基于多层四叉树的空间分区及射线跟踪方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多层四叉树的空间分区及射线跟踪方法，所述空间分区方法包括：对设定范围的空间进行三维建模；基于建模结果对所述空间在垂直方向上进行分层；对于分层结果中的每一层空间，对该层空间包含的物体的表面和劈尖基于四叉树进行自适应分区。应用本发明专利技术可以很好地解决传统的射线跟踪算法在复杂工业场景下进行无线电波预测时计算复杂度高、存在大量无用的求交运算且计算效率低下的问题。题。题。

【技术实现步骤摘要】
基于多层四叉树的空间分区及射线跟踪方法


[0001]本专利技术涉及无线电
，特别是指一种基于多层四叉树的空间分区及射线跟踪方法。

技术介绍

[0002]随着新一代电子信息技术的快速发展，工业环境中的设备信息化程度不断提高，大量的电子装备使得开放的工厂空间中电磁信号非常密集，从而形成了极为复杂的电磁环境。在这样的诸如石化、电力、汽车制造等工业现场中，无线电波传播的精确预测，对深入掌握工业现场的电磁态势与电磁兼容特性具有非常重要的意义，因而成为了现代移动通信技术研究的热点之一。
[0003]目前，无线电波传播的预测方法主要有经验模型、确定性模型和介于两者之间的半经验半确定性模型三大类。针对微蜂窝小区的特点，学者们提出了确定性模型，这是通过对电波的理论分析和研究得到的一类确定模型。常见的确定性模型的代表有时域有限差分法FDTD(Finite Differential Time Domain)、不变性测试方程法MEI(Measured Equation of Invariance)以及射线跟踪法RT(Ray Tracing)等。近几年，射线跟踪算法已广泛应用于电波传播预测、无线网络规划以及无线基站定位等方面。诚然，这种传统的射线跟踪法虽然能够适应复杂环境的无线电波预测，但是计算量巨大导致计算效率降低，因此提高射线跟踪法的计算效率成为大量学者的研究重点。
[0004]针对目前情况复杂特殊的工业现场，大量无用的求交运算是影响射线跟踪法运算效率的主要因素之一。因此，业界也一直在寻求如何大幅度减少无用交点的求解次数，以在保证射线跟踪算法精确性的同时能提高运算的效率。目前一些基于分区的射线跟踪加速技术，比如采用基于网格的方法、三角形分区的方法等，按照物体面劈的数量分布情况自适应地划分为一个个小分区，进入某个小分区的射线就只需要同这个区域内面、劈进行求交运算，没有进入小分区就直接跳过这一区域，这样就在一定程度上相当于简化了工业环境模型，减少了这里的运算次数，提高射线跟踪算法的效率。
[0005]基于网格的方法是将场景中的物体表示为网格模型，然后在网格上进行相交检测。该方法的优点是可以快速地实现相交检测，且对于形状不规则的物体有很好的效果，但需要消耗大量的计算资源。
[0006]三角形分区的方法是用三角形来划分小区，以小区中的面和劈为基础，将小区中面和劈的信息包含在分区中，就是根据具体的物体形状，把小区中物体的劈作为分区中的顶点，把物体的面作为分区的边。这样的话，进入某个三角分区的射线就只需进行三条边和三个顶点的求交判断。但是这种分区方法非常灵活，需要用到一些具体的分区工具，实际应用中要想实现这样的分区比较困难，并且主要用于二维，不适用于三维的小区模型。
[0007]目前现有的基于空间分区的射线跟踪加速技术方案都存在一些缺点，如下所述：
[0008]空间分区的粒度与精细程度：空间分区的粒度不同，会直接影响射线跟踪的计算效率和精度。如果分区过粗，会导致场景中很多不需要计算的物体都被包含在内，浪费了计
算资源；如果分区过细，会导致空间分割的计算量增加，导致计算效率下降。现有的一些技术无法精确地调整分区的精细程度，以至于影响了最终的射线跟踪加速效果。
[0009]空间分区方法的自适应性程度：不同的场景和物体具有不同的特点，当场景中存在大量重复的物体时，现有的基于空间分区的射线跟踪加速技术难以对所有场景和物体进行有效的优化，无法自适应地调整分区的大小，因此不具备灵活性与自适应性。
[0010]综上所述，现有的基于空间分区的射线跟踪加速技术存在空间分区的粒度问题、物体形状复杂度问题、空间分区的动态更新问题和空间分区方法的自适应性问题。这些问题缺点严重限制了射线跟踪技术在处理大型、复杂场景时的计算效率和精度，需要更进一步的研究和优化。

技术实现思路

[0011]有鉴于此，本专利技术的目的在于提出一种基于多层四叉树的空间分区及射线跟踪方法，可以很好地解决传统的射线跟踪算法在复杂工业场景下进行无线电波预测时计算复杂度高、存在大量无用的求交运算且计算效率低下的问题。
[0012]基于上述目的，本专利技术提供一种基于多层四叉树的空间分区方法，包括：
[0013]对设定范围的空间进行三维建模；
[0014]基于建模结果对所述空间在垂直方向上进行分层；
[0015]对于分层结果中的每一层空间，对该层空间包含的物体的表面和劈尖基于四叉树进行自适应分区。
[0016]较佳地，所述对该层空间包含的物体的表面和劈尖基于四叉树进行自适应分区，具体为：
[0017]将该层空间均匀分割成4个子空间，并将分割得到的4个子空间，作为第一次分区的分区结果中的空间网格，分别对应于具有根节点的四叉树的4个叶子节点；
[0018]将该层空间继续进行多次分区；其中，一次分区的过程如下：
[0019]对于上次分区的分区结果中的每个空间网格，若判断该空间网格中所包含的物体的表面和劈尖的总数大于阈值，则将该空间网格均匀分割为4个子空间，分别对应于所述四叉树的4个叶子节点，此4个叶子节点的共同父节点为该空间网格在所述四叉树所对应的节点；将所述4个子空间作为本次分区的分区结果中的空间网格；
[0020]其中，所述阈值是根据当前待分割的空间网格中所包含物体的表面和劈尖的总数动态计算得到的。
[0021]较佳地，所述方法还包括：将物体的表面和劈尖的信息对应于所述四叉树的节点进行存储：
[0022]确定完全包含该物体的最小空间网格所对应的节点；
[0023]将该物体的表面和劈尖的信息对应于该节点进行存储。
[0024]较佳地，所述方法还包括：对所述四叉树进行剪枝：
[0025]确定所述四叉树中没有存储对应的物体的表面和劈尖的信息的节点；
[0026]将确定的节点从所述四叉树中剪除。
[0027]较佳地，所述方法还包括：对所述四叉树的节点进行编码：
[0028]对于当前待编码的节点，将该节点的尾码作为最终的码字中的最末位的数字，将
其父节点的码字作为最终的码字中在前位的数字；
[0029]其中，同一父节点的4个叶子节点的尾码分别为0、1、2、3。
[0030]本专利技术还提供一种射线跟踪法，包括：
[0031]针对待跟踪的一条射线，对于所述设定范围的空间的分层结果的当前一层空间，确定该射线的源点所处空间网格；
[0032]所述设定范围的空间内的分区结果的空间网格；并在该空间网格中对该射线进行跟踪：
[0033]确定该空间网格在所述四叉树中所对应的节点；
[0034]根据该射线的传播方向，以及对应该节点存储的物体的表面和劈尖的信息，进行该射线与所述物体的表面和劈尖的求交计算；
[0035]根据求交计算结果确定该射线的反射或绕射后的传播方向，以及该射线在该空间网格的出口点；
[0036]在完成该空间网格中对该射线的跟踪后，若判断该射线没有满足跟踪结束条件，则...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多层四叉树的空间分区方法，其特征在于，包括：对设定范围的空间进行三维建模；基于建模结果对所述空间在垂直方向上进行分层；对于分层结果中的每一层空间，对该层空间包含的物体的表面和劈尖基于四叉树进行自适应分区。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对该层空间包含的物体的表面和劈尖基于四叉树进行自适应分区，具体为：将该层空间均匀分割成4个子空间，并将分割得到的4个子空间，作为第一次分区的分区结果中的空间网格，分别对应于具有根节点的四叉树的4个叶子节点；将该层空间继续进行多次分区；其中，一次分区的过程如下：对于上次分区的分区结果中的每个空间网格，若判断该空间网格中所包含的物体的表面和劈尖的总数大于阈值，则将该空间网格均匀分割为4个子空间，分别对应于所述四叉树的4个叶子节点，此4个叶子节点的共同父节点为该空间网格在所述四叉树所对应的节点；将所述4个子空间作为本次分区的分区结果中的空间网格；其中，所述阈值是根据当前待分割的空间网格中所包含物体的表面和劈尖的总数动态计算得到的。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：将物体的表面和劈尖的信息对应于所述四叉树的节点进行存储：确定完全包含该物体的最小空间网格所对应的节点；将该物体的表面和劈尖的信息对应于该节点进行存储。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：对所述四叉树进行剪枝：确定所述四叉树中没有存储对应的物体的表面和劈尖的信息的节点；将确定的节点从所述四叉树中剪除。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：对所述四叉树的节点进行编码：对于当前待编码的节点，将该节点的尾码作为最终的码字中的最末位的数字，将其父节点的码字作为最终的码字中在前位的数字；其中，同一父节点的4个叶子节点的尾码分别为0、1、2、3。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：基于最终的分区结果，在所述设定范围的空间内进行射线跟踪。7.一种射线跟踪方法，应用于根据权利要求1
‑
6任一所述的方法进行空间分区的设...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘芳，张宇斌，刘元安，刘玉婷，宋传俊，张黎微，李双宁，党柳，郭星月，苏明，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：