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天行健 君子當自強而不息

幾何檢測(4)

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球和平面的相交性檢測

球和平面的靜態檢測相對容易一些,可以用公式12.14來計算球心到平面的距離。如果距離小于球半徑,那么它們相交。實際上還能作一種更靈活的檢測,這種檢測把相交分為球完全在平面正面,完全在背面,跨平面等三種情況。仔細分析程序清單13.2

    Listing 13.2: Determining which side of a plane a sphere is on
   
   
// Given a sphere and plane, determine which side of the plane
    // the sphere is on.
    //
    // Return values:
    //
    // < 0 Sphere is completely on the back
    // > 0 Sphere is completely on the front
    // 0 Sphere straddles plane
   
int classifySpherePlane(
      
const Vector3 &planeNormal, // must be normalized
   
  float planeD, // p * planeNormal = planeD
   
  const Vector3 &sphereCenter, // center of sphere
   
  float sphereRadius // radius of sphere
   

    {
      
// Compute distance from center of sphere to the plane
   
  float d = planeNormal * sphereCenter – planeD;
   
      
// Completely on the front side?
   
  if (d >= sphereRadius) 
        
return +1;
   
      
// Completely on the back side?
   
  if (d <= –sphereRadius) 
        
return –1;
   
      
// Sphere intersects the plane
   
  return 0;
    }

動態檢測要稍微復雜一些。設平面為靜止的,球作所有的相對位移。

平面的定義方式一如既往,用標準形式p . n = dn為單位向量。球由半徑r和初始球心位置c定義。球的位移,由單位向量d指明方向,L代表位移的距離。t從0變化到L,用直線方程c+td計算球心的運動軌跡。如圖13.13所示:

不管在平面上的哪一點上發生相交,在球上的相交點總是固定的,認識到這一點能大大簡化問題。用c-rn來計算交點,如圖13.14所示:

現在我們知道了球上的相交點,就可以利用射線與平面相交性檢測的方法,替換掉公式13.6中的p0,得到公式13.9

射線和三角形的相交性檢測

在圖形學和計算幾何中射線與三角形的相交性檢測是非常重要的。因為缺乏射線和復雜物體間相交性檢測的方法,我們通常用三角網格代表(或至少是近似代表)物體表面,再作射線和三角網格的相交性檢測。第一步是計算射線和包含該三角形的平面的交點,第二步是通過計算交點的重心坐標,來判斷它是否在三角形中。

為了使測試效率盡可能高,要使用下列技巧:

(1)在檢測中盡可能地返回負值(沒有相交),這稱作"提前結束(early out)"

(2)盡可能地延遲昂貴的數學運算,如除法。有兩個原因:第一,如果并不需要昂貴運算的結果,比如說遇到了提前結束的情況,那么執行這些運算的時間就白白浪費了。第二,它給了編譯器更多的空間以利用現代處理器的指令管道的優點。在準備除法運算時,它產生執行其他測試的代碼(可能導致提前結束)。所以,在執行期間,如果確實需要除法運算的結果,該結果可能已經被計算出來,或至少已經部分被計算出來了。

(3)只檢測與三角形正面的相交,這幾乎可以節省一半的檢測時間。

    // Ray-triangle intersection test.
    //
    // Algorithm from Didier Badouel, Graphics Gems I, pp 390-393
   
float rayTriangleIntersect(
        
const Vector3 &rayOrg,        // origin of the ray
   
    const Vector3 &rayDelta,    // ray length and direction
   
    const Vector3 &p0,            // triangle vertices
   
    const Vector3 &p1,            // .
   
    const Vector3 &p2,            // .
   
    float minT)                    // closest intersection found so far. (Start with 1.0)
   
{
        
// We'll return this huge number if no intersection is detected
   
    const float kNoIntersection = 1e30f;
   
        
// Compute clockwise edge vectors.
   
    Vector3 e1 = p1 – p0;
        Vector3 e2 = p2 – p1;
   
        
// Compute surface normal. (Unnormalized)
   
        Vector3 n = crossProduct(e1, e2);
   
        
// Compute gradient, which tells us how steep of an angle
        // we are approaching the *front* side of the triangle
   
    float dot = n * rayDelta;
   
        
// Check for a ray that is parallel to the triangle or not pointing toward the front face 
        // of the triangle.
        //
        // Note that this also will reject degenerate triangles and rays as well. We code this in a 
        // very particular way so that NANs will bail here. (This does not behave the same as 
        // "dot >= 0.0f" when NANs are involved.)
   
    if (!(dot < 0.0f)) 
            
return kNoIntersection;
        
        
// Compute d value for the plane equation. We will use the plane equation with d on the right side:
        //
        // Ax + By + Cz = d
   
    float d = n * p0;
   
        
// Compute parametric point of intersection with the plane containing the triangle, checking at the 
        // earliest possible stages for trivial rejection.
   
    float t = d – n * rayOrg;
   
        
// Is ray origin on the backside of the polygon? Again, we phrase the check so that NANs will bail.
   
    if (!(t <= 0.0f)) 
            
return kNoIntersection;
        
        
// Closer intersection already found? (Or does ray not reach the plane?)
        //
        // since dot < 0:
        //
        // t/dot > minT
        //
        // is the same as
        //
        // t < dot * minT
        //
        // (And then we invert it for NAN checking)
   
    if (!(t >= dot * minT)) 
            
return kNoIntersection;
        
        
// OK, ray intersects the plane. Compute actual parametric point of intersection.
   
    t /= dot;
   
        assert(t >= 0.0f);
        assert(t <= minT);
   
        
// Compute 3D point of intersection
   
    Vector3 p = rayOrg + rayDelta * t;
   
        
// Find dominant axis to select which plane
        // to project onto, and compute u's and v's
   
    float u0, u1, u2;
        
float v0, v1, v2;
   
        
if (fabs(n.x) > fabs(n.y)) 
        {
            
if (fabs(n.x) > fabs(n.z)) 
            {
                u0 = p.y – p0.y;
                u1 = p1.y – p0.y;
                u2 = p2.y – p0.y;
                v0 = p.z – p0.z;
                v1 = p1.z – p0.z;
                v2 = p2.z – p0.z;
            } 
            
else 
            {
                u0 = p.x – p0.x;
                u1 = p1.x – p0.x;
                u2 = p2.x – p0.x;
                v0 = p.y – p0.y;
                v1 = p1.y – p0.y;
                v2 = p2.y – p0.y;
            }
        } 
        
else 
        {
            
if (fabs(n.y) > fabs(n.z)) 
            {
                u0 = p.x – p0.x;
                u1 = p1.x – p0.x;
                u2 = p2.x – p0.x;
                v0 = p.z – p0.z;
                v1 = p1.z – p0.z;
                v2 = p2.z – p0.z;
            } 
            
else 
            {
                u0 = p.x – p0.x;
                u1 = p1.x – p0.x;
                u2 = p2.x – p0.x;
                v0 = p.y – p0.y;
                v1 = p1.y – p0.y;
                v2 = p2.y – p0.y;
            }
        }
   
        
// Compute denominator, check for invalid.
   
    float temp = u1 * v2 – v1 * u2;
   
        
if (!(temp != 0.0f)) 
            
return kNoIntersection;
        
        temp = 1.0f / temp;
   
        
// Compute barycentric coords, checking for out-of-range at each step
   
    float alpha = (u0 * v2 – v0 * u2) * temp;
   
        
if (!(alpha >= 0.0f)) 
            
return kNoIntersection;
        
        
float beta = (u1 * v0 – v1 * u0) * temp;
   
        
if (!(beta >= 0.0f)) 
            
return kNoIntersection;
        
        
float gamma = 1.0f - alpha - beta;
   
        
if (!(gamma >= 0.0f)) 
            
return kNoIntersection;
        
        
// Return parametric point of intersection
   
    return t;
    }

還有一個能優化昂貴計算的策略沒體現在上述代碼中:即預先計算結果。如果像多邊形向量這樣的值預先被計算出來的話,就可以采用更加優化的策略。

 

射線和AABB的相交性檢測

檢測AABB和射線的相交性非常重要,因為根據檢測的結果可以避免對更復雜物體的測試。(例如,我們要檢測射線與多個由三角網格組成的物體的相交性,可以先計算射線和三角網格的AABB的相交性。有時候可以一次就排除整個物體,而不必去檢測這個物體的所有三角形。)

Woo提出一種方法,先判斷矩形邊界框的哪個面會相交,再檢測射線與包含這個面的平面的相交性。如果交點在盒子中,那么射線與矩形邊界框相交,否則不存在相交。

cAABB3中rayIntersect()就是用Woo的技術來實現的。

    //---------------------------------------------------------------------------
    // Parametric intersection with a ray.  Returns parametric point
    // of intsersection in range 01 or a really big number (>1) if no
    // intersection.
    //
    // From "Fast Ray-Box Intersection," by Woo in Graphics Gems I, page 395.
    //
    // See 12.9.11
    //---------------------------------------------------------------------------
   
float AABB3::rayIntersect(const Vector3& rayOrg,        // origin of the ray
   
                          const Vector3& rayDelta,        // length and direction of the ray
   
                              Vector3* returnNormal) const    // optionally, the normal is returned
   
{
        
// We'll return this huge number if no intersection
   
    const float kNoIntersection = 1e30f;
   
        
// Check for point inside box, trivial reject, and determine parametric distance to each front face.
   
    bool inside = true;
   
        
float xt, xn;
   
        
if (rayOrg.x < min.x) 
        {
            xt = min.x - rayOrg.x;
            
if (xt > rayDelta.x) 
                
return kNoIntersection;
   
            xt /= rayDelta.x;
            inside = 
false;
            xn = -1.0f;
        } 
        
else if (rayOrg.x > max.x) 
        {
            xt = max.x - rayOrg.x;
            
if (xt < rayDelta.x) 
                
return kNoIntersection;
   
            xt /= rayDelta.x;
            inside = 
false;
            xn = 1.0f;
        } 
        
else
            xt = -1.0f;    
   
        
float yt, yn;
   
        
if (rayOrg.y < min.y) 
        {
            yt = min.y - rayOrg.y;
            
if (yt > rayDelta.y) 
                
return kNoIntersection;
   
            yt /= rayDelta.y;
            inside = 
false;
            yn = -1.0f;
        } 
        
else if (rayOrg.y > max.y) 
        {
            yt = max.y - rayOrg.y;
            
if (yt < rayDelta.y) 
                
return kNoIntersection;
   
            yt /= rayDelta.y;
            inside = 
false;
            yn = 1.0f;
        } 
        
else 
            yt = -1.0f;    
   
        
float zt, zn;
   
        
if (rayOrg.z < min.z) 
        {
            zt = min.z - rayOrg.z;
            
if (zt > rayDelta.z) 
                
return kNoIntersection;
   
            zt /= rayDelta.z;
            inside = 
false;
            zn = -1.0f;
        } 
        
else if (rayOrg.z > max.z) 
        {
            zt = max.z - rayOrg.z;
            
if (zt < rayDelta.z) 
                
return kNoIntersection;
   
            zt /= rayDelta.z;
            inside = 
false;
            zn = 1.0f;
        } 
        
else 
            zt = -1.0f;    
   
        
// Inside box?
   

        
if (inside) 
        {
            
if (returnNormal != NULL) 
            {
                *returnNormal = -rayDelta;
                returnNormal->normalize();
            }
   
            
return 0.0f;
        }
   
        
// Select farthest plane - this is
        // the plane of intersection.
   

        
int which = 0;
        
float t = xt;
   
        
if (yt > t) 
        {
            which = 1;
            t = yt;
        }
   
        
if (zt > t) 
        {
            which = 2;
            t = zt;
        }
   
        
switch (which) 
        {
        
case 0: // intersect with yz plane
   
      {
            
float y = rayOrg.y + rayDelta.y * t;
   
            
if (y < min.y || y > max.y) 
                
return kNoIntersection;
   
            
float z = rayOrg.z + rayDelta.z * t;
            
if (z < min.z || z > max.z) 
                
return kNoIntersection;
   
            
if (returnNormal != NULL) 
            {
                returnNormal->x = xn;
                returnNormal->y = 0.0f;
                returnNormal->z = 0.0f;
            }
          } 
          
break;
   
        
case 1: // intersect with xz plane
   
      {
            
float x = rayOrg.x + rayDelta.x * t;
            
if (x < min.x || x > max.x) 
                
return kNoIntersection;
   
            
float z = rayOrg.z + rayDelta.z * t;
            
if (z < min.z || z > max.z) 
                
return kNoIntersection;
   
            
if (returnNormal != NULL) 
            {
                returnNormal->x = 0.0f;
                returnNormal->y = yn;
                returnNormal->z = 0.0f;
            }
   
          } 
          
break;
   
        
case 2: // intersect with xy plane
   
      {
            
float x = rayOrg.x + rayDelta.x * t;
            
if (x < min.x || x > max.x) 
                
return kNoIntersection;
   
            
float y = rayOrg.y + rayDelta.y * t;
            
if (y < min.y || y > max.y) 
                
return kNoIntersection;
   
            
if (returnNormal != NULL) 
            {
                returnNormal->x = 0.0f;                                
                returnNormal->y = 0.0f;
                returnNormal->z = zn;
            }
          } 
          
break;
        }
   
        
// Return parametric point of intersection
   
    return t;
    }

posted on 2008-02-27 14:23 lovedday 閱讀(1237) 評論(0)  編輯 收藏 引用


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