虚拟操作仿真中基于逻辑推理的快速碰撞检测方法

1.一种虚拟操作仿真中基于逻辑推理的快速碰撞检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用数据手套对操作者手部各个关节运动进行跟踪，实施对虚拟手的运动控制；
1）根据虚拟手抓握虚拟物体时虚拟手与虚拟物体之间的位置关系，计算手指末端运动矢量与最近一次手指末端与物体表面接触点处的法向量之间的夹角，根据所述夹角判断各个手指的运动方向；其中所述虚拟手抓握虚拟物体时虚拟手与虚拟物体之间的位置关系包括：
手指向物体这侧运动，从不接触物体到接触物体；
接触物体后，如果没有力反馈设备阻止操作者的手继续运动，虚拟手指将运动到物体内部；
接触物体后手指向背离物体方向运动，松开物体并与物体分离；
手指运动到物体内部后向背离物体方向运动，但手指仍在物体内部并与物体继续接触；
所述计算手指末端运动矢量与最近一次手指末端与物体表面接触处法矢量之间的夹角的计算公式为：
其中 为手指末端运动矢量， 为接触点处的法向量，α为夹角；
根据所述夹角判断各个手指的运动方向的步骤为根据所述夹角是锐角还是钝角判断各个手指的运动方向；
2）根据手指运动方向进行逻辑推理，在上一帧是否接触的基础上推理手指是否与物体接触，包括：
如果上一帧已接触，若角α为钝角，则表明手指向物体这侧方向运动，手指继续与物体接触，本帧不进行基础的碰撞检测计算；
若角α为锐角，则表明手指向背离物体方向运动，本帧需进行基础的碰撞检测计算，记录碰撞检测结果并设置手指接触标志；若上一帧没有接触，本帧需要进行碰撞检测计算，记录碰撞检测结果并设置手指接触标志。
2.根据权利要求1所述的虚拟操作仿真中基于逻辑推理的快速碰撞检测方法，其特征在于，其中步骤2）根据手指运动方向进行逻辑推理，在上一帧是否接触的基础上推理手指是否与物体接触的检测方法，包括如下步骤：
（1）手指接触标志为“错误”，获取并记录上一次手指末端位置；
（2）获取并记录当前手指末端位置；
（3）判断手指接触标志是否为“正确”，如果正确，执行下一步骤；否则执行步骤（8）；
（4）根据手指末端运动矢量和计算角α，判断手指运动方向，其中手指末端运动矢量为当前手指末端位置-上次手指末端位置；
（5）判断手指是否移向物体，如果是，执行下一步骤；否则执行步骤（8）；
（6）设置手指接触标志为“正确”；
（7）将当前手指末端位置覆盖上次手指末端位置，并执行步骤（2）；
（8）手指与物体碰撞检测计算；
（9）记录碰撞检测结果，设置手指接触标志，并执行步骤（7）。
3.根据权利要求2所述的虚拟操作仿真中基于逻辑推理的快速碰撞检测方法，其特征在于，其中步骤1）虚拟手抓握虚拟物体时虚拟手与虚拟物体之间的位置关系的检测方法，包括如下步骤：
（1）判断5个手指中的一个；
（2）获取手指当前末端位置；
（3）判断手指接触标志是否为“正确”，如果正确，执行下一步骤；否则执行步骤（8）；
（4）根据手指末端运动矢量和计算角α，判断手指运动方向，其中手指末端运动矢量为当前手指末端位置-上次手指末端位置；
（5）判断手指是否移向物体，如果是，执行下一步骤；否则执行步骤（8）；
（6）手指继续与物体接触，不进行基础的碰撞检测；
（7）将当前手指末端位置覆盖上次手指末端位置，并执行步骤（1）；
（8）进行手指与物体碰撞检测计算；
（9）设置手指接触标志；
（10）判断手指是否与物体接触，如果是，执行步骤（11）；如果否，执行步骤（12）；
（11）计算并记录接触点坐标，法向量；设置手指接触标志为“正确”，并执行步骤（7）；
（12）不设置手指接触标志，并执行步骤（7）。
4.根据权利要求3所述的虚拟操作仿真中基于逻辑推理的快速碰撞检测方法，其特征在于，所述数据手套采用CyberGlove。
5.根据权利要求4所述的虚拟操作仿真中基于逻辑推理的快速碰撞检测方法，其特征在于，所述数据手套设置22个传感器。
6.根据权利要求5所述的虚拟操作仿真中基于逻辑推理的快速碰撞检测方法，其特征在于，所述虚拟物体以面模型模拟或仿真实体模型。

虚拟操作仿真中基于逻辑推理的快速碰撞检测方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种计算机仿真技术领域，特别是一种针对在虚拟环境下虚拟操作仿真过程中针对手抓握过程特点，基于静态碰撞检测方法和前一帧的接触情况采用逻辑推理的方法如何快速判断虚拟手各个部分与被抓握物体的碰撞检测方法。\n背景技术\n[0002] 在虚拟操作仿真中，需要根据虚拟手与虚拟物体之间的碰撞检测结果判断虚拟手是否抓住物体，在该抓握交互过程中需要同时进行五个手指与虚拟物体之间的实时碰撞检测计算，并且是一个持续接触的过程，对碰撞检测阶段的运行速度提出了较高的要求。\n[0003] 目前碰撞检测算法研究已经很多，包括：基于包围盒的碰撞检测算法，基于距离计算的碰撞检测算法，基于维诺图的碰撞检测算法，基于图像处理的碰撞检测算法；也有一些算法软件包：Opcode、RAPID、SOLID、PQP、QuickCD、SWIFT等。这些都是针对两个物体之间静态碰撞检测算法的研究，其基本思想都是尽可能早地排出那些不接触的物体或部分，尽快搜索到感兴趣的区域，即可能接触物体的局部或三角面片。算法最好的情况是物体不接触，碰撞检测算法能很快排除物体，程序运行最快；最坏的情况是两个物体每个三角面片都被对方物体三角面片接触，以层次包围盒树的碰撞检测算法为例来说明这种情况，在碰撞检测阶段，程序需要遍历包围盒树中每个节点，进行两两检测，一直检测到叶节点，速度显然很慢。对于持续接触的两个物体，程序在每一帧循环都需要从头至尾按照这个步骤进行碰撞检测计算，运行速度慢。并且当一个物体进入到另外物体内部后由于两者的计算机模型都是面模型通过该方法判断两者不接触，这不符合现实世界两个物体接触情况。\n[0004] 因此需要根据虚拟手抓握虚拟物体的特点快速判断虚拟手各个部分与被抓物体的碰撞检测方法和能够判断一个物体进入到另一个物体内部后还能判断是碰撞的情况。\n发明内容\n[0005] 针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种能够使得虚拟手抓握虚拟物体操作仿真准确快速的虚拟操作仿真中基于逻辑推理的快速碰撞检测方法。\n[0006] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：\n[0007] 一种虚拟操作仿真中基于逻辑推理的快速碰撞检测方法，包括以下步骤：\n[0008] 利用数据手套对操作者手部各个关节运动进行跟踪，实施对虚拟手的运动控制；\n[0009] 1）根据虚拟手抓握虚拟物体时虚拟手与虚拟物体之间的位置关系，计算手指末端运动矢量与最近一次手指末端与物体表面接触处法矢量之间的夹角，根据所述夹角判断各个手指的运动方向；其中，所述虚拟手抓握虚拟物体时虚拟手与虚拟物体之间的位置关系包括：\n[0010] 手指向物体这侧运动，从不接触物体到接触物体；\n[0011] 接触物体后，如果没有力反馈设备阻止操作者的手继续运动，虚拟手指将运动到物体内部；\n[0012] 接触物体后手指向背离物体方向运动，松开物体并与物体分离；\n[0013] 手指运动到物体内部后向背离物体方向运动，但手指仍在物体内部并与物体继续接触；\n[0014] 所述计算手指末端运动矢量与最近一次手指末端与物体表面接触处法矢量之间的夹角的计算公式为：\n[0015] \n[0016] 其中 为手指末端运动矢量， 为接触点处的法向量，α为夹角；\n[0017] 根据所述夹角判断各个手指的运动方向的步骤为根据所述夹角是锐角还是钝角判断各个手指的运动方向；\n[0018] 2）根据手指运动方向进行逻辑推理，在上一帧是否接触的基础上推理手指是否与物体接触，手指与物体接触，本帧不进行基础的碰撞检测计算，手指与物体不接触，本帧进行基础的碰撞检测计算；其中，所述根据手指运动方向进行逻辑推理，在上一帧接触与否情况的基础上推理出手指是否与物体接触的步骤包括：\n[0019] 如果上一帧已接触，若角α为钝角，则表明手指向物体这侧方向运动，手指继续与物体接触，本帧不进行基础的碰撞检测计算；\n[0020] 若角α为锐角，则表明手指向背离物体方向运动，本帧需进行基础的碰撞检测计算，记录碰撞检测结果并设置手指接触标志；若上一帧没有接触，本帧需要进行碰撞检测计算，记录碰撞检测结果并设置手指接触标志。\n[0021] 本发明的虚拟操作仿真中基于逻辑推理的快速碰撞检测方法，其中步骤2）根据手指运动方向进行逻辑推理，在上一帧是否接触的基础上推理手指是否与物体接触的检测方法，包括如下步骤：\n[0022] （1）手指接触标志为“错误”，获取并记录上一次手指末端位置；\n[0023] （2），获取并记录当前手指末端位置；\n[0024] （3），判断手指接触标志是否为“正确”，如果正确，执行下一步骤；否则执行步骤（8）；\n[0025] （4），根据手指末端运动矢量和计算角α，判断手指运动方向，其中手指末端运动矢量为当前手指末端位置-上次手指末端位置；\n[0026] （5），判断手指是否移向物体，如果是，执行下一步骤；否则执行步骤（8）；\n[0027] （6），设置手指接触标志为“正确”；\n[0028] （7），将当前手指末端位置覆盖上次手指末端位置，并执行步骤（2）；\n[0029] （8），手指与物体碰撞检测计算；\n[0030] （9），记录碰撞检测结果，设置手指接触标志，并执行步骤（7）。\n[0031] 本发明的虚拟操作仿真中基于逻辑推理的快速碰撞检测方法，其中步骤1）虚拟手抓握虚拟物体时虚拟手与虚拟物体之间的位置关系的检测方法，包括如下步骤：\n[0032] （1），判断5个手指中的一个；\n[0033] （2），获取手指当前末端位置；\n[0034] （3），判断手指接触标志是否为“正确”，如果正确，执行下一步骤；否则执行步骤（8）；\n[0035] （4），根据手指末端运动矢量和计算角α，判断手指运动方向，其中手指末端运动矢量为当前手指末端位置-上次手指末端位置；\n[0036] （5），判断手指是否移向物体，如果是，执行下一步骤；否则执行步骤（8）；\n[0037] （6），手指继续与物体接触，不进行基础的碰撞检测；\n[0038] （7），将当前手指末端位置覆盖上次手指末端位置，并执行步骤（1）；\n[0039] （8），进行手指与物体碰撞检测计算；\n[0040] （9），设置手指接触标志；\n[0041] （10），判断手指是否与物体接触，如果是，执行步骤（11）；如果否，执行步骤（12）；\n[0042] （11），计算并记录接触点坐标，法向量；设置手指接触标志为“正确”，并执行步骤（7）；\n[0043] （12），不设置手指接触标志，并执行步骤（7）。\n[0044] 本发明的虚拟操作仿真中基于逻辑推理的快速碰撞检测方法，其中所述数据手套采用CyberGlove。\n[0045] 本发明的虚拟操作仿真中基于逻辑推理的快速碰撞检测方法，其中所述数据手套设置22个传感器。\n[0046] 本发明的虚拟操作仿真中基于逻辑推理的快速碰撞检测方法，其中所述虚拟物体以面模型模拟/仿真实体模型。\n[0047] 本发明针对人戴数据手套控制虚拟手抓握虚拟物体仿真过程中的特点采用逻辑推理的方法进行快速碰撞检测计算的方法。本发明利用数据手套对操作者手部各个关节运动进行跟踪，实施对虚拟手的运动控制，根据虚拟手抓握虚拟物体的运动特点计算角α，根据角α是锐角还是钝角判断各个手指的运动方向，根据运动方向进行逻辑推理，在上一帧接触与否情况的基础上推理出手指是否与物体接触，能够解决虚拟手指进入到物体内部后采用静态碰撞检测方法得出的检测结果与现实常识不一致的情况，从而实现以面模型仿真实体模型的目的。该方法从总体上减少手指与物体之间的实际碰撞检测次数，提高碰撞检测速度。\n附图说明\n[0048] 图1a是本发明虚拟操作仿真中基于逻辑推理的快速碰撞检测方法的单手指抓握物体手指刚接触物体示意图；\n[0049] 图1b是本发明虚拟操作仿真中基于逻辑推理的快速碰撞检测方法的单手指抓握物体手指向物体一侧运动示意图；\n[0050] 图1c是本发明虚拟操作仿真中基于逻辑推理的快速碰撞检测方法的单手指抓握物体手指背离物体运动，松开后分离示意图；\n[0051] 图1d是本发明虚拟操作仿真中基于逻辑推理的快速碰撞检测方法的单手指抓握物体手指背离物体运动，继续接触示意图；\n[0052] 图2是本发明虚拟操作仿真中基于逻辑推理的快速碰撞检测方法的基于手指运动方向判断的碰撞检测算法流程图；\n[0053] 图3是本发明虚拟操作仿真中基于逻辑推理的快速碰撞检测方法的虚拟手抓握虚拟物体的碰撞检测实现流程图。\n具体实施方式\n[0054] 下面结合附图对本发明虚拟操作仿真中基于逻辑推理的快速碰撞检测方法的实施方式进行详细说明。\n[0055] 人配戴数据手套控制虚拟环境中的虚拟手各个部分的运动，在虚拟手指抓握物体的过程中通过一个量化的值判断两个物体的相对运动方向，如果两个物体相向运动，那么物体在上一帧接触的情况下，本帧也继续接触，在本帧不再进行实际碰撞检测计算（最好情况）；如果两个物体是背向运动，那么两个物体可能继续接触也可能不接触，需要进行实质的碰撞检测（利用静态碰撞检测算法库如Opcode等）计算来确定。同时该算法能够以面模型之间的碰撞检测仿真实体模型之间的碰撞检测。\n[0056] 本发明虚拟操作仿真中基于逻辑推理的快速碰撞检测方法包括如下操作步骤：\n[0057] 操作者控制虚拟手的运动：操作者配戴数据手套，数据手套与计算机相连，由计算机通过数据手套对操作者的手部运动进行控制，进而控制虚拟环境中虚拟手的运动。\n[0058] 操作者配戴具有22个传感器的数据手套（Immersion公司的CyberGlove）控制虚拟手的运动，数据手套与计算机相连接，通过数据手套采集各个传感器的数据，对数据进行处理，进而对人的各个关节运动进行跟踪。\n[0059] 虚拟手指运动方向的判断与计算：\n[0060] 分析虚拟手抓握物体的过程，可以把虚拟手与物体的交互过程分四种情况：\n[0061] 参见图1a，手指向物体这侧运动，从不接触物体到接触物体；\n[0062] 参见图1b，接触物体后，如果没有力反馈设备阻止操作者的手继续运动，虚拟手指将运动到物体内部；\n[0063] 参见图1c，接触物体后手指向背离物体方向运动，松开物体并与物体分离；\n[0064] 参见图1d，手指运动到物体内部后向背离物体方向运动，但手指仍在物体内部并与物体继续接触。\n[0065] 通过角α是锐角还是钝角来判断手指运动方向，角α定义为手指末端CD运动矢量与最近一次手指末端CD与物体表面接触处法矢量之间的夹角。\n[0066] 参见图1a，表示抓握过程中手指与物体接触，但并未进入到物体内部，接触点为P0，接触点处法向量为\n[0067] 参见图1b，表示手指CD接触物体后继续向物体这侧方向运动（抓握物体），手指CD运动到物体内部P1处，手指末端运动矢量 与最近一次接触时接触点处的法向量 之间的夹角α为钝角；\n[0068] 参见图1c，表示手指CD接触物体后改变方向，向背离物体方向运动到P1处，手指末端运动矢量 与最近一次接触时接触点处的法向量 之间的夹角α为锐角；\n[0069] 参见图1d，表示手指CD运动到物体内部P1后改变方向，向背离物体方向运动到P2处，手指末端运动矢量 与最近一次接触时接触点处的法向量 之间的夹角α为锐角。\n[0070] 例如，手指相对物体有两个运动方向：向物体这侧运动、背离物体运动；通过角α是锐角还是钝角来判断这两个运动方向。角α定义为：手指末端CD运动矢量与最近一次手指末端CD与物体表面接触处法矢量之间的夹角。\n[0071] 角α的计算通过向量 与 向量点乘（公式（1））来计算，如角α计算如公式（2）所示。\n[0072] \n[0073] \n[0074] 当角α为0°时，即向量 为零向量，表示手指在本帧相对于前一帧没有移动，手指保持与物体接触（前一帧接触）。当角α为90°时，向量 与 垂直；手指CD向物体这侧方向运动（抓握物体）过程中与向背离物体方向运动（松开物体）过程中都可能存在垂直的情况；但是，当手指与物体接触后，不容许手指有这样大的运动幅度，在实际计算中，该值不会出现；在操作过程中，如果出现这种情况，将其作为松开物体的情况处理。当角和 时，根据角α是锐角还是钝角进行判断。\n[0075] 逻辑推理方法：根据手指运动方向及上一帧接触情况判断手指是否与物体接触方法。\n[0076] 根据角α是锐角还是钝角判断手指的运动方向，然后结合上一帧的碰撞情况进行逻辑推理得出手指是否与物体接触，方法为：如果上一帧已接触，若角α为钝角，则表明手指向物体这侧方向运动，手指继续与物体接触，本帧不进行基础的碰撞检测计算；若角α为锐角，则表明手指向背离物体方向运动，本帧需进行基础的碰撞检测计算，记录碰撞检测结果并设置手指接触标志；若上一帧没有接触，本帧需要进行碰撞检测计算，记录碰撞检测结果并设置手指接触标志。\n[0077] 参见图2，基于手指运动方向判断的碰撞检测方法包括如下步骤：\n[0078] 步骤201，手指接触标志为“错误”，获取并记录上一次手指末端位置；\n[0079] 步骤202，获取并记录当前手指末端位置；\n[0080] 步骤203，判断手指接触标志是否为“正确”，如果正确，执行下一步骤；否则执行步骤208；\n[0081] 步骤204，根据手指末端运动矢量和计算角α，判断手指运动方向，其中手指末端运动矢量为当前手指末端位置-上次手指末端位置；\n[0082] 步骤205，判断手指是否移向物体，如果是，执行下一步骤；否则执行步骤208；\n[0083] 步骤206，设置手指接触标志为“正确”；\n[0084] 步骤207，将当前手指末端位置覆盖上次手指末端位置，并执行步骤202；\n[0085] 步骤208，手指与物体碰撞检测计算；\n[0086] 步骤209，记录碰撞检测结果，设置手指接触标志，并执行步骤207。\n[0087] 虚拟手抓握物体过程的碰撞检测应用：\n[0088] 把对单个手指进行逻辑推理的情况应用到抓握仿真中5个手指的情况即可得出虚拟手抓握虚拟物体过程中的碰撞检测应用。\n[0089] 参见图3，虚拟手抓握虚拟物体的碰撞检测实现方法，包括如下步骤：\n[0090] 步骤301，判断5个中的一个手指；第一次判断一个手指，完成以下步骤后进行另一手指的判断；\n[0091] 步骤302，获取手指当前末端位置；\n[0092] 步骤303，判断手指接触标志是否为“正确”，如果正确，执行下一步骤；否则执行步骤208；\n[0093] 步骤304，根据手指末端运动矢量和计算角α，判断手指运动方向，其中手指末端运动矢量为当前手指末端位置-上次手指末端位置；\n[0094] 步骤305，判断手指是否移向物体，如果是，执行下一步骤；否则执行步骤308；\n[0095] 步骤306，手指继续与物体接触，不进行基础的碰撞检测；\n[0096] 步骤307，将当前手指末端位置覆盖上次手指末端位置，并执行步骤301；\n[0097] 步骤308，进行手指与物体Opcode碰撞检测计算；\n[0098] 步骤309，设置手指接触标志；\n[0099] 步骤310，判断手指是否与物体接触，如果是，执行步骤311；如果否，执行步骤\n312；\n[0100] 步骤311，计算并记录接触点坐标，法向量；设置手指接触标志为“正确”，并执行步骤307；\n[0101] 步骤312，不设置手指接触标志，并执行步骤307。\n[0102] 本发明的虚拟操作仿真中基于逻辑推理的快速碰撞检测方法在虚拟物体碰撞检测仿真过程中以面模型模拟/仿真实体模型的应用。其具体体现在逻辑推理方法中。\n[0103] 利用本发明的方法可以正确判断一个虚拟物体进入到另外一个虚拟物体的情况下相交的情况，由于静态碰撞检测方法利用两个多面体模型之间是否有接触的三角面片来判断两个虚拟物体是否接触，当一个虚拟物体进入到另外一个虚拟物体的情况下两者没有接触的三角面片，这时采用静态碰撞检测方法得出的结论是两者没接触，但是现实生活中物体都是实体模型，这种检测结果与现实情况不符合。基于静态的碰撞检测算法利用帧之间的关系进行逻辑推理的方法可以很好的解决这个问题，即在虚拟抓持仿真过程中的碰撞检测计算利用计算机面模型模拟/仿真现实世界中的实体模型。\n[0104] 本发明针对人戴数据手套控制虚拟手抓握虚拟物体仿真过程中的特点采用逻辑推理的方法进行快速碰撞检测计算的方法。本发明利用数据手套对操作者手部各个关节运动进行跟踪，实施对虚拟手的运动控制，根据虚拟手抓握虚拟物体的运动特点计算角α，根据角α是锐角还是钝角判断各个手指的运动方向，根据运动方向进行逻辑推理，在上一帧接触与否情况的基础上推理出手指是否与物体接触，能够解决虚拟手指进入到物体内部后采用静态碰撞检测方法得出的检测结果与现实常识不一致的情况，从而实现以面模型仿真实体模型的目的。该方法从总体上减少手指与物体之间的实际碰撞检测次数，提高碰撞检测速度。\n[0105] 以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。