CN108090965A - 支持海量空间数据的3d漫游碰撞检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了支持海量空间数据的用于三维场景漫游的实时碰撞检测方法。它包括利用OSG三角网构建技术和多面体求交器快速获取可能发生碰撞的三角形，满足海量空间数据下复杂三维大场景的时效性和实用性要求；顾及三角形边和三个顶点，根据虚拟碰撞检测球与三角形空间位置关系和距离变化计算碰撞点坐标；通过三维场景路径训练，自适应调整虚拟碰撞检测球半径，解决场景存在较大洞坑时碰撞检测球掉落，视点飞出场景外以及三维场景某局部区域入口太小时无法漫游进入该区域内部的问题。克服了现有技术主要应用于数据量少、模型简单的三维场景中的缺点；具有为实现海量空间数据下三维场景室内室外、地上地下的任意浏览与漫游提供技术支撑的优点。

Description

支持海量空间数据的3D漫游碰撞检测方法

技术领域

本发明涉及一种漫游碰撞检测方法，具体地说它是支持海量空间数据的3D漫游碰撞检测方法，更具体说它是一种支持海量空间数据的用于复杂三维大场景中的漫游碰撞检测的方法。

背景技术

目前的碰撞检测方法主要用于判断实际对象间的碰撞关系，其核心在于对象包围盒的构建，寻求包围盒与实际碰撞物体表面的紧密贴合程度与碰撞检测时效的平衡，主要应用于数据量少、模型简单的三维场景中。

3D是英文3Dimensions的简称，中文是指三维、三个维度、三个坐标，即有长、宽、高；换句话说，就是立体的，3D就是空间的概念也就是由X、Y、Z三个轴组成的空间，是相对于只有长和宽的平面(2D)而言。

OpenSceneGraph(简称OSG)采用标准C++和OpenGL编写而成，是一个开源的、跨平台的图形开发包。

地理信息系统(Geographic Information System，GIS)是指在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层(包括大气层)空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。建筑信息模型(Building InformationModeling，BIM)是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为基础，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息，通过三维建筑模型，实现工程监理、物业管理、设备管理、数字化加工、工程化管理等功能。

新型三维空间数据获取技术(三维激光扫描、倾斜摄影测量等)和空间目标建模技术的发展，极大地提高了各种规模、不同细节程度三维空间数据的可得性，导致了三维场景数据量和复杂性的急剧增加。目前广泛研究的GIS与BIM技术的集成，所构建的三维场景是一个既包含大区域的三维地形模型，又包含复杂的建筑模型的海量空间数据下的复杂三维场景，如何在此三维场景中进行高效的漫游碰撞检测还没有明确的解决方案，这对于GIS与BIM的集成应用是至关重要的。

针对海量空间数据下的三维场景漫游的实时碰撞检测，关键在于三维场景中碰撞的发生检测、碰撞三角形的快速判断和实时获取，以及虚拟碰撞球的大小确定。

现有申请号为201510401393.1，专利名称为《一种基于互联网的三维虚拟漫游场景构建平台》公开了一种基于互联网的三维虚拟漫游场景构建平台，能通过本地应用程序进行实时修改，并用以在窗口中模拟浏览器在线浏览和漫游的三维虚拟场景，该专利主要是针对三维虚拟场景的构建展开研究，专利中涉及的碰撞检测方法主要应用于在线的简单三维场景和三维模型中，而无法满足海量空间数据下的复杂三维大场景室内碰撞漫游的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种支持海量空间数据的3D漫游碰撞检测方法，满足海量空间数据以及复杂三维场景的应用需求，通用性强，能快速判断和实时获取碰撞三角形，以及自适应调整和确定虚拟碰撞球的大小，避免三维场景中存在较大洞坑，视点飞出场景外，以及三维场景某局部区域入口太小，导致碰撞检测球无法进入的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：支持海量空间数据的3D漫游碰撞检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：定义虚拟碰撞检测球；

步骤2：绑定摄像机节点，并获取初始位置；

步骤3：利用OSG支持海量空间数据以及多种地理空间数据格式的特点，构建三维场景三角网和多面体求交器，实时快速获取与虚拟碰撞检测球可能发生碰撞的三角形；

步骤4：基于空间位置关系和距离的碰撞时刻和碰撞点坐标计算；

步骤5：自适应调整虚拟碰撞检测球半径。

在上述技术方案中，步骤2包括如下内容：将摄像机节点绑定在虚拟碰撞检测球上，并根据摄像机视点信息获取初始位置。

在上述技术方案中，步骤3包括如下内容：利用OSG构建三维场景的三角网，根据多面体求交器和包围盒、以及步骤2中的摄像机节点初始位置，快速判断虚拟碰撞检测球与构成三维场景的三角形空间关系，从而得到可能发生碰撞的三角形集合。

在上述技术方案中，步骤4包括如下内容：

根据检测球与三角形的空间位置关系和距离变化计算发生碰撞时刻；假设虚拟碰撞检测球为单元球，即半径为1，检测球在时刻t的位置为：

C(t)＝P₀+t×v，t∈[0，1] (1)

其中，P₀为虚拟碰撞检测球初始位置；

v为虚拟碰撞检测球运动速度；

C(t)为虚拟碰撞检测球在时刻t的位置；

根据点到平面的距离计算公式：

D(p)＝N·p+C_p (2)

其中，p为点的位置坐标；

N为三角形平面法向量；

C_p为平面常量；

D(p)为点p到三角形平面的距离；

若在某一时刻t₀，当虚拟碰撞检测球与场景中三角形平面发生碰撞，即从相离关系转换为相切关系时，则虚拟碰撞检测球球心到三角形平面的距离为1；

而当虚拟碰撞检测球即将穿透三角形平面，即在与三角形平面从相交关系转为相切的时刻t₁，虚拟碰撞检测球球心到三角形平面的距离为-1；

因此，在时刻t∈[t₀，t₁]，虚拟碰撞检测球与三角形平面一直处于相交状态；据此可以得到：

D(C(t₀))＝1，D(C(t₁))＝-1 (3)

其中，D(C(t₀))为在时刻t₀包围球球心到三角形平面的距离；

D(C(t₁))为在时刻t₁包围球球心到三角形平面的距离；

将公式(1)和公式(2)带入公式(3)，可解算得到：

其中，

D(p₀)虚拟碰撞检测球初始位置P₀到三角形平面的距离；

N为三角形平面法向量；

P₀虚拟碰撞检测球初始位置；

v为虚拟碰撞检测球运动速度；

当虚拟碰撞检测球与构成三维场景的某一三角形内部发生碰撞时，碰撞点坐标为：

p_intersection＝p₀-N+t₀×v (5)

其中，p_intersection为虚拟碰撞检测球与三角形内部发生碰撞时碰撞点坐标；

P₀为虚拟碰撞检测球初始位置；

v为虚拟碰撞检测球运动速度；

N为三角形平面法向量；

t₀为虚拟碰撞检测球与构成三维场景的某一三角形内部发生碰撞的时刻；

若虚拟碰撞检测球与构成三角形内部没有发生碰撞，则需进一步对三角形的三边(e₁，e₂，e₃)和三个顶点p₁，p₂，p₃进行判断，当虚拟碰撞检测球与三角形边或顶点发生碰撞时，以顶点p₁和边e₁＝p₁-p₂为例，碰撞点坐标为：

p_intersection＝p₁+f₀e₁ (6)

其中，

e_p＝p₁-p₀；

e_p为连接点p₀和p₁的边；

v为虚拟碰撞检测球运动速度；

t为虚拟碰撞检测球与三角形边或顶点发生碰撞的时刻；

p_intersection为虚拟碰撞检测球与三角形边或顶点发生碰撞时碰撞点坐标。

在上述技术方案中，步骤5中，通过在三维场景中进行路径训练，从而实现虚拟碰撞检测球半径的自适应调整；包括如下内容：

首先，在三维场景中随机规划n条路径，并对其进行序列化；n为自然数，n≥1,具体取值根据场景复杂程度而定；

然后，选取第1条路径进行碰撞检测漫游，若漫游过程中，视点无法进入某局部区域内部，则减小虚拟碰撞检测球半径；若视点飞出当前漫游场景外，则增大虚拟碰撞检测球半径；

最后，当所有规划路径训练完毕后，最终确定适合三维应用场景的虚拟碰撞检测球半径大小。

本发明具有如下优点：

(1)计算和判断方法简单，充分利用了现有技术，且速度快，通用性强，值得应用推广；

(2)满足了海量空间数据以及复杂三维场景的应用需求，填补了国内在海量空间数据下的复杂三维大场景中进行漫游碰撞检测的空白；

(3)利用OSG本身的开源、支持海量空间数据等特点，结合碰撞检测需遵循的原则，对其场景三角网以及多面体求交器的构建等技术进行重新组合，能够满足海量空间数据下的3D场景漫游碰撞检测的正确性和实效性要求；

(4)采用三维场景路径漫游训练的方法，自适应的调整虚拟碰撞检测球半径大小，使检测球大小满足三维场景漫游碰撞的需求，不需主观手动调整，且避免了视点飞出场景外和无法漫游进入某场景内部的问题。

附图说明

图1为本发明的总体设计流程图。

图2为可能与虚拟碰撞检测球发生碰撞的三角形的实时判断和获取、以及碰撞时刻和碰撞点坐标计算流程图。

图3为三角形法平面、反向法平面、速度向量、以及虚拟碰撞检测球沿运动方向前进时、与构成三维场景的某一三角形内部发生碰撞时球面交点的示意图。

图4为虚拟碰撞检测球与三角形内部发生碰撞时三角形平面交点的示意图。

图5为虚拟碰撞检测球半径自适应调整过程图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。

参阅附图可知：支持海量空间数据的3D漫游碰撞检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：定义虚拟碰撞检测球；

步骤2：绑定摄像机节点，并获取初始位置；

步骤3：利用OSG支持海量空间数据以及多种地理空间数据格式的特点，构建三维场景三角网和多面体求交器，实时快速获取与虚拟碰撞检测球可能发生碰撞的三角形；

步骤4：基于空间位置关系和距离的碰撞时刻和碰撞点坐标计算；

步骤5：自适应调整虚拟碰撞检测球半径(如图1、图2所示)。

步骤2包括如下内容：将摄像机节点绑定在虚拟碰撞检测球上，并根据摄像机视点信息获取初始位置。

步骤3包括如下内容：利用OSG构建三维场景的三角网，根据多面体求交器和包围盒、以及步骤2中的摄像机节点初始位置，快速判断虚拟碰撞检测球与构成三维场景的三角形空间关系，从而得到可能发生碰撞的三角形集合。

步骤4包括如下内容：根据检测球与三角形的空间位置关系和距离变化计算发生碰撞时刻；为了计算的方便，本发明假设虚拟碰撞检测球为单元球，即半径为1，检测球在时刻t的位置为：

C(t)＝P₀+t×v，t∈[0，1] (1)

其中，P₀为虚拟碰撞检测球初始位置；

v为虚拟碰撞检测球运动速度；

C(t)为虚拟碰撞检测球在时刻t的位置；

根据点到平面的距离计算公式：

D(p)＝N·_p+C_p (2)

其中，p为点的位置坐标；

N为三角形平面法向量；

C_p为平面常量；

D(p)为点p到三角形平面的距离；

若在某一时刻t₀，当虚拟碰撞检测球与场景中三角形平面发生碰撞，即从相离关系转换为相切关系时，则虚拟碰撞检测球球心到三角形平面的距离为1；

而当虚拟碰撞检测球即将穿透三角形平面，即在与三角形平面从相交关系转为相切的时刻t₁，虚拟碰撞检测球球心到三角形平面的距离为-1；

因此，在时刻t∈[t₀，t₁]，虚拟碰撞检测球与三角形平面一直处于相交状态；据此可以得到：

D(C(t₀))＝1，D(C(t₁))＝-1 (3)

其中，D(C(t0))为在时刻t0包围球球心到三角形平面的距离；

D(C(t₁))为在时刻t₁包围球球心到三角形平面的距离；

将公式(1)和公式(2)带入公式(3)，可解算得到：

其中，D(p₀)虚拟碰撞检测球初始位置P₀到三角形平面的距离；

N为三角形平面法向量；

P₀虚拟碰撞检测球初始位置；

v为虚拟碰撞检测球运动速度；

当虚拟碰撞检测球与构成三维场景的某一三角形内部发生碰撞时，碰撞点(交点)坐标为：

p_intersection＝p₀-N+t₀×v (5)

其中，p_intersection为虚拟碰撞检测球与三角形内部发生碰撞时碰撞点坐标；

P₀为虚拟碰撞检测球初始位置；

v为虚拟碰撞检测球运动速度；

N为三角形平面法向量；

t₀为虚拟碰撞检测球与构成三维场景的某一三角形内部发生碰撞的时刻；

若虚拟碰撞检测球与构成三角形内部没有发生碰撞，则需进一步对三角形的三边(e₁，e₂，e₃)和三个顶点p₁，p₂，p₃进行判断，当虚拟碰撞检测球与三角形边或顶点发生碰撞时，以顶点p₁和边e₁＝p₁-p₂为例，碰撞点(交点)坐标为：

p_intersection＝p₁+f₀e₁ (6)

其中，

e_p＝p₁-p₀，

e_p为连接点p₀和p₁的边；

v为虚拟碰撞检测球运动速度；

t为虚拟碰撞检测球与三角形边或顶点发生碰撞的时刻；

p_intersection为虚拟碰撞检测球与三角形边或顶点发生碰撞时碰撞点坐标。

图3和图4是对此过程中，三角形法平面、反向法平面、速度向量，以及虚拟碰撞检测球沿运动方向前进时，与构成三维场景的某一三角形内部发生碰撞时球面交点和平面交点的图形化说明。

步骤5中，通过在三维场景中进行路径训练，从而实现虚拟碰撞检测球半径的自适应调整；包括如下内容：

首先，在三维场景中随机规划n条路径，并对其进行序列化；n为自然数，n≥1,具体取值根据场景复杂程度而定；

然后，选取第1条路径进行碰撞检测漫游，若漫游过程中，视点无法进入某局部区域内部，则减小虚拟碰撞检测球半径；若视点飞出当前漫游场景外，则增大检虚拟碰撞测球半径；

最后，当所有规划路径训练完毕后，最终确定适合三维应用场景的虚拟碰撞检测球半径大小(如图5所示)。

为了能够更加清楚的说明本发明所述的支持海量空间数据的3D漫游碰撞检测方法与现有的碰撞检测方法相比所具有的优点，工作人员将这两种技术方案进行了对比，其对比结果如下表：

由上表可知，本发明所述的支持海量空间数据的3D漫游碰撞检测方法与现有的碰撞检测方法相比，检测速度较快，适用性较强，用户漫游体验良好，能满足和应用于海量空间数据下的复杂三维场景中，虚拟碰撞检测球半径能根据三维场景的具体情况自适应调整，使检测球大小满足三维场景漫游碰撞的需求，避免了主观手动调整。

其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (5)

1.支持海量空间数据的3D漫游碰撞检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：定义虚拟碰撞检测球；

步骤2：绑定摄像机节点，并获取初始位置；

步骤3：利用OSG支持海量空间数据以及多种地理空间数据格式的特点，构建三维场景三角网和多面体求交器，实时快速获取与虚拟碰撞检测球可能发生碰撞的三角形；

步骤4：基于空间位置关系和距离的碰撞时刻和碰撞点坐标计算；

步骤5：自适应调整虚拟碰撞检测球半径。

2.根据权利要求1所述的支持海量空间数据的3D漫游碰撞检测方法，其特征在于：步骤2包括如下内容：将摄像机节点绑定在虚拟碰撞检测球上，并根据摄像机视点信息获取初始位置。

3.根据权利要求2所述的支持海量空间数据的3D漫游碰撞检测方法，其特征在于：步骤3包括如下内容：利用OSG构建三维场景的三角网，根据多面体求交器和包围盒、以及步骤2中的摄像机节点初始位置，快速判断虚拟碰撞检测球与构成三维场景的三角形空间关系，从而得到可能发生碰撞的三角形集合。

4.根据权利要求3所述的支持海量空间数据的3D漫游碰撞检测方法，其特征在于：步骤4包括如下内容：根据检测球与三角形的空间位置关系和距离变化计算发生碰撞时刻；假设虚拟碰撞检测球为单元球，即半径为1，检测球在时刻t的位置为：

C(t)＝P₀+t×v，t∈[0，1] (1)

其中，P₀为虚拟碰撞检测球初始位置；

v为虚拟碰撞检测球运动速度；

C(t)为虚拟碰撞检测球在时刻t的位置；

根据点到平面的距离计算公式：

D(p)＝N·p+C_p (2)

其中，p为点的位置坐标；

N为三角形平面法向量；

C_p为平面常量；

D(p)为点p到三角形平面的距离；

若在某一时刻t₀，当虚拟碰撞检测球与场景中三角形平面发生碰撞，即从相离关系转换为相切关系时，则虚拟碰撞检测球球心到三角形平面的距离为1；

而当虚拟碰撞检测球即将穿透三角形平面，即在与三角形平面从相交关系转为相切的时刻t₁，虚拟碰撞检测球球心到三角形平面的距离为-1；

因此，在时刻t∈[t₀，t₁]，虚拟碰撞检测球与三角形平面一直处于相交状态；据此可以得到：

D(C(t₀))＝1，D(C(t₁))＝-1 (3)

其中，D(C(t₀))为在时刻t₀包围球球心到三角形平面的距离；

D(C(t₁))为在时刻t₁包围球球心到三角形平面的距离；

将公式(1)和公式(2)带入公式(3)，可解算得到：

<mrow> <msub> <mi>t</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>D</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>p</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>N</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>v</mi> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> <msub> <mi>t</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>D</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>p</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>N</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>v</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，D(p₀)虚拟碰撞检测球初始位置P₀到三角形平面的距离；

N为三角形平面法向量；

P₀虚拟碰撞检测球初始位置；

v为虚拟碰撞检测球运动速度；

当虚拟碰撞检测球与构成三维场景的某一三角形内部发生碰撞时，碰撞点坐标为：

p_intersection＝p₀-N+t₀×v (5)

其中，p_intersection为虚拟碰撞检测球与三角形内部发生碰撞时碰撞点坐标；

P₀为虚拟碰撞检测球初始位置；

v为虚拟碰撞检测球运动速度；

N为三角形平面法向量；

t₀为虚拟碰撞检测球与构成三维场景的某一三角形内部发生碰撞的时刻；

若虚拟碰撞检测球与构成三角形内部没有发生碰撞，则需进一步对三角形的三边(e₁，e₂，e₃)和三个顶点p₁，p₂，p₂进行判断，当虚拟碰撞检测球与三角形边或顶点发生碰撞时，以顶点p₁和边e₁＝p₁-p₂为例，碰撞点坐标为：

p_intersection＝p₁+f₀e₁ (6)

其中，

e_v＝p₁-p₀，

e_p为连接点p₀和p₁的边；

v为虚拟碰撞检测球运动速度；

t为虚拟碰撞检测球与三角形边或顶点发生碰撞的时刻；

p_intersection为虚拟碰撞检测球与三角形边或顶点发生碰撞时碰撞点坐标。

5.根据权利要求4所述的支持海量空间数据的3D漫游碰撞检测方法，其特征在于：步骤5中，通过在三维场景中进行路径训练，从而实现虚拟碰撞检测球半径的自适应调整；包括如下内容：

首先，在三维场景中随机规划n条路径，并对其进行序列化；n为自然数，n≥1,具体取值根据场景复杂程度而定；

然后，选取第1条路径进行碰撞检测漫游，若漫游过程中，视点无法进入某局部区域内部，则减小虚拟碰撞检测球半径；若视点飞出当前漫游场景外，则增大虚拟碰撞检测球半径；

最后，当所有规划路径训练完毕后，最终确定适合三维应用场景的虚拟碰撞检测球半径大小。