3D 碰撞/物体检测如何工作？答案

【问题标题】：How does 3D collision / object detection work?3D 碰撞/物体检测如何工作？
【发布时间】：2010-12-29 22:54:24
【问题描述】：

我一直想知道这一点。在像GTA 这样有成千上万个对象的游戏中，游戏如何知道您是否在使用健康包？

不可能每个对象都有一个事件监听器？迭代也不好？我只是想知道它实际上是如何完成的。

【问题讨论】：

好问题！我对游戏编程的各个低级结构和方法了解很多，但经常想知道它们是如何组合在一起的。

标签： algorithm data-structures 3d collision-detection

【解决方案1】：

对此没有一个答案，但大世界通常通过使用类似于 quadtree 或 kd-tree 的方式进行空间划分，这使得寻找最近邻居的搜索时间低于线性时间（分数幂，或者最坏的情况O( N^(2/3) ) 用于 3D 游戏）。这些方法通常被称为 BSP 用于二进制空间分区。

关于碰撞检测，每个对象通常也有一个与之关联的包围体网格（一组多边形形成一个凸包）。这些高度简化的网格（有时只是一个立方体）不会被绘制，而是用于检测碰撞。最基本的方法是创建一个平面，该平面垂直于连接每个对象的中点的线与与该线的中点相交的平面。如果一个物体的包围体在这个平面的两边都有点，那就是碰撞（你只需要在平面上测试两个包围体中的一个）。另一种方法是增强的GJK 距离算法。如果您想深入了解教程，请查看NeHe Productions' OpenGL lesson #30。

顺便说一句，包围体也可以用于其他优化，例如所谓的遮挡查询。这是一个确定哪些对象在其他对象（遮挡物）之后的过程，因此不需要处理/渲染。边界体也可用于平截头体剔除，这是确定哪些对象在透视观察体之外（太近、太远或超出视野角度）的过程，因此不需要渲染。

正如 Kylotan 所指出的，使用包围体在检测遮挡时会产生误报，并且对于某些类型的对象（例如环形）根本不起作用（例如，通过甜甜圈中的孔看）。 portal-culling 上的另一个线程是让这些对象正确遮挡。

【讨论】：

+1。早在 80 年代，我就为建筑师做 3D 建模，我们不得不在阳光下使用每一个优化技巧，让它在那个时代的 PC 上以合理的时间工作。这两种方法名列前茅。
很好的答案！我刚刚开始自己实现一些游戏内容（请参阅此处：stackoverflow.com/questions/1916259/…），并且包围体积是我为预过滤我的非常昂贵的碰撞而提出的想法之一-检测。我什至没有想到我可以将它重新用于遮挡检测。这是一个巨大的帮助！
使用粗边界体积进行遮挡的问题在于，有时您会得到误报（例如，认为物体被人的边界圆柱体遮挡，而实际上您应该能够看穿它他的腿和肩膀上）。确实权威的遮挡体积应该小于有问题的对象
+1 对 Kylotan 的评论。千真万确。我可以试着说得更清楚。
粗边界体积只是给您一个初步的近似值：然后您实际上必须进行比较。但这意味着您可以廉价地消除许多甚至彼此不相近的东西，以免被仔细检查（而且成本高昂）。

【解决方案2】：

Quadtrees and Octrees、another quadtree 是使用空间分区的常用方法来完成此任务。后面的示例显示，与逐对蛮力搜索碰撞相比，处理量减少了 97%。

【讨论】：

【解决方案3】：

游戏物理引擎中的一种常见技术是扫描和修剪方法。 David Baraff's SIGGRAPH notes 对此进行了解释（请参阅带约束的运动章节）。 Havok 肯定会使用这个，我认为这是 Bullet 中的一个选项，但我不确定 PhysX。

这个想法是，您可以查看每个轴上的 AABB（轴对齐边界框）的重叠；如果两个对象的 AABB 的投影在所有三个轴上都重叠，则 AABB 必须重叠。您可以通过对AABB的起点和终点进行排序来相对快速地检查每个轴；帧之间有很多时间相干性，因为通常大多数对象的移动速度都不是很快，所以排序变化不大。

一旦 sweep-and-prune 检测到 AABB 之间的重叠，您就可以对对象进行更详细的检查，例如球体与盒子。如果详细检查显示发生碰撞，您可以通过施加力来解决碰撞，和/或触发游戏事件或播放音效。

【讨论】：

【解决方案4】：

正确。通常没有每个对象的事件侦听器。内存中通常有一个模仿游戏地图的非二叉树结构。想象一下地铁/地下地图。这种记忆结构是游戏中事物的集合。您是玩家、怪物和可以拾取的物品，或者可能会爆炸并伤害您的物品。因此，当玩家在游戏中移动时，玩家对象指针会在游戏/地图内存结构中移动。

见How should I have my game entities knowledgeable of the things around them?

【讨论】：

【解决方案5】：

我想推荐 Christer Ericson 关于实时碰撞检测的可靠书籍。它介绍了碰撞检测的基础知识，同时提供了当代研究工作的参考。

Real-Time Collision Detection (The Morgan Kaufmann Series in Interactive 3-D Technology)

【讨论】：

【解决方案6】：

有很多优化可以使用。首先 - 任何对象（例如索引 i）都以立方体为界，中心坐标为CXi,CYi，大小为Si 其次 - 碰撞检测与估计一起工作：

a) 查找所有符合条件的立方体 i,j 对：Abs(CXi-CXj)<(Si+Sj) AND Abs(CYi-CYj)<(Si+Sj)

b) 现在我们只使用 a) 中的对。我们更准确地计算它们之间的距离，例如 Sqrt(Sqr(CXi-CXj)+Sqr(CYi-CYj))，对象现在表示为几个简单图形的集合 - 立方体、球体、圆锥 - 我们使用几何公式来检查这些图形的交叉点。

c) b) 中检测到交叉点的对象被处理为与物理计算等的碰撞。

【讨论】：

好答案。感谢您提供实用公式。