[发明专利]基于混合层次包围盒的快速碰撞检测方法

说明书

本发明公开了一种虚拟环境中基于层次包围盒的碰撞检测方法，适用于虚拟装配以及三维地表建模领域。包括：(1)构建AABB‑OBB混合层次包围盒树；(2)对不同层次包围盒树中的节点中的包围盒进行相交测试；(3)检测不同层次包围盒树叶子节点中的三角形是否相交。本发明利用外层AABB包围内层OBB的特性，在外层AABB相交情况下，内层的OBB之间的相交测试只需检测特定的5条分离轴，可以大大减少包围盒相交测试的时间。最后在方法的基本图元相交测试阶段，利用OBB之间相交测试所计算的中间值代替三角形的坐标值，省去了不同模型中的三角形坐标变换这一步骤也提升了碰撞检测的效率。

一、技术领域

本发明涉及一种基于混合层次包围盒的快速碰撞检测的方法，应用于虚拟装配和三维地表建模领域。

二、背景技术

碰撞检测作为计算机仿真领域的核心技术之一，是保证虚拟场景沉浸感、交互性以及构想性不可缺少的一部分。其主要作用是检测出虚拟场景中的物体之间是否发生穿透现象从而避免破坏场景真实感。针对众多领域的碰撞检测问题，学者们提出了许多种不同类型的碰撞检测方法，其中基于层次包围盒的碰撞检测方法一直是研究的热点，目前被广泛应用于各类领域中。这类方法的整个碰撞检测过程分为粗略碰撞检测(包围盒相交测试)和精确碰撞检测(三角形相交测试)两个阶段。它的核心思想是用常见的几何图形包围复杂的模型排除大部分不相交的物体从而减少基本图元对的相交测试，常见的包围盒主要分为轴向包围盒(AABB)、有向包围盒(OBB)、离散方向包围盒(K-Dop)等几类。AABB构建以及测试较简单，但紧密性较差；而OBB则构建和测试复杂，紧密性较好。根据这些包围盒的特点，一些学者提出了基于混合包围盒的碰撞检测方法，但以上大部分方法中不同包围盒之间的相交测试是相互独立的，测试之间没有联系且并没有改进精确检测阶段中三角形之间的相交测试，效率提升并不明显。现有技术中存在的问题是如何在不降低碰撞测试精度的条件下提升碰撞测试的效率。

三、发明内容

【发明目的】

为了弥补现有的基于层次包围盒碰撞检测算法效率不足，本发明提供了一种基于混合层次包围盒的快速碰撞检测方法。方法中层次包围盒树的每个节点使用双层包围盒，外层使用特性简单的AABB，用以快速排除间隔距离较大时的情况，当外层的AABB无法排除时则使用内层的OBB进行检测。在粗略碰撞检测阶段，本发明将AABB之间的测试与OBB之间的测试联系在一起，对于内层OBB之间的相交测试只需检测5条分离轴，简化了OBB之间的相交测试；在基本图元相交测试阶段，利用OBB包围三角形的特点，利用OBB之间相交测试所计算的中间值代替三角形的坐标值，省去了不同模型中的三角形坐标变换这一步骤也提升了整个方法的效率。

【技术方案】

为实现上述发明目的，本发明所使用的技术方案如下：

第一步，构建混合层次包围盒树(BVH)：采用自顶向下的方法为虚拟环境中的每个模型构建层次包围盒树，树的结构为二叉树，树的每个节点中包含外层的AABB信息、内层的OBB信息以及包含的三角形的坐标信息，包围盒的计算顺序为先计算OBB后计算AABB。

第二步，包围盒之间的相交测试：对不同层次包围盒树的节点中的包围之间进行相交测试，首先对根节点中的外层AABB进行相交测试，若AABB之间分离，则直接判断模型之间分离，反之对内层的OBB进行相交测试，根据外层AABB相交的结果可以简化OBB之间的相交测试只进行5条分离轴的相交测试，若判断OBB之间也相交则用其中一个节点的全部子节点与另外一个节点进行相交测试，直到层次包围盒树均遍历到叶子节点。

第三步，三角形相交测试：在第二步中不同层次包围盒树中叶子节点中AABB以及OBB都相交的情况下，我们对其中的所包含的三角形进行相交测试，测试时用OBB的相关信息代替三角形的坐标值。

作为一种优选方案，步骤一中在计算节点中的包围盒时，先计算内层的OBB，根据AABB与OBB中点重合，利用OBB的中点可以快速计算得到外层的AABB的信息。