虚拟环境中碰撞检测技术的研究与实现

论文摘要

近年来随着虚拟现实、分布式交互仿真等技术的兴起,碰撞检测问题开始成为研究的热点,其基本任务是确定两个或两个以上的模型之间是否发生接触或穿透。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。论文以基于CATIA/CAA平台的飞行器虚拟设计为应用背景,对虚拟设计系统中的软硬件资源、系统总体结构、工作流程、关键技术等进行分析。对各种碰撞检测技术,尤其是层次包围盒技术进行了深入的研究。根据CATIA产品建模的特点,结合飞行器虚拟设计系统的实时性和精确度的要求,提出了一种层次包围盒方法与空间剖分方法相结合的两级碰撞检测算法HSDHBB。HSDHBB先用空间剖分方法找出潜在的相交区域,然后利用包围盒方法求出发生碰撞的三角面片对和精确的碰撞点。空间剖分部分采用了均匀剖分的方法,并采用哈希表的数据结构加快检索速度。层次包围盒部分采用了OBB包围盒方法,论文对OBB的相关问题进行了深入的研究,主要包括构造包围盒、构造包围盒树、包围盒之间的相交测试、基本几何元素之间的相交测试以及包围盒的刷新等。研究工作在CATIA环境中实现了HSDHBB算法,并将其应用于飞行器虚拟设计系统中。该算法能够较好的满足虚拟设计环境中碰撞检测的实时性和精确性的要求,能够解决因碰撞检测速度不高而引起的虚拟操作延迟等问题,为进一步实现虚拟设计系统中的约束识别、目标定位等功能奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 问题描述
• 1.3 相关工作
• 1.4 研究内容
• 1.5 论文结构
• 第二章 虚拟设计集成开发环境
• 2.1 虚拟现实技术
• 2.1.1 虚拟现实技术的基本特征
• 2.1.2 虚拟现实系统的分类
• 2.2 虚拟设计技术
• 2.2.1 虚拟设计系统的分类
• 2.2.2 目前主要研究应用
• 2.3 虚拟设计系统实现采用的软硬件
• 2.3.1 硬件环境
• 2.3.2 软件环境
• 2.4 虚拟设计系统
• 2.4.1 虚拟设计系统的总体结构
• 2.4.2 虚拟设计系统工作流程
• 2.5 虚拟设计系统的关键技术研究
• 2.5.1 碰撞检测
• 2.5.2 约束识别
• 2.5.3 精确定位
• 第三章 碰撞检测技术
• 3.1 碰撞检测算法分类
• 3.1.1 基于时间域的碰撞检测算法分类
• 3.1.2 基于空间域的碰撞检测算法分类
• 3.2 层次包围盒算法
• 3.2.1 基于层次包围盒树的碰撞检测算法
• 3.2.2 层次包围盒树的构造方法
• 3.2.3 包围盒的类型
• 3.3 层次包围盒算法比较
• 第四章 两级碰撞检测算法HSDHBB
• 4.1 HSDHBB 算法
• 4.2 预处理阶段
• 4.2.1 获取三角面片
• 4.2.2 层次包围盒树的构造
• 4.2.3 环境空间剖分
• 4.3 碰撞检测阶段
• 4.3.1 检测阶段一
• 4.3.2 检测阶段二
• 4.4 碰撞检测模型的刷新
• 第五章 HSDHBB 算法的实现与应用
• 5.1 HSDHBB 算法实验设计
• 5.2 包围盒碰撞检测模块的实现
• 5.2.1 BoxCollision 模块设计
• 5.2.2 BoxCollision 支撑模块
• 5.2.3 BoxCollision 模块的实现
• 5.3 空间剖分碰撞检测模块的实现
• 5.3.1 GGridOverlap 模块设计
• 5.3.2 GGridOverlap 支撑模块
• 5.3.3 GGridOverlap 模块的实现
• 5.4 两级碰撞检测模块的实现
• 5.4.1 CollisionModel 初始化函数
• 5.4.2 CollisionModel 碰撞检测函数
• 5.4.3 外部程序调用CollisonModel 的方法
• 5.5 实验及性能分析
• 5.6 HSDHBB 算法在飞行器虚拟设计中的应用
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 今后展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文