[发明专利]基于三角网格变形体的自碰撞检测方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机虚拟现实技术领域，具体地说是从开发包含真实细节的可变形物体的交互式仿真系统的实际需求出发，通过研究可变形物体自碰撞检测技术的现状，为方便用户进行可变形实体建模仿真中真实变形操作而开发的一个三角网格变形体自碰撞检测方法或系统。

背景技术

近二十多年来，研究人员在碰撞检测领域中做了相当多有意义的工作，对虚拟现实的发展起到了推动作用。碰撞检测算法种类繁多，各有侧重。文献1-H.C.Longuet-Higgins，A computer algorithm for reconstructing a scene from two projections[J].Nature，1981.293(10)：133-135提出了一类连续碰撞测算法，连续碰撞检测算法通过对结构空间精确建模，较好地解决了离散碰撞检测算法存在的问题。但这类算法的缺点是计算量较大，计算速度比较慢，尤其是在大规模场景中无法实现实时的碰撞检测。所以尽管离散碰撞检测算法存在一些问题，但因其检测过程的快速性能够较好地迎合人们对实时碰撞检测的需求，目前仍是碰撞检测算法研究的重点和热点。

纵观前人的研究，大致可分为基于图形和基于图像的碰撞检测算法。在基于图形的碰撞检测上，研究人员已经做了大量的工作，形成了空间分解法和层次包围体法等成熟算法。文献2-Jimenez P，Thomas F，Torras C.Collision Detection：A Survey.Computers and Graphics[J]，2001.25(2)：269-285所采用的空间分解法主要是先将整个虚拟空间划分成等体积的规则单元格，以此将场景中的物体分割成更小的组群，并只对占据了同一单元格或相邻单元格的几何对象进行相交测试。一般来说，空间分解法在每次碰撞检测时都需要确定每个物体占有的空间单元。如果场景中不可动的模型很多，可以预先划分好空间单元格并确定每个模型占有的空间单元。当有模型运动时，只需要重新计算运动模型所占有的空间就可以了。空间分解法比较典型的例子有k-d树、八叉树、BSP树、四面体网和规则网格等。采用层次划分方法进行空间分解可以进一步提高算法的速度。

文献3-Daniel S.Coming and Oliver G.Staadt，Kinetic.Sweep and Prune for Collision Detection[A]，Workshop on Virtual Reality Interaction and Physical Simulation[C]，2005提出了包围盒技术，层次包围体法的核心思想是用体积略大而几何特性简单的包围体来近似的描述复杂的几何对象，从而只需对包围体重叠的对象进行进一步的相交测试。此外通过构造树状层次结构可以越来越逼近对象的几何模型，直到几乎完全获得对象的几何特征。基于包围体的碰撞检测方法的不同点在于树节点的包围体类型不同或者采用不同的技术来建立、更新和平衡包围体树。典型的包围体有：轴对齐包围盒(AABB)、包围球(Sphere)、有向包围盒(OBB)和离散有向多面体k-DOP。其中前两者的计算简单但是包围程度相对不够紧密，而OBB的方法由于考虑到轴向所以包围相对紧密，但是计算相对比较复杂。而K-DOPs算法则在全局坐标系中计算物体的包围盒，每当物体运动时，其包围盒层次结构需要重新计算。

近些年，随着图形硬件计算性能的迅速增长，基于图像的碰撞检测算法进入了一个新的快速发展的阶段。该方法一般将三维几何对象通过投影绘制到图像平面上，降维得到一个二维的图像空间；然后分析该空间中保存在各类缓存的信息，进而检测出对象之间是否发生相交。这类算法的优势在于能有效利用图形硬件加速技术来减轻的计算负荷，从而达到提高算法效率的目的。