|
1 引言 1.1 研究背景和意义 虚拟现实技术是一门在信息技术基础上发展起来的新兴技术，广泛应用于军事、医疗、采矿、娱乐、体育等多个领域，由此近几年很多国家都在大力进行研究。虚拟现实技术的实时三维空间表现能力、人机交互式的操作环境以及给人带来的身临其境的感受，在军事和航天领域的模拟和训练中起到了重要的作用。近年来，随着计算机硬件软件技术的发展以及人们越来越认识到其重要作用，虚拟技术在各行各业都得到了不同程度的发展，并且越来越显示出广阔的应用前景。虚拟现实技术将使众多传统行业和产业发生革命性的改变[1]。 内容来自www.paper51.com 虚拟现实技术的核心是通过计算机产生一种如同“身临其境”的具有动态、声像功能的三维空间环境，而且使操作者能够进入该环境，直接观测和参与该环境中事物的变化与相互作用。因此，将虚拟现实技术应用于军事训练仿真研究，不但可以使得该领域内的计算机仿真方法得到完善与发展，而且也将大大提高设计与实验的逼真性、实效性和经济性，具体表现在如下几个方面： http://www.paper51.com (1). 人-机界面具有三维立体感，人融于系统，人机浑然一体。因此Multigen-creator作为工具设计出相应具有立体感、逼真性高的排列组合方案，再逐个进行实验使被试者处于其中，仿佛置身于真实的训练场上，就能达到理想客观的训练效果。 内容来自www.paper51.com (2)．继承了现有计算机仿真技术的优点，具有高度的灵活性。因为它仅需通过修改软件中视景图像有关参数的设置，就可模拟现实世界中物理参数的改变，这样，随着任务的变化，已有的软件再经修改即可满足新任务的要求，所以十分灵活、方便[2]。 http://www.paper51.com (3)．节省研究经费。改用真实的训练系统进行相应的实验研究耗资大，重复利用率低，弹药爆炸时的污染大。而采用虚拟现实技术，由于其研制周期较短，设计修改和改型通过软件修改实现，可重复使用，设备损耗低，这样可大大节省经费投入[2]。 内容来自www.paper51.com (4)．利用虚拟现实技术模拟训练过程已成为培训练习的一种安全的高科技方法。而作为模拟训练中一项最常用的训练方式就是实弹射击的模拟，我们称之为步枪激光射击模拟训练器。我国自80年代中期开始也有一些单位开始从事这方面的研究，并取得了一些成果。目前主要的激光射击模拟训练器主要都是在枪上装上激光发射器来模拟子弹的射击，接收靶主要是用分布在靶面上的若干光电传感器接收到激光信号，并处理显示出打靶成绩。但分析这些步枪激光射击模拟训练器，有以下几个方面的缺陷：(1)激光光斑直径太大，与步枪子弹7.62mm相差太多，不逼真；(2)射击靶面上的探测器太少，造成误差太大，或探测数目太多，使得成本太高，不经济；(3)不能同时准确显示出命中靶位的环数和方位[3]。 copyright paper51.com 本课题研究的是碰撞检测算法，在近几十年里，碰撞检测技术及其有关问题在计算几何合和机器人等领域内得到了泛的研究[4]。碰撞进测算法也层出不穷，从不同的角度其分类也不同。从时间域的角度来分，碰撞检测算法可分为静态碰撞检测算法、离散碰撞检测算法和连续碰撞检测算法三类[5]。静态碰撞检测算法指当场景中物体在整个时间轴t上都不发生变化时，用来检测在这个静止状态中各物体之间是否发生碰撞的算法。离散碰撞检测算法指在时间轴的每个离散点(t0,tl..,tn)上检测场景中所有物体之间是否发生碰撞的算法。在每一时间离散点上可以通过类似于静态碰撞检测算法的方法来实现。离散时间点之间的间隔选择对于此类算法至关重要，当时间点间隔过小就会增加静态碰撞检测算法的调用次数，过大则会出现穿刺或者遗漏碰撞情况的出现。基于可变时间片长度的碰撞检测方法的基本思想是:在两个物体距离较远时，时间片可以取得很大，越是靠近碰撞的发生，时间片取得越小，需要的碰撞检测次数也就越多，这一问题是称之为时间步长问题。连续碰撞检测算法涉及到四维时空或结构空间精确的建模等问题，这类算法但通常计算速度比较慢，尤其是在大规模场景中无法实现实时的碰撞检测。 copyright paper51.com 碰撞检测是虚拟装配系统，其具体要求为检测到有碰撞并计算出碰撞发生的位置。实时性和精确性是碰撞检测的两个重要约束条件，实时性是系统实时交互的特定要求而精确性则要求精确的检测碰撞的发生和计算碰撞发生的位置。碰撞检测的方法很多，但各有其优缺点和适用范围。针对虚拟装配系统所涉及的零部件为体模型表达的刚性物体，我们基于物体层次包围盒的碰撞检测算法，为复杂装配物体建立了一种高效的组件式模型进行干涉检验，不但较好的满足了约束条件，而且提高了碰撞检测的效率[8]。 http://www.paper51.com 同时也随着计算机软硬件及网络等技术的日益成熟，尤其是计算机动画仿真、虚拟现实等技术的快速发展，人们迫切希望能对现实世界进行真实模拟，而这其中亟需的关键技术之一即是实时碰撞检测。目前，三维几何模型越来越复杂，虚拟环境的场景规模越来越大，同时人们对交互的实时性、场景的真实性的要求越来越高。严苟的实时性和真实性要求在向研究者们提出巨大挑战的同时，也令实时碰撞检测再度成为研究热点。 copyright paper51.com 1.2 国内外研究动态 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 目前，在国内外的研究中，大致将几何模型之间的碰撞检测算法分为五类:空间细分法(Spatial Subdivision)、层次包围盒(Bounding VolumeHierarchy)方法、随机的方法(Stochastic Methods)、距离场的方法(Distance Field Methods)，以及图像空间技术(Image-spaceTechniques) 。 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 空间细分的方法是分解模型所在的空间，建立层次数据结构，将包含实体的空间划分为多个子空间，子空间中的实体按照一定顺序进行排列，碰撞检测只限制在某个子空间中进行，也就是将整个虚拟空间划分成相等体积的小的单元格，只对占据了同一单元格或相邻单元格的几何对象进行相交测试。典型的空间细分法有:八叉树(Octree)分割[5]和二叉空间剖分(BSP)法。一般来说空间细分算法在每次碰撞检测时都需要确定每个模型占有的空间单元，如果场景中不可动的模型很多，可以预先划分好空间单元格并确定每个模型占有的空间单元，当有模型运动时，只需重新计算运动模型所占有的空间就可以了。所以该方法通常适用于类似物体在障碍物之间飞行这样的虚拟场合，但是当两个物体有多个接触区域时，算法仍要对数量巨大的包围体进行检测。在这种情况下，计算开销增大，而且需要更多的存贮空间，性能也随之大幅度降低，成为仿真模拟中的一个主要瓶颈。 copyright paper51.com 层次包围盒方法是近年来碰撞检测技术中流行的一类算法，已被证明是比较有效的碰撞检测数据结构，是由Clark在1976年率先提出的。一般地，在预处理阶段为一个物体构建一棵层次包围盒树，层次包围盒方法的思想是递归划分物体基本元素的集合直至满足作为叶子的标准。更常用的是每个叶子包含一个基本元素，当然也可以在结点包含的基本元素小于一定数目时停止。这里，基本元素(Primitive,图元)是构成要绘制物体的实体，可以是多边形，NURBS(非统一有理B样条)面片等等。平面碰撞检测相对来说比较简单，已经有较为成熟的检测算法，而三维空间的碰撞检测则要复杂得多[5]。当对两个物体碰撞检测时，首先检查两者的包围盒是否相交，若不相交，则说明两个物体未相交，否则再进一步对两个物体作检测，因为包围盒的求交算法比物体求交算法要简单得多，所以可以快速排除很多根本不可能相交的物体，从面大大加快碰撞检测算法。 内容来自www.paper51.com |