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《中国人民解放军国防科学技术大学》 2000年
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虚拟环境中碰撞检测问题的研究

魏迎梅  
【摘要】: 碰撞检测问题在机器人运动规划、计算机图形学等领域中有很长的研究历史,近年来随着虚拟现实、分布交互仿真等技术的兴起,碰撞检测,特别是软体碰撞检测问题开始成为研究的热点。精确的碰撞检测对提高虚拟环境的真实性、增强虚拟环境的沉浸感有着至关重要的作用,而虚拟环境自身的复杂性和实时性又对碰撞检测提出了更高的要求。 层次包围盒方法是解决碰撞检测问题固有时间复杂性的一种有效的方法,它是用体积略大而几何特性简单的包围盒来近似地描述复杂的几何对象,并通过构造树状层次结构来逼近对象的几何模型,从而在对包围盒树进行遍历的过程中,通过包围盒间的快速相交测试来及早地排除明显不可能相交的基本几何元素对,而只对包围盒重叠的部分元素进行进一步的相交测试,以提高碰撞检测的速度。包围盒类型的选择是层次包围盒方法的基础和关键。 本文以虚拟手术仿真为应用背景,着重论述了一种基于固定方向凸包包围盒层次的碰撞检测方法。固定方向凸包是一种特殊类型的凸包,它的所有面方向都来自一个固定的方向集合,它克服了以往包围盒类型的缺点,在紧密性和简单性之间达到了一定的折衷。本文在充分研究了固定方向凸包的固有特性的基础上,开发并证明了它适用于复杂环境中软体碰撞检测的性质,并着重解决了包围盒间的相交测试、对象运动后包围盒的更新、对象变形后包围盒树的更新等问题。 文中提出并证明了一种快速区间测试法以解决两个固定方向凸包包围盒间的相交测试问题,通过查找两个包围盒在由固定方向集合所定义的方向轴上的范围区间是否存在不重叠的情况,来判断它们是否不相交。通过这种简单的区间测试法,两个包围盒间的相交测试最多只需要k次比较运算(k为固定方向集合的大小)。 对象运动后包围盒的更新是层次包围盒方法中的一个重要问题。根据固定方向凸包的定义和性质,文中提出了一种基于线性规划的更新算法,不需要在构造包围盒层次时增加任何额外的计算量和存储量,在对象运动后可以仅通过3k次乘法得到更新后的包围盒。 对象变形后的处理是碰撞检测问题的一个难点。本文在对几种变形情况进行分析的基础上,分别提出了相应的解决方法,并着重提出了一种自底向上的包围盒树快速更新算法,通过k次比较运算由子结点的包围盒得到父结点的包围盒,以解决拉压变形和拓扑变化后包围盒树的更新问题。 此外,本文在充分开发和利用虚拟环境中对象运动的时空相关性的基础上,提出了加速对象间碰撞检测速度的遍历跟踪策略。这是一个启发式的策略,通过跟踪 国防科学技术大学研究生院学位论文 上一时间采样点对包围盒树的遍历过程,确定当前时间采样点的遍历路径,从而有 效地减少了遍历过程中包围盒相交测试的次数,提高了算法效率,同时通过对跟踪 表的维护,保证了碰撞检测的正确性和有效性。 实验结果和具体应用表明,基于固定方向凸包包围盒层次的碰撞检测方法不仅 能很好地解决刚体间的碰撞检测,而且为解决和处理软体对象环境中的碰撞检测问 题提供了一种可靠而有效的途径。本文的研究成果,对大规模复杂环境中的碰撞检 测有重要的理论价值和实际意义。
【学位授予单位】:中国人民解放军国防科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2000
【分类号】:TP391.9

【引证文献】
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2 许宏泉;明芳;;海战场环境中基于射线的碰撞检测算法研究[J];舰船电子工程;2011年12期
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5 王天柱;李文辉;王祎;崔虎;冯广慧;;基于组件的虚拟手建模及碰撞检测[J];吉林大学学报(理学版);2006年04期
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1 郁松;3D虚拟现实内镜手术仿真关键技术研究[D];中南大学;2011年
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3 王天柱;变形物体碰撞检测技术研究[D];吉林大学;2006年
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10 张克敏;基于虚拟现实的机器人仿真研究[D];重庆大学;2012年
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8 田园;基于CUDA的并行碰撞检测算法研究[D];兰州大学;2011年
9 刘雄伟;基于三角面片检测的五轴数控加工碰撞干涉检测智能算法研究[D];广东工业大学;2011年
10 曹鹏飞;煤矿通风系统的虚拟可视化研究[D];河北工程大学;2011年
【参考文献】
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【共引文献】
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10 覃中平,张焕国;平面内多边形沿曲线σ作定姿态刚体移动时的碰撞判定算法[J];计算机工程;1994年S1期
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7 戴光明;避障路径规划的算法研究[D];华中科技大学;2004年
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9 陈曦;反求工程中基于点云的特征挖掘技术研究[D];浙江大学;2005年
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1 秦丹;基于3D的多移动机器人仿真系统的研究与设计[D];华南理工大学;2010年
2 汤东阳;三维地质建模中几何形体分析技术的几个算法研究[D];中国地质大学(北京);2011年
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4 马东霞;基于虚拟现实技术的交互式装配培训系统[D];山东大学;2011年
5 申国栋;基于多机器人的H型钢火焰切割系统的路径规划研究[D];天津大学;2010年
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【同被引文献】
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8 陆兆苏;森林美学初探[J];华东森林经理;1995年03期
9 陈强璋;一种高效的二叉查找树——红黑树[J];华东师范大学学报(自然科学版);2000年03期
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1 张艳丽;基于OSG的虚拟化学实验平台的研究[D];郑州大学;2010年
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【二级引证文献】
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10 杭燚;火炮虚拟现实技术研究[D];南京理工大学;2007年
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6 段桂茹;“战斧”导弹拦截模拟训练系统火炮建模与仿真[D];沈阳理工大学;2010年
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中国期刊全文数据库 前3条
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【相似文献】
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5 记者  张春兵;新安全标准影响车市?[N];上海金融报;2006年
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7 周文颖;“双碰”标准出台 汽车安全成焦点[N];人民公安报·交通安全周刊;2006年
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9 本报记者 葛胜征;带着“枷锁”快跑[N];政府采购信息报;2008年
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6 邹益胜;虚拟样机环境下实时碰撞检测算法研究[D];西南交通大学;2009年
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9 纪峰;织物悬垂性静动态视觉仿真及效果评价[D];东华大学;2005年
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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4 王海玲;三维游戏技术的研究与实现[D];哈尔滨工程大学;2009年
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6 赵森;碰撞检测中距离场算法的研究与应用[D];吉林大学;2008年
7 许周辰;基于Java ME平台2D手机游戏引擎设计与实现[D];西南交通大学;2009年
8 杨伟;基于动力学模拟的虚拟手交互系统的研究与开发[D];浙江大学;2008年
9 史攀峰;起落架虚拟维修中碰撞机理与过程评价方法研究[D];中国民航大学;2009年
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