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Kollisionen beschreiben Tag 6. Kollision mit einer achsenparallelen Fläche Reflektionsgesetz: Einfallswinkel = Ausfallswinkel Def. Normalenvektor / Flächennormale.

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Präsentation zum Thema: "Kollisionen beschreiben Tag 6. Kollision mit einer achsenparallelen Fläche Reflektionsgesetz: Einfallswinkel = Ausfallswinkel Def. Normalenvektor / Flächennormale."—  Präsentation transkript:

1 Kollisionen beschreiben Tag 6

2 Kollision mit einer achsenparallelen Fläche Reflektionsgesetz: Einfallswinkel = Ausfallswinkel Def. Normalenvektor / Flächennormale steht immer senkrecht auf einer Fläche / Linie hat eine Länge von 1 bei einer achsenparallelen Kollision ist die Flächennormale der Kollisionsfläche immer parallel oder antiparallel zur x -, y- oder z – Achse ausgerichtet dementsprechend liegt die Kollisionsfläche in der xy –, yz – oder zx – Ebene

3 Kollision mit einer achsenparallelen Fläche Flugrichtung nach Kollision: Umkehrung des Vorzeichens derjenigen Komponente, die in Richtung oder Gegenrichtung des Normalenvektors zeigt => im Beispiel: x - Komponente

4 Kollision mit einer achsenparallelen Fläche Codefragment Kollision in yz – Ebene (Beispiel) Normalenvektor der yz – Ebene: n = (1, 0, 0) oder (-1, 0, 0) Flugrichtung.x = - Flugrichtung.x Flugrichtung.y = Flugrichtung.y Flugrichtung.z = Flugrichtung.z Anwendung bei der Verwendung von achsenausgerichteten Bounding – Boxen (AABB) achsenausgerichtet, da die x -, y – und z – Achsen der AABBs mit den Achsen des Weltkoordinatensystems übereinstimmen

5 Kollision mit einer achsenparallelen Fläche beide Kollisionsflächen liegen in der gleichen Ebene dadurch Berechnung der neuen Flugrichtung aufgrund vorherigem Schema möglich (Einfallswinkel = Ausfallswinkel) / Umkehrung des Vorzeichens einer Komponente

6 Kollision an beliebig ausgerichteten Flächen Problem der achsenparallelen Flächen: Orientierung der Objekte wird nicht berücksichtigt => unrealistische (dafür schnelle und einfache) Kollisionsberechnung Bounding – Boxen sollten Bewegungen / Skalierungen des Objektes abbilden => bsw. Drehung bei Änderung der Flugrichtung => orientierte Bounding – Box (OOB)

7 Kollision an beliebig ausgerichteten Flächen

8 Berechnung der neuen Flugrichtung 1.Berechnung des Skalarprodukts von Flächennormale und Flugrichtung tempFloat = D3DXVec3Dot(&Normal, &Flugrichtung); 2.Berechnung des negativen Projektionsvektors auf die Flächennormale Projektionsvektor = - tempFloat * Normal 3.Berechnung der neuen Flugrichtung Flugrichtung = Flugrichtung + 2 * Projektionsvektor

9 Kollision an beliebig ausgerichteten Flächen Warum geht das so? Def. Skalarprodukt zweier Vektoren: Das Ergebnis des Skalarprodukts beinhaltet also immer auch den Winkel zwischen den beiden Vektoren => im Beispiel ist dies der Einfallswinkel da Einfallswinkel = Ausfallswinkel gilt: Winkel der neuen Flugrichtung = (Winkel zwischen alter Flugrichtung und Flächennormaler) * 2 + alte_Flugrichtung Flugrichtung(neu) = Flugrichtung(alt) + 2*p

10 Kollision an beliebig ausgerichteten Flächen statt Bounding – Boxen für Objekte zu entwickeln, kann man auch auf die Flächen dieser Objekte zurückgreifen und diese als Kollisionsflächen verwenden => meist Umschließung der Objektflächen mit Bounding – Boxen Vorteile: realistischere Richtungsänderungen geringere Anzahl an Prüfdurchläufen = höhere Performance

11 Physikalisch korrekte Kollisionsbeschreibung bisherige Berechnungsmethoden vernachlässigten die Masse der beteiligten Objekte Reflektionsgesetz gilt aber nur dann, wenn die Masse des einen Objekts deutlich größer ist demnach:

12 Stöße Formeln: Impuls = Masse * Geschwindigkeit p = m * v Impulserhaltungssatz: bei einem elastischen Stoß bleibt die Summe der Impulse beider Objekte vor und nach dem Stoß gleich kinetische Energie: Energieerhaltungssatz: zusammengefasst:

13 Eindimensionaler Stoß Stoßpartner bewegen sich vor und nach dem Stoß auf einer Linie => Kollisionsachse als Kollisionsachse wird der Einfachheit halber die x -, y – oder z – Achse gewählt anelastische Stöße Endgeschwindigkeiten kleiner als bei einem elastischen Stoß, da ein Teil der Energie für die Verformung der Objekte verbraucht wird dieser Verlust wird durch einen Faktor ausgedrückt, der für die Kollisionsberechnung festgelegt wird => für e = 1 ist der Stoß elastisch, für e < 1 zunehmend anelastisch

14 Eindimensionaler Stoß mit beliebig orientierter Kollisionsachse

15 Vektor n = Differenzvektor der Ortsvektoren beider Stoßpartner => Schwerpunktsdifferenzvektor normierter Schwerpunktsdifferenzvektor => Kollisionsrichtung zur Bestimmung der Endgeschwindigkeiten werden vorherige Gleichungen verwendet => diese beziehen sich aber auf eine Bewegung parallel zur Kollisionsrichtung Endgeschwindigkeit.x = Geschwindigkeitsbetrag * Kollisionsrichtung.x Endgeschwindigkeit.y = Geschwindigkeitsbetrag * Kollisionsrichtung.y Endgeschwindigkeit.z = Geschwindigkeitsbetrag * Kollisionsrichtung.z

16 Dreidimensionaler Stoß Wiederholung: bei einer Kollision mit einer Fläche ändert sich nur diejenige Komponente, die parallel zur Kollisionsflächennormalen liegt der Kollisionsrichtungsvektor entspricht der Flächennormalen der Kollisionsfläche wie trennt man die Geschwindigkeitskomponenten, die sich während des Stoßes ändern von denen, die gleich bleiben?

17 Dreidimensionaler Stoß Zerlegung der Geschwindigkeiten in 3 Komponenten: 1. Komponente zeigt in Richtung der Flächennormalen 2. und 3. Komponente in Richtung der Spannvektoren der Kollisionsfläche diese 3 Vektoren stehen alle senkrecht aufeinander und sind somit linear unabhängig im 3 – dimensionalen Raum kann man durch die Kombination von 3 linear – unabhängigen Vektoren jeden anderen Vektor darstellen die Orthogonalität ist durch das Vorgehen bei der Bestimmung der Vektoren gewährleistet Kreuzprodukt => das Kreuzprodukt zweier Vektoren ist ein Vektor, der auf beiden anderen Vektoren senkrecht steht

18 Dreidimensionaler Stoß 1.Spannvektor1 = Kollisionsrichtung x Richtungsvektor eines beteiligten Objektes 2.Spannvektor2 = Kollisionsrichtung x Spannvektor1 alle 3 Vektoren stehen senkrecht aufeinander für die Berechnung des Kreuzprodukts verwendet man die DirectX – Methode D3DXVec3Cross(&Ziel, &Vektor1, &Vektor2)

19 Dreidimensionaler Stoß durch die Kombination der 3 linear – unabhängigen Vektoren kann man jeden Vektor im R³ darstellen Geschwindigkeitskompo- nente parallel zum Spannvektor s1:

20 Dreidimensionaler Stoß inline void Compute_3D_Collision_Response(D3DXVECTOR3* Velocity1, D3DXVECTOR3* Velocity2, float& mass1, float& mass2, D3DXVECTOR3* SchwerpunktsDiffVektor){ //Berechnung der Spannvektoren der Kollisionsebene: D3DXVec3Cross(&KollisionsSenkrechte1,&Kollisionsrichtung,Velocity1); NormalizeVector(&KollisionsSenkrechte1,&KollisionsSenkrechte1); D3DXVec3Cross(&KollisionsSenkrechte2,&KollisionsSenkrechte1,&Kollisionsrichtung); NormalizeVector(&KollisionsSenkrechte2,&KollisionsSenkrechte2); //Berechnung der Anfangsgeschwindigkeiten bezüglich dieser Achsen: temp1Factor = D3DXVec3Dot(Velocity1, &KollisionsSenkrechte1); temp2Factor = D3DXVec3Dot(Velocity1, &KollisionsSenkrechte2); temp3Factor = D3DXVec3Dot(Velocity1, &Kollisionsrichtung); temp4Factor = D3DXVec3Dot(Velocity2, &KollisionsSenkrechte1); temp5Factor = D3DXVec3Dot(Velocity2, &KollisionsSenkrechte2); temp6Factor = D3DXVec3Dot(Velocity2, &Kollisionsrichtung); // Die Geschwindigkeitsbeträge bezüglich der KollisionsSenkrechten // bleiben beim Stoss unverändert. // Nur die beiden Geschwindigkeitsbeträge bezüglich der Kollisionsrichtung verändern sich! temp9Factor = mass1 + mass2; temp10Factor = mass1 - mass2; // Berechnung der Endgeschwindigkeiten bezüglich der Kollisionsachse //Formeln vorherige Folie temp7Factor = (2*mass2*temp6Factor + temp3Factor*temp10Factor)/temp9Factor; temp8Factor = (2*mass1*temp3Factor - temp6Factor*temp10Factor)/temp9Factor; // Die Endgeschwindigkeiten bezüglich der Kollisionsrichtung und der KollisionsSenkrechten sind berechnet. // Jetzt müssen die Endgeschwindigkeiten bezüglich der x-, y- und z-Achse berechnet werden: // Rechnung für Objekt2 mit temp8 analog Velocity1->x = temp1Factor*KollisionsSenkrechte1.x + temp2Factor*KollisionsSenkrechte2.x + temp7Factor*Kollisionsrichtung.x; Velocity1->y = temp1Factor*KollisionsSenkrechte1.y + temp2Factor*KollisionsSenkrechte2.y + temp7Factor*Kollisionsrichtung.y; Velocity1->z = temp1Factor*KollisionsSenkrechte1.z + temp2Factor*KollisionsSenkrechte2.z + temp7Factor*Kollisionsrichtung.z;}

21 Methoden zur Kollisionsfeststellung Bounding – Circle / Bounding – Sphären – Test AABB – AABB – Test

22 Bounding – Sphären - Test sehr einfache Methode => man definiert für jedes Objekt einen Bounding – Circle (2D) bzw. eine Bounding – Sphäre (3D) die Definition erfolgt über die Festlegung eines Radius um den Mittelpunkt des Objekts im ersten Schritt berechnet man den quadratischen Abstand der Mittelpunkte beider Objekte ist dieser kleiner als die Summe der Quadrate der Kollisionsradien, liegt eine Kollision vor

23 Bounding – Sphären – Test

24 Der AABB – AABB – Test weniger rechenintensiv als Bounding – Sphären Test. dafür aber etwas ungenauer verwendet achsenausgerichtete Bounding – Boxen Def. separierende Achse eine separierbare Achse steht immer senkrecht zur getesteten Fläche der Bounding – Box und somit parallel zur x -, y – oder z – Achse des Weltkoordinatensystems Logik: eine Kollision kann immer dann ausgeschlossen werden, wenn sich die Objekte entlang der separierbaren Achse nicht überlappen

25 Der AABB – AABB – Test ist die Summe der Abstände zwischen dem Mittelpunkt der Objekte entlang der Kollisionsachse größer als die Ausdehnung der Bounding – Boxen, liegt keine Kollision vor

26 Der AABB – AABB – Test struct C_AABB { D3DXVECTOR3 Mittelpunkt; D3DXVECTOR3 Ausdehnung; }; inline BOOL AABB_AABB_Collision(C_AABB* pBox1, C_AABB* pBox2) { if(fabs(pBox2->Mittelpunkt.x - pBox1->Mittelpunkt.x) > pBox2->Ausdehnung.x + pBox1->Ausdehnung.x) return FALSE; if(fabs(pBox2->Mittelpunkt.y - pBox1->Mittelpunkt.y) > pBox2->Ausdehnung.y + pBox1->Ausdehnung.y) return FALSE; if(fabs(pBox2->Mittelpunkt.z - pBox1->Mittelpunkt.z) > pBox2->Ausdehnung.z + pBox1->Ausdehnung.z) return FALSE; return TRUE;}

27 Kollisionsausschlussmethoden Ziel ist die Optimierung der Performance Warum ist dies notwendig? bei einer großen Anzahl an Objekten müssen theoretisch permanent alle Objekte paarweise auf Kollisionen getestet werden bei n Objekten wären dies n*(n-1)/2 Testdurchläufe bsw Tests bei 100 Objekten somit ist die Verwendung effizienter Ausschlussmethoden sinnvoll

28 Kollisionsausschlussmethoden eine Kollisionsprüfung zweier Objekte kann vermieden werden, wenn: gerade eine Kollision stattgefunden hat => für den aktuellen Testdurchlauf ist eine Prüfung erst dann wieder notwendig, wenn eines der Objekte mit einem 3. Objekt erneut kollidiert ist sich die Kollision im Blickfeld des Spielers abspielt => Blickfeld von 90° => ca. ¼ der Objekte können überhaupt wahrgenommen werden die Entfernung zum Spieler sehr groß ist => ausbleibender Kollisionstest wird in den meisten Fällen nicht wahrgenommen

29 Kollisionsausschlussmethoden partielle Kollisionsüberprüfung pro Frame läuft das Spiel mit bsw. 50 fps, ist es eigentlich unnötig für jeden Frame alle möglichen Kollisionen zu überprüfen speziell bei langsamen Objekten wird dies deutlich darum werden in solchen Fällen häufig nur 25% - 50% aller möglichen Kollisionen getestet Begrenzte Treffertests selbst bei einer Schlacht mit vielen Schiffen ist es unnötig, für jedes Waffenobjekt Kollisionen zu testen speziell zielsuchende Objekte benötigen eigentlich nur Tests mit dem Zielobjekt => sehr unwahrscheinlich, dass auf dem Weg ein anderes Objekt getroffen wird bei manueller Zielerfassung müssen nur die Objekte getestet werden, die im Blickfeld des Spielers liegen => Sichtbarkeitstest

30 Sektorisierung der Spielwelt Prinzip: Kollisionstests werden nur innerhalb eines Sektors durchgeführt Art der Sektorisierung ist abhängig vom Spielgenre 2D – Sektorisierung bei Terrain – Games 3D – Sektorisierung bei bsw. Space – Simulationen

31 Sektorisierung der Spielwelt

32 Problem: Es kann vorkommen, dass die Bounding – Sphäre eines Objekts über Sektorgrenzen hinausreicht Lösung: die Objekt – ID des Objekts wird in die Listen aller Sektoren geschrieben, in die die Bounding – Sphäre hineinreicht dies spart überflüssige Kollisionstests zwischen den Objekten eines Sektors mit benachbarten Sektoren

33 Sektorisierung der Spielewelt Sektor zu Position (-1 / -5) long SpaltenNr = (-1 + 6)/4 = 1; long ZeilenNr = (6 – (- 5))/4 = 2 long SektorNr = 2 * = 7 Für 3D – Sektoren ergänzt man dieses Schema Schema um eine zusätzliche Zeile zur Berücksichtigung der y – Komponente.

34 Portale bei Indoor – Games bietet sich eine Kollisionsüberprüfung Raum für Raum an Übergang von Raum zu Raum erfolgt durch Portale wird das Portal zwischen Raum A und Raum B überschritten, weiß man automatisch, dass sich der Spieler nun in Raum B befindet Portal ist eine Fläche => mit Hilfe der Flächennormalen und dem Skalarprodukt des Differenzvektors zwischen Objekt – und Portalmittelpunkt kann man feststellen, ob sich der Spieler vor oder hinter dem Portal befindet

35 Portale Es gilt: der Winkel zwischen n und s – o ist also entscheidend für das Vorzeichen des Skalarprodukts

36 Portale

37 Ende Fragen?


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