一种虚拟战场中精确命中检测及效应生成方法.pdf

本发明提供一种虚拟战场中精确命中检测及效应生成方法，其在模型几何建模阶段以模型的功能部件为单位，添加碰撞包围体，并构建内部关键部件的等效几何体作为碰撞代理，实现了几何外观模型和物理碰撞模型的分离，解决了层次化细节模型(LOD)技术带来的碰撞检测不一致的问题；同时在不增加模型多边形数量的条件下实现了对模型物理碰撞属性的部件级描述，为高效精确的命中检测提供了条件；本发明在碰撞检测阶段增加了对命中检测的特殊处理，以武器弹药的侵彻长度为基准，在其侵彻路径上，采用构建检测组和等效贯穿长度积分的方法，依次对部件的碰撞结果进行计算，实现了部件级的命中检测，解决了传统碰撞检测粒度过粗的问题。

1.  一种虚拟战场中精确命中检测及效应生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在建模工具软件中采用标准的多边形建模方法为几何模型添加碰撞包围体和内部关键部件的等效几何体；
步骤11，以几何模型的功能部件为单位创建碰撞包围体，所谓功能部件是指模型所表示的实际物体中具有某种功能，且该部件的损坏会造成物体功能的丧失或相应性能的下降；
所述碰撞包围体为封闭的凸多面体，且与几何模型始终保持正向运动关系；
步骤12，使用基本图元或基本图元的组合创建等效几何体，所述等效几何体的位置、形状和大小与内部关键部件保持一致；
所谓等效几何体是指能够反映描述的内部关键部件的基本形状和位置的几何体，且与几何模型保持正向运动关系；
步骤2，命名碰撞包围体为collision，等效几何体为hit，对步骤1定义的碰撞包围体和等效几何体添加物理属性；
碰撞包围体用于碰撞检测，碰撞检测包括与地形、障碍物的碰撞、抛射的弹药的碰撞；
等效几何体用于命中检测，命中检测指与抛射的弹药的碰撞；
步骤3，分别为每个碰撞包围体和等效几何体添加材质类型、功能类型和性能权重，其中抵御贯穿的防护性通过材质类型来体现；功能类型用来描述部件对于整个模型的功用；性能权重用来描述部件的毁坏对于某一类功能的影响；
步骤4，在计算机图形中上述几何模型、碰撞包围体和等效几何体均为网格 对象，根据正向运动关系建立几何模型—碰撞包围体—等效几何体的层级结构，对几何模型、碰撞包围体和等效几何体进行唯一命名，对模型按照层级结构进行保存，保留所有网格对象的物理属性和网格对象之间的层级关系；
步骤5，碰撞检测处理：使用经典的层次包围盒碰撞检测方法对场景中所有材质为collision的碰撞包围体进行碰撞检测，得到发生碰撞的碰撞包围体对集合Φ＝{C₁，C₂，…C_n}，该集合的元素C_i包括一对碰撞包围体A_i和B_i、以及碰撞包围体A_i和B_i之间发生碰撞的撞击点P_i和撞击方向
根据步骤1定义的包围体绑定的几何模型的名称判断Φ中是否存在抛射弹药的碰撞包围体，如果存在，说明有命中事件发生，进入步骤6命中检测处理。如果不存在，说明没有命中事件发生，执行一般的碰撞响应处理；
步骤6，命中检测处理：
步骤61，根据碰撞包围体对(A_i，B_i)获得对应的几何模型O_i和T_i，设抛射弹药为O_i，被命中物体为T_i，将步骤4建立的模型层级结构中在T_i层级以下且材质名为collision和hit的网格对象加入O_i的碰撞检测组G_i(g_i1,g_i2…g_im)；
步骤62，以碰撞点坐标P_i为原点，以为方向的射线P_iV_i，对碰撞检测组G_i(g_i1,g_i2…g_im)作射线检测，获取O_i的侵彻路径上的第一个网格对象g_ij；
步骤63，使用射线P_iV_i对g_ij作第一次射线检测，得到第一个碰撞点坐标P_i1(x_i1，y_i1，z_i1)，在P_iP_i1的延长线上任取一点P_i'，且该P_i'与P_i1的距离大于g_ij的最大厚度，以P_i'为原点，为方向对g_ij作第二次射线检测，得到第二个碰撞点坐标P_i2(x_i2，y_i2，z_i2)，则g_ij的等效厚度d_ij为：
dij=(xi1-xi2)2+(yi1-yi2)2+(zi1-zi2)2×αj]]>
其中α_j为g_ij的材质相对于设定的基准材质的防护力系数；
步骤64，对d_ij进行累加，如果Σd_ij≤D_i，则认为g_ij被贯穿，将g_ij代表的功能部件标记为命中，命中类型标记为贯穿，并将g_ij从G_i中移除，继续执行步骤62；如果Σd_ij＞D_i，则认为g_ij未被贯穿，将g_ij代表的功能部件标记为命中，命中类型标记为碰撞，弹药侵彻过程停止，结束命中检测处理；其中，D_i为弹药O_i对基准材质的侵彻距离；
步骤7，命中效应生成：
步骤71，定义物体的命中效应生成树，一种模型对应一个物理效应生成树，树的节点包括局部效应和整体效应两个部分，其中局部效应为具体部件毁伤的效应，用来体现毁伤的视听效果；整体效应为一类功能部件的毁伤总和效应，用来体现毁伤对物体功能和性能失效效果；
步骤72，依据步骤51定义的局部效应节点，对于每一个被步骤64标记为命中的部件，搜索对应的子节点，生成局部效应；
步骤73，对步骤61命中事件中所有被标记为命中的部件依据步骤2定义的功能类型和性能权重进行累加计算得到各功能类型的性能失效率，功能类型f累计性能失效率S_f的计算公式为：
Sf=S,f+Σi=1nαiβi,]]>
其中，S’_f为当前功能f性能失效率，n为命中事件中与功能f相关的命中部件的数量，α_i为部件i的性能权重，，β_i为本次命中弹药对部件i的毁伤系数，在命中效应树中相应部件节点中根据弹药类型、命中类型进行查询；
步骤74，在整体效应节点中根据功能类型f搜索相应功能效应节点，根据性能失效率S_f值在搜索到的功能效应节点下搜索相应的性能失效效应，执行该效应描述的内容，产生命中效应。

2.  如权利要求1所述的虚拟战场中精确命中检测及效应生成方法，其特征在于，对于几何模型的壳体部件采用组合的方式构建碰撞包围体。

一种虚拟战场中精确命中检测及效应生成方法
技术领域
本发明属于可视化作战仿真领域，尤其涉及虚拟战场中精确命中检测和毁伤效应生成方法。
背景技术
在虚拟战场中，武器系统的性能仿真需要对各种武器弹药如导弹、炮弹、枪弹和炸弹与场景中不同的三维模型间的碰撞进行精确的命中检测，以确定武器打击的效果和目标毁伤程度。在计算机图形领域，命中检测是碰撞检测的一种，自从产生以来，就在可视化作战仿真中得到了广泛的应用。
碰撞检测技术经过了几十年的发展，产生了许多成熟的技术，对于刚体运动模型之间的碰撞检测，主要有空间分解法(space decomposition)和层次包围盒(hierarchical bounding volumes)。空间分解法的主要思想是将两个模型的共有空间进行细分，一般是分成不同粒度的单元格，在单元格中对几何模型进行相交测试，这类方法适合模型较少或分布较均匀的空间内的碰撞，典型的空间划分有八叉树、K-G树、BSP树等。层次包围盒的主要思想是用不同层次的、简单的以及能包围模型的几何体，如AABB(axis-aligned bounding boxes)，包围球和OBB(oriented bounding box)，来代替复杂的几何模型进行碰撞检测。
以上的碰撞检测技术属于计算机图形领域中经典碰撞检测技术，能够较好地实现三维虚拟场景中命中检测的完备性和时效性，但由于没有考虑到复杂的碰撞效应计算，碰撞检测只提供了诸如碰撞点坐标，碰撞面和碰撞物体等有限信息，无法满足命中检测的精确性要求。如在虚拟战场中，当炮弹与命中坦克后，目前的命中检测方法只能获得命中点坐标和命中的几何体，由于三维虚拟 场景中的坦克三维模型只是一个体现坦克外形的简单的壳状几何体，不能像CAD(计算机辅助设计)模型那样可以提供详细的内部构造信息，无法体现出不同的弹药命中坦克模型不同部位时的毁伤效应的差别，尤其对于车体的内部的毁伤效应。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种从模型建模、命中检测到效应计算的一体化解决方案，能够实时地获得命中检测的结果，并给出毁伤效应，包括功能和性能损失、以及伴随的声音、爆炸、火焰和烟雾等效果。
本发明的虚拟战场中精确命中检测及效应生成方法，其包括以下步骤：
步骤1，在建模工具软件中采用标准的多边形建模方法为几何模型添加碰撞包围体和内部关键部件的等效几何体；
步骤11，以几何模型的功能部件为单位创建碰撞包围体，所谓功能部件是指模型所表示的实际物体中具有某种功能，且该部件的损坏会造成物体功能的丧失或相应性能的下降；
所述碰撞包围体为封闭的凸多面体，且与几何模型始终保持正向运动关系；
步骤12，使用基本图元或基本图元的组合创建等效几何体，所述等效几何体的位置、形状和大小与内部关键部件保持一致；
所谓等效几何体是指能够反映描述的内部关键部件的基本形状和位置的几何体，且与几何模型保持正向运动关系；
步骤2，命名碰撞包围体为collision，等效几何体为hit，对步骤1定义的碰撞包围体和等效几何体添加物理属性；
碰撞包围体用于碰撞检测，碰撞检测包括与地形、障碍物的碰撞、抛射的 弹药的碰撞；
等效几何体用于命中检测，命中检测指与抛射的弹药的碰撞；
步骤3，分别为每个碰撞包围体和等效几何体添加材质类型、功能类型和性能权重，其中抵御贯穿的防护性通过材质类型来体现；功能类型用来描述部件对于整个模型的功用；性能权重用来描述部件的毁坏对于某一类功能的影响；
步骤4，在计算机图形中上述几何模型、碰撞包围体和等效几何体均为网格对象，根据正向运动关系建立几何模型—碰撞包围体—等效几何体的层级结构，对几何模型、碰撞包围体和等效几何体进行唯一命名，将模型按照层级结构进行保存，保留所有网格对象的物理属性和网格对象之间的层级关系；
步骤5，碰撞检测处理：使用经典的层次包围盒碰撞检测方法对场景中所有材质为collision的碰撞包围体进行碰撞检测，得到发生碰撞的碰撞包围体对集合Φ＝{C₁，C₂，…C_n}，该集合的元素C_i包括一对碰撞包围体A_i和B_i、以及碰撞包围体A_i和B_i之间发生碰撞的撞击点P_i和撞击方向
根据步骤1定义的包围体绑定的几何模型的名称判断Φ中是否存在抛射弹药的碰撞包围体，如果存在，说明有命中事件发生，进入步骤6命中检测处理。如果不存在，说明没有命中事件发生，执行一般的碰撞响应处理；
步骤6，命中检测处理：
步骤61，根据碰撞包围体对(A_i，B_i)获得对应的几何模型O_i和T_i，设抛射弹药为O_i，被命中物体为T_i，将步骤4建立的模型层级结构中在T_i层级以下且材质名为collision和hit的网格对象加入O_i的碰撞检测组G_i(g_i1,g_i2…g_im)；
步骤62，以碰撞点坐标P_i为原点，以为方向的射线P_iV_i，对碰撞检测组G_i(g_i1,g_i2…g_im)作射线检测，获取O_i的侵彻路径上的第一个网格对象g_ij；
步骤63，使用射线P_iV_i对g_ij作第一次射线检测，得到第一个碰撞点坐标P_i1(x_i1，y_i1，z_i1)，在P_iP_i1的延长线上任取一点P_i'，且该P_i'与P_i1的距离大于g_ij的最大厚度，以P_i'为原点，为方向对g_ij作第二次射线检测，得到第二个碰撞点坐标P_i2(x_i2，y_i2，z_i2)，则g_ij的等效厚度d_ij为：
dij=(xi1-xi2)2+(yi1-yi2)2+(zi1-zi2)2×αj]]>
其中α_j为g_ij的材质相对于设定的基准材质的防护力系数；
步骤64，对d_ij进行累加，如果Σd_ij≤D_i，则认为g_ij被贯穿，将g_ij代表的功能部件标记为命中，命中类型标记为贯穿，并将g_ij从G_i中移除，继续执行步骤62；如果Σd_ij＞D_i，则认为g_ij未被贯穿，将g_ij代表的功能部件标记为命中，命中类型标记为碰撞，弹药侵彻过程停止，结束命中检测处理；其中，D_i为弹药O_i对基准材质的侵彻距离；
步骤7，命中效应生成：
步骤71，定义物体的命中效应生成树，一种模型对应一个物理效应生成树，树的节点包括局部效应和整体效应两个部分，其中局部效应为具体部件毁伤的效应，用来体现毁伤的视听效果；整体效应为一类功能部件的毁伤总和效应，用来体现毁伤对物体功能和性能失效效果；
步骤72，依据步骤51定义的局部效应节点，对于每一个被步骤64标记为命中的部件，搜索对应的子节点，生成局部效应；
步骤73，对步骤61命中事件中所有被标记为命中的部件依据步骤2定义的功能类型和性能权重进行累加计算得到各功能类型的性能失效率，功能类型f累计性能失效率S_f的计算公式为：
Sf=S,f+Σi=1nαiβi,]]>
其中，S^，_f为当前功能f性能失效率，n为本次命中事件中与功能f相关的命中部件的数量，α_i为部件i的性能权重，，β_i为本次命中弹药对部件i的毁伤系数，在命中效应树中相应部件节点中根据弹药类型、命中类型进行查询；
步骤74，在整体效应节点中根据功能类型f搜索相应功能效应节点，根据性能失效率S_f值在搜索到的功能效应节点下搜索相应的性能失效效应，执行该效应描述的内容，产生命中效应。
效果较好的，对于几何模型的壳体部件采用组合的方式构建碰撞包围体。
有益效果：
本发明在模型几何建模阶段以模型的功能部件为单位，添加碰撞包围体，并构建内部关键部件的等效几何体作为碰撞代理，实现了几何外观模型和物理碰撞模型的分离，解决了层次化细节模型(LOD)技术带来的碰撞检测不一致的问题；同时在不增加模型多边形数量的条件下实现了对模型物理碰撞属性的部件级描述，为高效精确的命中检测提供了条件。
本发明在碰撞检测阶段增加了对命中检测的特殊处理，以武器弹药的侵彻长度为基准，在其侵彻路径上，采用构建检测组和等效贯穿长度积分的方法，依次对部件的碰撞结果进行计算，实现了部件级的命中检测，解决了传统碰撞检测粒度过粗的问题。
本发明在效应生成阶段通过预先定义命中效应生成树，给出不同弹药的命中(包括撞击和穿透)对属于不同功能(机动、通信、武器等)类部件的作用效果(包括性能损失和效果生成)，根据命中检测结果按照自顶向下的顺序对物理效应生成树进行查询，调整功能仿真模型参数和输出并调用相应的声音、纹理和粒子效果进行显示。物理效应生成树可以通过仿真实验(如有限元分析)或实弹射击方法不断进行扩展和完善，最终获得较为精确的命中效应先验知识。
附图说明
图1部件与碰撞包围体对应关系示意图；
图2壳体部件碰撞包围体示意图；
图3部件等效几何体示意图；
图4碰撞包围体和等效几何体的等效厚度计算示意图；
图5命中效应生成树示意图。
具体实施方式
本发明以经典的层次包围盒碰撞检测方法为基础，通过构建几何模型的物理代理体，对三维模型的几何属性和物理属性的描述进行了分离，在此基础上对命中检测综合运用理论计算和查询先验知识的方法，实现了在不增加场景复杂度的同时获得较为精确的命中检测及效应生成效果。具体的方法如下：
步骤1，在建模工具软件中，采用标准的多边形建模方法为几何模型添加碰撞包围体和内部关键部件的等效几何体。具体方法为：
以几何模型的功能部件为单位创建碰撞包围体，所谓功能部件是指模型所表示的实际物体中具有某种功能，且该部件的损坏会造成物体功能的丧失或相应性能的下降。如坦克模型的主动轮、负重轮、履带、发动机和传动箱都属于运动功能部件。
在创建碰撞包围体时要遵循以下原则：
1)必须是封闭的凸多面体，既要能够体现部件的几何形状，又要尽量的简单，如图1所示；
2)对于壳体部件，采用组合的方式构建包围体，确保碰撞检测能够检测到厚度，如图2所示；
3)包围体作为子物体绑定到对应的几何模型上建立层级关系，确保与几何模型始终保持正确的正向运动关系，所谓正向运动关系是指在层级关系中，父物体的运动会传递到子物体上，使子物体跟随父物体运动。
在计算机实时图形技术中，为了简化场景，三维模型主要描述物体的外形，对于内部不可见的物体不作描述。在虚拟战场中，作战单元的主要功能部件都位于防护部件的内部，如坦克炮塔内的人员、通信设备、武器等，这些部件虽然不可见，但对于命中检测具有重要的作用，为了检测这些部件是否被命中，需要建立部件的等效几何体。所谓等效几何体是指能够反映描述对象基本形状和位置的几何体，如图3所示。
在创建等效几何体时需要遵循以下原则：
1)尽量使用基本图元或基本图元的组合，基本图元是指计算机图形学中，采用数学方法能够描述的最小图形单元，也是建模软件能够操作的最小造型单元，如长方体、球、圆柱体、胶囊体等；
2)位置、形状和大小与实际的物体保持一致；
3)按照实际的安装关系，建立与几何模型层级关系，保持正确的正向运动关系。
通过以上步骤，建立了几何模型—碰撞包围体—等效几何体的模型层级结构，其中几何模型、碰撞包围体和等效几何体需要分别命名，确保命名的唯一性，用于步骤5的命中效应生成。
步骤2，对步骤1定义的碰撞包围体和等效几何体添加物理属性。碰撞包围 体用于所有的碰撞检测(包括与地形、障碍物的碰撞、抛射的弹药的碰撞)，等效几何体只用于命中检测(与抛射弹药的碰撞)，通过赋予不同的材质来进行标识，这里将碰撞包围体的材质名为：collision；等效几何体的材质名为hit。
不同的部件具有不同的功能和性能，对于弹药的贯穿也具有不同的防护性，分别为每个碰撞包围体和等效几何体添加材质类型、功能类型和性能权重，其中抵御贯穿的防护性通过材质类型来体现，例如匀质钢铁、木材、塑料、复合装甲等；功能类型用来描述部件对于整个模型的功用，例如运动、通信、火炮、机枪等，对于像油箱、弹药舱等特殊部件，由于其被命中会发生二次效应，造成对其他功能部件的损坏，其功能类型设为全局。性能权重用来描述部件的毁坏对于某一类功能的影响，取值范围为[0,1]，例如发动机损坏会导致坦克运动能力的丧失，其性能权重为1，负重轮的损坏只影响坦克通行性，其性能权重可以设置一个较小的数值。
在计算机图形中几何模型、碰撞包围体和等效几何体本质上都是mesh(网格)对象，将其依据根据层级关系合并为一个模型进行保存，保留所有mesh对象的物理属性。
步骤3，一般的碰撞检测处理。使用经典的层次包围盒碰撞检测方法对场景中所有材质为collision的mesh(即碰撞包围体)进行碰撞检测，得到发生碰撞的mesh对集合Φ＝{C₁，C₂，…C_n}，集合的元素C_i包括一对碰撞包围体(这里记作(A_i，B_i))、碰撞包围体A_i和B_i之间发生碰撞的碰撞点P_i和碰撞方向
根据步骤1定义的包围体绑定的几何模型的名称判断Φ中是否存在抛射弹药的碰撞包围体，如果存在，说明有命中事件发生，进入步骤4命中检测处理。如果不存在，说明没有命中事件发生，执行一般的碰撞响应处理(该部分内容 不是本专利解决的问题，这里不作专门描述)。
在建模软件中，所有的几何体，包括几何模型、包围体、等效几何体都是网格对象(mesh)，它们之间通过材质进行区分，而几何模型之间通过对其进行命名来区别类型。如子弹命名为bullet，炮弹命名为ammo，车轮命名为wheel等。
步骤4，命中检测处理。具体步骤如下：
步骤41，设碰撞包围体对(A_i，B_i)发生命中事件，根据步骤1创建碰撞包围体时建立的层级结构H，得到A_i和B_i对应的几何模型O_i和T_i，设抛射弹药为O_i，被命中物体为T_i，将H中在T_i层级以下且材质名为collision和hit的mesh对象加入O_i的碰撞检测组G_i(g_i1,g_i2…g_im)；获得弹药O_i对基准材质(一般为均质钢)的侵彻距离D_i(由弹药的性能决定)。
步骤42，在弹药O_i的侵彻路径上进行命中检测。以步骤3中的碰撞点坐标P_i为原点，以为方向的射线P_iV_i，对步骤41创建碰撞检测组G_i(g_i1,g_i2…g_im)作射线检测，获得O_i的侵彻路径上的第一个mesh对象g_ij。
步骤43，g_ij的等效厚度计算。如图4所示，首先使用步骤42中的射线P_iV_i对g_ij作第一次射线检测，得到第一个碰撞点坐标P_i1(x_i1，y_i1，z_i1)，在P_iP_i1的延长线上任取一点P_i'(与P_i1的距离大于g_ij的最大厚度)为原点，为方向对g_ij作第二次射线检测，得到第二个碰撞点坐标P_i2(x_i2，y_i2，z_i2)，g_ij的等效厚度为：
dij=(xi1-xi2)2+(yi1-yi2)2+(zi1-zi2)2×αj]]>
其中α_j为g_ij的材质相对于步骤41中设定的基准材质的防护力系数(通常根据物理实验和材料学理论计算总结出的半经验公式确定)。
步骤44，是否贯穿判断。对d_ij进行累加，如果Σd_ij≤D_i，则认为g_ij被贯穿， 将g_ij代表的功能部件标记为命中，命中类型标记为贯穿，并将g_ij从G_i中移除，继续执行步骤42；如果Σd_ij＞D_i，则认为g_ij未被贯穿，将g_ij代表的功能部件标记为命中，命中类型标记为碰撞，弹药侵彻过程停止，结束命中检测处理。
步骤5，命中效应生成。根据步骤44获得被命中物体所有的命中部件及命中类型，生成相应的毁伤效应。具体步骤如下：
步骤51，定义物体的命中效应生成树。一种模型对应一个物理效应生成树，树的节点包括局部效应和整体效应两个部分，其中局部效应用来定义具体部件毁伤的效应，主要用来体现毁伤的视听效果，例如油箱被命中后的起火和爆炸；整体效应用来定义一类功能相同的部件的毁伤总和效应，主要用来体现毁伤对物体功能和性能失效效果，例如发动机、传动箱、主动轮等所有与运动功能相关的部件毁伤导致车辆机动性能的影响。物理效应生成树的格式如图5所示。
步骤52，依据步骤51定义的局部效应节点，对于每一个被步骤44标记命中的部件，搜索对应的子节点，生成局部效应(主要是声音和粒子效果)。
对步骤44获得的命中事件中所有被标记为命中的部件依据步骤2定义的功能类型和性能权重进行累加计算，得到各功能的性能失效率，功能f累计性能失效率S_f的计算公式S^，_f为当前功能f性能失效率，n为本次命中事件中与功能f(包括全局功能类型)相关的命中部件的数量，α_i为部件i的性能权重，β_i为本次命中弹药对部件i的毁伤系数，在命中效应树中相应部件节点中根据弹药类型、命中类型进行查询。
在步骤51定义的整体效应节点中根据功能类型f搜索相应功能效应节点，根据性能失效率S_f值在搜索到的功能效应节点下搜索相应的性能失效效应，执行该效应描述的内容，产生命中效应。
当然，本发明还可有其他多种实施例，例如武器系统虚拟实验中的武器弹药的威力场仿真、目标的被弹毁伤效应仿真等。在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。