本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種面向GPU的三角網(wǎng)格碰撞檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

碰撞檢測(cè)(Collision Detection，簡(jiǎn)稱CD)技術(shù)用于檢測(cè)空間中的一個(gè)或多個(gè)幾何物體之間是否存在重疊，如果存在則識(shí)別重疊特征。碰撞檢測(cè)算法被廣泛地應(yīng)用在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域的多方面應(yīng)用中，包括基于物理的動(dòng)畫(huà)、幾何建模、6-DOF觸覺(jué)渲染、機(jī)器人路徑規(guī)劃、醫(yī)學(xué)成像、交互式計(jì)算機(jī)游戲等。

隨著多核圖形處理器(Graphics Processing Unit，簡(jiǎn)稱GPU)這樣的大規(guī)模并行處理器的快速發(fā)展，以及NVIDA推出的通用并行計(jì)算架構(gòu)CUDA(Compute Unified Device Architecture，簡(jiǎn)稱CUDA)。許多基于單處理器的算法已經(jīng)利用CUDA技術(shù)擴(kuò)展到GPU上。如層次包圍盒(Bounding Volume Hierarchy，簡(jiǎn)稱BVH)結(jié)構(gòu)就是提高碰撞檢測(cè)性能很好的技術(shù)。但是由于一般的串行算法對(duì)數(shù)據(jù)依賴較高，從存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)訪問(wèn)數(shù)據(jù)會(huì)有延遲。如BVH這類空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的算法復(fù)雜度較高，很多都需要進(jìn)行預(yù)處理或是代價(jià)較高的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重構(gòu)。為了解決這些問(wèn)題，首先，需要將這些有效的串行算法重新設(shè)計(jì)適用于大規(guī)模的并行處理器，其次，需要在保證碰撞檢測(cè)性能提高的基礎(chǔ)上，摒棄預(yù)處理以及代價(jià)較高的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重構(gòu)操作。

因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開(kāi)發(fā)一種面向GPU的三角網(wǎng)格碰撞檢測(cè)方法，利用對(duì)基本的碰撞檢測(cè)算法的優(yōu)化在GPU上進(jìn)行大規(guī)模并行計(jì)算來(lái)對(duì)物體進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的碰撞檢測(cè)，算法適用于中等復(fù)雜度的模型，涉及基于分離軸的三角形相交測(cè)試、減少內(nèi)存訪問(wèn)優(yōu)化策略、共享內(nèi)存優(yōu)化策略等方法，降低了算法復(fù)雜度，提高了碰撞檢測(cè)算法的性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是開(kāi)發(fā)一種面向GPU的三角網(wǎng)格碰撞檢測(cè)方法，利用對(duì)基本的碰撞檢測(cè)算法的優(yōu)化在GPU上進(jìn)行大規(guī)模并行計(jì)算來(lái)對(duì)物體進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的碰撞檢測(cè)，算法適用于中等復(fù)雜度的模型，涉及基于分離軸的三角形相交測(cè)試、減少內(nèi)存訪問(wèn)優(yōu)化策略、共享內(nèi)存優(yōu)化策略等方法，降低了算法復(fù)雜度，提高了碰撞檢測(cè)算法的性能。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種面向GPU的三角網(wǎng)格碰撞檢測(cè)方法，包括基本碰撞算法部分和算法優(yōu)化部分，其中，

基本碰撞算法的具體步驟包括：

步驟11、進(jìn)行三角形相交測(cè)試；

步驟12、進(jìn)行兩個(gè)物體間的碰撞檢測(cè)；

算法優(yōu)化部分利用減少內(nèi)存訪問(wèn)策略和共享內(nèi)存策略，具體步驟包括：

步驟21、通過(guò)減少內(nèi)存訪問(wèn)次數(shù)的策略，對(duì)基本碰撞算法進(jìn)行優(yōu)化；

步驟22、通過(guò)內(nèi)存共享的策略，對(duì)基本碰撞算法進(jìn)行優(yōu)化；

步驟23、結(jié)合減少內(nèi)存訪問(wèn)的次數(shù)和內(nèi)存共享，對(duì)基本碰撞算法進(jìn)行優(yōu)化。

進(jìn)一步地，步驟11具體為：

步驟111、尋找三角形對(duì)之間所有的潛在分離軸；

步驟112、利用分離軸方式進(jìn)行三角形相交測(cè)試。

尋找潛在的分離軸方式：假設(shè)有三角形x₁x₂x₃和三角形x₄x₅x₆，π₁、π₂分別是三角形x₁x₂x₃和三角形x₄x₅x₆的平面法線，e_i(i＝1,…6)為三角形x₁x₂x₃和三角形x₄x₅x₆的邊，令L為潛在的分離軸，對(duì)于三維空間的兩個(gè)三角形，分離測(cè)試只要考慮有限集合的潛在的分離軸，這里的分離軸包括π₁，π₂，e_i×e_j(i＝1,2,3；j＝4,5,6)，π₁×e_i(i＝1,2,3)，π₂×e_j(j＝4,5,6)。

進(jìn)一步地，如果存在一條潛在分離軸L，通過(guò)將兩個(gè)三角形投影到分離軸L上進(jìn)行相交測(cè)試。三角形x₁x₂x₃在L上的投影區(qū)間被設(shè)置為三角形x₄x₅x₆在L上的投影區(qū)間被設(shè)置為當(dāng)I₀與I₁兩個(gè)投影區(qū)間不相交，判定兩個(gè)三角形不相交。特別的，當(dāng)兩個(gè)三角形在L上的投影區(qū)間滿足或者時(shí)，這兩個(gè)三角形顯然是不相交的。

進(jìn)一步地，利用分離軸理論進(jìn)行三角形相交測(cè)試時(shí)，相交測(cè)試的投影和區(qū)間測(cè)量方式操作類似，所以，已知任意一個(gè)投影區(qū)間不相交，就不用進(jìn)行剩余的分離軸測(cè)試。如果所有分離軸測(cè)試結(jié)束，沒(méi)有一個(gè)區(qū)間是分離的，那么這兩個(gè)凸集必定相交。

進(jìn)行物體碰撞檢測(cè)，由于測(cè)試的物體是由三角形構(gòu)成的網(wǎng)狀物體，所以利用三角形相交測(cè)試方法，將任意物體A和B之間的碰撞檢測(cè)轉(zhuǎn)化為A與B之間兩組三角形之間的相交計(jì)算。

進(jìn)一步地，兩個(gè)物體間的碰撞檢測(cè)具體為：每一個(gè)CUDA線程讀取物體A中的一個(gè)三角形a和物體B中的一個(gè)三角形b，然后計(jì)算它們對(duì)應(yīng)的相交狀態(tài)；當(dāng)三角形a和三角形b相交，它們對(duì)應(yīng)的三角形索引號(hào)被存儲(chǔ)。

進(jìn)一步地，步驟21具體為：三角形數(shù)據(jù)被設(shè)置為讀取一次，多次使用；每一個(gè)CUDA線程讀取物體A中的一個(gè)三角形，同時(shí)讀取物體B中的K個(gè)三角形，每一個(gè)CUDA線程進(jìn)行K次基礎(chǔ)碰撞檢測(cè)。

進(jìn)一步地，步驟22具體為：從設(shè)備內(nèi)存加載三角形數(shù)據(jù)到共享內(nèi)存，然后將數(shù)據(jù)同步給其他所有CUDA線程，使得每個(gè)CUDA線程都可以安全讀取到不同CUDA線程填充的共享內(nèi)存地址；由于共享內(nèi)存時(shí)稀缺資源，每次只能加載兩個(gè)物體的部分三角形數(shù)據(jù)進(jìn)入共享內(nèi)存。從物體A和B中分別加載K個(gè)三角形數(shù)據(jù)進(jìn)入共享內(nèi)存，利用共享內(nèi)存的數(shù)據(jù)進(jìn)行碰撞測(cè)試，最后將結(jié)果寫(xiě)回設(shè)備內(nèi)存。

進(jìn)一步地，步驟23具體為：利用共享內(nèi)存的方式，先從物體A和物體B中分別加載K個(gè)三角形數(shù)據(jù)進(jìn)入共享內(nèi)存，然后利用共享內(nèi)存中的三角形數(shù)據(jù)進(jìn)行碰撞檢測(cè)。碰撞檢測(cè)時(shí)，利用減少內(nèi)存訪問(wèn)的策略，讀取物體A中的一個(gè)三角形與物體B中的所有三角形進(jìn)行碰撞檢測(cè)，減少不必要數(shù)據(jù)的傳輸。

技術(shù)效果

1、減少內(nèi)存的訪問(wèn)次數(shù)，保證全局內(nèi)存和設(shè)備內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸頻率；

2、使用共享內(nèi)存，充分利用共享內(nèi)存中的資源，共享內(nèi)存的速度比全局內(nèi)存快，在共享內(nèi)存中進(jìn)行碰撞檢測(cè)，最后將碰撞結(jié)果寫(xiě)回設(shè)備內(nèi)存；

3、實(shí)現(xiàn)在GPU上進(jìn)行大規(guī)模并行計(jì)算來(lái)對(duì)物體進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的碰撞檢測(cè)，算法適用于中等復(fù)雜度的模型，涉及基于分離軸的三角形相交測(cè)試、減少內(nèi)存訪問(wèn)優(yōu)化策略、共享內(nèi)存優(yōu)化策略等方法，降低了算法復(fù)雜度，提高了碰撞檢測(cè)算法的性能。

以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說(shuō)明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的分離軸方式進(jìn)行三角形相交測(cè)試的示意圖，其中(a)給出三維空間中的兩個(gè)三角形面片，(b)為兩個(gè)三角形其中一條分離軸測(cè)試示意圖。

圖2是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的物體A和物體B在GPU上進(jìn)行碰撞檢測(cè)示意圖。

圖3是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的利用減少內(nèi)存訪問(wèn)優(yōu)化策略，物體A和物體B在GPU上進(jìn)行碰撞檢測(cè)示意圖；

圖4是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的利用共享內(nèi)存優(yōu)化策略，物體A和物體B在GPU上進(jìn)行碰撞檢測(cè)示意圖；

圖5是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的結(jié)合減少內(nèi)存訪問(wèn)策略和共享內(nèi)存優(yōu)化策略，物體A和B在GPU上進(jìn)行碰撞檢測(cè)示意圖。

圖6是本發(fā)明的一較佳實(shí)施例的從物體A和物體B中分別加載K個(gè)三角形進(jìn)入共享內(nèi)存進(jìn)行碰撞檢測(cè)示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明的一較佳實(shí)施例的一種面向GPU的三角網(wǎng)格碰撞檢測(cè)方法，包括基本碰撞算法部分和算法優(yōu)化部分，其中，

基本碰撞算法的具體步驟包括：

步驟11、進(jìn)行三角形相交測(cè)試；優(yōu)選的，使用分離軸進(jìn)行三角形相交測(cè)試；

具體地，步驟11包括：

步驟111、尋找三角形對(duì)之間所有的潛在分離軸；

步驟112、利用分離軸方式進(jìn)行三角形相交測(cè)試。

步驟12、進(jìn)行兩個(gè)物體間的碰撞檢測(cè)；

進(jìn)行物體碰撞檢測(cè)，由于測(cè)試的物體是由三角形構(gòu)成的網(wǎng)狀物體，所以利用三角形相交測(cè)試方法，將任意物體A和物體B之間的碰撞檢測(cè)轉(zhuǎn)化為物體A和物體B之間兩組三角形之間的相交計(jì)算。

算法優(yōu)化部分利用減少內(nèi)存訪問(wèn)策略和共享內(nèi)存策略，具體步驟包括：

步驟21、通過(guò)減少內(nèi)存訪問(wèn)次數(shù)的策略，對(duì)基本碰撞算法進(jìn)行優(yōu)化；

步驟22、通過(guò)內(nèi)存共享的策略，對(duì)基本碰撞算法進(jìn)行優(yōu)化；

步驟23、結(jié)合減少內(nèi)存訪問(wèn)的次數(shù)和內(nèi)存共享，對(duì)基本碰撞算法進(jìn)行優(yōu)化。

基本碰撞算法部分，具體地，如圖2(a)所示，x₁x₂x₃為第一個(gè)三角形，x₄x₅x₆為第二個(gè)三角形。π₁，π₂分別是第一個(gè)三角形和第二個(gè)三角形的平面法線。e_i(i＝1，…，6)為這兩個(gè)三角形的邊。令L為潛在的分離軸，三維場(chǎng)景的兩個(gè)三角形，分離測(cè)試只需要考慮有限個(gè)可能的分離軸，這里包括π₁，π₂，e_i×e_j(i＝1，2，3，j＝4，5，6)，π₁×e_i(i＝1，2，3)，π₂×e_j(j＝4，5，6)。

利用分離軸方式進(jìn)行三角形的相交測(cè)試就是，判斷三角形對(duì)在所有可能的分離軸上的投影區(qū)間是否相交，如果存在一個(gè)分離軸上兩個(gè)投影區(qū)間不相交，則這兩個(gè)三角形不相交；如果找不到一個(gè)分離軸使得兩個(gè)三角形的投影區(qū)間不相交，則這兩個(gè)三角形相交。所以，在利用分離軸進(jìn)行三角形相交測(cè)試時(shí)，只要找到兩個(gè)三角形在任意一個(gè)分離軸上不相交，則剩余的分離軸測(cè)試就不用進(jìn)行。

如圖2(b)所示，分別為x₁x₂x₃，x₄x₅x₆兩個(gè)三角形的投影區(qū)間。如果存在一個(gè)潛在的分離軸L，使得I₀，I₁不相交，那么判定兩個(gè)三角形不相交。特別地，當(dāng)或者時(shí)，顯然，兩個(gè)三角形不相交。完整的分離測(cè)試是，判斷三角形對(duì)在所有可能的分離軸上的投影區(qū)間是否相交，如果沒(méi)有一個(gè)區(qū)間是分離的，那么兩個(gè)三角形是相交的。實(shí)際上，如果任意一個(gè)區(qū)間已知不相交，那么兩個(gè)三角形就是不相交的，就不需要再進(jìn)行剩余的分離軸測(cè)試。

如圖3所示，物體A和物體B的三角形列表分別在左側(cè)和上側(cè)。每一個(gè)CUDA線程讀取物體A中的一個(gè)三角形a和物體B中的一個(gè)三角形b，然后計(jì)算他們的相應(yīng)的相交狀態(tài)。如果兩個(gè)三角形相交，他們對(duì)應(yīng)的三角形索引號(hào)會(huì)被存儲(chǔ)以備之后使用。結(jié)果的存儲(chǔ)利用CUDA線程中的原子內(nèi)存訪問(wèn)。物體A和物體B分別包含n和m個(gè)三角形，三角形成對(duì)交叉測(cè)試需要nm次。每個(gè)物體的頂點(diǎn)以一維數(shù)組的形式被存儲(chǔ)在設(shè)備全局內(nèi)存。一個(gè)頂點(diǎn)需要三個(gè)浮點(diǎn)數(shù)，一個(gè)三角形需要九個(gè)浮點(diǎn)數(shù)。因此物體A和物體B分別需要分配9n和9m個(gè)全局內(nèi)存。每個(gè)線程塊需要進(jìn)行K×K次碰撞測(cè)試，測(cè)試塊內(nèi)每個(gè)線程進(jìn)行一個(gè)基本的碰撞測(cè)試。對(duì)于一個(gè)可變形物體的自碰撞，物體A和物體B是完全相同的，碰撞測(cè)試T(i，j)＝T(j，i)。為了避免重復(fù)的碰撞測(cè)試，相交測(cè)試只在三角形對(duì)中B的索引值大于A的索引時(shí)進(jìn)行。如圖3所示，自碰撞檢測(cè)我們約定j>i。

算法優(yōu)化部分，具體地，用步驟12中的碰撞檢測(cè)算法，進(jìn)行基本碰撞檢測(cè)時(shí)，物體A中的每個(gè)三角形從全局內(nèi)存讀取m次，物體B中三角形被讀取n次。所有的三角形從全局內(nèi)存讀取了2n×m次。為了減少數(shù)據(jù)在全局內(nèi)存和設(shè)備之間的傳輸次數(shù)，如圖4所示，從物體A中讀取一個(gè)三角形與物體B中所有三角形進(jìn)行碰撞檢測(cè)。每個(gè)線程同時(shí)讀取物體A中一個(gè)三角形和物體B中的K個(gè)三角形，每個(gè)線程進(jìn)行K個(gè)基礎(chǔ)碰撞測(cè)試。

利用共享內(nèi)存同樣也能減少數(shù)據(jù)在全局內(nèi)存和設(shè)備之間的傳輸次數(shù)。只有計(jì)算能力2.X或以上的GPU上才能使用。我們從設(shè)備內(nèi)存中加載三角形數(shù)據(jù)到共享內(nèi)存，然后同步給線程塊內(nèi)所有其他線程。使得每個(gè)線程都能安全地讀取到不同地共享內(nèi)存地址。利用共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行碰撞檢測(cè)，最后將碰撞檢測(cè)結(jié)果寫(xiě)回設(shè)備內(nèi)存。由于共享內(nèi)存時(shí)稀缺資源，每次只能加載兩個(gè)物體的部分三角形數(shù)據(jù)進(jìn)入共享內(nèi)存。如圖5所示，從物體A和物體B中分別加載K個(gè)三角形進(jìn)入共享內(nèi)存，進(jìn)行碰撞檢測(cè)，每個(gè)線程需要進(jìn)行K×K個(gè)基礎(chǔ)碰撞檢測(cè)，最后將結(jié)果寫(xiě)回設(shè)備內(nèi)存。

結(jié)合步驟21和步驟22中的兩種優(yōu)化方式，如圖6所示，從物體A和物體B中分別加載K個(gè)三角形進(jìn)入共享內(nèi)存進(jìn)行碰撞檢測(cè)。碰撞檢測(cè)時(shí)，利用步驟21中提到的減少內(nèi)存訪問(wèn)的方式，同時(shí)讀取A中一個(gè)三角形和B中K個(gè)三角形進(jìn)行碰撞檢測(cè)。

綜上所述，通過(guò)對(duì)基本碰撞算法的優(yōu)化，有效的將物體的碰撞檢測(cè)在GPU下進(jìn)行大規(guī)模的并行計(jì)算方式實(shí)現(xiàn)。在降低算法復(fù)雜度、提高碰撞檢測(cè)性能的前提下，能夠有效的對(duì)中等復(fù)雜度的模型進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的碰撞檢測(cè)，同時(shí)摒棄了預(yù)處理以及代價(jià)較高的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重構(gòu)操作。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無(wú)需創(chuàng)造性勞動(dòng)就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過(guò)邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書(shū)所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。