一种用于隧道环境的射线追踪加速算法
【专利摘要】本发明公开了一种用于隧道环境的射线追踪加速算法，其属于电磁信道仿真领域。所述加速算法可以用于隧道场景的电磁信道仿真，并作为通信基站布局的依据。算法的基本思想是将描述隧道的三角形网格分割为一系列的凸多面体，并且判断从隧道前截面射入凸多面体的射线与后截面是否相交。根据凸多面体的性质，如果射线与后截面相交，则必然与墙壁不相交；如果射线不与后截面相交，则必然与墙壁相交。通过采用预处理和查表法，射线与截面的相交和射线与墙壁的相交均能够在常数时间内完成。本发明公开的方法极大地减少了射线与三角形相交的计算量，提高了射线追踪算法的运算效率，使得隧道场景下的基站布局能够更高效地完成。
【专利说明】一种用于隧道环境的射线追踪加速算法
【技术领域】：
[0001] 本发明公开了一种用于隧道环境的射线追踪加速算法，其属于电磁信道仿真领 域。
【背景技术】：
[0002] 近年来，无线通讯技术得到了长足的发展，无线通信被广泛用于军事、教育、交通、 航空等各个行业。
[0003] 然而，无论是移动通信基站的建设，还是办公大楼的WIFI覆盖，都离不开基站和 AP的正确部署；而AP和基站的正确部署则又依赖于对电磁信号的正确预测。目前，波束追 踪（beam tracing)和射线追踪（ray tracing)是进行电磁仿真的两种主流技术。然而对 于较为复杂的场景，无论是波束追踪算法还是射线追踪算法，其运行的时间开销都是非常 大的。通常三维场景都使用标准的三角形网格（triangle mesh)进行描述。当场景复杂度 较高，三角形的数量达到数十万、数百万乃至更高时，算法在"射线与场景中的所有三角形 求交"这一步所耗费的时间就会变得异常巨大。
[0004] 为了优化三角形求交的效率，研究人员开发了一系列的加速算法，包括简单网格 (regular grid)、嵌套网格（nested grid)、八叉树（octree)、k_d 树（k_d tree)等等。以 上算法具有较好的通用性，但是对于某些具体的场景，却忽略了场景元素间的内在联系，在 一定程度上限制了算法性能的进一步提升，隧道环境就是这样的一个案例。
[0005] 隧道模型通常是一个封闭曲线沿指定路径扫掠（swe印）而得到的曲面，得到的曲 面称为扫掠曲面（swept surface)。当封闭曲线表示为一个平面上的η边形，扫掠路径表示 为一条分为m段的折线时，得到的扫掠曲面将是一个由2mn个三角形拼接而成的曲面。通 用的算法对所有的2mn的三角形进行处理，而忽略了这样的一个信息：扫掠曲面的所有截 面均可表达为同一个多边形，实际上所有几何元素的数量之和仅为m+n。
【发明内容】
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[0006] 本发明所要解决的技术问题是：针对隧道这样的特殊环境，充分利用其几何特征， 设计一种用于隧道环境的射线追踪加速算法，通过本发明，隧道环境下基于射线追踪、波束 追踪的电磁信号仿真能够更有效地进行。
[0007] 本发明采用如下技术方案：一种用于隧道环境的射线追踪加速算法，所述隧道截 面表示为一个凸多边形，且所述任意一个隧道段表示为一个凸多面体，其包括如下步骤：
[0008] 步骤1 :隧道截面的边界条件预处理，用于判断射线与隧道截面凸多边形的交点 是否在凸多边形的内部；
[0009] 步骤2 :隧道截面的快速映射表预处理，建立映射表，降低判断射线与隧道截面凸 多边形的交点在凸多边形内部的平均计算时间；
[0010] 步骤3 :隧道壁三角形网格的快速映射表预处理，所述隧道壁是由隧道截面凸多 边形沿指定扫掠路径扫掠而成的曲面；
[0011] 步骤4 :进行加速的射线追踪算法，其具体包括
[0012] 步骤4. 1.从隧道外的任意一点发出的射线R，若其与隧道的入口多边形相交，并 且射线方向为从入口射入隧道，且方向向量D与入口多边形的法向量--的点乘D. W > 0， 则标记该射线"在隧道内"，并且标记该射线所处的位置为"在隧道的第1段中";若其与隧 道的出口多边形相交，并且射线方向为从出口射入隧道，且方向向量5与出口多边形的法 向量友的点乘万.7 < 0 ,则标记该射线"在隧道内"，并且标记该射线所处的位置为"在隧道 的第n-1段中"，其中η为扫掠路径的节点个数；
[0013] 步骤4. 2.若射线R在隧道内，首先判断射线的方向，若射线的方向向量D与隧道 当前区间的路径向量及的点乘Γ).刃> 〇，则标记该射线的方向的"向前"，反之则标记方向为 "向后";接着判断射线与隧道当前区间的出口多边形是否相交；
[0014] 步骤4. 3.若检测到射线与隧道壁上的某个三角形相交，则立刻返回交点的相关 数据，根据隧道壁的材质参数对射线的能量进行更新，递归计算产生的反射射线。
[0015] 进一步地，所述步骤1中包括如下步骤： rm^l 朵聰1 1、抱几玄边形的各个顶点按逆时针排序，得到顶点坐#Ρι(Χι，Υι， 0)，Ρ2(Χ2
【权利要求】
1. 一种用于隧道环境的射线追踪加速算法，所述隧道截面表示为一个凸多边形，且所 述任意一个隧道段表示为一个凸多面体，其特征在于：包括如下步骤 步骤1 :隧道截面的边界条件预处理，用于判断射线与隧道截面凸多边形的交点是否 在凸多边形的内部； 步骤2 :隧道截面的快速映射表预处理，建立映射表，降低判断射线与隧道截面凸多边 形的交点在凸多边形内部的平均计算时间； 步骤3 :隧道壁三角形网格的快速映射表预处理，所述隧道壁是由隧道截面凸多边形 沿指定扫掠路径扫掠而成的曲面； 步骤4 :进行加速的射线追踪算法，其具体包括 步骤4. 1.从隧道外的任意一点发出的射线R，若其与隧道的入口多边形相交，并且射 线方向为从入口射入隧道，且方向向量5与入口多边形的法向量及的点乘方巧>〇,则标记 该射线"在隧道内"，并且标记该射线所处的位置为"在隧道的第1段中";若其与隧道的出口 多边形相交，并且射线方向为从出口射入隧道，且方向向量D与出口多边形的法向量及的 点乘< 0 ,则标记该射线"在隧道内"，并且标记该射线所处的位置为"在隧道的第η-1 段中"，其中η为扫掠路径的节点个数； 步骤4. 2.若射线R在隧道内，首先判断射线的方向，若射线的方向向量D与隧道当前 区间的路径向量--的点乘万· W > 0，则标记该射线的方向的"向前"，反之则标记方向为"向 后";接着判断射线与隧道当前区间的出口多边形是否相交； 步骤4. 3.若检测到射线与隧道壁上的某个三角形相交，则立刻返回交点的相关数据， 根据隧道壁的材质参数对射线的能量进行更新，递归计算产生的反射射线。
2. 如权利要求1所述的一种用于隧道环境的射线追踪加速算法，其特征在于：所述步 骤1中包括如下步骤： 步骤1. 1.将凸多边形的各个顶点按逆时针排序，得到顶点坐SPjxp yp 0)，P2(x2, y2, 0
)，· · ·，Pn(Xn，Υη，〇); 步骤1.2.遍历该列表，得到向j 步骤1. 3.判断一个点是否在所;tdiuL；r；itf」hJ部朋·过判断该点是否在以上所有向 量的左侧即可，该方法的数学表述如下：对于给定点Pi (Xl，yi，0)和P2 (x2, y2, 0)和目标点 T(x, y, 0),?
的z分量大于 〇时，即（y
时，点T在向量@的左侧， 对于多边形的每一条边，计算以下三个参数：
若对于所有的边：
，即可判定目标点在多边形的内部。
3. 如权利要求2所述的一种用于隧道环境的射线追踪加速算法，其特征在于：所述步 骤2中包括如下步骤： 步骤2. 1.建立映射表，首先计算凸多边形所有点在x方向和y方向的最大值和最小 值：
将区间[Xmin，xmJ和[ymin，ymax]所确定的矩形区域划分为一个MXN的网格，网格中的 每一个单元格也同样是一个矩形，设其顶点分别为Pp P2, P3, P4; 步骤2. 2.使用步骤1中的方法进行判断，若四个点均在凸多边形内，则将单元格标记 为Hit ;若均不在多边形内，标记为Miss ;若部分在内部，部分在外部，则标记为Partial ; 步骤2. 3.当标记值为Hit或Miss时，直接返回结果；当标记值为Partial时，再使用 步骤1中描述的方法进行判断。
4. 如权利要求3所述的一种用于隧道环境的射线追踪加速算法，其特征在于：所述步 骤3中包括如下步骤： 步骤3. 1.所述路径表示为一段折线，设隧道截面的顶点坐标分别为Pi
方向为单位向量 步骤3. 2.参照步骤2,计算隧道截面顶点坐标范围：
对二兀组建立一个映射表，映射表是一个MX NX K的网格，其中的前两维表不点 0在隧道截面中的大致位置，最后一维表示射线的大致方向。
5. 如权利要求4所述的一种用于隧道环境的射线追踪加速算法，其特征在于：所述步 骤4. 2包括如下步骤 步骤4.2.1.设射线与当前区间的入口多边形的交点为0,射线的方向向量为 出口 多边形的基点为P，法向量为及； 步骤4. 2. 2.通过三维平移和三维旋转变换，将四元组
映射到 I
实中(V和;^分别表示变换后的射线起点和射线方向向量，新的 射线记为V ; 步骤4.2.3.计算R'与处于Χ0Υ平面内的隧道截面多边形是否相交即可，计算R'与 Χ0Υ平面的交点，使用步骤2中的方法，快速判断交点是否在多边形内部；若交点在多边形 内部，根据凸多面体的性质，射线与墙壁不相交，此时可以继续判断与下一段隧道的出口多 边形是否相交； 步骤4. 2. 4.若交点在多边形的外部，根据凸多面体的性质，射线必然与墙壁相交，确 定射线R与隧道壁上的哪个三角形相交，将V投影到XOY平面，得到R"，其起点为Ο"，方 向向量为歹； 步骤4. 2. 5.计算二元纟
吋应的网格坐标，查询获得单元格对应的三角形索引 号列表，依次计算射线R是否与相应的三角形相交。
【文档编号】G06T17/00GK104112293SQ201410317199
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年7月4日 优先权日:2014年7月4日
【发明者】钱红燕, 高峰宇, 陈兵 申请人:南京航空航天大学