ขั้นตอนวิธีการตรวจสอบการชน

ขั้นตอนวิธีการตรวจสอบการชน () เป็นขั้นตอนวิธีที่ใช้จำลองการชนกันของวัตถุตั้งแต่ 2 ชิ้นขึ้นไป โดยส่วนมากจะพบได้ในวิดีโอเกมหรือการจำลองระบบของวัตถุ และยังใช้ในวิทยาการหุ่นยนต์ด้วย ในการตัดสินใจว่าวัตถุสองชิ้นชนกันหรือไม่นั้น ขั้นตอนวีธีการตรวจสอบการชนจะต้องคำนวณเวลาที่จะเกิดการชน (time of impact-TOI) และสามารถระบุพิกัดส่วนที่ชนกันได้ (contact manifold) การจำลองการชนกันของวัตถุโดยหลักแล้วจะใช้หลักการจาก พีชคณิตเชิงเส้น (linear algebra) และเรขาคณิตเชิงคำนวณ

โดยส่วนมากการจำลองการชนกันของระบบของวัตถุจะเกิดขึ้นในสองลักษณะคือ การชนนั้นถูกตรวจพบหลังจากที่มีการชนเกิดขึ้นจริง (posteriori, discrete) และการชนที่ถูกตรวจพบก่อนที่มีการชนเกิดขึ้น (priori, continuous)

คอมพิวเตอร์จะมองวัตถุเป็นรูปหลายเหลี่ยม (polygons) การจะค้นหาว่ามีรูปหลายเหลี่ยมสองรูปชนกันหรือไม่นั้นทำได้ยากและเสียเวลา หนึ่งในวิธีที่ง่ายและมีประสิทธิภาพมากกว่าคือ กำหนดทรงกลมล้อมที่รอบรูปหลายเหลี่ยมได้พอดี แล้วตรวจสอบว่าทรงกลมสองอันทับซ้อนกันหรือไม่ ด้วยการคำนวณว่าระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางทรงกลมสองอันน้อยกว่ารัศมีของทรงกลมทั้งสองบวกกันหรือไม่ ( (x-x) + (y-y) + (z-z) ≤ r + r) เท่านั้น ถ้าน้อยกว่าแสดงว่ามีการชนเกิดขึ้น แต่การแทนวัตุทั้งก้อนด้วยทรงกลมนั้นทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนค่อนข้างมาก เมื่อตรวจพบว่าทรงกลมสองอันใด ๆ ชน (อินเตอร์เซค) กัน วัตถุนั้นอาจไม่ได้ชนกันจริง ๆ เพื่อความแม่นยำมากขึ้นจึงแบ่งทรงกลมที่ล้อมรอบวัตถุทั้งก้อน เป็นทรงกลมเล็ก ๆ ที่มีขนาดใกล้เคียงกับวัตถุนั้น ๆ แล้วตรวจสอบแต่ละอันว่าอินเตอร์เซคกันอีกหรือไม่ ถ้าพบว่ามีการชนเกิดขึ้น (อินเตอร์เซคกัน) ก็อาจแบ่งทรงกลมให้เล็กลงไปอีก เพื่อตรวจสอบการชน (อินเตอร์เซค) ต่อไป ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับว่าต้องการความแม่นยำมากแค่ไหน ซึ่งก็ต้องแลกมาด้วยเวลาเช่นกัน

แต่เนื่องจากวัตถุส่วนใหญ่ในวิดีโอเกมเป็นรูปสี่เหลี่ยม จึงอาจจะใช้รูปสี่เหลี่ยมแทนทรงกลมในการประมาณรูปร่างของวัตถุ เรียกวิธีการนี้ว่า กล่องล้อมรอบที่จัดเรียงตามแนวแกน (axis-aligned bounding boxes-AABBs) หรือ ออคทรีส์ (octrees) "จัดเรียงตามแนวแกน" หมายความว่ากล่องนั้นขนานกับแกนในระบบพิกัดฉากสามมิติ หรือแต่ละด้านของกล่องตั้งฉากกับแกนหนึ่ง ๆ

จากนั้นเราจึงนำ AABBs ของแต่ละวัตถุไปสร้างเป็น ต้นไม้AABBs เพื่อใช้เป็นตัวตรวจสอบว่าเกิดการชนขึ้นหรือไม่ ด้วยการเทียบกล่องในปมรากของต้นไม้สองต้น ว่าอินเตอร์เซคกันหรือไม่ ถ้าใช่ก็มีโอกาสที่วัตถุจะชนกัน จึงทำการตรวจสอบต่อไปด้วยการเรียกซ้ำลงไปตามต้นไม้จนถึงใบของมัน เพื่อหาว่าส่วนไหนที่เหลื่อมล้ำกัน ด้วยการโปรเจกต์กล่องทั้งสองลงบนแกนหนึ่ง ๆ แล้วตรวจสอบว่ามีช่วงที่ซ้อบทับกันหรือไม่ วิธีการนี้เรียกว่าทฤษฎีบทการแยกจากกันบนแกน (Separating Axis Theorem) จากทฤษฎีบทนี้ทำให้ทราบว่า มีการแยกจากกันบนแกนเพียง 15 แบบเท่านั้น ถ้าการเหลื่อมล้ำกันเกิดขึ้นในทุก ๆ การแยกจากกันบนแกน หมายความว่ากล่องทั้งสองนั้นอินเตอร์เซคกัน หมายความว่ามีการชนเกิดขึ้นนั่นเอง

ปัญหาที่เราพิจารณาอยู่นี้เกี่ยวข้องกับการเกิดการชนกันของวัตถุในช่วงเวลาที่กำหนดหรือไม่ ถ้าใส่ความเร็วให้กับโปรเจกต์ชันของกล่อง แล้วเกิดการเหลื่อมล้ำกันครบทั้ง 15 แบบ แสดงว่ามีการชนกันเกิดขึ้น อีกทั้งยังสามารถใช้โครงสร้างข้อมูลที่คล้ายคลึงกับต้นไม้AABBs เพื่อแยกกลุ่มของสิ่งที่ชนออกจากกลุ่มของสิ่งที่ถูกชน แล้วตรวจสอบว่ามีโอกาสหรือไม่ที่จะเกิดการชนกัน การคำนวณตามลักษณะนี้สามารถคัดแยกวัตถุที่ไม่เกิดการชนได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งมีประสิทธิภาพการทำงานอยู่ที่ O (NlogN)

ขั้นตอนวิธีต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกับขั้นตอนวิธีการตรวจสอบการชนโดยส่วนมาก จะเป็นขั้นตอนวิธีที่ใช้ตรวจสอบเพิ่มเติมเพื่อให้การตรวจสอบการชนเป็นไปอย่างแม่นยำที่สุด (Optimization) ดังนี้

ขั้นตอนวิธีการตรวจสอบการชนนั้นมีประสิทธิภาพในการทำงานเชิงเวลาเป็น O (N) เนื่องจากมีวัตถุที่ต้องตรวจสอบ N ชิ้น เลือกมา 2 ชิ้นคือ (N choose 2) = (N!) / (2!* (N-2) !) = N* (N-1) * (N-2) !/2* (N-2) ! = N* (N-1) /2 ≈ N อย่างไรก็ตาม มีขั้นตอนวิธีที่สามารถปรับปรุงเวลาการทำงานให้ดีขึ้นได้ดังที่กล่าวไว้ในการอธิบายขั้นตอนวิธี ทำให้ได้ประสิทธิภาพการทำงานที่ดีที่สุดเป็น O (NlogN)