[发明专利]一种基于四叉包围盒树的柔性织物自碰撞检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于四叉包围盒树的柔性织物自碰撞检测方法，属于柔性织物仿真碰撞检测技术领域。

背景技术

碰撞处理包括碰撞检测和碰撞响应两部分。碰撞检测的目标是发现碰撞并报告；碰撞响应是在碰撞发生后，根据碰撞点及其它参数使发生碰撞的对象做出正确的动作，以反应真实的动态效果。

现有的基于空间的碰撞检测算法大致可划分为两大类：空间分解法(Space Decomposition)和层次包围盒法(Hierarchical Bounding Volumes)。这两类算法的主要思想都是为了减少被测元素的数量，以提高算法效率。

空间分解法是将整个虚拟空间划分成相等体积的小单元格，只对占据同一单元格或相邻单元格的几何对象进行相交测试。比较典型的方法有八叉树和BSP树。空间分解法对于一般的环境很难选择一个最优的空间分解尺寸，若选择不当则会导致空间耗费大、计算效率低。

层次包围盒法的核心思想是利用体积略大而几何特性简单的包围盒将复杂几何对象包裹起来，在进行碰撞检测时，首先进行包围盒之间的相交测试，只有包围盒相交时，才对其所包裹的对象做进一步求交计算。在构造碰撞体的包围盒时，通过引入树状层次结构可快速剔除不发生碰撞的元素，减少大量不必要的相交测试，从而提高碰撞检测效率。比较典型的包围盒类型有沿坐标轴的包围盒AABB(Axis Aligned Bounding Boxes)，包围球(Spheres)，方向包围盒OOBB(Object Oriented Bounding Box)等。

在柔性织物形变动态模拟中，碰撞可以分成两类：一类是织物与外界其他物体的碰撞，如与桌子、地面、人体等的碰撞，称为他碰撞；另一类是织物自身各部分之间的碰撞，称为自碰撞。这两种碰撞有着不同的检测和处理方法。本发明针对自碰撞问题。

织物在运动中，除了与周围的物体发生碰撞外，其自身的各个部分也会发生碰撞(即自碰撞)。为了保证模拟的真实感，需要及时检测到这些碰撞并对其进行响应，否则会发生穿透现象，破坏模拟的真实感。对织物进行碰撞检测和响应处理是一项非常复杂而耗时的工作，而在应用中对其实时性的要求却很高。因此，如何设计具有真实感和实时性的碰撞检测和响应算法成为织物模拟的关键。

如图1所示，碰撞检测分为初步检测和精确检测两个阶段。初步检测阶段采用层次包围盒技术和空间层次剖分技术来找到可能发生碰撞的基本几何元素对(如：三角面片对)；精确检测阶段则处理基本几何元素对之间的精确求交检测。

传统碰撞检测方法主要存在以下一些问题：

(1)采用二叉树的形式建立层次包围盒树，并且叶子结点只包含一个基元，这种方法虽容易理解和实现，但当叶子结点数量庞大时，会导致树的高度增加很快，这一方面使得内存的占用量很大，另一方面降低了算法的效率。

(2)传统的方法在自底向上构建包围盒树的过程中未考虑几何基元的空间位置关系，这会在一定程度上导致层次包围盒结构比较松散，从而影响碰撞检测的效率。

针对以上问题，本发明提出了一种基于四叉包围盒树的柔性织物自碰撞检测的方法，其核心内容可以总结为：对织物几何基元建立四叉包围盒树，并采用基于四叉包围盒树的法向量锥法、三角面片重心检测法和平面同侧过滤法分别在粗略检测和精确求交阶段过滤掉不可能相交的三角面片，以此大大减少相交测试的计算量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一个适应柔性织物自碰撞检测的方法，减少相交测试的计算量，提高运算效率。

本发明采用的技术方案：对织物几何基元建立四叉包围盒树，基于四叉包围盒树，结合法向量锥法、三角面片重心检测法在粗略检测阶段过滤掉不可能相交的三角面片，然后，在精确求交阶段，采用平面同侧过滤法减少精确求交的计算量。该方案实现的步骤，如图2所示：

(1)利用织物几何基元的空间位置关系，构建结构紧密的四叉包围盒树；

(2)基于四叉包围盒树，采用法向量锥法，排除掉不可能相交的三角面片对；

(3)根据两三角面片重心间的距离，过滤掉距离大于给定阈值的三角面片对；

(4)基本几何元素间的精确检测，平面同侧过滤法过滤掉不必要的线段平面求交。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

系统效率得到了明显提升，保证了仿真的实时性。在质点数量相同的情况下，相比二叉树而言，四叉树的深度较小，因此碰撞检测执行的递归次数也就明显较少。而后通过三角面片重心距离法等方法过滤掉更多未发生碰撞的碰撞对，从而大大减少了精确求交的计算量，提高了运算效率。

附图说明