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.     

一种虚拟手术二维力觉交互装置的力学模型

对力交互装置在虚拟手术巾有着广泛的应用,作为基础研究,提出一种二维力觉交互装置的反馈力模型,通过模拟虚拟器械与肌肉组织和骨骼碰撞时的受力情况,验证模型的合理性。首先,根据人体组织的生物力学性能,参照Kamopp模型和胡克定律提出了系统的反馈力模型;然后针对系统的性能指标,通过对肌肉和骨骼两种组织的碰撞实验,验证了设备在虚拟手术过程中反馈力实现效果。仿真结果显示,反馈力方法能较准确地仿真力的变化,准确地感知骨骼的位置,对于虚拟手术系统的实用性具有重要意义。     

柔性体力触觉形变模型研究

针对虚拟现实力触觉交互中柔性体受力与形变的复杂关系,提出一种基于球面调和函数(SphericalHarmonic,SPHARM))的柔性体力触觉仿真模型。利用SPHARM的正交归一、旋转不变、多尺度等特性完成柔性体几何模型的准确表达;将柔性体在不同作用力下的形变模型映射到共同的参照系统中,在共同的参照系统中,利用主成分分析方法(Principal Components Analysis,PCA)完成柔性体在不同作用力下的形变比较,根据简化后的波动方程计算物体形变后的反馈力。实验结果表明,该方法可以准确表达柔性体的形变过程,适用于柔性体力触觉实时交互研究。     

基于球面调和函数的柔性体力触觉建模研究

为了提高虚拟柔性体力触觉交互中物体形变与力的准确描述及计算效率,提出一种基于球面调和函数表达的柔性体力触觉建模方法。利用球面调和函数的多尺度性进行物体碰撞检测实现,在变形体的密度、杨氏模量、泊松比等参数已知的情况下,根据在力作用下的物体形变使用简化后的波动方程计算变形量和反馈力生成。实验结果表明,采用该方法可以准确描述柔性体的形变过程,其所需的计算成本在可接受的范围之内,可被应用到各种力交互辅助的医学应用中。     

虚拟骨科手术中触觉交互建模方法综述

虚拟骨科手术可以让骨科医生使用多种虚拟骨科手术器械在三维重建的骨性解剖结构模型上进行骨科手术操作和 训练。力触觉交互在骨科手术中起着不容忽视的作用,如何在骨科手术模拟中实现真实快速的触觉交互,已成为近年来 虚拟骨科手术研究的热点。文章主要对现有的骨科手术模拟系统中用到的触觉交互模型进行了研究、分类和总结,分析 了现有的一些模型的特点和不足,并展望了骨科手术系统中未来力触觉交互的发展。     

用于软组织变形仿真的层状菱形链连接模型

为提高软组织变形仿真的精度与实时性,提出一种新颖的、基于物理意义的层状菱形链连接模型.该模型中每层各个链结构单元相对位移的叠加对外等效为物体表面的变形,与之相连的弹簧弹性力的合力等效为物体表面接触力.利用6-DOFDelta手控器构建了力触觉交互实验系统,使用虚拟软组织模型进行按压、拉拽等交互操作,并通过反馈力产生触觉感.实验结果表明,该模型不仅计算简单,而且能够保证触觉接触力和变形计算具有较高精度;同时在交互过程中,力触觉感觉平稳、模拟效果逼真、满足虚拟现实系统对精细作业和实时性的要求.     

面向上颌骨骨折复位手术的虚拟系统设计

基于3D计算机触觉视觉交互(CHAI3D)和开放图形库(Open GL)等开源软件,设计了针对上颌骨复位手术的仿真系统。使用真实病例的CT图像搭建虚拟场景,通过Geomagic力反馈设备对虚拟模型进行三维操作并输出触觉反馈。在原有单点碰撞算法的基础上,提出了使用多个中介代理的多点碰撞算法,避免了虚拟手术工具的手柄插入虚拟器官的不实仿真;通过力反馈设备对头颅骨模型进行选择、移动和旋转,模拟手术中对头颅骨的移动和放置。系统可用于训练医学院学生,也可用于复杂手术的术前规划。     

视触觉融合的增强现实三维注册方法

增强现实技术是近年来人机交互领域的研究热点。在增强现实环境下加入触觉感知,可使用户在真实场景中看到并感知到虚拟对象。为了实现增强现实环境下与虚拟对象之间更加自然的交互,提出一种视触觉融合的三维注册方法。基于图像视觉技术获得三维注册矩阵;借助空间转换关系求解出触觉空间与图像空间的转换关系;结合两者与摄像头空间的关系实现视触觉融合的增强现实交互场景。为验证该方法的有效性,设计了一个基于视触觉增强现实的组装机器人项目。用户可触摸并移动真实环境中的机器人零件,还能在触摸时感受到反馈力,使交互更具真实感。     

气动力反馈数据手套设计与验证

针对目前面向大型复杂机电产品的虚拟装配环境中力反馈装置所能提供的触觉力偏小的问题,提出一种基于微型低摩擦气缸的内置式力反馈数据手套.首先介绍了手套结构及其工作原理;然后搭建了实验系统,基于牛顿迭代法进行运动学方程组求解,验证了手套的角度测量和力反馈功能;最后开发了手套的人机交互控制系统,采用D-H理论来描述虚拟手的空间位置,基于虚拟墙的弹簧-质点模型计算虚拟力.实验结果表明,所设计的数据手套可实现大触觉力的反馈,满足虚拟装配系统虚拟抓取的需求.     

网格变形综述

网格变形作为一种几何模型交互编辑技术在几何建模和计算机动画中具有重要价值。近年来,保细节的网格变形特别是微分域网格变形一直得到国内外研究人员的高度关注。从骨骼变形、曲面变形、空间变形3个方面,结合近年来网格变形领域的最新研究进展,通过对各种典型的网格变形算法的算法思想、特点、局限性的描述和比较,提供该领域研究现状的系统综述。并对网格变形的研究趋势进行了展望。     

植物果实形变的可视化研究

现有的模拟果实形变方法单一且真实感不强,为了更真实地模拟自然界中果实形变,提出了一种将基于约束形变和基于微分坐标相结合的方法。通过交互式方法定义形变区域,设置影响形变的参数,计算势函数得到初步形变的结果,估计出形变区域的旋转变换,并增加保持果实特征的约束条件,采用基于微分坐标的方法进行第二次形变。实验结果表明,该方法所模拟的果实形变不仅保持几何细节,同时也具有较强的真实感。     

一种简化的三阶NFFD变形算法

将基于NURBS的自由空间变形算法(NFFD)应用于工程领域的虚拟人四肢变形的过程中,为了获得变形过程中的逼真性和实时性,在原有算法的基础上,提出了一种简化的三阶NFFD变形算法.该方法从工程应用的角度出发,对控制点的设置进行了规范化,给出了参数化坐标与待变形点之间的明确关系,简化了待变形体参数化坐标的求解过程,使其可以用于虚拟人的四肢变形过程中.实验表明,这种简化算法可以提高计算效率,简化计算过程,保证虚拟人四肢变形过程中的逼真性与实时性,取得较好的变形效果.     

大型风力发电叶片变形的摄像测量方法研究

将摄像测量方法应用于大型风力发电叶片力学实验的变形测量中.叶片在发生大幅度整体变形的同时发生微小的屈曲变形,这给测量带来了很多问题,为此提出并联式组网测量的方法.固定像机大视场远距离交会测量整体变形;相对固定的立体像机小视场近距离交会测量叶片上每个长约3m的局部段的屈曲变形,并且跟随叶片上待测量区域移动.所有像机并联式组网,同步触发.测量过程中的关键技术还有像机标定和畸变校正、格网点和黑白标志块的高精度半自动提取、坐标系的统一等.实验结果表明:整体变形的测量精度优于0.5mm,屈曲变形中网格点三维坐标的测量精度优于0.1mm;系统搭建相对简便、测量内容丰富、范围广、精度高、且能供事后处理和分析.     

The skin deformation of a 3D virtual human

This paper presents a skin deformation algorithm for creating 3D characters or virtual human models. The algorithm can be applied to rigid deformation, joint dependent localized deformation, skeleton driven deformation, cross contour deformation, and free-form deformation (FFD). These deformations are computed and demonstrated with examples and the algorithm is applied to overcome the difficulties in mechanically simulating the motion of the human body by club-shape models. The techniques described in this article enables the reconstruction of dynamic human models that can be used in defining and representing the geometrical and kinematical characteristics of human motion.     

获得特定人脸模型变形方法的研究与探讨

主要目的是想让人们从枯燥的模型变形工作中解脱出来.主要研究如何利用二维图片信息获得特定三维人脸模型,首先介绍人脸模型变形的基本原理,然后提出特定人脸模型变形的一般步骤,提出人脸对几种常用的基于图片的三维人脸模型变形方法并对这些方法作了详细的阐述,分析和对比,总结这些方法各自的优点和不足,最后得到一种新的模型变形思路和方法.此文通过针对典型方法的对比分析中可以了解目前在人脸变形建模方面所做工作的特点及不足,这将对以后工作具有一定的研究意义.     

Abaqus在把手静态强度分析和优化中的应用

以电脑工作站侧板上的把手为研究对象,应用Abaqus/Standard模块模拟如何优化工作站中把手的结构和材料,使其满足设计需求,并避免工作站的把手在打开侧板的过程中由于强度不够而产生变形甚至断裂失效.     

基于激光测距技术的隧道断面形变检测系统

地铁隧道经过长时间的运营,受多种内外部应力的影响将会产生断面形变。针对这一问题,设计了车载激光测距装置,对隧道内壁进行连续测量以检测其形变状态。介绍了隧道断面的形变测量方法、轮廓拟合原理和误差分析。该检测系统的设计实现了隧道断面的结构安全性检测和对可能发生的形变灾害的及时预警,为地铁隧道的安全运营提供了有效的保障。     

预变形对非线性结构响应特征的影响

含有大变形非线性约束的结构中,往往存在不同程度的预变形,导致系统静平衡点的改变.预变形的存在使得系统的动力学控制方程同时含有平方和立方非线性.实验结果表明,较小的激励力就能激发出含预变形非线性结构的软弹簧频响特征.以实验中的参数作仿真分析,结果表明,随着预变形的逐渐增大,非线性结构频响特征呈现从硬弹簧特性向软弹簧特性的转变,并求出了转变过程的临界变形.而随着外载荷幅值的增大,则是从软弹簧特性向硬弹簧特性转变.在不同预变形和激励力幅值下,还出现了超谐波共振和次谐波共振的现象.     

景物运动模拟的轴变形方法

本文将图形动画中的轴变形方法引入图象变形，先将图象中需变形的物体提取出来，由轴线建立起骨架结构，通过分析骨架的受力情况控制图象中物体的运动，从而能够在图象变形中运用动力学模型获得较为逼真的动画效果。