algoritmos de colisão AABB vs Ray mais eficientes

Existe um algoritmo conhecido 'mais eficiente' para a detecção de colisões AABB vs Ray?

Recentemente, deparei com o algoritmo de colisão AABB vs Sphere do Arvo, e estou me perguntando se existe um algoritmo igualmente digno de nota para isso.

É preciso ter condição para esse algoritmo: eu preciso ter a opção de consultar o resultado para a distância da origem do raio até o ponto de colisão. Dito isto, se houver outro algoritmo mais rápido que não retorne distância, além de postar um que o faça, postar esse algoritmo também seria muito útil.

Indique também qual é o argumento de retorno da função e como você o usa para retornar a distância ou um caso de 'sem colisão'. Por exemplo, ele possui um parâmetro out para a distância e também um valor de retorno bool? ou simplesmente retorna um float com a distância, vs um valor de -1 para nenhuma colisão?

(Para quem não sabe: AABB = Caixa delimitadora alinhada ao eixo)

Andrew Woo, que, juntamente com John Amanatides, desenvolveu o algoritmo raymarching (DDA) usado onipresente em rastreadores de raios, escreveu "Fast Ray-Box Intersection" (fonte alternativa aqui ), que foi publicado em Graphics Gems, 1990, pp. 395-396. Em vez de ser construído especificamente para a integração por meio de uma grade (por exemplo, um volume voxel) como é o DDA (consulte a resposta de zacharmarz), esse algoritmo é adequado especificamente para mundos que não são subdivididos de maneira uniforme, como o mundo típico dos poliedros encontrado na maioria dos 3D jogos

A abordagem fornece suporte para 3D e, opcionalmente, faz a seleção da face posterior. O algoritmo é derivado dos mesmos princípios de integração usados ​​nos DDAs, por isso é muito rápido. Mais detalhes podem ser encontrados no volume original Graphics Gems (1990).

Muitas outras abordagens especificamente para o Ray-AABB podem ser encontradas em realtimerendering.com .

EDIT: Uma abordagem alternativa, sem ramificação - que seria desejável na GPU e na CPU - pode ser encontrada aqui .

O que eu tenho usado anteriormente no meu raytracer:

// r.dir is unit direction vector of ray
dirfrac.x = 1.0f / r.dir.x;
dirfrac.y = 1.0f / r.dir.y;
dirfrac.z = 1.0f / r.dir.z;
// lb is the corner of AABB with minimal coordinates - left bottom, rt is maximal corner
// r.org is origin of ray
float t1 = (lb.x - r.org.x)*dirfrac.x;
float t2 = (rt.x - r.org.x)*dirfrac.x;
float t3 = (lb.y - r.org.y)*dirfrac.y;
float t4 = (rt.y - r.org.y)*dirfrac.y;
float t5 = (lb.z - r.org.z)*dirfrac.z;
float t6 = (rt.z - r.org.z)*dirfrac.z;

float tmin = max(max(min(t1, t2), min(t3, t4)), min(t5, t6));
float tmax = min(min(max(t1, t2), max(t3, t4)), max(t5, t6));

// if tmax < 0, ray (line) is intersecting AABB, but the whole AABB is behind us
if (tmax < 0)
{
    t = tmax;
    return false;
}

// if tmin > tmax, ray doesn't intersect AABB
if (tmin > tmax)
{
    t = tmax;
    return false;
}

t = tmin;
return true;

Se isso retorna verdadeiro, ele está se cruzando, se ele retorna falso, não está se cruzando.

Se você usar o mesmo raio várias vezes, poderá pré-calcular dirfrac(apenas divisão no teste de interseção inteiro). E então é muito rápido. E você também tem comprimento de raio até a interseção (armazenada em t).

Ninguém descreveu o algoritmo aqui, mas o algoritmo Graphics Gems é simplesmente:

1. Usando o vetor de direção do raio, determine quais dos três aviões candidatos seriam atingidos primeiro . Se o seu vetor de direção do raio (não normalizado) for (-1, 1, -1), os três planos que podem ser atingidos são + x, -y e + z.

2. Dos 3 planos candidatos, encontre o valor t para a interseção de cada um. Aceite o plano que obtiver o maior valor de t como sendo o avião atingido e verifique se o hit está dentro da caixa . O diagrama no texto deixa isso claro:

Minha implementação:

bool AABB::intersects( const Ray& ray )
{
  // EZ cases: if the ray starts inside the box, or ends inside
  // the box, then it definitely hits the box.
  // I'm using this code for ray tracing with an octree,
  // so I needed rays that start and end within an
  // octree node to COUNT as hits.
  // You could modify this test to (ray starts inside and ends outside)
  // to qualify as a hit if you wanted to NOT count totally internal rays
  if( containsIn( ray.startPos ) || containsIn( ray.getEndPoint() ) )
    return true ; 

  // the algorithm says, find 3 t's,
  Vector t ;

  // LARGEST t is the only one we need to test if it's on the face.
  for( int i = 0 ; i < 3 ; i++ )
  {
    if( ray.direction.e[i] > 0 ) // CULL BACK FACE
      t.e[i] = ( min.e[i] - ray.startPos.e[i] ) / ray.direction.e[i] ;
    else
      t.e[i] = ( max.e[i] - ray.startPos.e[i] ) / ray.direction.e[i] ;
  }

  int mi = t.maxIndex() ;
  if( BetweenIn( t.e[mi], 0, ray.length ) )
  {
    Vector pt = ray.at( t.e[mi] ) ;

    // check it's in the box in other 2 dimensions
    int o1 = ( mi + 1 ) % 3 ; // i=0: o1=1, o2=2, i=1: o1=2,o2=0 etc.
    int o2 = ( mi + 2 ) % 3 ;

    return BetweenIn( pt.e[o1], min.e[o1], max.e[o1] ) &&
           BetweenIn( pt.e[o2], min.e[o2], max.e[o2] ) ;
  }

  return false ; // the ray did not hit the box.
}

Esta é a minha interseção de raio 3D / AABox que estou usando:

bool intersectRayAABox2(const Ray &ray, const Box &box, int& tnear, int& tfar)
{
    Vector3d T_1, T_2; // vectors to hold the T-values for every direction
    double t_near = -DBL_MAX; // maximums defined in float.h
    double t_far = DBL_MAX;

    for (int i = 0; i < 3; i++){ //we test slabs in every direction
        if (ray.direction[i] == 0){ // ray parallel to planes in this direction
            if ((ray.origin[i] < box.min[i]) || (ray.origin[i] > box.max[i])) {
                return false; // parallel AND outside box : no intersection possible
            }
        } else { // ray not parallel to planes in this direction
            T_1[i] = (box.min[i] - ray.origin[i]) / ray.direction[i];
            T_2[i] = (box.max[i] - ray.origin[i]) / ray.direction[i];

            if(T_1[i] > T_2[i]){ // we want T_1 to hold values for intersection with near plane
                swap(T_1,T_2);
            }
            if (T_1[i] > t_near){
                t_near = T_1[i];
            }
            if (T_2[i] < t_far){
                t_far = T_2[i];
            }
            if( (t_near > t_far) || (t_far < 0) ){
                return false;
            }
        }
    }
    tnear = t_near; tfar = t_far; // put return values in place
    return true; // if we made it here, there was an intersection - YAY
}

Aqui está uma versão otimizada do que eu uso acima para GPU:

__device__ float rayBoxIntersect ( float3 rpos, float3 rdir, float3 vmin, float3 vmax )
{
   float t[10];
   t[1] = (vmin.x - rpos.x)/rdir.x;
   t[2] = (vmax.x - rpos.x)/rdir.x;
   t[3] = (vmin.y - rpos.y)/rdir.y;
   t[4] = (vmax.y - rpos.y)/rdir.y;
   t[5] = (vmin.z - rpos.z)/rdir.z;
   t[6] = (vmax.z - rpos.z)/rdir.z;
   t[7] = fmax(fmax(fmin(t[1], t[2]), fmin(t[3], t[4])), fmin(t[5], t[6]));
   t[8] = fmin(fmin(fmax(t[1], t[2]), fmax(t[3], t[4])), fmax(t[5], t[6]));
   t[9] = (t[8] < 0 || t[7] > t[8]) ? NOHIT : t[7];
   return t[9];
}

Uma coisa que você pode querer investigar é rasterizar a frente e o verso da sua caixa delimitadora em dois buffers separados. Renderize os valores x, y, z como rgb (isso funciona melhor para uma caixa delimitadora com um canto em (0,0,0) e o oposto em (1,1,1).

Obviamente, isso tem uso limitado, mas achei ótimo para renderizar volumes simples.

Para mais detalhes e código:

http://www.daimi.au.dk/~trier/?page_id=98

Aqui está o código Line vs AABB que eu tenho usado:

namespace {
    //Helper function for Line/AABB test.  Tests collision on a single dimension
    //Param:    Start of line, Direction/length of line,
    //          Min value of AABB on plane, Max value of AABB on plane
    //          Enter and Exit "timestamps" of intersection (OUT)
    //Return:   True if there is overlap between Line and AABB, False otherwise
    //Note:     Enter and Exit are used for calculations and are only updated in case of intersection
    bool Line_AABB_1d(float start, float dir, float min, float max, float& enter, float& exit)
    {
        //If the line segment is more of a point, just check if it's within the segment
        if(fabs(dir) < 1.0E-8)
            return (start >= min && start <= max);

        //Find if the lines overlap
        float   ooDir = 1.0f / dir;
        float   t0 = (min - start) * ooDir;
        float   t1 = (max - start) * ooDir;

        //Make sure t0 is the "first" of the intersections
        if(t0 > t1)
            Math::Swap(t0, t1);

        //Check if intervals are disjoint
        if(t0 > exit || t1 < enter)
            return false;

        //Reduce interval based on intersection
        if(t0 > enter)
            enter = t0;
        if(t1 < exit)
            exit = t1;

        return true;
    }
}

//Check collision between a line segment and an AABB
//Param:    Start point of line segement, End point of line segment,
//          One corner of AABB, opposite corner of AABB,
//          Location where line hits the AABB (OUT)
//Return:   True if a collision occurs, False otherwise
//Note:     If no collision occurs, OUT param is not reassigned and is not considered useable
bool CollisionDetection::Line_AABB(const Vector3D& s, const Vector3D& e, const Vector3D& min, const Vector3D& max, Vector3D& hitPoint)
{
    float       enter = 0.0f;
    float       exit = 1.0f;
    Vector3D    dir = e - s;

    //Check each dimension of Line/AABB for intersection
    if(!Line_AABB_1d(s.x, dir.x, min.x, max.x, enter, exit))
        return false;
    if(!Line_AABB_1d(s.y, dir.y, min.y, max.y, enter, exit))
        return false;
    if(!Line_AABB_1d(s.z, dir.z, min.z, max.z, enter, exit))
        return false;

    //If there is intersection on all dimensions, report that point
    hitPoint = s + dir * enter;
    return true;
}

Isso parece semelhante ao código postado por zacharmarz.
Eu obtive esse código do livro 'Real-Time Collision Detection', de Christer Ericson, na seção '5.3.3 Interseção de raio ou segmento contra caixa'

// Where your AABB is defined by left, right, top, bottom

// The direction of the ray
var dx:Number = point2.x - point1.x;
var dy:Number = point2.y - point1.y;

var min:Number = 0;
var max:Number = 1;

var t0:Number;
var t1:Number;

// Left and right sides.
// - If the line is parallel to the y axis.
if(dx == 0){
    if(point1.x < left || point1.x > right) return false;
}
// - Make sure t0 holds the smaller value by checking the direction of the line.
else{
    if(dx > 0){
        t0 = (left - point1.x)/dx;
        t1 = (right - point1.x)/dx;
    }
    else{
        t1 = (left - point1.x)/dx;
        t0 = (right - point1.x)/dx;
    }

    if(t0 > min) min = t0;
    if(t1 < max) max = t1;
    if(min > max || max < 0) return false;
}

// The top and bottom side.
// - If the line is parallel to the x axis.
if(dy == 0){
    if(point1.y < top || point1.y > bottom) return false;
}
// - Make sure t0 holds the smaller value by checking the direction of the line.
else{
    if(dy > 0){
        t0 = (top - point1.y)/dy;
        t1 = (bottom - point1.y)/dy;
    }
    else{
        t1 = (top - point1.y)/dy;
        t0 = (bottom - point1.y)/dy;
    }

    if(t0 > min) min = t0;
    if(t1 < max) max = t1;
    if(min > max || max < 0) return false;
}

// The point of intersection
ix = point1.x + dx * min;
iy = point1.y + dy * min;
return true;

Estou surpreso ao ver que ninguém mencionou o método de laje sem galhos de Tavian

bool intersection(box b, ray r) {
    double tx1 = (b.min.x - r.x0.x)*r.n_inv.x;
    double tx2 = (b.max.x - r.x0.x)*r.n_inv.x;

    double tmin = min(tx1, tx2);
    double tmax = max(tx1, tx2);

    double ty1 = (b.min.y - r.x0.y)*r.n_inv.y;
    double ty2 = (b.max.y - r.x0.y)*r.n_inv.y;

    tmin = max(tmin, min(ty1, ty2));
    tmax = min(tmax, max(ty1, ty2));

    return tmax >= tmin;
}

Explicação completa: https://tavianator.com/fast-branchless-raybounding-box-intersections/

Adicionei à resposta @zacharmarz para lidar com quando a origem do raio está dentro da AABB. Nesse caso, tmin será negativo e atrás do raio, então tmax é a primeira interseção entre o raio e o AABB.

// r.dir is unit direction vector of ray
dirfrac.x = 1.0f / r.dir.x;
dirfrac.y = 1.0f / r.dir.y;
dirfrac.z = 1.0f / r.dir.z;
// lb is the corner of AABB with minimal coordinates - left bottom, rt is maximal corner
// r.org is origin of ray
float t1 = (lb.x - r.org.x)*dirfrac.x;
float t2 = (rt.x - r.org.x)*dirfrac.x;
float t3 = (lb.y - r.org.y)*dirfrac.y;
float t4 = (rt.y - r.org.y)*dirfrac.y;
float t5 = (lb.z - r.org.z)*dirfrac.z;
float t6 = (rt.z - r.org.z)*dirfrac.z;

float tmin = max(max(min(t1, t2), min(t3, t4)), min(t5, t6));
float tmax = min(min(max(t1, t2), max(t3, t4)), max(t5, t6));

// if tmax < 0, ray (line) is intersecting AABB, but the whole AABB is behind us
if (tmax < 0)
{
    t = tmax;
    return false;
}

// if tmin > tmax, ray doesn't intersect AABB
if (tmin > tmax)
{
    t = tmax;
    return false;
}

// if tmin < 0 then the ray origin is inside of the AABB and tmin is behind the start of the ray so tmax is the first intersection
if(tmin < 0) {
  t = tmax;
} else {
  t = tmin;
}
return true;