[发明专利]基于粒子群优化的并行碰撞检测系统及方法

说明书

技术领域

本发明关于一种并行碰撞检测系统及方法，特别是涉及一种基于粒子群优化的并行碰撞检测系统及方法。

背景技术

碰撞问题多年来一直受到较多的关注，碰撞检测方法在计算几何、计算机动画、CAD/CAM，仿真机器人和虚拟现实等领域中都有较好的应用前景。

近二十多年来，研究人员在碰撞检测领域中做了相当多有意义的工作。提出一些较为成熟的方法。从总体上将这些方法分为两大类：几何分解法和分层包围盒法。前者是将整个虚拟空间划分为相等体积的小的单元格，只对占居了同一单元格或相邻单元格的几何对象进行相交计算。比较典型的例子有：八叉树、k-d树、BSP树等。这类方法的特点为：方法复杂、精度高。分层包围盒的核心思想是用体积略大而几何特性简单的包围盒来近似地描述复杂的几何对象，从而通过判断包围盒是否重叠来粗略估计两检测对象是否碰撞，此外可以通过构造树状分层结构一步步逼近几何模型，提高检测精度。分层包围盒由于其方法简单、效率相对高，也是一种广泛应用的碰撞检测方法。但其检测精度较低。

另外，现有的动态碰撞检测方法自身还存在一些问题：如检测中刺穿现象和遗漏情况等。传统的多物体间的碰撞检测方法一般时间复杂度为O(n2)，不能满足实时性的要求，不利于碰撞检测快速实现。基于空间分割技术的几何分解方法，影响该方法效率的一个重要因素是分区的多少，而分区的数目又较难把握。八叉树和其它几何模型在解决碰撞检测的框架之间的几何干涉问题时，不会大幅度提高方法效率。采用分层包围盒技术来加速多面体场景的碰撞检测，但一般的包围盒方法作为一个整体的方法，检测精度低，效率提高并不明显。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之一目的在于提供一种基于粒子群优化的并行碰撞检测系统及方法，其可以在提高碰撞检测速度的同时保证较高的精度，而且适用于大规模复杂场景的实时动态碰撞检测。

为达上述及其它目的，本发明提出一种基于粒子群优化的并性碰撞检测系统，至少包括：

构建搜索空间模组，用于构建三维空间内两个物体之间存在的特征对构成的二维离散空间，以将碰撞检测问题转化成在一个由两物体特征对序号构成的离散空间中的复杂组合优化问题；

多面体剖分模组，用于将三维空间的多面体剖分得到四面体的包围盒，并行取多个四面体的包围盒特征对；以及

并行碰撞检测模组，利用粒子群优化方法对提取的多个四面体包围盒特征对并行求解，输出结果及碰撞元素。

进一步地，该多面体剖分模组以包围盒的中心点作为特征对象进行采样。

进一步地，如权利要求2所述的一种基于粒子群优化的并性碰撞检测系统，其特征在于，该并行碰撞检测模组还包括：

初始化模组，用于随机初始化粒子的位置与速度；

适应度计算模组，利用辅助进程并行计算所有粒子的适应度值，并发送给主控进程；

比较模组，利用主控进程接收到粒子的适应度值，将其与个体极值、全局极值比较，若该适应度值优于此时粒子的个体极值或全局极值，则更新粒子的个体极值或全局极值，否则不进行更新；

判断模组，用于判断是否满足终止条件，若满足终止条件，则启动输出模组输出结果及碰撞元素，否则启动更新模组；

更新模组，根据位置更新公式及速度更新公式更新粒子的和速度，并启动该适应度计算模组重新计算粒子的适应度值；以及

输出模组，用于输出结果及碰撞元素。

进一步地，该适应度计算模组采用如下公式计算适应度值：

F＝(a·x-b·x)²+(a·y-b·y)²+(a·z-b·z)²

其中{a，b}为一个特征对，(x，y，z)是真实的物体空间中点的坐标。

进一步地，若p_i＜pBest则pBest＝p_i，若p_i＜gBest，则gBest＝p_i，其中p_i为粒子的适应度值，pBest为个体极值，gBest为全局极值。

进一步地，该终止条件包括如下两种：

一、如果要找出几何模型之间所有的碰撞点，终止条件可以设为达到最大次数停止；

二、找到第一个干涉点以后则终止粒子的演化进程，但是若在演化进程中，一直没有找到干涉点，则当粒子的演化代数达到最大数时停止运行。

进一步地，该速度更新公式与位置更新公式分别为：