虚拟校园中碰撞处理技术的研究

摘要
虚拟场景中的碰撞处理问题是计算机动画、机器人规划、计算机游戏、虚拟现实仿真等领域中一个极富挑战性的问题，其基本任务就是确定虚拟三维空间中的两个或者多个物体彼此间是否发生碰撞以及发生碰撞时应该采取何种碰撞反应。尽管当前针对碰撞处理问题国内外已经有大量的、实用的、有价值的研究成果，但随着虚拟现实的应用领域的扩展、计算机软硬件水平的提高和人们对虚拟场景真实性要求和用户交互实时性要求的不断提高，如何有效的提高碰撞处理的速度以保持虚拟场景的交互实时性与真实感的问题也日益突出，碰撞处理问题再次成为研究人员研究的热点问题之一。本文在对各类经典的碰撞处理算法作出了全面了解、深入分析的基础上，结合郑州大学虚拟校园场景模型的现状，主要做了以下工作。介绍了传统的碰撞处理过程，包括碰撞检测、碰撞区域确定和碰撞反应，重点介绍了碰撞检测技术的基本原理和经典的碰撞检测算法的分类，较详细的描述了基于时间域的碰撞检测算法和基于空间域的碰撞检测算法的分类和各自的优缺点。研究了 OSG 场景图的原理和 OSG 渲染引擎的渲染过程，对比了ive格式文件和osg格式文件的特点，实现了基于osg格式场景树的模型预处理。分析了当前大场景碰撞检测所面临的问题和通常采用的关键技术，分析了空间分解法和层次包围盒算法的基本原理，实现了碰撞视图和漫游视图分离的双视图方法。根据郑州大学虚拟校园场景模型的特点，在传统碰撞处理过程中增加了碰撞有效性检测阶段来提高郑州大学虚拟校园实时交互漫游的真实感。在碰撞有效性检测阶段，提出并实现了应对场景中透明物体的透明物体识别方法和应对单个面结合纹理贴图建立的路灯模型等的无效碰撞剔除方法，提高了虚拟场景实时交互的沉浸感。实现了声音引擎和 OSG 场景渲染引擎的结合，为参与者提供了声音感知信息，丰富了碰撞反应。
关键词：碰撞处理；碰撞检测；预处理；有效性检测；无效碰撞
目录
1 绪论  ............................................................  1
1.1 课题的研究背景  ..............................................  1
1.2 课题的研究意义  ..............................................  2
1.3 研究现状  ....................................................  2
1.4 论文的研究内容  ..............................................  3
1.5 论文的结构安排  ..............................................  4
2 经典的碰撞检测方法  ............................................  5
2.1 碰撞检测的基本原理  ..........................................  5
2.2 碰撞检测算法分类  ............................................  5
2.2.1 基于时间域的碰撞检测算法分类  ...............................  6
2.2.2 基于空间域的碰撞检测算法分类  ...............................  7
2.3  本章小结  ..................................................  12
3 OSG 场景图原理与场景预处理技术  ............................. 13
3.1 OSG 场景图原理及场景渲染过程介绍  ...........................  13
3.1.1 OSG 场景图的基本原理  .....................................  14
3.1.2 OSG 渲染引擎  ............................................  16
3.2 场景预处理技术  .............................................  20
3.2.1 预处理技术基本理论  ......................................  20
3.2.2 本文采用的预处理方法  .....................................  20
3.3 本章小结  ...................................................  24
4 大场景碰撞检测和碰撞有效性检测  ............................ 25
4.1 大场景碰撞检测问题分析  .....................................  25
4.1.1 大场景碰撞检测面临的问题  .................................  25
4.1.2 大场景碰撞检测的关键技术  .................................  25
4.1.3 本文中采用的碰撞检测方法  .................................  28
4.2 碰撞的有效性检测  ...........................................  32
4.2.1 碰撞有效性检测的意义  .....................................  32
4.2.2 碰撞的有效性检测方法  .....................................  32
4.3 本章小结  ...................................................  36
5 碰撞区域确定和碰撞反应  ..................................... 37
5.1 碰撞区域确定  ...............................................  37
5.2 碰撞反应  ...................................................  37
5.3 本章小结  ...................................................  39
6 实验和运行结果  ............................................... 40
6.1 实验环境  ...................................................  40
6.2 实验系统流程  ...............................................  40
6.3 运行结果  ...................................................  44
6.4 本章小结  ...................................................  47
7 结论和展望  ................................................... 48
7.1 本文工作总结  ...............................................  48
7.2 进一步研究的展望  ...........................................  49
参考文献  ........................................................ 50
致谢  ............................................................. 52