实验四：基于BSP技术的室内场景渲染和碰撞检测

基于BSP的光线跟踪并行处理研究易法令;杨璞【摘要】提出了一种基于BSP树的光线跟踪并行处理方法.该方法通过分析视点与场景空间的关系,进行像素空间的划分,避免并行处理任务分配的盲目性;采用近似的NSOTA算法保证了任务分配的均衡性.试验表明,并行方法能大大提高光线跟踪的处理速度.【期刊名称】《长江大学学报（自然版）理工卷》【年(卷),期】2005(002)007【总页数】3页(P238-240)【关键词】光线跟踪;并行处理;BSP树算法;任务均衡【作者】易法令;杨璞【作者单位】长江大学计算机科学学院,湖北,荆州,434023;长江大学计算机科学学院,湖北,荆州,434023【正文语种】中文【中图分类】TP391.41光线跟踪是一种主要的真实感图形绘制技术，它通过跟踪每一条从视点出发的光线，计算光线与景物交点的光强(颜色)，可以精确地在三维实体上产生阴影、反射、折射及表面纹理等真实感很强的光学效果。

标准的光线跟踪算法需要计算每一条与景物空间相交的光线，并且要根据景物的性质进行光的反射、折射等计算，计算量非常庞大，因此很难满足真实感图形显示的实时性要求。

为了提高显示的实时性，一般通过提高光线跟踪算法的效率及采用并行处理技术来实现。

BSP树算法是公认的效率较高的场景空间剖分算法[1]，与其他光线跟踪优化算法相比，BSP树具有内存开销小，剖分产生的无效区域少，树结构比较平衡及树的深度较浅等优点。

光线跟踪并行处理基于光的能量的可叠加性，传统的并行处理方法一般都是采用场景空间划分进行并行任务的分配，其主要的问题就是节点间数据的流动比较大，另外还有负载均衡的问题[2,3]。

为了解决这些问题，笔者提出了一种新的光线跟踪并行处理方法，即以BSP光线跟踪技术为基础，通过分析视点与BSP树场景空间的关系进行任务划分，然后在每个节点机上都放置一个完整场景空间，每个节点机上只进行对应区域的光线求交运算，最后通过合并各个节点机上数据，完成整个光线跟踪的处理。

《三维场景中碰撞检测技术的研究》篇一一、引言随着三维技术的快速发展，三维场景在各个领域的应用越来越广泛，如游戏开发、虚拟现实、机器人技术等。

在这些应用中，碰撞检测技术起着至关重要的作用，它可以有效地保证三维场景中物体的真实性和安全性。

本文旨在研究三维场景中碰撞检测技术的原理、方法及优化策略，以期为相关领域的研究和应用提供参考。

二、三维场景中碰撞检测技术的原理碰撞检测技术是指在三维场景中，通过一定的算法和计算方法，检测两个或多个物体是否发生碰撞的技术。

其基本原理包括空间划分、特征提取、碰撞判断等步骤。

1. 空间划分：将三维场景划分为若干个空间区域，以便于对物体进行管理和计算。

常见的空间划分方法包括八叉树、网格法等。

2. 特征提取：从物体中提取出可以用于碰撞检测的特征信息，如边界、表面等。

这些特征信息可以有效地减少碰撞检测的复杂度。

3. 碰撞判断：根据提取的特征信息进行碰撞判断。

常用的方法有距离法、边界盒法等。

如果检测到物体发生碰撞，则需要进行相应的处理，如改变物体的位置、调整物体的运动轨迹等。

三、三维场景中碰撞检测的方法根据不同的应用场景和需求，三维场景中的碰撞检测方法可以分为以下几种：1. 基于物理的碰撞检测：通过模拟物理世界的运动规律，实现物体的碰撞检测。

这种方法可以较为真实地反映物体的运动状态和碰撞效果，但计算复杂度较高。

2. 基于几何模型的碰撞检测：通过比较物体的几何模型，实现碰撞检测。

这种方法计算复杂度较低，但需要精确的几何模型信息。

3. 基于空间剖分的碰撞检测：将三维空间划分为多个小的区域，对物体进行空间索引和定位，以实现快速的碰撞检测。

这种方法适用于大规模的三维场景和实时性要求较高的应用。

四、三维场景中碰撞检测技术的优化策略为了提高三维场景中碰撞检测的效率和准确性，可以采取以下优化策略：1. 算法优化：针对不同的应用场景和需求，选择合适的算法和计算方法，以提高碰撞检测的效率和准确性。

《三维场景中碰撞检测技术的研究》篇一一、引言随着计算机图形学和虚拟现实技术的飞速发展，三维场景的构建和交互性成为了研究的热点。

其中，碰撞检测技术作为三维场景中不可或缺的一部分，对于提升用户体验和场景的真实感具有至关重要的作用。

本文旨在探讨三维场景中碰撞检测技术的研究现状、方法及挑战，并对其未来发展进行展望。

二、三维场景中碰撞检测技术的重要性在三维场景中，碰撞检测技术主要用于检测场景中物体之间的潜在碰撞，以确保虚拟世界的真实性和交互性。

在虚拟现实、游戏开发、机器人技术、动画制作等领域，碰撞检测技术都发挥着重要作用。

通过精确的碰撞检测，可以有效地提高用户体验，增强场景的真实感，并防止因物体穿透而导致的视觉错误。

三、三维场景中碰撞检测技术的研究方法目前，三维场景中的碰撞检测技术主要分为两种：基于物理的碰撞检测和基于图像的碰撞检测。

1. 基于物理的碰撞检测：这种方法主要利用物理学的原理，通过计算物体的速度、加速度、力等物理量来预测和检测潜在的碰撞。

这种方法具有较高的准确性和真实性，但计算量较大，对硬件要求较高。

2. 基于图像的碰撞检测：这种方法主要通过分析场景的图像信息来检测潜在的碰撞。

它通过比较物体在场景中的位置和形状来识别潜在的碰撞点。

这种方法计算量较小，但对图像处理技术的要求较高。

四、三维场景中碰撞检测技术的应用碰撞检测技术在多个领域都有广泛的应用。

在虚拟现实中，它可以提高虚拟世界的真实感和交互性；在游戏开发中，它可以防止游戏角色或物体穿透和穿透其他物体；在机器人技术中，它可以提高机器人的运动效率和安全性；在动画制作中，它可以确保动画的流畅性和真实性。

五、三维场景中碰撞检测技术的挑战与展望尽管三维场景中的碰撞检测技术已经取得了显著的进步，但仍面临一些挑战。

首先，如何提高碰撞检测的准确性和效率是一个重要的问题。

其次，如何处理复杂的场景和大量的数据也是一个难题。

此外，如何将不同的碰撞检测技术进行融合，以发挥各自的优势也是未来研究的一个重要方向。

碰撞检测碰撞检测是计算机图形学领域中一个非常重要的概念，它用于判断两个或多个物体是否发生了碰撞。

在游戏开发、物理模拟、虚拟现实等领域中都广泛应用了碰撞检测技术。

本文将对碰撞检测的基本原理、常用算法和应用进行介绍。

一、碰撞检测的基本原理在计算机图形学中，通常将物体抽象为多边形、球体、立方体等几何形状。

当两个物体发生碰撞时，它们的边界或表面上的点会彼此重叠。

因此，判断两个物体是否发生碰撞，关键是要检测它们的边界或表面是否相交。

碰撞检测的基本原理可以归结为以下几步：1. 碰撞检测前的准备：获取待检测物体的位置、姿态和形状信息。

通常使用坐标系、矩阵和向量等数学工具来描述和计算物体的位置和形状。

2. 碰撞检测的粗略判断：通过一个快速的算法，如包围盒（bounding box）或包围球（bounding sphere）来判断物体是否有可能产生碰撞。

这一步旨在减少后续的详细检测计算量，提高碰撞检测的效率。

3. 碰撞检测的详细计算：当粗略判断有碰撞可能时，进行更加精确的碰撞检测计算。

常见的算法有：分离轴定理（Separating Axis Theorem）、基于向量的碰撞检测（Vector-based Collision Detection）等。

4. 碰撞的反应和处理：当发生碰撞时，需要根据物体的属性和场景需求来处理碰撞的反应，如物体的反弹、碎裂、能量转移等。

二、常用的碰撞检测算法1. 包围盒（Bounding Box）算法：这是最简单、最常用的碰撞检测算法之一。

它将物体看作是一个矩形，最简单情况下只需要比较物体的位置和尺寸，判断是否相交。

虽然精度较低，但计算速度快，通常用于快速排除不可能发生碰撞的情况。

2. 分离轴定理（Separating Axis Theorem，SAT）：该算法是一种比较常用的精确碰撞检测算法，适用于复杂形状的物体。

它基于一个简单的原理：如果两个非凸物体没有共享的分离轴，那么它们一定相交。

《三维场景中碰撞检测技术的研究》篇一一、引言随着计算机图形学和虚拟现实技术的快速发展，三维场景中的碰撞检测技术显得尤为重要。

该技术被广泛应用于游戏开发、机器人仿真、动画制作以及虚拟现实等多个领域。

三维场景中的碰撞检测能够确保物体在虚拟世界中的运动是合理且安全的，避免了因碰撞导致的物体穿透、位置异常等问题。

本文旨在研究三维场景中碰撞检测技术的原理、方法及其实用性，以期为相关领域的研究和应用提供理论支持。

二、三维场景碰撞检测技术概述三维场景中的碰撞检测技术主要涉及对场景中多个物体之间的空间关系进行实时检测，以确定是否存在碰撞。

该技术通过数学模型和算法，对场景中的物体进行空间位置和形状的描述，然后通过一系列的算法和计算方法，确定物体之间是否发生了碰撞。

碰撞检测技术包括静态物体间的碰撞检测和动态物体间的碰撞检测，还涉及碰撞响应和后处理等方面。

三、三维场景中碰撞检测技术原理与方法1. 空间划分法：该方法将场景空间划分为多个区域或层次，然后逐一检查各区域或层次内的物体是否发生碰撞。

这种方法计算效率高，适用于大规模场景的碰撞检测。

2. 包围盒法：通过计算物体的包围盒（如轴对齐包围盒AABB）来简化碰撞检测过程。

该方法首先判断两个物体的包围盒是否相交，再进一步检查更精细的几何细节。

3. 特征空间法：根据物体的几何特征建立特征空间，如利用凸包等特征进行快速碰撞检测。

这种方法在处理复杂几何形状时具有较高的效率。

4. 动态规划法：通过动态规划算法优化碰撞检测过程，适用于具有特定运动轨迹的物体之间的碰撞检测。

四、碰撞检测技术的实际应用1. 游戏开发：游戏中的角色、物品等物体需要在虚拟环境中进行实时交互，碰撞检测技术能够确保这些交互的合理性和安全性。

2. 机器人仿真：在机器人仿真中，碰撞检测技术能够确保机器人在虚拟环境中的运动不会与周围物体发生冲突，从而提高机器人的运动性能和安全性。

3. 动画制作：在动画制作中，碰撞检测技术能够使角色和物体的运动更加自然、逼真，提高动画的质量和观赏性。

实验四：基于BSP技术的室内场景渲染和碰撞检测姓名：班级：学号：一、实验目的掌握BSP的原理；熟悉Ogre中基于BSP技术的室内场景渲染的使用方法。

二、实验仪器pc、visual studio 2010三、实验原理及过程//网上检索BSP相关技术//利用Ogre实现基于BSP技术的室内场景渲染描述程序实现时的思路包括对每个调用的API进行详细说明1、BSP相关技术（1）BSP概述BSP Trees英文全称为Binary Space Partioning trees，二维空间分割树，简称为二叉树。

包括：隐藏面的剔除；室内场景中光照运算；BSP树的预渲染。

（2）BSP原理顺序判定BSP：二叉空间分割。

用若干平板，每块平板可将场景分成两部分，以这样的方式可以描述整个空间的形态。

如果我们为每个板子都设定过其正负面，那么我们就可以很轻松的得到一棵BSP。

在早期显卡上，由于没有硬件ZBuffer，因此必须从后向前画。

当代显卡由于其出色的ZBuffer，因此如果从前向后渲染，由于后画的比较容易被遮挡而被ZBuffer CUT掉，反而效率更高。

筛选优化单单对场景进行顺序判定是不够的，场景中成千上万的三角形没有必要全部渲染，还需要经过筛选。

PVS除了视锥裁减外，BSP可通过两种方式进行进一步的筛选优化。

比较容易理解的是Portal：凡是入口看不见的，就是看不见的。

Portal的不足在于需要每一帧都进行重新计算，计算量较大；第二种办法就是潜在可见集合PVS，在生成树的时候，同时就生成好了空间与空间之间的可见关系，这样的话，渲染时候只需要去查询这个PVS可见关系表就可以了。

例如，当我当前处在D的时候，只有BC能通过PVS测试，因此A一开始就可以被CUT。

（3）BSP渲染BSP的渲染流程：1）先获取摄像机所在叶子，并获得此叶子的PVS信息；2）从根节点开始；3）如果此节点仍然是节点，判断此节点的可见性，如果全部可见，此节点之下的所有节点全处理；如果全都不可见，中止判断，回到上级节点。

二维碰撞检测算法碰撞检测（Collision Detection,CD）也称为干涉检测或者接触检测，用来检测不同对象之间是否发生了碰撞，它是计算机动画、系统仿真、计算机图形学、计算几何、机器人学、CAD\ CAM等研究领域的经典问题。

碰撞物体可以分为两类：面模型和体模型。

面模型是采用边界来表示物体，而体模型则是使用体元表示物体。

面模型又可根据碰撞后物体是否发生形变分为刚体和软体，刚体本身又可根据生成方式的不同分为曲面模型和非曲面模型。

目前对于碰撞的研究多集中于面模型的研究，因为体模型是一种三维描述方式，对它进行碰撞检测代价较高。

而在面模型的研究中，对刚体的研究技术更为成熟。

下面列举几种常用的碰撞检测技术：1：包围盒（bounding box）是由Clark提出的，基本思想是使用简单的几何形体包围虚拟场景中复杂的几何物体，当对两个物体进行碰撞检测时，首先检查两个物体最外层的包围盒是否相交，若不相交，则说明两个物体没有发生碰撞，否则再对两个物体进行检测。

基于这个原理，包围盒适合对远距离物体的碰撞检测，若距离很近，其物体之间的包围盒很容易相交，会产生大量的二次检测，这样就增大了计算量。

包围盒的类型主要有AABB(Aligned Axis Bounding Box)沿坐标轴的包围盒、包围球、OBB(Oriented Bounding Box)方向包围盒和k-DOP(k Discrete Orientation Polytopes)离散方向多面体等。

AABB是包含几何对象且各边平行于坐标轴的最小六面体，两个AABB包围盒相交当且仅当它们三个坐标轴上的投影均重叠，只要存在一个方向上的投影不重叠，那么它们就不相交。

AABB间的相交测试和包围体的更新速度比其他算法效率高，因此使用最广泛，尤其适用于多物体运动的大规模环境和变形体碰撞检测。

OBB包围盒的相交测试基于分离轴的理论的，它的构造关键在于包围盒最佳方向的确定，最佳方向必须保证在该方向上包围盒的尺寸最小。

3D游戏开发步步高系列课程（4）碰撞检测和处理付仲恺微软特邀开发专家我们将涉及到…•学习3D游戏‘Puc the Pirate’的开发议题•网格系统及运动–坐标系映射–网格坐标系–基于结点的运动•碰撞检测–应用球体碰撞检测基础知识•基本计算机知识•基本软件开发（C#）知识Level 200议题•网格系统及运动–坐标系映射–网格坐标系–基于结点的运动•碰撞检测–应用球体碰撞检测网格坐标系系统•在基于网格的游戏中，所有的物体都是使用预先定义的距离来放置–适用于平面地图游戏的坐标描述•如：战棋类，简单的即时战略类游戏–例如：cookie的放置•所有的cookie都在水平和竖直方向上对齐•Cookie前后之间距离相等•使用网格地图坐标系系统来描述网格坐标系系统•网格坐标系系统是局部坐标系系统–为了便于描述游戏逻辑和物体的位置•例如，在战棋类游戏中所有物体都位于2维空间中–不能够被DirectX直接使用–在使用时需要先转换为世界坐标系坐标系系统映射•网格坐标系系统与我们的世界坐标系系统不同，但是相互之间具有映射关系–网格坐标系是2维的，而世界坐标系是3维的–两个坐标系的原点和坐标轴都不同•当物体位于结点坐标系系统的（2，3）坐标时，这个物体在世界坐标系中并不位于（2，3，0）坐标•从网格坐标系系统到世界坐标系系统需要经过映射–A=F(B),F是将点从坐标系系统B映射到坐标系系统A的函数–1-1的映射关系坐标系系统映射•Cookie构造函数–base(new Vector3(-70.0f + X * 15, -60.0f + Y * 15, -3.0f)•X轴上的位置：–Position.X等于-70.0f + X * 15–X是网格坐标系的X轴数值，Position.X是物体在世界坐标系中X轴上的数值•Y轴上的位置–Position.Y值等于-60.0f + Y * 15–Y是网格坐标系的Y轴数值，Position.Y是物体在世界坐标系中Y轴上的数值•Z轴上的位置–物体在Z轴上始终等于-3.0f•物体在X轴和Y轴方向上以15个单位为一个坐标点坐标系系统映射Puc The Pirate•红色球体表示结点•红色的粗线连接结点Puc The Pirate•所有的对象（除了网格和cookie）都放置在结点上•在创建大部分游戏物体之前必须知道所在的结点位置•为了能够在网格上运动，物体需要使用这些结点•物体的运动就是从一个结点移动到另一个结点•当Puc直接向墙运动时，它停止运动•Puc不能跳过墙•实际情况是，Puc到达一个结点，并且不能够找到新的结点继续运动Puc The Pirate•当我们创建结点时，需要传递4个布尔值：•public Node(…bool UP, bool RIGHT, bool DOWN,bool LEFT)•如果设置为true，“AutoAssignNeighbors”函数将在指定的方向上寻找最近的结点，并且将其与当前结点相连接基于结点的运动•控制Puc运动的变量•private Node Source = null;•private Node Destination = null;•private Vector3 CurrentMove;•MOVEDIRECTION CurrentDirection,NextPossibleDirection;•float Speed = 0.5f;基于结点的运动•导入变量–Source•Puc已经达到的结点（或者层级的起始位置）–Destination•Puc正要前进的结点（当Puc没有运动时，Destination和Source相同）–CurrentMove•Puc正在使用的从Source结点运动到Destination结点的当前向量基于结点的运动•导入向量–CurrentDirection•枚举成员MOVEDIRECTION { UP, DOWN, LEFT, RIGHT, STILL }保存Puc的当前方向。