物理碰撞

背景

3DGS 重建场景是高斯点云，没有实体边界，无法直接用于行走与碰撞。物理碰撞模块把重建空间转换为可查询的碰撞数据，用体素或网格描述地面、墙体、遮挡物和可通行区域，为行走模式、相机避障、区域限制和空间交互提供约束。

体素碰撞体由 splat-transform 的 Voxel 任务从 3DGS 资产生成。下文说明体素文件格式与运行时查询方式。也可额外提供 collision.glb 网格碰撞体。

概述

体素数据将场景占用编码为 稀疏体素八叉树（SVO），用于运行时碰撞与射线检测，例如：

• Raycast：拾取、贴地、视线检测
• 球体 / 胶囊体：角色穿透修正（depenetration）

编码采用 Laine–Karras 紧凑布局，与 playcanvas/splat-transform、playcanvas/supersplat-viewer 约定一致。

稀疏八叉树结构

八叉树在均匀体素网格上划分空间，只存储非空区域，以压缩大场景数据。

层级

• 根到叶共 treeDepth 层；最细一层体素边长为 voxelResolution。
• 每个叶节点覆盖 4×4×4 体素（leafSize = 4），共 64 个占用位。

节点类型（nodes 数组中每个 uint32）

类型	含义
内部节点	高 8 位为 childMask（8 个子八分体是否存在），低 24 位为第一个子节点在数组中的索引；其余子节点下标由 popcount 推算。
全实心叶	值为 0xFF000000（SOLID_LEAF_MARKER），表示该 4×4×4 块全部占用。
混合叶	childMask == 0，低 24 位指向 leafData 中的 64 位掩码，按位标记块内实心体素。

leafData

• 每个混合叶占 2 个 uint32（lo、hi），共 64 bit。
• 块内体素 (vx, vy, vz) 的位索引：vx + vy * 4 + vz * 16（各分量 ∈ [0, 3]）。

遍历

nodes 按广度优先紧凑存储，只保留 childMask 标记存在的子节点。查询时从根沿一条路径下潜 treeDepth 层，无需遍历整棵树。

查询单个体素是否占用：世界坐标 → 体素 (ix, iy, iz) → 叶块 (⌊ix/4⌋, …)。从 nodes[0] 向下：

• 全实心叶：判定为占用。
• 混合叶：用 (ix&3, iy&3, iz&3) 查 leafData 对应位。
• 内部节点：按当前层从叶块坐标取八分体编号；若无子节点则为空，否则下一节点下标为 baseOffset 加 popcount。

射线遍历：在网格包围盒内用 3D DDA 逐格前进，每格重复上述占用查询。

输出文件

• voxel-meta.json：网格边界、体素尺寸、treeDepth、nodeCount、leafDataCount 等。
• voxel.bin：连续二进制，nodes 在前、leafData 在后（均为 uint32 数组）。
• 可选 collision.glb 网格碰撞体。

Raycast 与碰撞查询

splat-transform 只负责生成体素数据；射线检测、穿透修正等由运行时加载八叉树后实现。常见流程如下。

射线检测（Raycast）

1. 射线与网格包围盒求交，限定搜索范围；
2. 用 3D DDA 沿射线逐格前进：比较与各轴体素边界的参数 t，进入 t 最小的一格；
3. 每格沿八叉树下潜，查询是否占用；
4. 遇到第一个实心体素即为交点；走出包围盒仍未命中则视为无交。

射线方向不必归一化。常用于贴地、拾取、短距离障碍检测。

位置占用

给定世界坐标，映射为体素索引后，按上文方式查询是否在物体内部。

球体 / 胶囊体

在包围体内的体素格中，对每个实心体素的轴对齐方块，计算与球心或胶囊轴线的距离；小于半径则存在穿透，沿最短方向累加推出位移。多面接触时可迭代若干次。

致谢

体素管线、八叉树编码及文件格式主要参考 PlayCanvas 开源项目：

项目	链接	说明
splat-transform	https://github.com/playcanvas/splat-transform	体素化、导航填充/雕刻、八叉树导出与碰撞网格生成
supersplat-viewer	https://github.com/playcanvas/supersplat-viewer	运行时体素碰撞（raycast、球/胶囊查询）参考实现；见 Issues