[发明专利]一种基于量子计算的碰撞检测方法

说明书

技术领域    本发明涉及一种基于量子计算的碰撞检测方法，属于计算机图形学技术领域。

背景技术   近年来，随着计算机图形学（Computer Graphics，CG）产业的飞速发展，碰撞检测技术在从二维层面向三维扩展中日趋成熟，碰撞检测已成为目前广泛应用的能够真实检测运动物体运动相交状态的技术。碰撞检测是检测虚拟空间运动物体相交状况的技术，其基于计算机图形学原理,通过三维建模采集运动物体的图像,之后对该图像的数据进行处理,以判断运动物体的空间相交状况。碰撞检测广泛应用于虚拟现实、机器人运动规划、影视制作、游戏娱乐和计算机动画等领域；传统的碰撞检测方法是采用外形近似于运动物体的包围盒代替物体来判断物体的相交状态，该方法简单，较容易忽略复杂物体的细节，使检测精度低。

发明内容    针对上述技术问题， 本发明提供了一种基于量子计算的碰撞检测方法，以解决现有技术提供的碰撞检测方法因物体复杂度增加导致碰撞检测精度和效率逐渐降低的问题。

为实现上述目的，本发明所采用的技术解决方案是：一种基于量子计算的碰撞检测方法，所述方法包括以下步骤：

1）采集运动物体在当前帧的图像数据，分别建立两个物体的凸包，同时构建形成凸包的参数集；

2）          把凸包上的顶点看成是量子粒子群中的粒子，用随机惯性权重改变粒子的惯性权重，扩大搜索空间；

3）          用量子旋转门和量子                                                门改变量子位概率幅，更新量子状态；

4）          根据变异概率，用量子Hadamard门兑换两个概率幅，实现量子变异；

5）          跟踪粒子运动轨迹，根据参数集计算两个凸包上的距离差，输出最小距离差；

6）          根据距离差与设定值的关系，判断两个物体是否发生碰撞。

所述采集运动物体在当前帧的图像数据，分别建立两个物体的凸包，同时构建形成凸包的参数集包括以下步骤：

记录当前帧中所述被检测物体的运动图像数据，形成物体的顶点集；取图像数据边缘的四条边上的四个端点，获取顶点集的包围盒；删除位于该四边形内部的顶点，计算四条边外部距离最远的顶点，若所述点都是垂直于边的端点，将其加入凸包中。

其中，边的两个顶点和一个新的凸顶点形成三角形，删除三角形内部的点；对于凸包上的新边，递归地重复前述的同一个过程，直到没有顶点位于边外时终止；建立凸包的步骤为：

其中，为实数，为n维空间；当且时，为点的凸组合。

构建凸包时形成的参数集的步骤为：

其中，为实数，，为n维空间；当且时,中任意有限个点的所有凸组合成为的凸包,记为,即由所述物体形成两个凸包的实数集。的点集为，即两个凸包所处空间位置构成的点集，其中表示所有正整数集合。

进一步地，用随机惯性权重改变粒子的惯性权重，扩大搜索空间；自适应权重的更新步骤为：

 

其中是最大惯性权重，是最小惯性权重，是最小适应度值，是当前适应度值，是平均适应度值，为自适应权重。

用量子旋转门和量子 门改变量子位概率幅，更新量子状态的具体步骤为：

1）若 且 ，则：

 

 2）若且，则

 

3）否则

 

其中；，，为时刻的量子概率幅，为更新后的量子概率幅，,表示所有正整数集合。为限定的概率值，，取。 为量子位概率幅。为 时刻的量子相位,为下一时刻时刻的量子相位增量。

根据变异概率，用量子Hadamard门兑换两个概率幅的步骤为：

 

其中 ；,， , 表示所有正整数集合。

为量子Hadamard门， 为量子位概率幅，为变异后的量子概率幅。

根据参数集计算所述凸包间的距离差的具体步骤为： 

步骤1）随机初始化粒子群；

步骤2）变换解空间，计算粒子的适应度；

其中为点与点之间的距离，为凸包与之间的最短距离, 为，之间的最短距离。为 上的任意一点，为上的任意一点。