一種三角化射線跟蹤路徑搜索方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及于電波傳播特性研究領(lǐng)域，以及基于幾何光學(xué)原理的射線跟蹤信道建 模領(lǐng)域，特別是與幾何圖形學(xué)結(jié)合的電磁波傳播特性研究領(lǐng)域，尤其涉及一種三角化射線 跟蹤路徑搜索方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 射線跟蹤（RT)是一種準(zhǔn)確的電波傳播特性預(yù)測和分析方法，能精確預(yù)測城市微 蜂窩以及室內(nèi)場景的場強覆蓋?；趲缀喂鈱W(xué)原理的射線跟蹤信道建模方法，能夠在復(fù)雜 的傳播環(huán)境中對場強，時延，到達(dá)角等量進(jìn)行精確地預(yù)測。從實用角度來看，準(zhǔn)確性和高效 性一直是射線跟蹤方法所追求的兩個目標(biāo)。通過相交測試尋找路徑的核心一直是RT運算 耗時的主體。
[0003] 每條路徑由一組線段序列確定，亦即，將某些線段首尾相接才組成一條完整路徑。 路徑中間各個節(jié)點實際是射線與三角的交點，即反射點。對每一根射線，都要從眾多的三角 形中找出與其相交的三角形。因此，只有求出和每條射線相交的三角形及交點，才能準(zhǔn)確 "跟蹤"出路徑。
[0004] 三維三角化射線跟蹤（3D-Ray-Triangle)相交測試方法包括：質(zhì)心法、半平面法、 邊界平面法、普呂克坐標(biāo)法等。在運算時間效率方面，普呂克坐標(biāo)法明顯占有優(yōu)勢，尤其是 在密集劃分三角的情形下。文獻(xiàn)《Optimizing Ray-Triangle Intersection via Automated Search》中所提的帶符號體積法就是來源于此方法。使用上述帶符號體積法能夠通過求射 線交點，準(zhǔn)確地得到該條射線，組成一條路徑。
[0005] 但是在尋求射線跟蹤路徑時，單純使用帶符號體積法對所有的三角形進(jìn)行運算具 有以下缺點：對每一個三角形都進(jìn)行求交運算具有盲目性，會導(dǎo)致運算量過大，運算時間 長，程序執(zhí)行效率低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供了一種三角化射線跟蹤路徑搜索方法，本發(fā)明降低了運算復(fù)雜度，提 高了程序執(zhí)行效率，詳見下文描述：
[0007] -種三角化射線跟蹤路徑搜索方法，所述搜索方法包括以下步驟：
[0008] 定義每個三角形的法向量，相對直棱柱向外朝向，將射線方向向量和三角形法向 量作點積，舍棄點積大于零的三角形；
[0009] 分別獲取每根射線與各個三角形中心的距離，若距離大于三角形外接圓半徑，舍 棄三角形；
[0010] 對于每根射線，計算三角形三頂點、線段兩端點所組成的多面體的帶符號體積，若 體積符號與射線方向向量符號相同，說明射線與三角形相交，反之則不相交；
[0011] 獲取各個交點到射線起點的距離，取距離最近的交點作為射線線段的端點。
[0012] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是：本發(fā)明大大降低了運算復(fù)雜度，提高了程 序執(zhí)行效率。加入朝向測試之后，排除了很多"背向"的三角形，三角形的外接圓測試又排 除了大部分實際不相交的三角形。極大地較少了帶符號體積法測試的三角形數(shù)量，提高了 運算效率，降低了運算時間。該方法與傳統(tǒng)相交測試法相比運算效率大大提高，更有利于應(yīng) 用在實際三角化射線跟蹤路徑搜索過程中。
【附圖說明】
[0013] 圖1為多邊形及室內(nèi)場景三角化的示意圖；
[0014] 圖2為本方法提供的二角化射線跟蹤路徑搜索算法的流程圖；
[0015] 圖3為帶符號體積法相交測試的示意圖；
[0016] 圖4為應(yīng)用本方法后的室內(nèi)場景仿真結(jié)果圖。
【具體實施方式】
[0017] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面對本發(fā)明實施方式作進(jìn)一步 地詳細(xì)描述。
[0018] 本方法對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，實際情況是大多數(shù)射線只可能與少數(shù)三角形相 交，本方法利用分步的相交測試方法，在進(jìn)行帶符號體積法之前加入了三角形的朝向測試 和外接圓測試兩個步驟，有目標(biāo)的選出最可能相交的少數(shù)三角形進(jìn)行帶符號體積法相交測 試，最后進(jìn)行遮擋測試。
[0019] 實施例1
[0020] 本發(fā)明提出一種三角化射線跟蹤路徑搜索方法，參見圖1，該方法包括以下步驟：
[0021] 101 :定義每個三角形的法向量，相對直棱柱向外朝向（認(rèn)為空間物體均是由若干 直棱柱組成，每個直棱柱為一個封閉空間，每個面的法向量相對該面所在的直棱柱向外朝 向），將射線方向向量和三角形法向量作點積，舍棄點積大于零的三角形；
[0022] 即，首先將場景模型簡化為直棱柱體組成，將整個模型劃分為物體對象，然后進(jìn)一 步劃分面元，每個面元為多邊形。然后將每個多邊形面元三角化。
[0023] 102:分別獲取每根射線與各個三角形中心的距離，若距離大于三角形外接圓半 徑，舍棄三角形；
[0024] 103:對于每根射線，計算三角形三頂點、線段兩端點所組成的多面體的帶符號體 積，若體積符號與射線方向向量符號相同，說明射線與三角形相交，反之則不相交；
[0025] 104:獲取各個交點到射線起點的距離，取距離最近的交點作為射線線段的端點。
[0026] 綜上所述，本發(fā)明實施例通過上述步驟101-步驟104可以極大的減少需要用帶符 號體積法測試的三角形，大大降低運算復(fù)雜度，提高程序執(zhí)行效率。
[0027] 實施例2
[0028] 下面結(jié)合具體的公式、附圖對實施例1中的方案進(jìn)行詳細(xì)描述，圖1是在Visual Studi 〇2010環(huán)境下用C#語言編寫的openGL窗口程序?qū)δ橙S室內(nèi)場景文件（.dxf格式） 提取場景信息并三角化后的可視化運行結(jié)果，基于此場景，結(jié)合圖2對本方法進(jìn)行詳細(xì)描 述，詳見下文：
[0029] 201:三角形朝向測試；
[0030] 定義每個三角形的法向量，相對直棱柱向外朝向（認(rèn)為空間物體均是由若干直棱 柱組成，每個直棱柱為一個封閉空間，每個面的法向量相對該面所在的直棱柱向外朝向）。 對每根射線而言，將射線方向向量和三角形法向量作點積，舍棄點積大于零的三角形（說 明三角形法向量與射線同向，即該三角形"背向"該入射射線）；反之，三角形朝向入射射 線，可能是射線入射的三角形。故舍棄點積大于零的三角形，排除大多數(shù)"背向"射線的三 角形。
[0031] 202:三角外接圓測試；
[0032] 選出"朝向"射線的三角形之后，對于每根射線，求其與各個三角形中心的距離，若 距離大于三角形外接圓半徑，說明該射線未實際與此三角形相交，則舍棄此三角形。
[0033] 203 :帶符號體積法相交測試；
[0034] 對于每根射線（線段），計算三角形（此處為經(jīng)過前幾個步驟運算后剩下可能相交 的三角形）三頂點、線段兩端點所組成的多面體的帶符號"體積"，利用這些數(shù)值是否同號 判斷線段是否與三角形相交。若該"體積"符號與射線方向向量符號相同，說明射線與三角 形相交，反之則不相交。若相交則求出交點，進(jìn)入下一步。
[0035] 參見圖3,圖3中AP2P1Pid為待做相交測試的三角形，向量齏為入射射線向量，圖 中假設(shè)入射射線從AP 2P1Pid中穿過，即與三角形相交，有相交點。求
其體積表達(dá)式分別為：
[0039] 其中，匕姑為ab線段與VaP0P2組成的四面體、匕別為ab線段與VaP 2P1組成的四 面體、.為ab線段與VaP1P0組成的四面體，
分別為a點到P。點、P i 點、P2點和b點的向量。
[0040] 204 :遮擋測試。
[0041] 比較上一步求出的各個交點到射線起點的距離，只取距離最近的交點作為該段射 線線段的端點。
[0042] 本發(fā)明實施例通過上述步驟201-步驟204可以極大的減少需要用帶符號體積法 測試的三角形，大大降低運算復(fù)雜度，提高程序執(zhí)行效率。
[0043] 實施例3
[0044] 下面結(jié)合具體的實例、附圖對實施例1和2中的方案進(jìn)行可行性驗證，詳見下文：
[0045] 發(fā)射端采用垂直極化天線，發(fā)射功率為10w，頻率為2. 5GHz，天線高度為2. 2m。將 本方法應(yīng)用于圖1所示的室內(nèi)場景中，該場景模型尺度為：15X3X2. 5(m3)。接收球半徑設(shè) 置為0. 045m，接收天線高度為I. 5m。經(jīng)過上述步驟處理之后的場景模型仿真結(jié)果見圖4。 圖4是對圖1場景運用本路徑搜索算法后包含路徑顯示的運行結(jié)果，本方法不包含對于場 強的計算過程，實際情形中射線是比較密的，在此為了顯示清晰，本次仿真采用的射線間隔 較大。傳統(tǒng)相交測試算法和改進(jìn)的相交測試算法運算時間比較見表1 :
[0046]表 1
[0049] 仿真實驗表明，本方法的運算時間相比傳統(tǒng)的相交測試法運算時間大大縮短，達(dá) 到了降低運算復(fù)雜度，縮短運算時間，提高程序執(zhí)行效率的目的。
[0050] 本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個優(yōu)選實施例的示意圖，上述本發(fā)明實施例 序號僅僅為了描述，不代表實施例的優(yōu)劣。
[0051] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和 原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種三角化射線跟蹤路徑搜索方法，其特征在于，所述搜索方法包括以下步驟： 定義每個三角形的法向量，相對直棱柱向外朝向，將射線方向向量和三角形法向量作 點積，舍棄點積大于零的三角形； 分別獲取每根射線與各個三角形中心的距離，若距離大于三角形外接圓半徑，舍棄三 角形； 對于每根射線，計算三角形三頂點、線段兩端點所組成的多面體的帶符號體積，若體積 符號與射線方向向量符號相同，說明射線與三角形相交，反之則不相交； 獲取各個交點到射線起點的距離，取距離最近的交點作為射線線段的端點。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種三角化射線跟蹤路徑搜索方法，所述搜索方法包括以下步驟：定義每個三角形的法向量，相對直棱柱向外朝向，將射線方向向量和三角形法向量作點積，舍棄點積大于零的三角形；分別獲取每根射線與各個三角形中心的距離，若距離大于三角形外接圓半徑，舍棄三角形；對于每根射線，計算三角形三頂點、線段兩端點所組成的多面體的帶符號體積，若體積符號與射線方向向量符號相同，說明射線與三角形相交，反之則不相交；獲取各個交點到射線起點的距離，取距離最近的交點作為射線線段的端點。本發(fā)明降低了運算復(fù)雜度，提高了程序執(zhí)行效率。
【IPC分類】G06T15/06, G06T15/00
【公開號】CN105160698
【申請?zhí)枴緾N201510520590
【發(fā)明人】楊晉生, 趙月秋, 邱光染, 楊越
【申請人】天津大學(xué)
【公開日】2015年12月16日
【申請日】2015年8月21日