CN105160698B - 一种三角化射线跟踪路径搜索方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三角化射线跟踪路径搜索方法，所述搜索方法包括以下步骤：定义每个三角形的法向量，相对直棱柱向外朝向，将射线方向向量和三角形法向量作点积，舍弃点积大于零的三角形；分别获取每根射线与各个三角形中心的距离，若距离大于三角形外接圆半径，舍弃三角形；对于每根射线，计算三角形三顶点、线段两端点所组成的多面体的带符号体积，若体积符号与射线方向向量符号相同，说明射线与三角形相交，反之则不相交；获取各个交点到射线起点的距离，取距离最近的交点作为射线线段的端点。本发明降低了运算复杂度，提高了程序执行效率。
Description
技术领域
本发明涉及于电波传播特性研究领域，以及基于几何光学原理的射线跟踪信道建模领域，特别是与几何图形学结合的电磁波传播特性研究领域，尤其涉及一种三角化射线跟踪路径搜索方法。
背景技术
射线跟踪(RT)是一种准确的电波传播特性预测和分析方法，能精确预测城市微蜂窝以及室内场景的场强覆盖。基于几何光学原理的射线跟踪信道建模方法，能够在复杂的传播环境中对场强，时延，到达角等量进行精确地预测。从实用角度来看，准确性和高效性一直是射线跟踪方法所追求的两个目标。通过相交测试寻找路径的核心一直是RT运算耗时的主体。
每条路径由一组线段序列确定，亦即，将某些线段首尾相接才组成一条完整路径。路径中间各个节点实际是射线与三角的交点，即反射点。对每一根射线，都要从众多的三角形中找出与其相交的三角形。因此，只有求出和每条射线相交的三角形及交点，才能准确“跟踪”出路径。
三维三角化射线跟踪(3D-Ray-Triangle)相交测试方法包括：质心法、半平面法、边界平面法、普吕克坐标法等。在运算时间效率方面，普吕克坐标法明显占有优势，尤其是在密集划分三角的情形下。文献《Optimizing Ray-Triangle Intersection viaAutomated Search》中所提的带符号体积法就是来源于此方法。使用上述带符号体积法能够通过求射线交点，准确地得到该条射线，组成一条路径。
但是在寻求射线跟踪路径时，单纯使用带符号体积法对所有的三角形进行运算具有以下缺点：对每一个三角形都进行求交运算具有盲目性，会导致运算量过大，运算时间长，程序执行效率低。
发明内容
本发明提供了一种三角化射线跟踪路径搜索方法，本发明降低了运算复杂度，提高了程序执行效率，详见下文描述：
一种三角化射线跟踪路径搜索方法，所述搜索方法包括以下步骤：
定义每个三角形的法向量，相对直棱柱向外朝向，将射线方向向量和三角形法向量作点积，舍弃点积大于零的三角形；
分别获取每根射线与各个三角形中心的距离，若距离大于三角形外接圆半径，舍弃三角形；
对于每根射线，计算三角形三顶点、线段两端点所组成的多面体的带符号体积，若体积符号与射线方向向量符号相同，说明射线与三角形相交，反之则不相交；
获取各个交点到射线起点的距离，取距离最近的交点作为射线线段的端点。
本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明大大降低了运算复杂度，提高了程序执行效率。加入朝向测试之后，排除了很多“背向”的三角形，三角形的外接圆测试又排除了大部分实际不相交的三角形。极大地较少了带符号体积法测试的三角形数量，提高了运算效率，降低了运算时间。该方法与传统相交测试法相比运算效率大大提高，更有利于应用在实际三角化射线跟踪路径搜索过程中。
附图说明
图1为多边形及室内场景三角化的示意图；
图2为本方法提供的三角化射线跟踪路径搜索算法的流程图；
图3为带符号体积法相交测试的示意图；
图4为应用本方法后的室内场景仿真结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本方法对现有技术进行分析发现，实际情况是大多数射线只可能与少数三角形相交，本方法利用分步的相交测试方法，在进行带符号体积法之前加入了三角形的朝向测试和外接圆测试两个步骤，有目标的选出最可能相交的少数三角形进行带符号体积法相交测试，最后进行遮挡测试。
实施例1
本发明提出一种三角化射线跟踪路径搜索方法，参见图1，该方法包括以下步骤：
101：定义每个三角形的法向量，相对直棱柱向外朝向(认为空间物体均是由若干直棱柱组成，每个直棱柱为一个封闭空间，每个面的法向量相对该面所在的直棱柱向外朝向)，将射线方向向量和三角形法向量作点积，舍弃点积大于零的三角形；
即，首先将场景模型简化为直棱柱体组成，将整个模型划分为物体对象，然后进一步划分面元，每个面元为多边形。然后将每个多边形面元三角化。
102：分别获取每根射线与各个三角形中心的距离，若距离大于三角形外接圆半径，舍弃三角形；
103：对于每根射线，计算三角形三顶点、线段两端点所组成的多面体的带符号体积，若体积符号与射线方向向量符号相同，说明射线与三角形相交，反之则不相交；
104：获取各个交点到射线起点的距离，取距离最近的交点作为射线线段的端点。
综上所述，本发明实施例通过上述步骤101-步骤104可以极大的减少需要用带符号体积法测试的三角形，大大降低运算复杂度，提高程序执行效率。
实施例2
下面结合具体的公式、附图对实施例1中的方案进行详细描述，图1是在VisualStudio2010环境下用C#语言编写的openGL窗口程序对某三维室内场景文件(.dxf格式)提取场景信息并三角化后的可视化运行结果，基于此场景，结合图2对本方法进行详细描述，详见下文：
201：三角形朝向测试；
定义每个三角形的法向量，相对直棱柱向外朝向(认为空间物体均是由若干直棱柱组成，每个直棱柱为一个封闭空间，每个面的法向量相对该面所在的直棱柱向外朝向)。对每根射线而言，将射线方向向量和三角形法向量作点积，舍弃点积大于零的三角形(说明三角形法向量与射线同向，即该三角形“背向”该入射射线)；反之，三角形朝向入射射线，可能是射线入射的三角形。故舍弃点积大于零的三角形，排除大多数“背向”射线的三角形。
202：三角外接圆测试；
选出“朝向”射线的三角形之后，对于每根射线，求其与各个三角形中心的距离，若距离大于三角形外接圆半径，说明该射线未实际与此三角形相交，则舍弃此三角形。
203：带符号体积法相交测试；
对于每根射线(线段)，计算三角形(此处为经过前几个步骤运算后剩下可能相交的三角形)三顶点、线段两端点所组成的多面体的带符号“体积”，利用这些数值是否同号判断线段是否与三角形相交。若该“体积”符号与射线方向向量符号相同，说明射线与三角形相交，反之则不相交。若相交则求出交点，进入下一步。
参见图3，图3中ΔP2P1P0为待做相交测试的三角形，向量为入射射线向量，图中假设入射射线从ΔP2P1P0中穿过，即与三角形相交，有相交点。求其体积表达式分别为：
其中，为ab线段与VaP0P2组成的四面体、为ab线段与VaP2P1组成的四面体、为ab线段与VaP1P0组成的四面体，分别为a点到P0点、P1点、P2点和b点的向量。
204：遮挡测试。
比较上一步求出的各个交点到射线起点的距离，只取距离最近的交点作为该段射线线段的端点。
本发明实施例通过上述步骤201-步骤204可以极大的减少需要用带符号体积法测试的三角形，大大降低运算复杂度，提高程序执行效率。
实施例3
下面结合具体的实例、附图对实施例1和2中的方案进行可行性验证，详见下文：
发射端采用垂直极化天线，发射功率为10w，频率为2.5GHz，天线高度为2.2m。将本方法应用于图1所示的室内场景中，该场景模型尺度为：15×3×2.5(m3)。接收球半径设置为0.045m，接收天线高度为1.5m。经过上述步骤处理之后的场景模型仿真结果见图4。图4是对图1场景运用本路径搜索算法后包含路径显示的运行结果，本方法不包含对于场强的计算过程，实际情形中射线是比较密的，在此为了显示清晰，本次仿真采用的射线间隔较大。传统相交测试算法和改进的相交测试算法运算时间比较见表1：
表1
仿真实验表明，本方法的运算时间相比传统的相交测试法运算时间大大缩短，达到了降低运算复杂度，缩短运算时间，提高程序执行效率的目的。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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。
Claims (1)
1.一种三角化射线跟踪路径搜索方法，其特征在于，所述搜索方法利用分步的相交测试方法，在进行带符号体积法之前加入了三角形的朝向测试和外接圆测试两个步骤，有目标的选出最可能相交的少数三角形进行带符号体积法相交测试，最后进行遮挡测试，具体包括以下步骤：
定义每个三角形的法向量，相对直棱柱向外朝向，将射线方向向量和三角形法向量作点积，舍弃点积大于零的三角形；
分别获取每根射线与各个三角形中心的距离，若距离大于三角形外接圆半径，舍弃三角形；
对于每根射线，计算三角形三顶点、线段两端点所组成的多面体的带符号体积，若体积符号与射线方向向量符号相同，说明射线与三角形相交，反之则不相交；
获取各个交点到射线起点的距离，取距离最近的交点作为射线线段的端点；
发射端采用垂直极化天线，发射功率为10w，频率为2.5GHz，天线高度为2.2m，将所述搜索方法应用于室内场景中，场景模型尺度为：15×3×2.5，单位为立方米，接收球半径设置为0.045m，接收天线高度为1.5m；
采用所述搜索方法进行搜索，一次反射为39s，两次反射为58s，三次反射为1min17s，四次反射为1min37s；采用传统的相交测试法进行搜索，一次反射为1min3s，两次反射为1min34s，三次反射为2min5s，四次反射为2min34s。
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