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虚拟手术系统中基于混合模型的切割仿真研究

作　者: 周喆
导　师: 杨旭波
学　校: 上海交通大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 虚拟手术系统切割仿真混合模型质点-弹簧模型网格质量保持
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

虚拟手术系统是一种利用计算机图形学中的仿真技术再现手术训练场景的工具,它能够帮助医生预先仿真手术过程并找到最好的手术方案。本文中所研究的切割仿真技术,是虚拟手术训练系统中用于手术切割模拟的重要部分,它满足了虚拟手术系统中对沉浸感、真实感和交互性的基本要求。本文对切割仿真整个流程中所涉及的方法和相关技术都进行了研究和介绍,研究主要涵盖了以下四个方面的内容：(1)三维混合模型的建立。本文所采用的三维模型是一种将表面模型与无网格技术结合起来的混合模型。这种模型不仅维护了用于表示物体轮廓信息的表面三角面片网格,也记录了用于描述物体内部结构的点集。构造混合模型的过程中通过自适应的网格划分方法来自动地计算表示内部结构的点集。(2)碰撞检测及响应。碰撞检测部分采用的是最简单而迅速的AABB包围盒法,但通过提出时空一致性假设提高了原有算法的效率,并通过实验证明了此假设在实际应用中的可靠性。(3)形变模型的建立。在当前的混合网格结构上建立了质点-弹簧模型,并加入一个基于质点间相对位置的回复力以保持模型的体积。通过实验证明了建立在当前混合模型结构上的弹簧模型比建立在规则的网格结构上的更加健壮。(4)网格分裂及重建。切割过程中网格的分裂包括表面的三角面片分裂以及内部新顶点生成两个部分。切割时当前的混合模型所维护的两套数据结构需要进行同步更新。在表面分裂的过程中,外部面片采用了基于边界分裂点的分裂方式,而内部则通过对虚拟器械切割表面的追踪而自适应地生成新的顶点和网格。为了保证切割后网格的质量,在面片分割与顶点插入过程中通过顶点移动的方式来保证重构后网格有更高的质量。本文研究中的创新点主要有如下几个：首先,提出了一种新的混合模型结构,它将无网格方法与表面网格技术结合了起来;其次,将质点-弹簧模型运用于当前的混合模型上,构造出本文切割仿真的形变模型基础;再次,引入了时空一致性假设,提高了在实际应用中碰撞检测算法的效率；最后,提出了基于边分裂点的表面面片断裂方法以及基于点移动的网格质量保持方法,为仿真中切割的持续性提供了保障。除去以上描述的几点之外,为了保证切割仿真过程中一系列算法的实时性,部分算法采用了GPU计算来进行加速,关于算法效率的讨论与比较结果在实验结果分析章节中进行了详细的描述。文章的最后描述了研究中的切割仿真技术在实际虚拟手术系统中的运用,并指出了目前算法的一些不足之处以及可以进行改进的地方。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-13
插图索引  13-15
第一章绪论  15-21
  1.1 研究背景及意义  15-17
  1.2 国内外研究现状  17-18
  1.3 研究的难点与解决方案  18-19
  1.4 篇章安排  19-21
第二章无网格混合模型  21-29
  2.1 几种常见的建模方式  21-23
    2.1.1 表面网格  21
    2.1.2 体网格  21-22
    2.1.3 无网格模型  22-23
  2.2 无网格混合模型的建立  23-27
    2.2.1 混合模型的建立流程  23-24
    2.2.2 构建八叉AABB包围盒树  24-25
    2.2.3 获取模型有效离散点  25-26
    2.2.4 建立离散点间拓扑关联  26-27
  2.3 混合模型的数据结构  27-28
  2.4 本章小结  28-29
第三章碰撞检测算法及其响应  29-39
  3.1 几种常见的碰撞检测算法  29-31
    3.1.1 基于层次包围盒的碰撞检测  29-31
    3.1.2 空间分割法  31
    3.1.3 图像空间法  31
  3.2 基于AABB树的碰撞检测改进算法  31-34
    3.2.1 碰撞检测树的建立及遍历  32-33
    3.2.2 时空一致性假设  33-34
    3.2.3 自碰撞检测方法  34
  3.3 碰撞检测算法的实现  34-37
    3.3.1 碰撞检测树节点的数据结构  34-35
    3.3.2 线段与三角面片的相交测试  35-37
    3.3.3 碰撞检测树的刷新  37
  3.4 本章小结  37-39
第四章混合模型上的质点-弹簧模型  39-47
  4.1 弹簧模型基础  39-40
  4.2 混合模型上质点-弹簧模型的建立  40-42
    4.2.1 质点间的弹簧力  41
    4.2.2 质点间的回复力  41-42
    4.2.3 阻尼力  42
  4.3 形变模型的实现  42-46
    4.3.1 形变算法的GPU加速  42-44
    4.3.2 GPU上的数据结构  44
    4.3.3 GPU上的算法流程  44-46
    4.3.4 单元计算的实现  46
  4.4 本章小结  46-47
第五章切割算法的研究  47-63
  5.1 几种常见的切割算法  47-49
  5.2 切割算法的流程  49-51
  5.3 切割轨迹的确定  51-55
    5.3.1 碰撞检测有效点选取  51-53
    5.3.2 边分裂点的确定  53-54
    5.3.3 虚拟切割器械的追踪  54-55
  5.4 混合模型上切割算法  55-62
    5.4.1 面片分裂类别的确认  55-56
    5.4.2 基于边分裂法的表面切割  56-58
    5.4.3 混合模型上的顶点插入  58-59
    5.4.4 切割表面的生成  59-60
    5.4.5 点集拓扑结构的保持  60-61
    5.4.6 网格质量的保持  61-62
  5.5 本章小结  62-63
第六章实验结果及分析  63-75
  6.1 仿真结果展示  63-68
    6.1.1 混合模型的构建结果  63-65
    6.1.2 形变算法的结果  65-66
    6.1.3 切割算法的结果  66-68
  6.2 切割仿真算法的应用  68-69
  6.3 仿真算法的效率  69-72
    6.3.1 引入时空一致性假设的效率比较  69
    6.3.2 形变算法GPU加速后的效率测评  69-72
    6.3.3 切割算法的效率测评  72
  6.4 本章小结  72-75
第七章全文总结及展望  75-79
  7.1 研究内容的总结  75-76
  7.2 研究的创新点  76-77
  7.3 进一步展望  77-79
参考文献  79-83
致谢  83-85
攻读学位期间发表的学术论文目录  85-87
攻读学位期间参与的项目  87

虚拟手术系统中基于混合模型的切割仿真研究

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