气垫船视景仿真中碰撞检测算法研究

论文摘要

视景仿真系统作为气垫船操纵模拟器的一个重要组成部分,要求能够将气垫船在水面和陆地虚拟环境下的运动过程直观地显示出来,而实时、精确的碰撞检测技术对增强仿真环境的真实性和沉浸感起着至关重要的作用。本文分析了视景开发过程中常用碰撞检测技术的优缺点和适用条件,对其进行扩展研究,以满足气垫船运动仿真系统的需求。对于气垫船与静态物体的碰撞检测,通过在气垫船的最外边缘构建八个用于计算视线范围(LOS)的相交矢量,使气垫船简化为一个长方形的碰撞框来实现,达到了全面地检测出静态物体的目的,从视觉效果上和功能上都使虚拟环境下气垫船的运动更加逼真和接近于实际情况。对于气垫船与动态物体的碰撞检测,分两个阶段进行,首先利用包围球的算法实现初步的碰撞检测,及早地排除明显不可能相交的物体对,减少了碰撞检测的运算量;然后基于轴向包围盒(AABB)的层次包围盒的方法,对可能相交的物体对进行更详细的碰撞检测。在建模过程中,建立模型的树状层次结构实现对碰撞检测所依赖的数据结构进行预处理,利用软件开发平台OpenGL Performer API得到包围盒,对包围盒树的构造算法进行了优化,提高了碰撞检测的效率。建立两个仿真实例,验证了该算法在满足一定检测精度的情况下能够为系统提供高效实时的碰撞检测结果。对于气垫船在两栖上的实时运动,设计了海洋环境下气垫船运动态势与海面的三点匹配和在陆地环境下与地形的六点匹配方法,实时修改气垫船的位姿,提高了整个虚拟场景的逼真度。文中最后设计了气垫船驾控台、视景系统和运动转台之间的仿真实验。实验表明本文所设计的碰撞检测方法满足系统实时性和精确性的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 碰撞检测算法概述
• 1.2.1 碰撞检测的基本原理
• 1.2.2 碰撞检测算法的约束条件
• 1.2.3 碰撞检测技术的研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 第2章 气垫船与静态物体的碰撞检测方法
• 2.1 引言
• 2.2 Vega的碰撞检测技术
• 2.2.1 碰撞检测技术的分类及其数学描述
• 2.2.2 掩码匹配原理
• 2.2.3 相交测试计算结果的获取
• 2.3 气垫船与静态物体的碰撞检测
• 2.3.1 稀疏场景中气垫船与静态物体的碰撞检测
• 2.3.2 密集场景中气垫船与静态物体的碰撞检测
• 2.4 本章小结
• 第3章 气垫船与动态物体的碰撞检测方法
• 3.1 引言
• 3.2 动态物体间碰撞检测方法的一般框架
• 3.3 基于包围球算法的碰撞检测设计
• 3.3.1 包围盒算法概述
• 3.3.2 包围球算法的实现
• 3.4 基于层次包围盒的碰撞检测设计
• 3.4.1 层次包围盒的基本思想
• 3.4.2 包围盒的选取
• 3.4.3 AABB层次包围盒的构造
• 3.4.4 AABB层次包围盒的更新
• 3.4.5 AABB的相交测试
• 3.4.6 AABB层次包围盒的遍历
• 3.5 气垫船与动态物体碰撞检测的性能分析和实现
• 3.5.1 性能分析
• 3.5.2 碰撞检测的实现
• 3.6 本章小结
• 第4章 气垫船运动态势与地形及海浪匹配算法
• 4.1 引言
• 4.2 常用的匹配方法及相关研究
• 4.3 地形匹配算法设计
• 4.3.1 三点地形匹配法
• 4.3.2 四点地形匹配法
• 4.3.3 三点和四点地形匹配法仿真结果分析
• 4.3.4 基于六点地形匹配法的设计
• 4.3.5 六点匹配法仿真结果分析
• 4.4 气垫船与海面的匹配算法设计
• 4.4.1 三点海面匹配法
• 4.4.2 海面匹配结果分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 碰撞检测算法在气垫船操纵模拟器视景仿真中的实现
• 5.1 引言
• 5.2 气垫船操纵模拟器中视景仿真系统的分析
• 5.2.1 视景仿真系统的设计要求
• 5.2.2 系统开发的软硬件环境
• 5.2.3 仿真系统的总体结构
• 5.3 网络通信
• 5.3.1 网络通信的实现
• 5.3.2 字节序的问题
• 5.4 气垫船视景系统中碰撞检测的实现
• 5.4.1 坐标系及其转换
• 5.4.2 视景系统中碰撞检测流程
• 5.4.3 相互穿刺问题
• 5.5 气垫船操纵模拟器中碰撞检测效果图
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢