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Intersezioni e distanze
Daniele Marini
Corso di Programmazione Grafica per il Tempo Reale
Perchè
• Il calcolo delle intersezioni di rette con oggetti e di distanze è assai frequente, occorre trovare soluzioni efficienti
• Si usano equazioni parametriche per rappresentare rette e volumi di contenimento (BV) per accelerare il calcolo
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Definizioni utili
• Raggio r(t) semiretta dotata di origine e direzione (solitamente la direzione è normalizzata)
• Superfici: implicite e esplicite– implicite: f(p)=0 - es sfera: x2+y2+z2-r2=0
• dato il punto p si valuta se appartiene alla superficie trovando gli zeri dell’equazione
– esplicite: f(u,v)=(fx(u,v),fy(u,v),fz(u,v)) • es sfera: f()=((r sincos), (r sinsin), (r
cos))
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Rette
• Dato un punto p =(x0,y0,z0) per cui passa la retta, la sua forma parametrica è: r(t)=p+td dove d è la direzione (vettore normalizzato) e t il parametro, per t>0 abbiamo una semiretta (tipicamente il raggio)
• Le componenti sono:
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€
rx = x0 + ti
ry = y0 + tj
rz = z0 + tk
t ∈ −∞,+∞( )PGTR aa 2010/2011
Bounding volume
• Si definiscono tre tipi di bounding volumes: AABB, OBB, k-DOP
• AABB: axis aligned bounding box, un parallelepipedo con le facce parallele ai piani coordinati, si definisce con due valori estremiamin , amax
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amin
amax
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• OBB: oriented bounding box è un AABB ruotato rispetto agli assi principali, si può definire con un centro e tre vettori normalizzati che descrivono le direzioni dei lati
• k-DOP: discrete oriented polytope, definito da k/2 vettori normalizzati con associati due valori scalari per definire una porzione di piano; in pratica definiscono un poliedro
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Bounding sphere
• Si utilizza anche la sfera come volume di contenimento
• Lo studio delle intersezioni con i BV è essenziale per l’efficienza
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Intersecare rette
• Usato in ray tracing / ray casting• Usato per calcolare collisioni• Il raggio è una semiretta, con
direzione data, e un punto di applicazione– la retta è specificata con coseni direttori
e un punto da cui passa
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• La distanza di un punto q dalla retta r che passa per p si ottiene proiettando q su r e valutando la norma:
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€
w = ((q−p).d) ×d
(q−p) −w
r
q
pdq-p
w(q-p)-w
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Intersezione con una sfera
• Caso più semplice di BV è la sfera• Raggio in forma parametrica
(vettore):
• Sfera con centro in (l,m,n) e raggio r:
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€
x = x1 + (x2 − x1)t = x1 + it
y = y1 + (y2 − y1)t = y1 + jt
z = z1 + (z2 − z1)t = z1 + kt
t ∈ 0,1[ ]
€
(x − l)2 + (y − m)2 + (z − n)2 = r2
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• Sostituendo nell’equazione della sfera x,y,z (vediamo solo x):
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(x1,y1,z1)
(x2,y2,z2)
0<t<1
t<0
t>1
€
(x − l)2 = x 2 + l2 − 2lx
(x1 + it)2 + l2 − 2lx1 − 2lit
i2t 2 + 2i(x1 − l)t + (x12 + l2 − 2lx1)
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• la forma quadratica generale è quindi:
12
€
at 2 + bt + c = 0
con :
a = i2 + j 2 + k 2
b = 2i(x1 − l) + 2i(y1 − m) + 2i(z1 − n)
c = l2 + m2 + n2 + x12 + y1
2 + z12 − 2(lx1 + ny1 + mz1) − r2
• da risolvere come equazione di II grado; se il determinate è <0 non ci sono intersezioni, se =0 il vettore è tangente, se >0 due intersezioni, e le radici t1,t2 danno il punto di entrata e di uscita del raggio
• i,j,k sono le differenze (x2-x1) ecc. non sono coseni direttori ! PGTR aa 2010/2011
• si ricava anche la normale alla sfera nel punto di intersezione (tangenza):
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€
n =x1 − l
r,y1 − m
r,z1 − n
r
⎛
⎝ ⎜
⎞
⎠ ⎟
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• per accelerare il calcolo si valuta prima il test di rifiuto rejection test
• le intersezioni “dietro” non interessano• si valuta il vettore origine_raggio - centro_sfera, se ne
calcola il modulo c2, se < r2 l’origine è interna alla sfera– il raggio interseca certamente, se ci interessa solo questo si
termina (es: picking) altrimenti si procede)
• si calcola la proiezione del vettore sul raggio, se <0 e se l’origine è esterna allora la sfera è dietro al raggio e si termina
• altrimenti si calcola la distanza al quadrato dal centro sfera alla proiezione del vettore sul raggio m2 se > r2 il raggio non colpisce la sfera altrimenti si calcola l’intersezione
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Rejection test
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Intersezione raggio triangolo (poligono)
• 3 passi:– determinare il piano su cui giace il triangolo– determinare l’intersezione piano-raggio– valutare se l’intersezione e’ interna al triangolo
(poligono)
• usata anche per clipping, i raggi in questo caso sono i bordi del poligono e il piano è uno dei piani del frustum di visione; trovate tutte le intersezioni si genera un nuovo poligono
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Intersezione raggio triangolo
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Determinare il piano
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• equazione del piano: Ax+By+Cz+D=0• A,B,C sono le componenti della normale al piano• il prodotto vettore tra due vettori identifica la normale• dati due lati V, W del triangolo calcoliamo la normale:• dove i,j,k sono i versori, quindi A,B,C sono:
• D si ottiene sostituendo un vertice del poligono nell’equazione (un punto che giace nel piano)
€
n = v×w = (v2w3 − v3w2)i + (v1w1 − v1w3)j+ (v1w2 − v2w1)k
€
A = v2w3 − v3w2( )
B = v3w1 − v1w3( )
C = v1w2 − v2w1( )
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Intersezione raggio / piano
• si sostituisce x,y,z dalla equazione parametrica del piano:
• se t<0 il raggio è nel semispazio che non contiene il poligono
• se il denominatore = 0 raggio e piano sono paralleli; per verificare se il raggio è nel semispazio che non contiene il poligono basta testare il segno del numeratore: se > 0 è esterno
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€
Ax1 + Ait + By1 + Bjt + Cz1 + Ckt + D = 0
Ax1 + By1 + Cz1 + t(Ai + Bj + Ck) + D = 0
t = −Ax1 + By1 + Cz1 + D
(Ai + Bj + Ck)
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Casi negativi• raggio esterno al semispazio che
contiene il poligono: t<0• raggio parallelo al piano del
poligono: denominatore = 0 – nel semispazio esterno al poligono:
numeratore >0
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interno interno
esternoesterno
raggio
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Test di appartenenza del punto
• nei casi “positivi” si verifica se l’intersezione col piano cade nel poligono (triangolo)
• metodo diretto: se è interno la somma degli angoli dal punto ai vertici è 360°
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• Il metodo diretto è costoso, se il punto è su un bordo dà errore, non si può valutare se il poligono è orientato “back face” rispetto alla direzione del raggio (può interessare solo la prima intersezione con un poliedro)
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Intersezione con OBB
• si considerano a turno coppie di piani paralleli determinando tnear e tfar
• si conserva nel confronto tnear maggiore e tfar minore
• se il massimo tnear è maggiore del minimo tfar non c’è intersezione
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tnear
tnear tnear
tfartnear
tfar
tfar
tfar
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