摘  要： 碰撞檢測是三維漫游中的一項(xiàng)重要功能。通過面向?qū)ο髨D形渲染引擎(OGRE)構(gòu)建了一個(gè)模擬三維漫游系統(tǒng)，利用OgreNewt結(jié)合Newton庫在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)碰撞檢測功能。碰撞檢測包圍盒均采用3DSMax創(chuàng)建，利用OgreNewt中的碰撞檢測樹解析，既保證了碰撞的精確性，又節(jié)省了編碼工作量。適用于層次結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的三維場景的加載和碰撞檢測。
關(guān)鍵詞： 碰撞檢測； 三維漫游； 面向?qū)ο髨D形渲染引擎

    虛擬現(xiàn)實(shí)是當(dāng)今計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的一項(xiàng)熱門技術(shù)，其中一個(gè)重要功能是虛擬三維漫游，實(shí)現(xiàn)這一功能需要借助計(jì)算機(jī)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(fèi)、跨平臺(tái)等多種優(yōu)點(diǎn)，目前在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域已有非常廣泛的應(yīng)用[2-3]。
    實(shí)現(xiàn)三維漫游需要考慮的一個(gè)重要問題是碰撞檢測，OGRE引擎本身不具備這項(xiàng)功能，需要借助第三方引擎實(shí)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(fèi)的碰撞檢測引擎庫，OgreNewt是對(duì)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(shí)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(shí)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(tái)的3D引擎，底層基于OpenGL和DirectX實(shí)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(shí)現(xiàn)一些特定功能。一個(gè)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(gè)系統(tǒng)的入口點(diǎn)，通過它可以獲取系統(tǒng)中的其他對(duì)象。Entity是三維物體模型，Material是模型的材質(zhì)，每個(gè)Entity 都掛載到一個(gè)SceneNode上，所有SceneNode共同組成一個(gè)樹狀結(jié)構(gòu)，由SceneManager統(tǒng)一管理。通過Camera來實(shí)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(gè)空間，所有其他物體都在這個(gè)空間里創(chuàng)建。空間中的物體參加碰撞檢測時(shí)需要有一個(gè)包圍盒，通過包圍盒計(jì)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(shí)體，它可以與空間中的其他實(shí)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(gè)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(jī)并為相機(jī)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(biāo)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(duì)場景進(jìn)行渲染顯示。
2.2 碰撞檢測
    進(jìn)行三維漫游時(shí)，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?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)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(gè)基本形狀來表示漫游者。這里通過一個(gè)球體來代替：
    OgreNewt::CollisionPrimitives::Ellipsoid sphere(m_pWorld, Ogre:: Vector3(PLAYER_WIDTH/2.0, PLAYER_WIDTH/2.0,
PLAYER_WIDTH/2.0));
    m_pPlayerBody=new OgreNewt::Body(m_pWorld, &sphere);
    由于這個(gè)球體代替漫游者，它與別的物體碰撞時(shí)會(huì)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：
    Ogre::Vector3 inertia = OgreNewt::MomentOfInertia::CalcSphereSolid(PLAYER_WEIGHT, PLAYER_WIDTH / 2.0);
    m_pPlayerBody->setMassMatrix(PLAYER_WEIGHT,inertia);
　　(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(gè)物體按照其形狀創(chuàng)建包圍盒會(huì)極大增加代碼量；如果都用簡單的基本形狀來表示，進(jìn)行碰撞時(shí)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(shí)現(xiàn)。首先在空間中創(chuàng)建一個(gè)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(diǎn)給它，它就會(huì)解析這個(gè)根節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)樹，并將這棵樹上的所有子節(jié)點(diǎn)納入碰撞檢測范圍。關(guān)鍵代碼如下：
    Ogre::SceneNode* pRootNode =
             Ogre::Root::getSingleton().getSceneManager(DEFAULT_
            SCENE_MANAGER)
             ->getSceneNode(sCollisionRootNode.c_str());
    OgreNewt::CollisionPrimitives::TreeCollisionSceneParser
        parser(m_pWorld);
　    parser.parseScene(pRootNode, true);
　    OgreNewt::Body* pRootBody=new OgreNewt::Body(m_p
        World, &parser);
    pRootBody->attachToNode(pRootNode);
    sCollisionRootNode即為碰撞檢測樹根節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)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(gè)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(duì)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(diǎn)掛在sCollisionRootNode下，最后整個(gè)場景就會(huì)形成一棵碰撞檢測樹，樹上的所有包圍盒在碰撞時(shí)都會(huì)被程序檢測到并參加計(jì)算。
    (4)注冊回調(diào)函數(shù)
　 漫游者與其他物體發(fā)生碰撞時(shí)可能會(huì)發(fā)生位置、方向等的變化，這些變化需要被及時(shí)獲知并實(shí)時(shí)顯示，這一功能可以通過回調(diào)函數(shù)實(shí)現(xiàn)。這里定義兩個(gè)回調(diào)函數(shù)，一個(gè)回調(diào)函數(shù)用于在漫游者受到其他物體的作用力時(shí)產(chǎn)生一個(gè)速度。主要代碼為：
　    void CBasicInputListener::CustomForceAndTorqueCallback
        (OgreNewt::Body* me)
    {    SceneNode* pPlayerNode =
            Root::getSingleton().getSceneManager(DEFAULT_
                SCENE_MANAGER)->
　　　        getSceneNode(DEFAULT_CAMERA_NODE);
　　        me->setVelocity(pPlayerNode->getWorldOrientation()*
         m_TranslateVector + Vector3(0, -DEFAULT_GRAVI-
        TY, 0));
　　    }
　    另一個(gè)回調(diào)函數(shù)用于漫游者發(fā)生變化時(shí)。比如相機(jī)切換或漫游者移動(dòng)，都會(huì)發(fā)生位置方向的改變，因此需要及時(shí)進(jìn)行變化，主要代碼如下：
    void CBasicInputListener::CustomTransformCallback(Ogre
        Newt::Body* me, const Quaternion& orient, const
        Vector3& pos)
　    {    ……
　　        pPlayerNode->setPosition(pos.x,     
　            pos.y + PLAYER_HEIGHT - PLAYER_WIDTH
            /2.0, pos.z);    
　        ……
　    }
3 運(yùn)行效果
    在Windows平臺(tái)下，基于OGRE1.4.9、OgreNewt 0.11和Newton1.5.3實(shí)現(xiàn)了一個(gè)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(shí)與墻壁發(fā)生碰撞的截圖，圖2為與樹碰撞時(shí)的截圖。當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，漫游者將無法前進(jìn)，必須向其他方向移動(dòng)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(huì)極大增加計(jì)算量，因此在3DSMax中為其添加了一個(gè)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(gè)具有碰撞檢測的三維漫游系統(tǒng)的方法，并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)模擬系統(tǒng)。所使用的引擎庫皆為開源免費(fèi)，并具有較高的效率和良好的體驗(yàn)效果，可以在實(shí)際中應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
[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(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].交通與計(jì)算機(jī),2006,24(1):101-104.