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基于GPU的碰撞检测算法研究的开题报告
1. 研究背景与意义
随着计算机图形学的快速发展，逐渐出现了大规模虚拟世界、基于现实物理的动画以及物理仿真等应用，这些应用对碰撞检测的效率提出了更高的要求。
过去的碰撞检测算法主要是基于CPU实现，但是随着GPU计算能力的提升，采用GPU加速的碰撞检测算法已经逐渐成为一种趋势。
因此，研究基于GPU的碰撞检测算法，能够提高碰撞检测的效率，并且为基于现实物理的动画、虚拟现实等应用提供更好的技术支持。
2. 研究内容和技术路线
（1）碰撞检测的基本概念和算法原理的学习研究；
（2）GPU的基本架构和CUDA编程模型的学习研究；
（3）基于GPU的快速碰撞检测算法的研究，主要包括AABB树、BVH树以及其它基于GPU的加速结构，以及GPU实现碰撞检测的优化方法等；
（4）基于CUDA实现上述算法，并在实验平台上进行性能测试。
3. 研究难点和创新点
（1）基于GPU实现碰撞检测的算法优化技术；
（2）大规模数据下的GPU碰撞检测优化；
（3）基于GPU的碰撞检测算法的实用性和可扩展性的验证。
4. 研究成果预期
（1）实现一种基于GPU的高效碰撞检测算法；
（2）进行实验评估，可视化展示实验数据；
（3）发表国内外高水平论文1~2篇。
5. 研究进度计划
（1）前期准备（1个月）：对现有的碰撞检测算法进行系统学习，熟悉GPU的基础知识和CUDA编程模型。
（2）中期实现（8个月）：根据学习的内容，实现基于GPU的高效碰撞检测算法，并在实验平台上进行性能测试，测试和优化算法。
（3）后期整理（1个月）：撰写硕士论文，总结算法优化的技术方法和实验结果。
GPU并行计算技术在物理仿真模拟中的加速效果初探计算机的发展与进步，在很大程度上依赖于计算能力的提升。
而在计算能力的提升中，GPU并行计算技术扮演着重要的角色。
近年来，随着GPU技术的不断发展和普及，越来越多的领域开始将GPU并行计算技术应用于各种科学与工程计算中。
特别是在物理仿真模拟领域，GPU并行计算技术的应用已经取得了显著的加速效果。
本文将探讨GPU并行计算技术在物理仿真模拟中的加速效果，以及对于物理仿真模拟的意义和潜力。
首先，需要了解GPU并行计算技术的基本原理。
GPU并行计算技术是利用图形处理器（Graphics Processing Unit）进行计算任务的技术。
与传统的CPU（Central Processing Unit）相比，GPU具备更多的核心和更高的并行计算能力。
传统的CPU是针对通用计算任务进行设计的，而GPU则专注于图形渲染和并行计算。
由于物理仿真模拟中的计算任务通常具有高并行性，因此GPU并行计算技术在该领域中具备广阔的应用前景。
在物理仿真模拟中，常见的任务包括流体力学、固体力学、电磁场仿真等。
这些任务的共同特点是计算量大、复杂度高、对计算资源的要求较高。
传统的CPU计算能力有限，在处理这些任务时常常需要耗费大量的时间。
而GPU并行计算技术则通过利用其强大的并行计算能力，将这些任务分解成多个小任务，并同时进行计算。
这样一来，不仅能够显著减少计算时间，同时也能提高计算效率和准确度。
以流体力学仿真为例，流体力学仿真是模拟和研究流体运动的一种方法。
这个领域的计算任务通常较为复杂和庞大，需要处理大量的方程和数据。
传统的CPU对于大规模流体力学仿真往往需要数天甚至数周的时间。
然而，GPU并行计算技术能够将计算任务划分成多个小任务，并同时进行，大大缩短了计算时间。
实际应用中的案例表明，通过利用GPU并行计算技术，流体力学仿真的计算时间可以缩短到数小时甚至数分钟，大幅提升了仿真效率。
虚拟展示系统的设计与实现摘要：该系统利用虚拟现实技术，在计算机中模拟再现展览的真实场景，系统基于osg开发，并集三维场景漫游、语音讲解于一体的虚拟场景展示系统。
文中分析了该系统的实现过程及整体结构。
为了保证交互系统的实时性，利用osg中感知器进行区域划分，提高了系统运行的速度。
关键词：虚拟现实虚拟展示感知器区域划分中图分类号：tp391.9 文献标识码：a 文章编号：1007-9416（2012）11-0161-02三维虚拟展示利用虚拟现实技术（virtual reality）再现展览的场景，虚拟现实强调沉浸感（immersion）、交互性（interaction）、构想力（imagination）这个三个基本特征[1]，vr是由计算机生成的、模拟人类感官的世界的实时表示，vr又称为“灵境技术”，它能够创建出逼真的三维虚拟环境，并使浏览者在视觉上产生身临其境的感觉。
目前，国内各种展销会和展览会举办的非常频繁，大到上海的世博会，小到一个公司的小型展销会，在这些展览会上各种新创意、新技术也都运用其中。
但是也出现了一些很棘手的问题，譬如上海世博会期间，人山人海，一个场馆单单排队就要好几个小时，这对参观者来说是一件非常糟糕的事情。
因为面对几十上百个场馆，人们并不知道该场馆中是否有自己感兴趣的内容。
这时如果在场馆外建造一些虚拟交互设备，人们可以在设备上简单的浏览三维场馆以及展出的内容。
这就给参观者节省了时间，使人们能利用有限的时间来参观更多感兴趣的展览，通过三维虚拟展示也可以给用户留下深刻印象。
1、虚拟展示与漫游系统总体分析1.1 需求分析场馆展览商需要建立一个虚拟的场景展示系统，该系统能够仿真真实场馆的展览情况，再现展览的场景。
操作者可以在展馆中自由的观看各个展位的产品，当走到某个展位时会弹出小窗口播放该展位的图文信息，能够自动为操作者导航。
1.2 功能分析通过展商的需求分析，本系统包含具体模块计划分如图一。
基于GPU的高性能并行算法研究基于GPU的高性能并行算法研究随着计算机技术的快速发展，计算模型的并行化已经成为了发展的趋势。
而在并行计算中，图形处理器（GPU）作为一种强大的计算资源，被越来越多地应用于高性能的并行计算中。
本文将对基于GPU的高性能并行算法进行研究，并讨论其在不同领域中的应用。
首先，我们需要了解GPU并行计算的基本原理。
GPU与传统的中央处理器（CPU）相比，具有更多的核心和更强大的并行计算能力。
这使得GPU可以同时处理大量的数据和任务，从而提高计算速度。
然而，在利用GPU进行并行计算时，我们需要考虑到以下几个关键因素。
首先，算法的并行性是实现高性能并行计算的关键。
通常来说，一个算法的并行性指的是该算法能够将不同任务分配给不同的处理单元同时进行计算的程度。
并行性高的算法可以有效地利用GPU的计算资源，从而提高计算效率。
因此，在设计并行算法时，我们需要分析问题的特点，通过合理地划分任务和数据，提高算法的并行性。
其次，数据传输和通信的开销也是影响并行计算效率的重要因素。
由于GPU与CPU之间的数据传输速度有限，数据传输的开销可能会成为性能瓶颈。
因此，我们需要尽量减少数据传输的量，提高数据传输的效率。
例如，可以通过使用共享内存和全局内存等技术，减少数据的读写操作，进而提高并行计算的效率。
再次，GPU的硬件特性也需要考虑在内。
GPU与CPU的架构有所不同，因此在编程时需要充分利用GPU的硬件特性，优化算法的实现。
例如，可以通过使用线程块（thread block）和线程束（warp）等技术，充分发挥GPU的并行计算能力。
基于以上讨论，我们可以将基于GPU的高性能并行算法分为几个方面进行研究和探索。
首先，基于GPU的高性能并行算法可以应用于科学计算领域。
科学计算通常需要大量的计算和数据处理，而GPU的并行计算能力可以显著加速科学计算的速度。
例如，在天气模拟、分子动力学模拟等领域可以使用GPU进行并行计算，从而提高计算效率。
粒子系统模拟的单双GPU加速技术及其实现江顺亮;项阳刚;徐少平【摘要】采用CUDA架构对GPU进行编程,对粒子模拟过程中的邻域搜索方法进行了优化,采用并实现了一种基于非排序的邻域搜索方案.通过良好的任务划分和较少的数据交互,设计并实现了一种双GPU的模拟方案.结果分析得知:非排序的邻域搜索方案在粒子数低于10万时总模拟时间降低近50％,粒子数超过50万时降低12％,双GPU在粒子数超过50万时计算时间降低16％,且粒子数愈多性能愈好.【期刊名称】《南昌大学学报（工科版）》【年(卷),期】2014(036)001【总页数】7页(P90-96)【关键词】双GPU;粒子系统;邻域搜索;数据交互;CUDA【作者】江顺亮;项阳刚;徐少平【作者单位】南昌大学计算机科学与技术系,江西南昌330031;南昌大学计算机科学与技术系,江西南昌330031;南昌大学计算机科学与技术系,江西南昌330031【正文语种】中文【中图分类】TP391.92传统意义上，GPU只负责图形的渲染工作，而CPU负责绝大部分的数据处理及计算。
随着科技的发展，人们对计算速度的要求越来越高，近来GPU的快速发展及其可编程性的不断成熟，使得CPU+GPU的异构编程模型逐渐成为高性能计算领域的一个热门研究课题。
已经在流体力学、图像处理、天文学等领域被广泛应用，并取得了良好的研究成果。
在粒子系统模拟领域，为了充分利用GPU的性能，采用多GPU[1-2]以及GPU集群[3]进行研究和探讨。
NVIDIA公司每年都会召开GPU技术大会(GPU technology conference,GTC)，NVIDIA公司也提供了一些粒子系统模拟的代码及其例子，本文的前期工作就是在这基础上做的[4]。
粒子系统模拟影响计算性能较大的是邻域搜索[5]，由于不同于CPU，GPU进行邻域搜索往往需要进行耗时的排序[5]，NVIDIA公司提供的粒子系统模拟代码采用这种方法[6]，Bayraktar等对这种方法进行了改进以便可应用于变密度模拟[5]，这些方法都需要进行排序；NVIDIA公司在其粒子系统模拟的文档[6]中给出了一种不需要排序的邻域搜索方法，但没有实施，本文采用这种方法并阐述了其具体实施过程和性能。
osg碰撞检测原理全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：随着计算机图形学和游戏行业的发展，碰撞检测成为了一个非常重要的领域。
在许多应用中，需要检测对象之间是否发生了碰撞，以实现真实的物理效果或者游戏逻辑。
在实际应用中，碰撞检测主要分为两种：基于边界体的碰撞检测和基于几何形状的碰撞检测。
而OSG （OpenSceneGraph）碰撞检测是一种基于边界体的碰撞检测方法，能够高效地检测游戏场景中的碰撞。
OSG是一个开源的三维图形引擎库，提供了用于构建虚拟环境的工具和类库。
在OSG中，碰撞检测是一个很重要的功能，可以通过碰撞检测来实现游戏物体之间的碰撞判断，并且可以实现物体的碰撞响应。
在OSG中，碰撞检测主要是通过遍历场景图（SceneGraph）中的节点，并计算节点之间的碰撞关系来实现的。
下面我们将详细介绍OSG碰撞检测的原理和实现方法。
1. 三角形网格的碰撞检测在OSG中，碰撞检测的主要目标是检测两个三角形网格之间是否发生了碰撞。
通常情况下，游戏中的模型都是由三角形网格构成的，因此碰撞检测方法的设计也是基于三角形网格的模型。
在OSG中，碰撞检测主要是通过射线与三角形相交来实现的。
具体来说，可以通过射线与三角形的相交来判断两个三角形是否发生了碰撞。
而射线与三角形的相交的计算方法是已经被广泛研究和应用的算法，因此可以高效地实现碰撞检测的功能。
2. 碰撞检测的优化在实际应用中，碰撞检测的性能往往是一个很重要的问题。
因为游戏中可能存在大量的模型和物体，需要高效地进行碰撞检测。
因此在OSG中，往往会采用一些优化算法来提高碰撞检测的性能。
其中一种优化方法是使用包围盒（Bounding Box）来表示模型，从而避免进行不必要的三角形相交计算。
具体来说，可以使用一个简单的几何形状来包围一个物体，然后通过判断包围盒是否相交来判断物体之间是否发生了碰撞。
这种方法可以减少不必要的计算，大大提高碰撞检测的性能。
另外一种优化方法是使用空间划分结构（Spatial Partitioning）来组织场景中的模型，从而可以快速地进行碰撞检测。
基于OSGEarth的城市三维场景构建吴小东;许捍卫【摘要】基于OSGEarth开源工程,采用LOD与分页、动态调度等技术,研究了三维地形、影像、地物组织、调度及融合方式;并以泰州市为例,实现了基于OSGEarth城市三维场景的构建,达到良好的效果,为以后的中小城市“数字城市”建设提供了空间框架.%In this paper, on a basis of the OSGEarth open-source project, we researched on 3D terrain, images, objects organization, scheduling and fusion techniques, carried out by the use of the technologies of LOD (Levels of detail), paging and dynamic scheduling and so forth. Taking Taizhou for example, the construction of urban 3D scene with good results was acquired by using OSGEarth, which provided a spatial frame for future construction of small and medium-sized digital cities.【期刊名称】《地理空间信息》【年(卷),期】2013(011)002【总页数】4页(P107-110)【关键词】OSGEarth;三维场景;泰州【作者】吴小东;许捍卫【作者单位】河海大学地球科学与工程学院,江苏南京210098【正文语种】中文【中图分类】P208城市三维场景构建是“数字城市”建设[1]的关键技术之一。
面对TB级以上的海量数据，虽然随着计算机硬件技术的发展，在一定程度上缓解了大规模数据渲染的问题，但是仍然无法从根本上解决“有限的系统资源与无限大的数据量的矛盾”。
基于OSG的数控起重机远程虚拟监控系统开发发布时间：2022-08-02T01:44:54.594Z 来源：《科学与技术》2022年3月6期作者：马进火谢喜佳李福斌陈丕概[导读] 数控起重机有时需要在辐射、有毒气体等严重危害人身健康的工业环境下作业，马进火、谢喜佳、李福斌、陈丕概南宁轨道交通集团有限责任公司，广西南宁，530000摘要:数控起重机有时需要在辐射、有毒气体等严重危害人身健康的工业环境下作业，因此研制具有远程作业状态监控及现场沉浸感的可视化作业监控系统，对数控起重机的精确定位和远程操作具有重要意义。
采用开源渲染引擎OSG，本文提出了一种远程虚拟监控系统的设计方案，结合三维虚拟现实、运动模拟、远程同步、虚拟场景构建等技术，开发了一个具有远程虚拟监控功能的数控起重机远程虚拟控制系统。
该系统能够采集起重机现场传感器数据，根据实时采集的信息刷新虚拟场景显示，实现起重机的仿真运行和虚拟监控。
关键词: OSG；远程监控；三维虚拟现实；运动模拟；远程同步1引言能源是国家经济的命脉，核能源作为一种清洁、安全、高效的能源，越来越受到国家重视，核电站建设进入了一个快速发展的阶段。
在核电工业中，为了避免核辐射对人体的危害，设备的操控及运行状态监控需要实现远程可视化。
针对上述问题，以核废料起重机为研究背景，基于OSG（OpenSceneGraph）开源渲染引擎，结合虚拟现实、远程控制、远程同步等技术，本文开发了一个数控起重机远程监控系统[1][2]。
利用Solidworks，系统建立了核废料起重机及其作业场景的三维模型库，采用三维开源渲染引擎OSG，结合VC编程，系统实现了模型的加载和运动控制，进而实现了起重机作业场景的三维渲染和运动仿真[3][4]。
通过实时采集现场传感器信号，系统实现了对远程起重机的实时作业跟踪与控制。
另外，为了提高系统控制的可靠性、作业的自动化水平，系统还设计了故障检测、报警及作业信息管理等功能。
河北大学硕士学位论文基于OSG的虚拟现实碰撞检测及GPU并行加速姓名：刘京申请学位级别：硕士专业：检测技术与自动化装置指导教师：王洪瑞2011-05摘 要碰撞问题是机器人、动画仿真、虚拟现实、计算几何、CAD/CAM等领域的关键问题之一，而实时性和精确性是衡量一个碰撞检测算法是否优越的重要标准。
尽管国内外已经对碰撞检测问题做了许多有意义的工作，但是随着计算机软硬件及网络等技术的日益成熟，尤其是GPU并行计算技术的快速发展，不同规模程度场景下实时而又精确的碰撞检测问题逐步成为当前研究的热点。
针对大规模复杂场景的碰撞检测问题，本文首先从场景渲染入手，在详细了解OSG 渲染引擎的场景组织方式、渲染流程之后，利用新一代的三维图形渲染系统的功能特性，搭建一个高效的基于场景图的河北大学新校区校园漫游系统。
进而在场景交互方面，通过深入研究基于图像的碰撞检测算法，提出了实时性更好的基于向指定平面投影、模板测试和深度测试的改进型图像空间碰撞检测算法，实现了虚拟校园漫游系统中对漫游角色模型与场景模型之间的快速碰撞检测。
同时引入GPU并行计算，调高了碰撞检测的效率。
对于更加注重于碰撞检测精度的虚拟手术仿真系统来说，本文在基于距离的碰撞检测算法基础之上，通过扫描线确定模型间潜在碰撞区域内的刨分顶点、自适应面刨分、构造刨分三角形、判断刨分点到刨分三角形之间的距离实现了骨锯模型和头盖骨模型间的精确碰撞检测。
该算法不仅能获得碰撞发生位置，还把碰撞区域局限在几个刨分顶点构成的多个刨分三角形之内，同时还继续引入GPU并行计算技术，优化了整个碰撞检测算法，缩短了计算周期。
关键词：虚拟现实碰撞检测 OSG GPU并行计算AbstractAlthough many researchers had done much meaningful work about collision detection, but along with the computer software and hardware and network technology fast developing, especially the GPU parallel computing technology, real-time and accurate collision detection problem with the different scale scenes has became a hot issues.For collision detection problems of large scale and complicated scenes, we firstly organized a virtual campus roaming scene of Hebei university using the function characteristics of new 3d graphics rendering system after in detailed understanding the organized way and rendering process of OSG rendering engine. Then through deeply studying of the collision detection algorithm based on image, designing a improved based on image collision detection with the designated planar projection, stencil test and depth test, realizing the collision detection between roaming role model and scene models of the virtual campus roaming system. Meanwhile introducing the GPU parallel computing, improving the efficiency of collision detection.For the virtual surgery simulation which more focused on collision detection accuracy. In this paper, after researched the collision algorithm based on distance, we competed through the scanning line to compute segmentation vertexes,adaptive surface dividing, constructing dividing triangles, computing the distance between segmentation vertexes and dividing triangles to judge whether skull model and bone saw had collided. This algorithm can not only get the colliding position, but also can confine the collision regional in some dividing triangles. Also we continue to introduce GPU parallel computing technology, optimize the collision detection algorithm, and shorten the computation cycle.Keywords： Virtual Reality Collision Detection OSG GPU parallel computing第1章 绪 论第1章 绪论1.1课题的研究意义1.1.1课题的研究意义自20世纪90年代以来，虚拟现实技术(Virtual Reality，简称VR)作为一种新兴的强大人机交互技术，一直是信息领域研究开发和应用的热点方向之一。
由于它具有强大的三维表现能力和人机交互能力，不仅可以实时的模拟各种真实场景，还可以在通过人机交互设备的辅助下，与虚拟场景中的模型对象进行交互操作，具有高度的沉浸感、真实感，使人产生一种身临其境的感觉。
近年来，随着科学技术水平的不断发展，虚拟现实技术已经广泛应用于军事、生物医学、机械、教育、建筑和文化等多个领域，并发挥着越来越重要的作用。
我国对虚拟现实技术的正式研究起步却很晚，对于沉浸式多交互虚拟环境系统研究较少，在虚拟现实系统的研究中交互技术还不够成熟。
本课题将综合运用多项技术，拟在分布式虚拟现实领域有所突破和发展，此项研究也充分体现了国家中长期科技发展规划纲要中“五、前沿技术”的“2．信息技术”中“（8）虚拟现实技术”的科技发展方向，具有重要的意义。
一个大规模的虚拟场景可能包含成千上万个模型，而随着场景复杂度不断提高每个模型又需要由成千上万个三角面组成，如何有效的对这些物体进行组织和管理以满足实时绘制的要求，是一个非常重要的问题。
另外，为了更加真实的反应虚拟环境的效果，需要增加光照、阴影、特效等功能，并且在虚拟交互过程中，为了达到实时的交互效果同时保证模型渲染的逼真度，细节层次等技术必须应用其中，实时图形处理对于系统资源的消耗量非常大，因而如何借助计算机和图形技术的发展，完成图形性能优化就显得尤为重要。
为了方便虚拟场景的开发同时对图形性能进行优化，近年来基于场景图理论的场景渲染成为了复杂场景的虚拟现实系统渲染的研究热点。
场景图是一种简单有效的组织图形图像的数据结构，是特殊的有向非循环图，它保存了场景中模型信息及其相互关系[1]。
场景图是一个K叉树状结构，根节点代表整个虚拟场景，树中的每个节点可以有任意多个子节点，每个节点存储场景集成的数据结构。
它通常包含三类基本节点：组节点、几何体节点和变换节点。
其中组节点是对所有节点实现分组管理；几何体节点是对物体的基本性质进行描述；变换节点主要用于三维几何河北大学工学硕士学位论文变换，包括平移、旋转等。
虽然，场景图技术在工业界得到了广泛的应用，但至今尚未统一。
每一种较成功的场景图都有其适用的范围和局限性，很难找到适于各种应用的场景图系统。
与传统的信息系统相比，虚拟现实是一个新型的、多维化的、人机和谐的信息系统。
在这种系统内，交互的实时性控制带来的真实感是人们所能感受到的最突出的特点之一，也是提高在虚拟环境中“身临其境”的沉浸感以及实现人机和谐的关键。
因此，高效而快速的进行物体间的碰撞检测，在提高虚拟环境的真实性、增强虚拟环境的沉浸感以及加强实时交互操作等方面都起着至关重要的作用。
随着虚拟现实应用领域的日益扩大及应用内容的复杂化，对碰撞检测算法提出了更高的要求。
严格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，也使大型复杂场景下的快速碰撞检测成为该领域的研究热点。
国内外许多专家和学者已经针对碰撞检测问题开展了很多有重要价值的研究工作，其研究可分为基于物体空间的碰撞检测和基于图像空间的碰撞检测。
基于物体空间的碰撞检测已有了较为充分的研究并建立了相应的算法，但这些算法的效率主要的取决于物体模型的构造方式和场景的复杂程度。
近年来，随着图形处理器（GPU）的快速发展，基于图像空间的碰撞检测逐步成为研究的热点。
GPU的高性能并行计算和可编程功能，为图形处理以外的数字图像处理和通用并行计算提供了良好的运行平台，也为基于图像空间的碰撞检测方法提供了广阔的发展空间。
本课题的研究将利用新一代的三维图形渲染系统的功能特性，搭建一个高效的基于场景图的复杂虚拟现实渲染系统，完成场景显示的真实性和实时性。
进而在场景交互方面，摆脱图形硬件信息存储的限制，提高碰撞检测的速度和精度，从而适用于大规模复杂场景的快速实时碰撞检测。
本课题是把虚拟现实技术应用于实际的一个有益尝试，具有很高的学术价值。
同时，本课题的研究成果可以直接应用于模拟驾驶训练、运动训练、虚拟旅游、虚拟城市建设等众多领域，应用前景十分广阔。
1.1.2课题来源本课题得到了科技部国际科技合作项目《载人六自由度并联机器人及虚拟环境的交互控制研究》（2008DFR10530）的资助和支持。
本课题还得到了河北省科技厅科技支撑项目《分布式虚拟场景的实时绘制与一致性第1章 绪 论控制研究》(08243531D)的资助和支持。
