CN101645163A - 向量化并行碰撞检测流水线 - Google Patents

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Abstract

并行碰撞检测流水线可使用多核处理器执行物理仿真。在精细阶段碰撞检测阶段，基于对象类型对可能碰撞的对象进行分组。在一些实施例中，可在宽泛阶段碰撞检测中使用并行空间散列。

Description

向量化并行碰撞检测流水线
技术领域
本发明一般涉及物理仿真流水线，物理仿真流水线能够量化对象之间的关系，以供计算机分析。
背景技术
物理仿真在各种计算机运算中使用，其中对象的图像以现实方式相互作用。例如，在图像相互作用的视频游戏中，期望使用物理仿真流水线显示设备如何相互作用。例如，如果图像显示两辆汽车碰撞，物理仿真流水线能够显示碰撞结果的逼真描述。
在物理仿真流水线中，具有包括并行碰撞检测流水线的几何阶段。并行碰撞检测流水线获取几何主体的位置、旋转和速度信息，并且产生一接触点集合。为某些或全部接触点建立主体之间的接合点。该接合点集合用于力的计算和物理仿真阶段，进而产生作用于主体的计算机的力，并响应于对那些力仿真正确的主体运动。
碰撞检测是物理仿真流水线的一个阶段，在建模场景中负责检测对象之间的接触点。场景中的每个对象用具有诸如质量之类的物理特征的某些几何形状表示。
碰撞检测阶段通常包括宽泛阶段和精细阶段。所述宽泛阶段检测在感兴趣的场景中彼此之间可能有接触的成对的对象。这些成对对象中的每一个进入用于精确接触检测的精细阶段。所以，宽泛阶段的目标是减少用于精细阶段分析的成对对象的数量。
碰撞检测阶段的输出是该对象对中对象之间的接触点。每个接触点用场景中的其三维坐标定义，并且通过指针指向两个相关的接触对象。通常接触点包含一些附加信息，该信息有助于精确的执行碰撞分解。接合点是一种特定结构，该特定结构将两个主体之间接触点描述为进行碰撞分解的下一物理阶段的约束条件，称作物理求解器。这些物理求解器对主体施加额外的力。这些额外的力防止对象在场景中穿透。
附图说明
图1是本发明一个实施例的示意性描述；
图2描述根据一个实施例的具有在不同网格层上的两个轴对齐包围盒的网格；
图3描绘根据一个实施例，在i+2层的轴对齐包围盒以及插入其中的单元；
图4描绘在i+1层的轴对齐包围盒以及插入其中的单元；以及
图5描绘本发明一个实施例的流程图。
具体实施方式
参见图1，描述了向量化并行碰撞检测流水线10。对于“向量化”，旨在涉及将同样的算术运算序列变换为单个指令。然后单个指令可用于重复处理多个向量化的数据集。因此，向量化是重新组织程序的过程，使得编译器能够使用向量。向量是在存储器中以一维顺序排列的数组。单指令多数据(SIMD)处理器，也称为向量处理器，在同一类型的数学数据上重复执行单一运算。单指令多数据处理器通过对类似安排的数据集合重复且并行执行单一运算的循环的向量化来采用并行度。数据并行度能在可同时处理大量数据的向量处理器和单指令多重数据处理器上采用，因而可同时执行多数据单元上的数学运算。
因此，在一些实施例中，并行碰撞检测流水线10适应于单指令多数据处理器。流水线10能够采用SIMD处理器的并行度，并且使得单指令多数据处理器能够对数据进行最高效的处理而不必重新打包和重新排列数据。所以，单指令多数据处理器可以通过更有效的方式高效率地处理被适当分组的数据集合。
由诸如游戏程序的用户代码产生的接触接合点集合依赖于图像主体之间关于接触点信息。具体地，碰撞检测使用主体位置和穿入信息的相应深度。该信息由图1中的并行碰撞检测流水线10通过碰撞检测用户接口传递给了用户定义代码。用户代码为由碰撞检测所检测到的每个接触点建立接触接合点。并行碰撞检测流水线架构可针对这样的行为优化。当碰撞检测流水线工作时调用用户代码。
在宽泛阶段20中，碰撞检测算法并行处理数据，并且接触接合点被并行建立，使得可重复输入每个用户的代码。
在精细碰撞检测阶段中，并行碰撞检测流水线10和用户回调函数14、16之间的所有接口均被向量化，以便利用单一指令多数据引擎特性。用户回调函数14、16由调用碰撞检测流水线10以处理几何体的同样系统提供，并且用户的回调(或者14或者16)是用户代码能够控制碰撞检测流水线的方式。第一阶段回调14能够将一些成对几何体标记为不需被精细阶段碰撞机35测试。在第一回调函数结束之后，碰撞检测流水线10从缓冲的成对几何体中准备用于精细碰撞机的数据。然后调用特定的精细碰撞机用于准备的数据(对应于缓冲器的类型-球体-球体，封装包-球体等)。将几何体对向量转换为用户代码，并且用户代码能够产生信息，如作为向量的接触接合点18。几何体对向量是主体对几何体识别器的向量，该主体对专用于特定仿真系统。向量中的所有信息是统一的，以便能够通过单指令多数据处理器有效地运算。在宽泛碰撞检测阶段和精细碰撞检测阶段中，这避免了在单指令多数据处理器中不必要的重新打包。
在前精细碰撞检测阶段(“阶段1”)14，并行碰撞检测流水线10将在宽泛阶段20中将关于在框26选择的可能碰撞几何体对信息传递到用户回调函数14。用户回调函数14标记在精确碰撞检测中不需要被测试的对。对于没有标记的对，用户代码提供在并行碰撞检测流水线10中的精细阶段中可被检测到的所需的数量的接触点，并且可为能够在被称为后精细阶段(“阶段2”)16的下一阶段使用的附加信息分配一些空间。
因此，图1中，在宽泛阶段20中，加速结构存储器24基于几何体、位置和速度12存储关于可能的碰撞对的信息，用于在宽泛阶段的框26中选择可能的对象对。可能的碰撞对管理器30对所选的可能碰撞对28进行查看。在阶段一，即前精细阶段，碰撞对管理器30向用户回调函数14提供信息。
图1中，黑线指示并行运算的过程。图1框16中指出的称为后精细阶段的用户回调函数阶段二没有向流水线10本身返回任何信息，但可以为个别接触点产生接触接合点，并且可以以各种方式修改物理“世界”19。用于回调函数16仅有的指令是该函数仅能进行物理世界19线程安全修改，同时最小化或完全避免使线程之间同步的需要。因此，在一些实施例中可以避免或减少使用线程相关性。
用户回调函数阶段16从实际碰撞对管理器46接收输入。因此，参考图1，在前精细阶段中，由管理器30识别可能的碰撞对。如箭头32所指示的，那些对也提供给用于每个对象对类型的可能的碰撞对缓冲器34。对象对类型是一对用于两个给定对象的类型，如48和52。然后，已预分组的所准备的数据在36被传递到精细阶段框35。因此，这些特定的分组数据类型可在在相应的精细碰撞机核心——如40和42——中在单指令多数据处理器上运算。存在特定的精细碰撞核心用于缓冲数据的各类型，如40用于48(盒-盒)以及42用于52(球体-球体)。如箭头44指示的，在精细阶段35中确定的实际的碰撞对传送到向用户回调函数16提供信息的实际碰撞对管理器46。如箭头所指示的，用户代码然后为世界19提供接合点18，然后其被输出用于图形显示。
可能的碰撞对管理器30是传给用户代码的数据的有效缓冲器。类似的，实际的碰撞对管理器46是用于将数据发送到用户代码的缓冲器，更具体地，是用于在宽泛阶段、用户回调函数和精细阶段之间传递数据的缓冲器。
可能碰撞对管理器30从宽泛阶段收集可能的主体碰撞对，并将其转换为向量。之后将向量发送给用户回调函数14。此外，如方框32所指示的，可能的碰撞对管理器30依据类型将几何体对分为多个种类。这些分组对象类型被存储在特定分配的缓冲器34中。
当用于特定几何体类型的特定缓冲器满时，来自诸如缓冲器48或52之类的缓冲器的所有几何体对被传送到精细阶段碰撞机35。因此，由于数据已经被分组以供并行运算，所以精细阶段碰撞可有效的使用单指令多数据处理。该缓冲用于收集足够的用于调用向量化的精细阶段碰撞机35的对数量。在一些实施例中，碰撞机35可使用屏蔽的单指令多数据运算来调用对象的非碰撞对，并且避免有条件的分支。
在框35中的精细阶段之后，结果得到的对44和接触点被发送到实际碰撞对管理器48，实际碰撞对管理器48对其进行管理并将其传送通过用户回调阶段16，用户回调阶段16可以根据接触点改变物理世界19以建立接合点18和执行其他功能。
在一些实施例中，流水线10是物理仿真的宽泛和精细阶段之间的基于向量化单指令多数据分组的接口。它提供数据结构、存储格式和用于积聚每个碰撞机类型的几何体的存储分配策略。两个回调函数在碰撞检测系统和用户定义的代码之间传送向量化的数据。
根据一些实施例，根据精细碰撞机35类型将给定的主体几何体分成几组。在将几个主体对发送到精细阶段碰撞机35之前收集这些主体对。在一些实施例中，这种方法可得到大的数据粒度，并且因此为整个碰撞检测流水线10产生更好的局部性和并行性。
另外，两个回调函数将碰撞检测流水线与用户定义代码相连接，使得用户能够控制碰撞检测过程并且能够执行一些额外的任务，这些任务由利用宽单指令多数据引擎的碰撞而驱动。因此，回调函数的使用以及将几何体分成组或类型导致了碰撞检测流水线更好的性能，在一些实施例中，使得处理器的宽单指令多数据单元能够有效的使用。
在一些实施例中，流水线10由图形处理器实现。流水线10可实现在硬件或软件、或硬件和软件的组合中。
此处描述的图形处理器技术可以以多种硬件架构实现。例如，图形功能可以集成在芯片组中。或者，可以使用分立图形处理器。作为又一个实施例中，图形功能可以由通用处理器实现，包括多核处理器。
在一个实施例中，宽泛阶段碰撞检测算法20可以使用空间散列。在空间散列中，两维或三维空间中的对象被投影到一维散列表中，使得对象能够更快定位。空间散列使用散列表能加速搜索可能发生碰撞的几何体对。空间散列算法可以使用包围体，并且在一个实施例中，仅使用轴对齐包围盒来确定几何体是否相交。包围体是包括对象集合的封闭体。包围盒是包含对象的立方体或矩形。在包围盒与坐标系统的轴对齐的情况下，将其称为轴对齐包围盒。如果几何体轴对齐包围盒相交，则算法将这些相交的几何体传递到相连的精细阶段碰撞机35之一。
可以使用具有2i单元大小的无限网格，其中i在集合{min_level，...，和max_level}中。参数min_level和max_level确定场景中的一般的轴对齐包围盒的大小。
如图5方框50所指示的，在算法的准备阶段，为场景中的每个轴对齐包围盒选择网格中的层i。层i对应特定网格层级。将对象映射到网格操作的选定层上(框52)。根据选定的网格层，每个轴对齐包围盒被扩展成确定的网格单元(框54)。在一个实施例中，这些单元的数量从1到8变化。可选择网格层以满足单元的属性。使用全部轴对齐包围盒的相应单元被填入散列表以加速用于特定单元的检索(框56)。
在一个实施例中，可使用一种特定形式的散列表，以便在全部主体上完全并行地执行预准备阶段，而且没有数据在线程之间传递。
在算法的主要阶段中，处理所有轴对齐包围盒(框58)。借助于散列表，针对与所有其他单元的相交，测试为每个轴对齐包围盒建立的全部单元(框60)。与分配到所有主体上的工作并行地处理主阶段。因此，可有效地使用多核或多处理器系统。
因此，参照图2，作为示例，将两个轴对齐包围盒A和B放置在不同网格层上。轴对齐包围盒A插入至i+2层并且轴对齐包围盒B插入至i+1层。描述了用于i+1和i+2层的网格线。
图3中，示出轴对齐包围盒B与插入其中的单元1、2、3和4一起在i+2层处。单元1、2、3和4属于轴对齐包围盒。然后，在图4中，示出轴对齐包围盒A与插入其中的单元1和2一起在i+1层。
在一些实施例中，特定散列函数并行度有助于多核处理和单指令多数据库并行处理的使用。
在整个说明书中对“一个实施例”或“实施例”的参考意思是结合实施例描述的特定特征、结构或特性包含在本发明内包括的至少一个实现中。因此，短语“一个实施例”或“在实施例中”的出现并不一定涉及相同的实施例。此外，该特定特征、结构或特点可以以其他合适的形式体现，而不同于所示的特定实施例，并且所有这样的形式可以包含在本申请的权利要求中。
尽管已经参考有限数量的实施例描述了本发明，但本领域技术人员可意识到各种修改和变化。所附权利要求旨在覆盖本发明真实思想和范围内的所有这样的修改和变化。

Claims (19)

1.一种物理仿真的方法，包括：
在物理仿真中，基于对象类型对可能碰撞的对象进行分组。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：积聚对象类型的预定数量的对象，并且当积聚对象类型的预定数量的对象时，向精细阶段碰撞机发送积聚的对象类型信息。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，积聚对象类型的对象包括积聚特定几何体的对象。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括使用用户回调函数将碰撞检测流水线与用户定义的代码耦合，使得用户能够控制碰撞检测过程。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括基于数据集中的适应于单指令多数据处理的对象类型提供输出数据。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括在宽泛阶段碰撞检测期间向用户回调函数提供输入。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，包括在精细阶段碰撞检测期间向用户回调函数提供输入。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括将并行空间散列用于宽泛阶段碰撞检测。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，包括将多核处理用于所述空间散列中。
10.一种碰撞检测装置，其特征在于，包括：
宽泛阶段碰撞检测单元；以及
耦合到所述宽泛阶段碰撞检测单元的精细阶段碰撞检测单元，所述精细阶段碰撞检测单元基于对象类型对可能的碰撞对象进行分组。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述精细阶段碰撞检测单元积聚对象类型的预定数量的对象，并且当积聚对象类型的预定数量的对象时，向精细阶段碰撞检测单元发送积聚的对象类型信息。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述精细阶段碰撞检测单元通过积聚特定几何体的对象积聚对象类型的对象。
13如权利要求10所述的装置，其特征在于，还包括管理器，使用用户回调函数将所述装置与用户定义的代码相链接，使得用户控制宽泛和精细阶段碰撞检测。
14如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述装置包括单指令多数据处理器。
15如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述处理器是多核处理器。
16.如权利要求10所述的装置，其特征在于，包括管理器，在宽泛阶段碰撞检测期间向用户回叫函数提供输入。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述管理器在精细阶段碰撞检测期间向用户回调函数提供输入。
18如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述精细阶段碰撞检测单元使用空间散列。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，包括：具有多个核的多核处理器并行执行空间散列。
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