三维模型射线拾取
这篇文档大部分内容来源于网络,我只是加入了一些原文档省去的换算上的内容,由于我在这些地方卡住了很久,所以我把我认为对大家有用的内容补充上,方便初学者学习
概述
射线和三角形的相交检测是游戏程序设计中一个常见的问题,最典型的应用就是拾取(Picking),本文介绍一个最常见的方法,这个方法也是DirectX中采用的方法,该方法速度快,而且存储空间少。先讲述理论,然后给出对应的代码实现。
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理论部分
一个直观的方法
我想大多数人在看到这个问题时,可能都会想到一个简单而直观的方法:首先判断射线是否与三角形所在的平面相交,如果相交,再判断交点是否在三角形内。
判断射线是否与平面相交
判断点是否在三角形内
但是,上面的方法效率并不很高,因为需要一个额外的计算,那就是计算出三角形所在的平面,而下面要介绍的方法则可以省去这个计算。
本文的方法
接下来会涉及到一些数学知识,不过没关系,我会详细解释每一个步骤,不至于太晦涩,只要您不觉得烦就行了,好了开始!
射线的参数方程如下,其中O是射线的起点,D是射线的方向。
image我们可以这样理解射线,一个点从起点O开始,沿着方向D移动任意长度,得到终点R,根据t值的不同,得到的R值也不同,所有这些不同的R值便构成了整条射线,比如下面的射线,起点是P0,方向是u,p0 + tu也就构成了整条射线。
image三角形的参数方程如下,其中V0,V1和V2是三角形的三个点,u, v是V1和V2的权重,1-u-v是V0的权重,并且满足u>=0, v >= 0,u+v<=1。
image确切的说,上面的方程是三角形及其内部所有点的方程,因为三角形内任意一点都可以理解为从顶点V0开始,沿着边V0V1移动一段距离,然后再沿着边V0V2移动一段距离,然后求他们的和向量。至于移动多大距离,就是由参数u和v控制的。
image于是,求射线与三角形的交点也就变成了解下面这个方程-其中t,u,v是未知数,其他都是已知的
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移项并整理,将t,u,v提取出来作为未知数,得到下面的线性方程组,此处主要涉及的是矩阵的乘法,
image image.png现在开始解这个矩阵方程组,这里要用到两个知识点,一是克莱姆法则,二是向量的混合积。
令E1 = V1 - V0,E2 = V2 - V0,T = O - V0上式可以改写成
image image.png根据克莱姆法则,可得到t,u,v的解分别是
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将这三个解联合起来写就是
image根据混合积公式
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上式可以改写成
image令
image得到最终的公式,这便是下面代码中用到的最终公式了,之所以提炼出P和Q是为了避免重复计算
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