基于改进弹簧振子模型的软组织形变仿真

研究虚拟手术中软组织形变的特定性优化问题。传统弹簧振子模型由于采用线弹力方程及显示欧拉积分法求解,导致的真实性低、计算复杂、实时性差的问题。为解决形变动特性问题,提出一种改进弹簧振子模型的形变方法,采用四面体网格弹簧振子模型进行建模,并通过定义质点间弹簧的非线性弹力方程以及作用于质点的体积力方程,来减弱超弹性现象的发生,提高真实性。模型求解时,采用一种改进显式欧拉积分的动态局部算法来求解形变方程。实验结果表明,所提算法提高了形变仿真的真实性、实时性和稳定性,可为软组织形变动态仿真系统的设计提供参考。     

一种基于弹簧振子模型的颅面软组织仿真算法

软组织仿真研究是利用计算机技术对真实软组织进行模拟以便研究,为医学工作者提供辅助和帮助科研工作者更好地进行虚拟手术。这方面的研究在国外已经较为普及,在国内尚处于起步阶段。软组织仿真算法已有多种成熟模型,其中较为代表性的有弹簧振子模型（MSS）和有限元模型（FEM）。在参阅了前人的研究基础上,选取了弹簧振子模型作为软组织仿真的物理形变模型,并对仿真算法进行编码和仿真实验,进而对实验效果进行分析,并提出改进之处。实验发现基于弹簧振子模型的软组织较好地实现了形变仿真的效果。     

一种基于弹簧振子模型的颅面软组织仿真算法

软组织仿真研究是利用计算机技术对真实软组织进行模拟以便研究,为医学工作者提供辅助和帮助科研工作者更好地进行虚拟手术.这方面的研究在国外已经较为普及,在国内尚处于起步阶段.软组织仿真算法已有多种成熟模型,其中较为代表性的有弹簧振子模型(MSS)和有限元模型(FEM).在参阅了前人的研究基础上,选取了弹簧振子模型作为软组织仿真的物理形变模型,并对仿真算法进行编码和仿真实验,进而对实验效果进行分析,并提出改进之处.实验发现基于弹簧振子模型的软组织较好地实现了形变仿真的效果.     

基于复合弹簧振子模型的实时心跳模拟

本文针对心脏介入仿真系统,提出了一种实时心跳模拟方法。该方法首先根据心脏的解剖结构建立了心脏的复合弹簧振子模型,然后根据心脏跳动的基本规律,使用逆向动力学技术将心房、心室的收缩、扩张与整个模型结合起来,从而得到心脏外表面的跳动效果。在此基础上,本文还实现了冠状动脉的运动模拟。实验结果表明,本方法简单、高效,能够在视觉上提供实时逼真的心脏跳动效果。     

新型三角形弹簧质点模型及弹簧参数确定

针对任意单元形状和材料参数,通过引入附加节点和附加弹簧建立了一种三角形弹簧质点模型.首先给出弹簧刚度参数及附加节点坐标的解析公式,以实现有限元模型和弹簧质点模型三角形单元刚度矩阵的精确相等;然后考虑弹簧质点模型中可能出现的负刚度弹簧,进一步完善了弹簧质点模型形变计算方法.基于平面柔性体的数值模拟结果表明,文中提出的弹簧质点模型和形变计算方法精度好、效率高,且更具通用性.     

虚拟手术中表面网格模型的力反馈算法与仿真

提出一个带力反馈的虚拟腹部外科手术系统,并重点研究及实现了基于表面网格模型的力反馈算法。为了提高系统的稳定性,使用基于线段与表面三角网格的碰撞检测方法;基于四阶Runge-Kutta方法的表面网格mass-spring模型进行变形仿真;基于力的广度优先传播来解决变形仿真的局部性。通过仿真实验验证了该原型系统可以实现与可变形的三维模型的实时力觉交互。最后,把该方法应用到虚拟腹部外科手术系统中,并实现带力反馈的手术仿真操作。     

基于边折叠和质点-弹簧模型的网格简化优化算法

通过边折叠实现网格曲面简化,提出了保持曲面特征的边折叠基本规则,引入边折叠顺序控制因子λ,给出了折叠点坐标获取方法,简化过程中网格边长度趋于均匀．在曲面简化基础上,利用质点-弹簧模型优化网格形状．将网格顶点邻域参数化到二维域上,在质点-弹簧模型中引入约束弹簧,约束调整网格顶点,并逆映射到三维原始曲面上,局部优化网格顶点的相邻网格;调整曲面上所有网格顶点,在全局上优化网格形状．在曲面简化优化过程中,建立原始模型曲面和简化优化后曲面之间的双向映射关系;曲面的网格顶点始终在原始模型表面上滑动,并以双向Hausdorff距离衡量、控制曲面间的形状误差．应用实例表明：文中算法稳定、高效,适合于任意复杂的二维流形网格．     

改进的基于形变模型的三维人脸建模方法

提出了基于均匀网格重采样算法的原型三维人脸对应算法. 基于人脸特征实现原型三维人脸之间的对应, 克服了传统对应算法对应效果差，算法精度低的缺陷；提出了基于改进遗传算法的形变模型匹配算法. 新的匹配算法不依赖于目标函数的梯度信息和初值，全局搜索能力强. 优化过程中交叉和变异概率的调节机制，有效提高了算法的收敛速度和精度. 实验结果表明，新的对应算法可有效实现原型三维人脸之间的对应，提高形变模型的精度. 新的匹配算法能有效提高模型匹配的效率和精度，缩短模型匹配时间.     

三种方法测试弹簧振子的振动周期

以测量弹簧振子的周期实验为例子,用三种不同的方法来测试振子振动周期,让学生了解计算机实测技术的基本方法。阐述了营造多元化教学模式的必要性,从实验教学内容、实验教学方式以及创新平台建设方面提出了可行的方法。     

表面网格控制的快速毛发建模

针对现有角色毛发建模复杂耗时的问题,提出一种基于多边形表面网格的快速毛发建模方法.首先构建粗糙的表面网格来大致表示毛发的整体形态,随后计算控制毛发走向的参数,并基于此自动生成形状网格对应的空间毛发轨迹线来修正毛发走向,使结果在拟合用户指定的毛发形态的同时兼容现有的风格化方法.实验结果表明,该方法使用类似表面网格建模的方法即可完成高质量毛发的建模,在得到较好结果的同时大大降低了建模的难度与工作量,并增强对结果的可控性.另外,文中方法也可方便地与基于物理的运动模拟方法结合生成毛发动画.     

三维网格模型增量式聚类检索

针对大规模三维网格模型库中的形状检索问题,提出了基于增量式聚类的三维形状描述和检索方法。首先根据三维模型的曲率分布直方图提取特征点得到特征向量;然后根据特征向量描述建立模型库的关键词词典;在特征 匹配阶段基于增量聚类方法判断目标模型的特征向量是否属于某一个关键词,并根据增量聚类的结果更新检索关键词词典;最后匹配特征向量检索模型库中与目标模型形状相同和相近的三维网格模型。相关实验结果证明了该方法快速有效,具有较高的准确性。     

基于特征的离散网格模型表示与编辑技术

本文提出了一种基于特征的离散网格模型表示方法,能够表达传统三维网格模型中缺失的高层次信息,并以模型编辑为例显示了其应用价值.该特征结构利用特征线、特征面、特征组来建立离散网格的特征结构,用于描述模型的形状、约束、语义等信息,在原有网格模型的基础上构建了一个“超网格”.通过构建特征间的拓扑关系和约束关系,模型在编辑过程中能够保持特定的形状、结构属性,同时由于编辑操作造成的网格修改被限定在局部的特征区域内,从而提高了模型编辑的运算效率.     

一种基于误差控制的网格多分辨模型生成算法

提出一种网格多分辨模型生成算法．该算法以最大误差L∞控制的网格简化算法为基础,通过删除边和拆分点操作进行向下和向上采样,将网格模型表示为由一个低分辨率的网格和一系列修改操作组成的多分辨模型．同其它算法相比,该算法在初始向下采样时,重点考虑了简化误差对模型精度的影响．在生成网格多分辨模型时,该算法将细化操作分解为对网格模型的几何修改信息和各细化操作之间的关系信息,确保了多分辨模型的健壮性．该算法可通过三角片数和简化误差两种方法来调整网格模型分辨率,实验结果证明了本算法的有效性．     

基于质点-弹簧模型的冰雹打击树叶的模拟方法

为了实现有别于布料破碎模拟的冰雹打击树叶过程的模拟,研究并提出了一种应 用物理学原理的树叶和冰雹相互作用的真实感动态仿真技术,为后续进一步研究叶脉对叶片受 力的影响提供了基础。树叶的破碎是源于冰雹受到地面重力的吸引,在下落时与树叶进行能量 的传递,二者之间的交互作用可以利用一种高效的技术很好地模拟。该技术被专门设计用来模 拟弹力较小的物体,例如树叶的撕裂。当冰雹与树叶进行交互时,由冰雹速度带来的作用力转 换为树叶上的横向和纵向的弹簧力从而导致树叶破碎。实验结果表明,该技术能够高效、真实 地仿真冰雹撞击树叶后的作用效果,并且在一定程度上还原冰雹自然灾害的情况。     

基于平均单元格的三角网格曲面快速求交算法

在地质建模中,当待处理的曲面包含大量三角形时,求交速度成为了瓶颈。该文提出基于平均单元格的三角网格曲面快速求交算法,采用平均单元格技术对求交曲面进行预处理,以加快相交元素对的获取。实验结果表明,与同类求交算法相比,该算法能够有效提升求交速度,并已成功应用于某地质建模软件中。     

一种用于表面重建的网格点生成算法

表面重建需要建立表面的多边形(通常为三角形)网格模型,该文给出的算法通过两项参数来控制边缘轮廓上生成的网格点,所生成的网格点不但能够体现边缘的主要特征,而且可以避免在重建时产生斜三角形。该算法具有速度快、适应性强以及可灵活调整重建精度的特点,已在医学影像工作站上的三维重建系统中获得了较好的应用。