虚拟拆装仿真平台碰撞检测功能的实现

论文摘要

虚拟拆装仿真平台（Virtual Platform for Disassenbly＆Assembly,VPDA）是实验室在多个虚拟培训项目的基础上开发出的一个重要仿真培训平台，VPDA平台能实现众多用户需求功能，如拆装训练，学员考核等，在仿真培训领域它有着很好的应用，但由于当时精力水平有限， VPDA平台还存在一些缺陷和不足没有得到完善和改进，如碰撞检测这一重要功能，针对这一情况，本文在现有的碰撞检测技术基础之上，通过适当的优化改进和创新，提出了一种混合快速碰撞检测算法，该算法较好的满足了平台的相关需求，实现了平台的碰撞检测功能。在对虚拟拆装仿真平台的模块组成及系统的功能和其碰撞检测功能性能需求进行深入的分析之后，通过平台对现有的碰撞检测算法进行测试，分析测试结果，得出了算法的性能参数，为设计适用的算法奠定基础。平台中碰撞检测功能被划分为两个阶段来设计：初步检测阶段和详细碰撞检测阶段。初步检测阶段，本文以AABB包围体技术为理论基础设计了一种针对虚拟拆装场景的精确层次包围体算法。精确层次包围体算法采用基于约束关系AABB包围盒作为包围体，建立层次树结构实现粗略剔除，快捷的完成初步碰撞检测任务，基于约束关系的AABB包围体主要是要解决孔轴及凹凸体结构之间的相交测试问题，为了在初步检测阶段能够最大限度剔除不相交的对象，提高碰撞检测算法的效率。详细碰撞检测阶段，本文通过对传统的三角形面片相交测试算法进行优化（平面优化），并根据空间几何的正投影法理论结合虚拟场景中常用的光线追踪算法（投影算法），提出了一种快捷有效地三角形相交测试算法。该算法计算过程简单，效率较高，满足虚拟拆装仿真平台的应用需求。最后，以变速箱为例，在虚拟拆装仿真平台中实现混合快速碰撞检测算法，通过实验对算法的性能和效率进行测试。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 插图索引
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题的来源、目的和意义
• 1.3 碰撞检测国内外研究现状
• 1.4 主要研究内容
• 1.5 论文的主要内容及章节安排
• 第2章 虚拟拆装仿真平台的构建
• 2.1 平台的结构框架
• 2.2 平台的功能需求
• 2.3 平台的关键技术
• 2.3.1 产品建模
• 2.3.2 模型的载入
• 2.3.3 场景管理
• 2.3.4 场景加速
• 2.3.5 三维用户界面
• 2.3.6 拆装动画
• 2.3.6.1 拆装路径生成
• 2.3.6.2 路径动画的控制
• 2.4 基于参考模型的拆装工艺规划
• 2.5 平台中增添碰撞检测功能的必要性
• 2.5.1 平台的缺陷和不足和改进方法
• 2.5.2 修正及改进方案
• 2.6 本章小结
• 第3章 常用碰撞检测技术的研究与分析
• 3.1 碰撞检测算法的流程
• 3.2 包围体技术
• 3.2.1 轴对齐包围盒（AABB）的性能分析
• 3.2.2 包围球（Sphere）的性能分析
• 3.2.3 方向包围盒（OBB）的性能分析
• 3.2.4 离散有向多面体（K-DOP）的性能分析
• 3.3 各包围盒性能对比及在平台的中可行性分析
• 3.4 层次结构包围体技术
• 3.4.1 层次树结构的构建
• 3.5 空间划分技术
• 3.5.1 均分网格
• 3.5.2 树形层次网格
• 3.6 基于三角形面片的精确碰撞检测
• 3.6.1 三角形之间的相交测试
• 3.7 本章小结
• 第4章 混合快速碰撞检测算法的设计
• 4.1 平台对碰撞检测算法的期望
• 4.2 初步检测阶段方案
• 4.2.1 基于约束关系的 AABB 包围体
• 4.2.2 虚拟拆装仿真平台对层次树结构的基本要求
• 4.2.2.1 层次树的建立策略
• 4.2.2.2 模型二叉树的构建
• 4.2.2.3 二叉树层次结构的遍历方式
• 4.2.3 动态对象的相交测试方案
• 4.2.3.1 运动球体与 AABB 间的相交测试
• 4.2.3.2 运动 AABB 之间的相交测试
• 4.3 详细碰撞检测阶段方案
• 4.3.1 优化后的三角形面片相交测试算法
• 4.3.1.1 平面相交测试的优化
• 4.3.1.2 基于空间几何学的三角形相交测试算法
• 4.3.1.2.1 三角形相交状态反证算法
• 4.4 混合快速碰撞检测算法
• 4.5 本章小结
• 第5章 虚拟装仿真平台碰撞检测的实现
• 5.1 虚拟拆装仿真平台中碰撞检测流程
• 5.2 虚拟拆装仿真系统中碰撞检测示例
• 5.3 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢