二维单位向量，同时每个主成分方向对应一个特征值，选取特征值最大的主成分方向作为游客的主方向。进一步的，将每个游客类别内所有游客的主方向矢量加和作为每个游客类别的第一前进方向，每个游客类别中所有游客位置的均值，记为类别中心，获取类别中心指向每个喷泉的第二前进方向，将第一前进方向与每个喷泉对应的第二前进方向差值绝对值作为每个喷泉与每个游客类别的相对方向差异。需要说明的是，请参阅图2，每个主方向及第一前进方向、第二前进方向均在方向坐标系内进行计算，方向角度共分为(-179
°
,180
°
]中的359个整数度数方向，特别需要说明的，-180
°
和180
°
为同一个方向。
[0055]
进一步的，以第个喷泉为例，该喷泉节点的模拟开启概率的计算方法为：其中，表示图聚类得到的游客类别数量，表示第个游客类别的第二游客数量，表示第个游客类别与第个喷泉之间的距离，为第个喷泉与第个游客类别的相对方向差异，表示相对方向差异的归一化处理，表示以自然常数为底的指数函数，用于归一化处理。
[0056]
此时，第个游客类别与第个喷泉之间的距离越小，说明第个游客类别越接近第个喷泉，越能进入到该喷泉的有效范围，喷泉开启概率越大；第个游客类别中第二游客数量越多，若该类别前进到第个喷泉的有效范围内，喷泉越应该开启，喷泉开启概率越大；第个喷泉与第个游客类别的相对方向差异越小，说明该游客类别越可能前进到第个喷泉周围，则喷泉开启概率越大。
[0057]
步骤s005、根据每个喷泉的模拟开启概率和第一开启阈值的比较结果对景区喷泉进行控制。
[0058]
至此，通过计算机仿真模拟，根据游客位置信息及喷泉位置信息和喷泉相关参数，已经得到了仿真模拟中每个喷泉的模拟开启概率和第一开启阈值，对模拟开启概率大于等于第一开启阈值的喷泉，根据喷泉的节点信息对景区内对应的喷泉进行控制开启，包括景区内喷泉的水泵、电机以及灯光等设备的开启运行；而对于模拟开启概率小于第一开启阈值的喷泉，保持对应的景区喷泉当前的活动状态，尚未开启的不进行启动，已经开启的维持当前活动状态。
[0059]
所述的根据每个喷泉的模拟开启概率和第一开启阈值获得交互控制方法的过程
就是本实施例基于计算机辅助设计得到的交互模型，该交互模型实现了基于景区景点对象数据和游客数据进行自动化计算机辅助设计，实现满足游客对景区自动化、智能化、高体验感的需求。
[0060]
至此本实施例二以喷泉的交互控制为例进行实施，完成了对景区的计算机辅助设计。实施者也可以在其他实施例中基于本发明的两个实施例进一步获得其他景点对象的交互模型设计。
[0061]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。