支持力反馈的肝脏手术虚拟仿真及研究

该文提出了一种基于支持力反馈的肝脏虚拟手术仿真系统,支持力反馈的肝脏虚拟手术仿真实现流程主要包括CT影像的肝脏三维重建、空间场景构建、实时动态交互设计、反馈力的手术操作仿真.虚拟仿真环境搭建完成后,用户能够通过头盔式显示设备HTC Vive Pro及其所配备力反馈手柄在虚拟手术场景中进行肝脏手术切割的沉浸式知识学习及实...     

具有力觉与视觉反馈的交互式纳米操作系统

提出了交互式纳米操作的实现方法，搭建了一个具有力觉与视觉反馈的交互式纳米操作系统．操作者通过该系统不仅可以实时感受到作用在原子力显微镜（AFM）探针上的力，而且可以实时观察到纳米环境在AFM操作下的变化过程，使得对微观世界的纳米操作如同在宏观世界搬运物体一样直观、灵活．实验结果证实了本系统的高效性及先进性．     

手术仿真中基于导纳控制的力触觉形变模型

为了在虚拟手术仿真中获得快速、准确的力触觉形变效果,提出一种基于导纳控制的力触觉形变模型.基于该模型,采用PHANTOM OMNI力触觉交互设备,以3DS MAX 2013,Microsoft Visual C++2012,Open GL函数库为基础搭建了实时柔性体力触觉再现系统,实现了虚拟双手对心脏双点的拉拽交互操作.感知实验和交互效率的结果表明,所提出的模型简单有效,形变效果逼真、视觉反馈流畅、力触觉反馈平稳,操作者对虚拟环境的感知和交互准确可靠,能够满足虚拟手术仿真系统的要求.     

一种基于弹簧模型的作用力视觉反馈方法

在虚拟拆装系统中,为了增强用户的"沉浸感",会引入力反馈设备,但目前力反馈设备价格昂贵,同时力反馈算法也不成熟,二者导致了力反馈的引入无法商用和推广.为使用户在无力反馈设备的虚拟拆装系统中感受到操作时作用力的变化,提出了一种基于弹簧模型的作用力视觉反馈方法,构造一个可形变、带标尺的弹簧来代表虚拟手,将拆装关系变化时引起的力反馈通过弹簧的实时形变来表达,用视觉反馈形象化地表现了力觉反馈,取得了良好的实际效果.实验证明,此方法既降低了虚拟拆装系统的研发难度,又节约了虚拟拆装系统开发与推广的成本,具有较好的推广和使用价值.     

一种虚拟场景的动态建模与实时仿真方法

针对虚拟现实技术中虚拟场景的生成及仿真问题,将场景中的实体位置状态及其基元间的连接关系统一用关节描述;通过建立场景连接图来描述场景结构模型,并采用关节驱动基元的方式来进行场景的更新操作,从而提出一种面向连接的关节驱动型虚拟场景的动态建模与实时仿真方法.在此基础上,开发通用的虚拟场景可视化软件平台,并通过测试验证提出的方法可以有效提高场景的建模与仿真处理效率.     

实时多组织虚拟手术的反馈力模拟

为了在虚拟下颌整形手术系统中提供实时和真实的触觉交互,分别构建了基于虚拟中介平面的推操作触觉模型、基于粘附力的拉操作触觉模型和基于非线性粘弹性的针刺触觉模型,以模拟皮肤拉钩、整形镊和针的典型手术操作;同时通过相邻组织间的动态触觉约束建立了多组织联合形变模型,以避免表面弹簧-质点模型形变过程中可能出现的表面间相互穿透的异常现象;并进一步将触觉交互模型和多组织形变模型集成于虚拟下颌手术系统,从而为医生提供一个手术训练的虚拟平台.触觉感知和交互效率的实验结果表明,通过触觉交互识别皮肤、肌肉和骨骼能够获得较高的识别正确率,并能提供实时的触觉和视觉交互体验.     

虚拟柔性体实时形变仿真模型研究

为了在虚拟现实柔性体力触觉交互研究中得到稳定、连续、真实的力触感,提出一种基于球面调和函数表达的虚拟柔性体实时形变仿真模型,利用球面调和函数的正交归一、旋转不变、多尺度等特性实现物体的快速准确表达.在变形体的密度、杨氏模量、泊松比等参数已知的情况下,基于径向基函数神经网络模型预测柔性体受力形变后的SH模型.仿真结果表明,该方法不仅可以准确表达柔性体的实时形变,而且使得基于SH表达的柔性体形变的视觉刷新描述与柔性体反馈力的触觉刷新描述同步,从而满足虚拟手术仿真训练等虚拟柔性体力触觉交互研究要求.     

一种基于临近点集数据融合的AFM动态成像方法

原子力显微镜(Atomic force microscopy, AFM)是纳米技术和纳米操作领域中最重要的研究工具之一. 本文针对扫描成像的原子力显微镜, 提出了一种改进的AFM动态成像方法, 该方法分析了AFM系统中样品与针尖之间的非线性力对成像精度的影响, 通过对扫描过程中获得的成像数据进行融合滤波, 有效地提高了快速AFM的成像精度. 具体而言, 论文首先分析了原子力显微镜当前成像方法存在的主要问题, 然后针对在高速扫描或者样品形貌高度有突变时, 因AFM系统中非线性因素而引起的成像误差, 提出了一种基于临近点集数据融合的改进动态成像方法, 以提高AFM对于样品表面形貌的成像精度. 最后分别利用原子力显微镜仿真平台数据和实验数据, 验证了本文提出的改进成像方法的性能.     

立体显示技术在力反馈仿真手术的应用

本文介绍了立体显示技术,并且结合触觉编程开发包OpenHaptics,应用于以PHANToM作为力反馈设备构建的虚拟手术仿真系统上。使仿真系统能够实时进行具有立体感的多种手术操作,提供真实的立体视觉反馈和力反馈,具有良好的沉浸感和交互性。     

基于虚拟3D视觉和力觉交互的SEM遥纳操作系统

为增强纳米操作的交互性,本文结合虚拟现实技术,借助力觉反馈设备搭建了基于虚拟3D视觉反馈与虚拟力觉反馈的遥纳操作平台.为确保虚拟环境能够正确反映真实的纳米操作环境,对虚拟模型的碰撞检测和力觉渲染进行了详细设计;同时在力觉反馈设备和虚拟环境之间引入虚拟匹配环节保证力觉交互接口的稳定,增强主端控制模块的协调性.为实现准确的纳米操作,采用基于兴趣区域的图像特征方法提取探针深度信息,快速建立图像模糊度与探针到基底的距离的关系,实现对探针的闭环控制.最后,利用所述的系统平台以及操作方法,完成了单根ZnO纳米线的转移实验.