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虚拟膝关节手术中大范围实时变形方法研究

作　者: 徐兴华
导　师: 熊岳山
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 虚拟手术 三角网格 形变模拟 基于几何的形变模拟 微分坐标
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


虚拟手术是虚拟现实技术在现代医学领域中的应用。基于虚拟现实技术的手术仿真系统具有很好的应用前景。视觉和触觉渲染是虚拟手术系统与用户交互的两种重要方式。逼真、实时的视觉和触觉渲染可以增强系统的真实性和沉浸感。人体软组织形变在真实手术中十分常见:包括器械接触软组织引起的小范围的弹性形变,如皮肤的凹陷、凸起;以及由肢体运动产生的大范围的形变,如膝关节运动等。因此,能否有效的对人体器官组织的形变进行模拟,对于提高虚拟手术的真实感至关重要。由于虚拟手术系统具有实时交互特性,形变模拟不但要具有很好的逼真性,而且要具有足够的实时性。本文研究了模拟虚拟手术中实时大范围形变的技术。与小范围弹性形变不同的是,大范围形变的形变程度大,形变往往要涉及到整个模型。对于模拟表面局部形变,我们常常采用计算量较小的线弹性形变模型。对于模拟肢体运动等等的大范围形变,为避免线弹性模型的失真,一般采用开销较大的非线性物理模型。并且,在大范围形变过程中,模型的大部分顶点都要参与计算,这更加大了系统的计算负荷,对系统的实时性存在负面影响。为此,必须研究能够同时满足逼真性和实时性要求的大范围形变方法。基于几何的形变技术只要求在视觉上满足物体的物理特性,无需物理模型,因而能够快速实时的模拟大范围形变,并且一般没有数值稳定性的问题,同时在一定程度上满足视觉逼真性的要求。本文采用了计算机动画中基于几何的形变技术,提出了一种根据横截面构建骨架的方法和两种适合于模拟虚拟手术的大范围形变方法,基于柱坐标平滑变化的方法和改进的梯度域方法。本文针对膝关节屈伸运动引起的形变,提出了一种基于柱坐标平滑变化的形变方法。该方法根据骨架与膝关节周围网格之间的对应关系,将骨架运动的变换平滑的映射到以柱坐标表示的网格顶点上,得到表面的形变效果。该方法能够较好地保持模型表面的整体形状和局部细节,并且计算开销很小。实验证明,此方法能够满足虚拟手术对逼真性和实时性的要求。本文针对现有梯度域方法在某些情况下不能保持模型体积和难以反映模型表面材质特性的不足,提出了一种改进的梯度域方法。该方法通过修改能量函数中的权值,实现了表面材料相关的形变;通过在容易引起体积收缩的部位(如关节),加入虚拟节点构建体图,采用体微分坐标实现了保体积的形变。本文最后介绍了上述形变技术在虚拟膝关节镜手术系统中的应用,进一步验证了本文算法的有效性。

全文目录


摘要  9-10
ABSTRACT  10-12
第一章 绪言  12-17
  1.1 研究背景和意义  12-15
    1.1.1 虚拟手术概述  12-13
    1.1.2 膝关节前交叉韧带重建手术  13-14
    1.1.3 虚拟膝关节镜手术中人体模型的形变  14-15
  1.2 本文的研究工作  15-16
  1.3 本文的组织结构  16-17
第二章 表面网格模型形变技术概述  17-25
  2.1 表面网格模型简介  17-18
  2.2 表面网格模型形变的评价标准  18-20
    2.2.1 形变的逼真度  18-20
    2.2.2 形变的实时性  20
  2.3 相关工作  20-24
    2.3.1 自由形式形变  20
    2.3.2 能量最小化模型  20-21
    2.3.3 基于梯度域的网格形变  21-22
    2.3.4 多控制的网格编辑  22
    2.3.5 线性旋转不变方法  22-23
    2.3.6 各种非线性方法  23-24
  2.4 小结  24-25
第三章 基于模型横截面的骨架获取方法  25-29
  3.1 算法思想  25-26
  3.2 算法过程  26-27
  3.2 算法评价  27-29
第四章 柱坐标平滑变化的形变方法  29-34
  4.1 算法思想  29-30
  4.2 算法过程  30-32
  4.3 算法评价与测试  32-34
第五章 改进的线性微分坐标形变方法  34-42
  5.1 线性微分坐标形变方法介绍  34-38
  5.2 改进策略与改进效果  38-40
  5.3 算法的过程  40-41
  5.4 算法评价与测试  41-42
第六章 虚拟膝关节手术中的大范围形变的实现  42-53
  6.1 系统软硬件平台  42-44
  6.2 相关技术  44-46
    6.2.1 OpenGL图形库  44-45
    6.2.2 VRML语言  45-46
    6.2.3 TAUCS库  46
  6.3 实现过程  46-51
    6.3.1 模型的读取  46-48
    6.3.2 模型的表示  48-49
    6.3.3 模型的计算  49-50
    6.3.4 模型的输出  50-51
  6.4 实现结果  51-53
第七章 总结与展望  53-55
  7.1 工作总结  53
  7.2 工作展望  53-55
致谢  55-56
参考文献  56-60
作者在学期间取得的学术成果  60

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理（信息加工） > 模式识别与装置 > 图像识别及其装置
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