CN103337091A - 一种基于厚度的柔性场景连续碰撞检测方法 - Google Patents

一种基于厚度的柔性场景连续碰撞检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于厚度的柔性场景连续碰撞检测方法。现有方法非常耗时，且在很多场合下，模型厚度对碰撞检测的结果影响很大。本发明包括如下步骤：步骤(1)对待检测的三角形网格柔性场景模型中的每个三角形构造对应的包围盒，进而为三角形网格柔性场景建立包围盒层次结构；步骤(2)根据包围盒层次结构，构建包围盒测试树，进而输出存在包围盒重叠的叶节点；步骤(3)对步骤(2)输出的叶节点对应的三角形对进行精确连续碰撞检测。本发明通过构造基于厚度的3次方程，实现了对三角形对进行精确连续碰撞检测的目标，提高了碰撞检测的准确性和效率。

Description

一种基于厚度的柔性场景连续碰撞检测方法
技术领域
本发明属于计算机检测技术领域，具体涉及一种基于厚度的柔性场景连续碰撞检测方法。
背景技术
基于三角形网格的离散碰撞检测（DCD）检测在固定时刻物体之间是否存在接触，但是对于高速碰撞的物体，采用该方法会遗漏碰撞。为了解决这个问题，我们引入了连续碰撞检测（CCD）。
CCD通过插值获得物体在两个位置之间的运动路径，进而检测在这个运动过程中哪些部位发生了碰撞。该方法首先利用包围盒重叠测试输出存在重叠的包围盒对，然后通过精确碰撞检测来判断包围盒所对应的三角形是否发生了碰撞，而三角形对的精确碰撞检测过程又可分解为6个顶点/三角形之间碰撞检测。该方法被广泛地应用于物理现象仿真、虚拟现实、人工智能等多个领域。
但是，目前的连续碰撞检测方法没有考虑模型厚度对检测结果的影响，这是因为传统的基于模型厚度的连续碰撞检测方法需要求解1个一元六次方程，非常耗时。但是，在很多场合下，模型厚度对碰撞检测的结果影响很大，比如柔性物体之间碰撞。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种基于厚度的柔性场景连续碰撞检测方法，利用求解1个基于厚度的3次方程，实现了对三角形对进行精确连续碰撞检测的目标，提高了碰撞检测的准确性和效率。
一种基于厚度的柔性场景连续碰撞检测方法，包括如下步骤：
步骤(1)对待检测的三角形网格柔性场景模型中的每个三角形构造对应的包围盒，进而为三角形网格柔性场景建立包围盒层次结构；
步骤(2)根据包围盒层次结构，构建包围盒测试树，进而输出存在包围盒重叠的叶节点；
步骤(3)对步骤(2)输出的叶节点对应的三角形对进行精确连续碰撞检测。
所述的步骤（1）中，为三角形网格柔性场景模型建立包围盒层次结构，包括如下步骤：
1-1.计算出三角形网格柔性场景模型中每个三角形的中心；
1-2.通过采用坐标轴投影分割法对所有三角形中心进行划分：将所有三角形中心分别投影到三维坐标系的x、y、z轴上， 
1-2-1.选取轴上相距最远的两个三角形中心投影之间的距离，将其中距离最大的轴作为投影轴，将投影轴上相距最远的两个三角形中心投影为端点的线段，平分成两个子线段； 若该子线段对应的三角形网格柔性场景模型的局部只有一个三角形中心或没有三角形中心，则跳转到步骤1-3；
1-2-2.将子线段对应的三角形网格柔性场景模型的局部继续投影到三维坐标系的x、y、z轴上, 选取轴上相距最远的两个三角形中心投影之间的距离，将其中距离最大的轴作为投影轴，将投影轴上相距最远的两个三角形中心投影为端点的线段，平分成两个子线段； 
1-2-3.若步骤1-2-2的子线段对应的三角形网格柔性场景模型的局部只有一个三角形中心或没有三角形中心，则进入步骤1-3，否则重复步骤1-2-2；
1-3.采用自底向上的方法为整个三角形网格柔性场景模型建立对应的包围盒层次结构。
所述的步骤（2）中，当进行第n次碰撞检测时，包围盒层次结构是根据第n次碰撞检测时刻每个三角形更新后的空间位置，对上一次碰撞检测过程的包围盒层次结构中最底层的包围盒进行重构，进而自底向上对上一次碰撞检测过程的包围盒层次结构进行整理更新而成的，n为大于1的自然数。
所述的步骤(3)中，基于厚度的连续碰撞检测方法包括如下步骤：
3-1.将输出的叶节点对应的三角形对分解为六个点/三角形测试对，获取前一时刻和当前时刻待检测三角形三个顶点的三维坐标、待检测点的三维坐标、待检测三角形的法向量、三角形网格柔性场景模型厚度； 
3-2.计算满足                                               
Figure 2013102116192100002DEST_PATH_IMAGE002
的
Figure 2013102116192100002DEST_PATH_IMAGE004
值，如果
Figure 2013102116192100002DEST_PATH_IMAGE006
，则进一步判断待检测点在三角形所在平面投影是否在三角形内部，若是，则判定待检测点和三角形发生了碰撞；其中：，
Figure 2013102116192100002DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 2013102116192100002DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 2013102116192100002DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 2013102116192100002DEST_PATH_IMAGE016
，，
Figure 2013102116192100002DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 2013102116192100002DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 2013102116192100002DEST_PATH_IMAGE024
分别为前一时刻待检测三角形三个顶点的三维坐标，
Figure 2013102116192100002DEST_PATH_IMAGE026
分别为当前时刻待检测三角形三个顶点的三维坐标，
Figure 2013102116192100002DEST_PATH_IMAGE028
和
Figure 2013102116192100002DEST_PATH_IMAGE030
分别为前一时刻和当前时刻待检测三角形的法向量，
Figure 2013102116192100002DEST_PATH_IMAGE032
为三角形网格柔性场景模型厚度，
Figure 2013102116192100002DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure 2013102116192100002DEST_PATH_IMAGE036
分别为前一时刻和当前时刻待检测点的三维坐标，
Figure 2013102116192100002DEST_PATH_IMAGE038
为误差修正值。
所述的包围盒优选为16-DOP包围盒。
本发明有益效果如下：
本发明提供了一种基于厚度的柔性场景连续碰撞检测方法，通过求解1个基于厚度的3次方程，实现了对三角形对进行精确连续碰撞检测的目标，提高了碰撞检测的准确性和效率。
附图说明
图1为本发明连续碰撞检测方法的步骤流程示意图；
图2(a)为BVH的结构示意图；
图2(b)为BVTT的结构示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的连续碰撞检测方法进行详细说明。
如图1所示，一种基于厚度的柔性场景连续碰撞检测方法，包括如下步骤：
步骤(1)对待检测的三角形网格柔性场景模型中的每个三角形构造对应的16-DOP包围盒，进而为三角形网格柔性场景建立包围盒层次结构；
当进行第n次碰撞检测时，包围盒层次结构是根据第n次碰撞检测时刻每个三角形的空间位置，对上一次碰撞检测过程中的包围盒层次结构中最底层的16-DOP包围盒进行重构，进而自底向上对上一次碰撞检测过程中的包围盒层次结构进行整理更新而成的，n为大于1的自然数。
为每个三角形构造对应的16-DOP包围盒：首先将被包围三角形的顶点分别在各个方向上进行投影，然后判断这些投影是否落在包围盒的外部，如果落在包围盒外部，需要对该方向上包围盒的范围进行调整，保证该投影恰好落在边界上；对于16-DOP包围盒，任何一个三角形顶点都需要做16次比较，判断这个点是否落在包围盒内部。
为三角形网格柔性场景模型建立包围盒层次结构，包括如下步骤：
1.计算出三角形网格柔性场景模型中每个三角形的中心；
2.通过采用坐标轴投影分割法对所有三角形中心进行划分：将所有三角形中心分别投影到三维坐标系的x、y、z轴上， 
2-1.选取轴上相距最远的两个三角形中心投影之间的距离，将其中距离最大的轴作为投影轴，将投影轴上相距最远的两个三角形中心投影为端点的线段，平分成两个子线段； 若该子线段对应的三角形网格柔性场景模型的局部只有一个三角形中心或没有三角形中心，则跳转到步骤3-3；
2-2.将子线段对应的三角形网格柔性场景模型的局部继续投影到三维坐标系的x、y、z轴上, 选取轴上相距最远的两个三角形中心投影之间的距离，将其中距离最大的轴作为投影轴，将投影轴上相距最远的两个三角形中心投影为端点的线段，平分成两个子线段； 
2-3.若步骤2-2的子线段对应的三角形网格柔性场景模型的局部只有一个三角形中心或没有三角形中心，则进入步骤3，否者重复步骤2-2；
3.采用自底向上的方法为整个三角形网格柔性场景模型建立对应的包围盒层次结构。
步骤(2)根据包围盒层次结构，构建包围盒测试树，进而输出存在包围盒重叠的叶节点；
首先，采用自顶向下的构建方法构造包围盒测试树（BVTT），在图2(a)中已经对整个场景构造了一个包围盒层次结构（BVH）；相应地，图2(b)就是针对图2(a)场景而构建的一个BVTT。
BVTT的根节点（A，A）就是A的自碰撞检测对，然后提取出A的两个子包围盒B和a，分别对B和a做自碰撞检测，由于a已经是叶节点，所以不需要检测自碰撞，另外还需要检测B和a之间是否发生碰撞，即比较两个16-DOP包围盒之间是否有重叠。这个过程可以概括为：在这16个方向上比较两个包围盒是否有交集；如果在某个方向上没有重叠，则停止比较并且判定两个包围盒没有重叠。如果在所有方向上都有重叠，则采用左子树优先遍历方法，检测到B有子包围盒b和c，采用与处理B和a相同的方法，分别对b和c做自碰撞检测，另外判断B的两个子包围盒b和c是否与a发生重叠；如果在所有方向上都有重叠，并且a、b、c都已经是最底层包围盒（没有子包围盒），则停止遍历，输出存在重叠的叶节点。
步骤(3) 采用基于厚度的连续碰撞检测方法，对步骤(2)输出的叶节点对应的三角形对进行精确连续碰撞检测。
基于厚度的连续碰撞检测方法包括如下步骤：
3-1.将输出的叶节点对应的三角形对分解为六个点/三角形测试对，获取前一时刻和当前时刻待检测三角形三个顶点的三维坐标、待检测点的三维坐标、待检测三角形的法向量、三角形网格柔性场景模型厚度； 
3-2.计算满足的值，如果
Figure 546594DEST_PATH_IMAGE006
，则进一步判断待检测点在三角形所在平面投影是否在三角形内部，若是，则判定待检测点和三角形发生了碰撞；其中：
Figure 922211DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 342829DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 753081DEST_PATH_IMAGE012
，，
Figure 726515DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 950823DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 950003DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 234354DEST_PATH_IMAGE022
，分别为前一时刻待检测三角形三个顶点的三维坐标，分别为当前时刻待检测三角形三个顶点的三维坐标，和
Figure 859184DEST_PATH_IMAGE030
分别为前一时刻和当前时刻待检测三角形的法向量，
Figure 759007DEST_PATH_IMAGE032
为三角形网格柔性场景模型厚度，
Figure 262801DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure 564469DEST_PATH_IMAGE036
分别为前一时刻和当前时刻待检测点的三维坐标，
Figure 862726DEST_PATH_IMAGE038
为误差修正值。

Claims (5)

1. 一种基于厚度的柔性场景连续碰撞检测方法，其特征在于包括如下步骤： 
步骤(1)对待检测的三角形网格柔性场景模型中的每个三角形构造对应的包围盒，进而为三角形网格柔性场景建立包围盒层次结构；
步骤(2)根据包围盒层次结构，构建包围盒测试树，进而输出存在包围盒重叠的叶节点；
步骤(3)对步骤(2)输出的叶节点对应的三角形对进行精确连续碰撞检测。
2.根据权利要求1所述的基于厚度的柔性场景连续碰撞检测方法，其特征在于：所述的步骤（1）中，为三角形网格柔性场景模型建立包围盒层次结构，包括如下步骤：
1-1.计算出三角形网格柔性场景模型中每个三角形的中心；
1-2.通过采用坐标轴投影分割法对所有三角形中心进行划分：将所有三角形中心分别投影到三维坐标系的x、y、z轴上， 
1-2-1.选取轴上相距最远的两个三角形中心投影之间的距离，将其中距离最大的轴作为投影轴，将投影轴上相距最远的两个三角形中心投影为端点的线段，平分成两个子线段； 若该子线段对应的三角形网格柔性场景模型的局部只有一个三角形中心或没有三角形中心，则跳转到步骤1-3；
1-2-2.将子线段对应的三角形网格柔性场景模型的局部继续投影到三维坐标系的x、y、z轴上, 选取轴上相距最远的两个三角形中心投影之间的距离，将其中距离最大的轴作为投影轴，将投影轴上相距最远的两个三角形中心投影为端点的线段，平分成两个子线段； 
1-2-3.若步骤1-2-2的子线段对应的三角形网格柔性场景模型的局部只有一个三角形中心或没有三角形中心，则进入步骤1-3，否则重复步骤1-2-2；
1-3.采用自底向上的方法为整个三角形网格柔性场景模型建立对应的包围盒层次结构。
3.根据权利要求1所述的基于厚度的柔性场景连续碰撞检测方法，其特征在于：所述的步骤（2）中，当进行第n次碰撞检测时，包围盒层次结构是根据第n次碰撞检测时刻每个三角形更新后的空间位置，对上一次碰撞检测过程的包围盒层次结构中最底层的包围盒进行重构，进而自底向上对上一次碰撞检测过程的包围盒层次结构进行整理更新而成的，n为大于1的自然数。
4.根据权利要求1所述的基于厚度的柔性场景连续碰撞检测方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，基于厚度的连续碰撞检测方法包括如下步骤：
3-1.将输出的叶节点对应的三角形对分解为六个点/三角形测试对，获取前一时刻和当前时刻待检测三角形三个顶点的三维坐标、待检测点的三维坐标、待检测三角形的法向量、三角形网格柔性场景模型厚度； 
3-2.计算满足                                               
Figure 2013102116192100001DEST_PATH_IMAGE002
的
Figure 2013102116192100001DEST_PATH_IMAGE004
值，如果，则进一步判断待检测点在三角形所在平面投影是否在三角形内部，若是，则判定待检测点和三角形发生了碰撞；其中：，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
，，，，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
分别为前一时刻待检测三角形三个顶点的三维坐标，分别为当前时刻待检测三角形三个顶点的三维坐标，和
Figure DEST_PATH_IMAGE030
分别为前一时刻和当前时刻待检测三角形的法向量，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
为三角形网格柔性场景模型厚度，和
Figure DEST_PATH_IMAGE036
分别为前一时刻和当前时刻待检测点的三维坐标，
Figure DEST_PATH_IMAGE038
为误差修正值。
5.根据权利要求1所述的基于厚度的柔性场景连续碰撞检测方法，其特征在于：所述的包围盒为16-DOP包围盒。
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Granted publication date: 20160203

Termination date: 20190530

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