虛擬樣機(jī)環(huán)境下實時碰撞檢測算法研究.pdf

1、碰撞檢測是以計算機(jī)仿真為基礎(chǔ)的運動規(guī)劃、虛擬制造和虛擬樣機(jī)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)問題之一。在基于三維CAD的虛擬樣機(jī)環(huán)境中，研究多體系統(tǒng)之間的碰撞檢測問題對解決產(chǎn)品設(shè)計中的相關(guān)問題有著重要的現(xiàn)實意義。本論文以碰撞檢測理論為基礎(chǔ)，以機(jī)車車輛虛擬樣機(jī)為應(yīng)用背景，通過對相關(guān)算法的深入研究和開發(fā)，為基于虛擬樣機(jī)的產(chǎn)品設(shè)計提供更全面可靠的依據(jù)，也為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供參考。其主要研究內(nèi)容包括： (1)綜述了碰撞檢測算法的研究現(xiàn)狀，分析了當(dāng)前研究中的特

2、點和不足，提出了論文研究的內(nèi)容和思路。 (2)研究了基于有向包圍盒(OBB)層次樹的碰撞檢測算法的原理，實現(xiàn)了基于OBB層次樹的碰撞檢測算法并做了三點改進(jìn)：1)設(shè)計了一種快速的空間三角形相交檢測算法，利用三角形邊向量間的線性相關(guān)性、矩陣運算中的線性特性及圖形的投影特性，加速了問題的解決，理論分析和實驗驗證結(jié)果表明，在三角形相交率較高的場合，其檢測效率優(yōu)于同類算法，在三角形相交率低的場合，其檢測效率與同類算法相當(dāng)。而在基于包圍盒的

3、碰撞算法中，通過包圍盒測試排除了大量不相交的情況，剩下的需要進(jìn)行進(jìn)一步測試的三角形相交率高，有效發(fā)揮了新算法的優(yōu)勢；2)為OBB層次樹頂層構(gòu)造混合包圍盒，以快速排除明顯不相交的物體，在大規(guī)模稀疏場景中明顯提高了碰撞檢測的效率，而且混合包圍盒的構(gòu)造及測試代價都很??；3)根據(jù)運動的連貫性，通過提取上一幀的碰撞檢測信息，用于當(dāng)前幀的碰撞檢測，提高了檢測的效率。測試結(jié)果表明，上述改進(jìn)提高了算法的性能。 (3)設(shè)計并實現(xiàn)了一種GPGPU的

4、碰撞檢測算法。該算法充分利用圖形硬件計算并行性且運算速度快的特點，將整個碰撞檢測算法完全映射到GPU中進(jìn)行。算法首先將模型的包圍盒信息及圖形幾何信息映射成紋理并下載到GPU，再利用渲染原理進(jìn)行計算，然后利用離屏渲染技術(shù)將碰撞檢測的結(jié)果輸出到紋理，最后回讀到CPU。該算法的碰撞檢測部分全部在GPU中完成，只需要一次數(shù)據(jù)上傳和一次數(shù)據(jù)回讀，避免了數(shù)據(jù)在GPU和CPU間傳輸?shù)钠款i問題。測試結(jié)果表明，該算法保持了同類基于CPU的算法的精度，在簡

5、單場景中其性能不如基于CPU的同類算法，但在復(fù)雜場景中，該算法具有明顯的優(yōu)越性。 (4)設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于圖像空間的碰撞檢測算法，利用光線和封閉物體的相交特性，通過比較光線與物體正、背面相交的次數(shù)，結(jié)合模板緩存和深度緩存，判斷兩物體的碰撞情況。由于基于圖像空間的碰撞檢測算法需要進(jìn)行物體的多次重繪，采用了VBO技術(shù)，大大提高了圖形繪制的速度，從而也大幅提高了碰撞檢測的速度，獲得良好的實時性。另外采用包圍盒確定相交區(qū)域，減少了繪圖

6、量，進(jìn)一步保證了算法的效率，特別是對于復(fù)雜場景，具有明顯的效果。測試結(jié)果表明，該算法可以有效地處理封閉的任意物體，但其檢測精度和檢測速度受到圖形硬件的影響。 (5)研究了基于圖形空間和基于圖像空間碰撞檢測算法的優(yōu)缺點以及CPU與GPU的負(fù)載平衡問題，設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于圖形空間和圖像空間混合的碰撞檢測算法，根據(jù)場景中參與碰撞的物體的數(shù)量，選擇利用CPU還是GPU進(jìn)行物體間的包圍盒碰撞檢測，生成粗略碰撞集(RCS)，再利用基于圖像

7、空間的面面間的碰撞檢測算法，生成精確的碰撞集(ACS)，最后將ACS中的三角形進(jìn)行精確地相交測試并返回結(jié)果。在三角形的相交測試中，分析基于CPU的算法與基于GPGPU的算法在不同規(guī)模下的檢測效率，根據(jù)待檢測的三角形規(guī)模，自動選擇算法類型。測試結(jié)果表明，該算法繼承了基于圖像空間的算法快速、平穩(wěn)等優(yōu)點和基于圖形空間判斷準(zhǔn)確、易于獲取碰撞點等優(yōu)點，實現(xiàn)速度和精度的折衷。 (6)以基于OBB的碰撞檢測改進(jìn)算法FRCD為例，將研究結(jié)果應(yīng)用