[论文解读] Oriented bounding boxes using multiresolution contours for fast interference detection of arbitrary geometry objects

Luis Rivera, Vania V. Estrela+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2016

Robotics and Sensor-Based Localization参考文献 14被引用 4

一句话总结

本文提出一种多分辨率、分层的定向边界框（OBB）方法，用于对由闭合B样条曲线表示的任意2D几何对象实现快速干涉检测。通过在多个分辨率层级上使用二阶统计指标，该方法自适应地将定向矩形拟合到轮廓线段，从而实现对平滑形状和多边形形状的高效且鲁棒的实时碰撞检测，计算开销极低。

ABSTRACT

Interference detection of arbitrary geometric objects is not a trivial task due to the heavy computational load imposed by implementation issues. The hierarchically structured bounding boxes help us to quickly isolate the contour of segments in interference. In this paper, a new approach is introduced to treat the interference detection problem involving the representation of arbitrary shaped objects. Our proposed method relies upon searching for the best possible way to represent contours by means of hierarchically structured rectangular oriented bounding boxes. This technique handles 2D objects boundaries defined by closed B-spline curves with roughness details. Each oriented box is adapted and fitted to the segments of the contour using second order statistical indicators from some elements of the segments of the object contour in a multiresolution framework. Our method is efficient and robust when it comes to 2D animations in real time. It can deal with smooth curves and polygonal approximations as well results are present to illustrate the performance of the new method.

研究动机与目标

• 解决任意形状2D几何对象干涉检测的高计算成本问题。
• 提升实时2D动画和仿真环境中的效率与鲁棒性。
• 开发一种分层边界框表示方法，使其能根据多分辨率下轮廓复杂度自适应调整。
• 在统一框架内处理平滑曲线和多边形近似。
• 减少碰撞检测流水线中的误报率和计算时间。

提出的方法

• 该方法采用多分辨率框架，分析由闭合B样条曲线定义的2D物体轮廓线段。
• 在每个分辨率层级上，利用局部几何的二阶统计指标（如方差、曲率）对轮廓线段拟合定向边界框。
• 分层结构支持从粗到细的细化过程，从低分辨率近似开始，仅在必要区域进一步细化至更高细节。
• 定向边界框动态调整以最小化面积并完全包围轮廓线段，从而提高贴合度和检测精度。
• 算法迭代处理轮廓线段，基于线段形状和方向的统计度量选择最优OBB。
• 该方法支持平滑B样条曲线和分段线性近似，确保对不同类型输入的通用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何高效且自适应地将定向边界框拟合到由B样条曲线定义的复杂2D轮廓？
• RQ2 何种多分辨率策略可在不牺牲精度的前提下实现快速干涉检测？
• RQ3 二阶统计指标是否能有效指导在不同几何细节层级下最优OBB的选择？
• RQ4 该方法在物体边界平滑曲线和多边形近似上的表现如何？
• RQ5 分层结构在多大程度上降低了实时碰撞检测中的计算负载？

主要发现

• 通过分层细化显著减少了所需成对OBB测试的数量，实现了干涉检测的显著加速。
• 使用二阶统计指标实现了对多分辨率下轮廓线段的精确且自适应的OBB拟合。
• 该方法在平滑B样条曲线和多边形近似上均表现出鲁棒性能，保持了高检测精度。
• 结果表明，在实时2D动画场景中计算效率得到提升，处理时间相比标准边界框方法更短。
• 分层结构能有效早期隔离潜在的干涉区域，减少对非重叠线段的不必要的详细检查。
• 该框架支持动态更新，适用于需要低延迟碰撞检测的交互式应用。