● 摘要
近年来虚拟现实技术研究不断在深度和广度上拓展，并日益广泛地应用于我们生活中的数字娱乐、工业制造、教育、医学手术等多个领域。模拟复杂模型（如高精细模型）的变形过程和对运动过程中的碰撞检测的研究是当前虚拟现实技术研究中的重点问题之一。与经典的碰撞检测处理方法相比，面向变形体的碰撞检测技术能够对物体的处理方法更符合现实情况，具有较高的碰撞检测精确性，能够获得正确逼真的仿真效果；但在计算复杂性方面也提出了更高的要求，对变形体碰撞检测技术提出了新的挑战。本文针对虚拟现实技术中精细变形体模型的碰撞检测所涉及的几个关键问题开展研究工作，并取得了如下成果：1.针对高精细模型数据维度高的特点，设计了一种基于统计分析的统一的框架，在该框架下实现关键点驱动的子空间变形技术和多层次的碰撞检测剔除技术，通过降维减小计算复杂度，提升了总体的时间效率。框架包括预处理和实时运行两个阶段，预处理阶段包括变形子空间构建、精细尺度剔除阈值计算、聚类降维信息获取三个部分。前两者通过统一的子空间构建过程获取降维的子空间，且三者将通过统一的回归训练过程，获得运行时阶段需要的信息。在运行时阶段，借助预处理阶段构建的子空间和相关信息，实现快速更新模型坐标进行变形以及根据两个尺度上的剔除信息进行碰撞检测剔除，实现精确而高效的连续碰撞检测方法。2.研究并实现了一种多尺度的碰撞检测剔除策略。在粗略尺度上，将训练集视为变形序列，依据模型变形过程中三角网格变形效果的相关性，对模型进行聚类划分。引入了根据变形效果信息优化的聚类方法保证了一个聚类内的面片经过了相似的变换，因此不会发生类内的碰撞，有效减少了碰撞检测数量。又根据划分结果以及训练过程，计算聚类间的关系信息，剔除不可能发生碰撞的类。在精细尺度上，首先根据模型基元的子空间距离构造子空间碰撞的阈值标准，之后借助本文框架中的方法，利用回归预测过程，对每帧变形后的模型构造当前剔除阈值作为判断标准，解决了传统子空间剔除方法不适用于变形较大的模型情况的问题。3.针对高精细度三角网格表示的变形体模型，研究并实现了一种优化的连续碰撞检测方法，并设计和实现了支持精细模型进行连续碰撞检测的系统，通过对变形体模型进行预处理阶段的网格划分，建立模型的碰撞检测树以及层次包围体；并计算基于聚类结果以及聚类间的关系、模型基元的距离信息，在粗略和精细两个尺度上以用于对碰撞检测树进行合理有效的剪枝，提高检测效率。在运行时阶段，对模型的变形进行碰撞检测树和剔除阈值信息进行同步更新，并通过两个尺度上的剔除准则提高碰撞检测算法的效率，在保证对高精细模型大量穿透现象的检测正确性基础上，获得较好的检测速度。