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碰撞檢測在三維場景漫游中的研究與實現(xiàn)

來源：微型機與應用2012年第24期

王良燕，高敏

安徽三聯(lián)學院，安徽合肥230601

摘要： 碰撞檢測是三維漫游中的一項重要功能。通過面向對象圖形渲染引擎(OGRE)構建了一個模擬三維漫游系統(tǒng)，利用OgreNewt結合Newton庫在系統(tǒng)中實現(xiàn)碰撞檢測功能。碰撞檢測包圍盒均采用3DSMax創(chuàng)建，利用OgreNewt中的碰撞檢測樹解析，既保證了碰撞的精確性，又節(jié)省了編碼工作量。適用于層次結構較復雜的三維場景的加載和碰撞檢測。

關鍵詞： 數(shù)碼影像碰撞檢測三維漫游面向對象圖形渲染引擎

Abstract：

Key words :

    虛擬現(xiàn)實是當今計算機領域的一項熱門技術，其中一個重要功能是虛擬三維漫游，實現(xiàn)這一功能需要借助計算機圖形引擎。OGRE[1]是一款專門處理三維場景的圖形引擎，具有開源免費、跨平臺等多種優(yōu)點，目前在虛擬現(xiàn)實領域已有非常廣泛的應用[2-3]。
   實現(xiàn)三維漫游需要考慮的一個重要問題是碰撞檢測，OGRE引擎本身不具備這項功能，需要借助第三方引擎實現(xiàn)，常用的第三方引擎庫有Newton[4]、ODE[5]等。Newton在碰撞檢測方面性能更出色，它是一款開源免費的碰撞檢測引擎庫，OgreNewt是對Newton庫的一層面向對象封裝?？梢越Y合OgreNewt和OGRE，在三維場景中實現(xiàn)碰撞檢測功能。本文主要探討如何在OGRE基礎上，結合OgreNewt及Newton庫，實現(xiàn)具有碰撞檢測功能的三維漫游系統(tǒng)。
1 OGRE、Newton和OgreNewt
    OGRE是用C++開發(fā)的跨平臺的3D引擎，底層基于OpenGL和DirectX實現(xiàn)，具有高效的三維場景管理性能，能很好地兼容第三方庫以實現(xiàn)一些特定功能。一個基本的OGRE系統(tǒng)主要包括Root、SceneManager、Entity、SceneNode、Material和Camera等幾部分。Root是整個系統(tǒng)的入口點，通過它可以獲取系統(tǒng)中的其他對象。Entity是三維物體模型，Material是模型的材質，每個Entity 都掛載到一個SceneNode上，所有SceneNode共同組成一個樹狀結構，由SceneManager統(tǒng)一管理。通過Camera來實現(xiàn)觀看場景。
   OGRE引擎通過OgreNewt與Newton庫銜接。OgreNewt通過Newton庫中的一些基本的元素來描述物理世界，主要包括World、Collision和Body等。World是最基本的類，通過它可以建立一個空間，所有其他物體都在這個空間里創(chuàng)建?？臻g中的物體參加碰撞檢測時需要有一個包圍盒，通過包圍盒計算來判斷是否發(fā)生了碰撞，Collision用于定義包圍盒的形狀，基本形狀有Boxes、Ellipsoids、Cylinders、Capsules等。Body用于定義碰撞檢測包圍盒的實體，它可以與空間中的其他實體相互作用，比如發(fā)生碰撞、摩擦等。它需要根據(jù)Collision定義好的形狀來創(chuàng)建。此外還有Joint、MaterialID、MaterialPair等,都有其他用途。
2 三維漫游系統(tǒng)
2.1虛擬場景構建
    建立一個三維漫游系統(tǒng)，首先要構建虛擬場景，主要步驟如下：
    首先建立并取得Root，再讀取所有資源路徑并添加到資源組管理器中，接著創(chuàng)建場景管理器、相機并為相機創(chuàng)建視口；然后創(chuàng)建場景，解析資源配置文件并加載所有資源。漫游需要鍵盤、鼠標等外設控制，需要在程序中創(chuàng)建幀監(jiān)聽器，以監(jiān)聽每一幀的變化；最后是對場景進行渲染顯示。
2.2 碰撞檢測
    進行三維漫游時，如果發(fā)生碰撞，需要添加碰撞檢測?；贜ewton庫，通過OgreNewt建立碰撞檢測步驟及代碼如下：
    (1)創(chuàng)建World
    首先要創(chuàng)建一個碰撞檢測空間：
    OgreNewt::World* m_World = new OgreNewt::World();
    (2)為漫游者添加碰撞檢測包圍盒
    由于漫游采用第一人稱視角，可以有一個基本形狀來表示漫游者。這里通過一個球體來代替：
   OgreNewt::CollisionPrimitives::Ellipsoid sphere(m_pWorld, Ogre:: Vector3(PLAYER_WIDTH/2.0, PLAYER_WIDTH/2.0,
PLAYER_WIDTH/2.0));
   m_pPlayerBody=new OgreNewt::Body(m_pWorld, &sphere);
   由于這個球體代替漫游者，它與別的物體碰撞時會有力的作用，因此，它既有質量也有慣性。這些值必須要設置：
   Ogre::Vector3 inertia = OgreNewt::MomentOfInertia::CalcSphereSolid(PLAYER_WEIGHT, PLAYER_WIDTH / 2.0);
   m_pPlayerBody->setMassMatrix(PLAYER_WEIGHT,inertia);
　　(3)為其他物體添加碰撞檢測包圍盒
　   碰撞的作用是相互的，不僅漫游者需要碰撞檢測包圍盒，場景中其他所有物體都需要。在大規(guī)模三維場景中，三維模型比較多，形狀也各不相同，因此完全在程序中為每個物體按照其形狀創(chuàng)建包圍盒會極大增加代碼量；如果都用簡單的基本形狀來表示，進行碰撞時又不夠精確。為了解決這一問題，利用碰撞檢測樹和3DSMax配合來實現(xiàn)。首先在空間中創(chuàng)建一個碰撞檢測樹場景解析器TreeCollisionSceneParser，只需要將OGRE場景中的碰撞檢測根節(jié)點給它，它就會解析這個根節(jié)點所對應的節(jié)點樹，并將這棵樹上的所有子節(jié)點納入碰撞檢測范圍。關鍵代碼如下：
   Ogre::SceneNode* pRootNode =
             Ogre::Root::getSingleton().getSceneManager(DEFAULT_
            SCENE_MANAGER)
             ->getSceneNode(sCollisionRootNode.c_str());
   OgreNewt::CollisionPrimitives::TreeCollisionSceneParser
        parser(m_pWorld);
　   parser.parseScene(pRootNode, true);
　   OgreNewt::Body* pRootBody=new OgreNewt::Body(m_p
        World, &parser);
   pRootBody->attachToNode(pRootNode);
   sCollisionRootNode即為碰撞檢測樹根節(jié)點，場景中所有其他三維模型的碰撞檢測包圍盒應作為子節(jié)點掛在這棵樹上。這些包圍盒都在3DSMax中創(chuàng)建。只要是納入碰撞檢測范圍的模型，就為它添加一個副本，不是特別復雜的模型，副本的形狀、大小、位置可以與模型完全相同；對于較復雜的模型，可以通過基本形狀組合成模型輪廓作為副本。這些副本就是模型的包圍盒。然后將這些包圍盒作為子節(jié)點掛在sCollisionRootNode下，最后整個場景就會形成一棵碰撞檢測樹，樹上的所有包圍盒在碰撞時都會被程序檢測到并參加計算。
    (4)注冊回調函數(shù)
　漫游者與其他物體發(fā)生碰撞時可能會發(fā)生位置、方向等的變化，這些變化需要被及時獲知并實時顯示，這一功能可以通過回調函數(shù)實現(xiàn)。這里定義兩個回調函數(shù)，一個回調函數(shù)用于在漫游者受到其他物體的作用力時產生一個速度。主要代碼為：
　   void CBasicInputListener::CustomForceAndTorqueCallback
        (OgreNewt::Body* me)
   {   SceneNode* pPlayerNode =
            Root::getSingleton().getSceneManager(DEFAULT_
                SCENE_MANAGER)->
　　　       getSceneNode(DEFAULT_CAMERA_NODE);
　　       me->setVelocity(pPlayerNode->getWorldOrientation()*
         m_TranslateVector + Vector3(0, -DEFAULT_GRAVI-
        TY, 0));
　　   }
　   另一個回調函數(shù)用于漫游者發(fā)生變化時。比如相機切換或漫游者移動，都會發(fā)生位置方向的改變，因此需要及時進行變化，主要代碼如下：
   void CBasicInputListener::CustomTransformCallback(Ogre
        Newt::Body* me, const Quaternion& orient, const
        Vector3& pos)
　   {   ……
　　       pPlayerNode->setPosition(pos.x,
　           pos.y + PLAYER_HEIGHT - PLAYER_WIDTH
            /2.0, pos.z);
　       ……
　   }
3 運行效果
    在Windows平臺下，基于OGRE1.4.9、OgreNewt 0.11和Newton1.5.3實現(xiàn)了一個具有碰撞檢測的模擬三維漫游系統(tǒng)，其中的三維場景模型采用3DSMax 8創(chuàng)建。圖1為漫游時與墻壁發(fā)生碰撞的截圖，圖2為與樹碰撞時的截圖。當發(fā)生碰撞時，漫游者將無法前進，必須向其他方向移動才能繞過阻擋物體。墻壁的三維模型不是很復雜，因此碰撞檢測包圍盒的形狀和墻壁相同。而樹的形狀比較復雜，如果用完全相同的形狀會極大增加計算量，因此在3DSMax中為其添加了一個球體加圓柱體的輪廓作為包圍盒，如圖3所示為樹的包圍盒網格。

本文介紹了如何在OGRE引擎中，通過OGRENewt結合Newton庫，創(chuàng)建一個具有碰撞檢測的三維漫游系統(tǒng)的方法，并實現(xiàn)了一個模擬系統(tǒng)。所使用的引擎庫皆為開源免費，并具有較高的效率和良好的體驗效果，可以在實際中應用。
參考文獻
[1] http://www.ogre3d.org/
[2] Xie Mei, Zhen Zheng, Zhang Fan, et al. A cross-platform extendable 3D Virtual Reality system based on OGRE and Python[C]. Communications, Circuits and Systems, 2009. ICCCAS 2009:502-506.
[3] Liu Xiuling, Du Huanping, Wang Hongrui,et al. Design and development of a distributed Virtual Reality system[C]. Machine Learning and Cybernetics, 2009:889-894.
[4] http://newtondynamics.com/.
[5] 高嵩，陳先橋，楊菊．基于OGRE和ODE的駕駛模擬系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].交通與計算機,2006,24(1):101-104.

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