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虚拟手术仿真系统中碰撞检测的研究

作 者: 邢一思
导 师: 刘小平
学 校: 南昌大学
专 业: 控制理论与控制工程
关键词: 虚拟手术仿真 碰撞检测 触觉反馈 AABB包围盒 时空相关性 基元链表
分类号: TP391.9
类 型: 硕士论文
年 份: 2010年
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内容摘要


随着计算机软硬件相关技术的飞速发展,虚拟现实技术的应用领域也不断扩大,人们对虚拟系统的真实性和交互性等性能也提出了更高的要求。碰撞检测技术是判断虚拟场景中虚拟对象间是否发生相交碰撞的关键技术,精确快速的碰撞检测算法对提高虚拟环境的真实性和交互性,以及增强用户沉浸感等方面起着至关重要的作用,因此碰撞检测问题已成为该领域研究的热点之一。本文以虚拟手术仿真系统为应用背景,采用经典的AABB层次包围盒碰撞检测算法来解决虚拟手术器械与虚拟人体器官之间的碰撞检测问题。为了进一步提高碰撞检测算法的执行效率,增强虚拟手术仿真系统的真实感及与用户交互的实时性,本文分别从不同的角度对传统算法进行了适当优化。针对软体对象形变后更新较慢的问题,优化算法在包围盒更新前加入了预处理过程,用以缩小包围盒的更新规模;在引入时空相关性概念的前提下,优化算法利用分裂轴排序算法对AABB包围盒进行相交检测,从而减少了算法的时间复杂度;根据AABB包围盒的数学特性,优化算法对AABB包围盒进行了存储压缩,减小了算法的空间复杂度;此外,结合虚拟手术的具体特点,文中引入了手术器械有效作用区的概念,大大缩小了包围盒树的构建规模,并在此基础上采用了基元链表的方法代替传统的包围盒二叉树来对手术器械进行建模,从而有效提高了碰撞检测算法的执行效率。本文提出的优化碰撞检测算法与传统算法进行了比较,结果表明其在时间和空间的计算上都有了较为明显的改进和提高。文中最后将优化碰撞检测算法应用到一个开发的虚拟手术仿真系统中,仿真结果表明该优化算法完全可行,并且能够有效地提高虚拟环境的真实感和实时交互的能力,是一个较好的碰撞检测算法。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第1章 绪论  9-24
  1.1 研究的背景及意义  9-12
    1.1.1 虚拟手术概述  9-10
    1.1.2 虚拟手术发展框架  10-11
    1.1.3 虚拟手术的应用  11-12
  1.2 碰撞检测技术概述  12-15
    1.2.1 碰撞检测问题描述  12-13
    1.2.2 碰撞检测的几何定义  13-14
    1.2.3 影响碰撞检测的要素  14-15
  1.3 碰撞检测的发展及现状  15-17
    1.3.1 碰撞检测国内外研究现状  15-16
    1.3.2 碰撞检测算法分类  16-17
  1.4 层次包围盒算法  17-20
    1.4.1 层次包围盒原理概述  17
    1.4.2 几种经典层次包围盒简介  17-20
  1.5 层次包围盒碰撞检测算法比较分析  20-22
  1.6 论文主要研究内容  22-23
  1.7 论文组织结构  23-24
第2章 传统AABB包围盒碰撞检测算法  24-35
  2.1 AABB层次包围盒树的建立  24-28
    2.1.1 AABB包围盒  24-25
    2.1.2 AABB层次包围盒树的构建  25-27
    2.1.3 构建平衡包围盒树  27-28
  2.2 AABB层次包围盒树的更新  28-32
    2.2.1 手术器械模型运动后包围盒树的更新  29-31
    2.2.2 人体器官模型变形后包围盒树的更新  31-32
  2.3 AABB包围盒相交检测算法  32-34
  2.4 本章小结  34-35
第3章 改进的AABB包围盒碰撞检测算法  35-53
  3.1 时空相关性原理  35
  3.2 改进的AABB包围盒树更新算法  35-38
    3.2.1 改进算法的基本原理  35-37
    3.2.2 实验与结果分析  37-38
  3.3 基于层次遍历的分裂轴排序相交检测算法  38-43
    3.3.1 改进算法的基本原理  38-42
    3.3.2 实验与结果分析  42-43
  3.4 AABB层次包围盒树存储优化  43-52
    3.4.1 AABB包围盒存储结构优化  44-48
    3.4.2 叶结点存储结构优化  48-49
    3.4.3 实验与结果分析  49-52
  3.5 本章小结  52-53
第4章 手术器械链状建模碰撞检测算法  53-63
  4.1 手术器械的有效作用区  54-55
  4.2 基于基元链表的碰撞检测算法  55-57
  4.3 改进后碰撞检测算法的实现  57-60
    4.3.1 碰撞检测的初步相交测试  57-58
    4.3.2 碰撞检测的精确相交测试  58-60
  4.4 实验结果与算法分析  60-62
    4.4.1 验证实验  60-62
    4.4.2 算法总结  62
  4.5 本章小结  62-63
第5章 虚拟手术仿真系统设计与实验  63-81
  5.1 虚拟手术仿真系统  63-64
  5.2 虚拟对象建模  64-68
    5.2.1 对象的几何建模  64-66
    5.2.2 对象的物理建模  66-68
  5.3 仿真系统软件平台  68-74
    5.3.1 Visual C++概述  69
    5.3.2 OpenGL概述  69-71
    5.3.3 CHAI 3D概述  71-74
  5.4 力反馈设备概述  74-76
    5.4.1 产品概述  74-75
    5.4.2 PHANTOM Omni产品规格  75-76
  5.5 虚拟仿真系统编程实现  76-78
    5.5.1 模型的导入  76-77
    5.5.2 CHAI 3D程序设计的典型结构  77
    5.5.3 虚拟手术场景构建  77-78
  5.6 碰撞检测实验结果分析  78-80
  5.7 本章小结  80-81
第6章 总结与展望  81-82
致谢  82-83
参考文献  83-87
攻读学位期问的研究成果  87

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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) > 计算机仿真
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