碰撞檢測在三維場景漫游中的研究與實現(xiàn)

王良燕，高 敏

（安徽三聯(lián)學(xué)院，安徽 合肥230601）

虛擬現(xiàn)實是當今計算機領(lǐng)域的一項熱門技術(shù)，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(lǐng)域已有非常廣泛的應(yīng)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?qū)ο蠓庋b?？梢越Y(jié)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(chǔ)上，結(jié)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(zhì)，每個Entity都掛載到一個SceneNode上，所有SceneNode共同組成一個樹狀結(jié)構(gòu)，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(gòu)建

建立一個三維漫游系統(tǒng)，首先要構(gòu)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(shè)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：

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(zhì)量也有慣性。這些值必須要設(shè)置：

(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(yīng)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(guān)鍵代碼如下：

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(yīng)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(fù)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(fù)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(diào)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(diào)函數(shù)實現(xiàn)。這里定義兩個回調(diào)函數(shù)，一個回調(diào)函數(shù)用于在漫游者受到其他物體的作用力時產(chǎn)生一個速度。主要代碼為：

另一個回調(diào)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：

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(fù)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(fù)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(wǎng)格。

本文介紹了如何在OGRE引擎中，通過OGRENewt結(jié)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(yīng)用。

[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(shè)計與實現(xiàn)[J].交通與計算機,2006,24(1):101-104.