虚拟手术系统技术现状

虚拟手术是近年来在国际上发展迅速的一个领域。通过利用虚拟现实技术,医生们可以模拟在由患者的CT或MRI数据所构建的病灶处三维图像上进行手术操作,对于确定病灶位置,制定最佳手术方案和保证手术成功都具有十分重要的意义。该文分别对虚拟手术技术中的图像分割技术、人体器官三维重建技术以及软组织变形技术等几个主要方面研究做出了介绍,并分析了其技术需求及技术关键相关问题,为进一步进行虚拟手术系统的研究工作打下了一定基础。     

虚拟现实与卫星仿真技术

该文通过对虚拟现实技术理论和应用状况的分析,结合卫星技术的特殊性,提出如何将虚拟现实技术与卫星仿真技术相结合,在虚拟环境下对卫星的设计、制造、发射,直至在预定轨道上的运行等全过程进行可视化仿真的方法。     

带有力感觉的显微外科手术血管的仿真研究

随着虚拟现实技术的进步,带有力感觉的仿真研究迅速发展,特别是在医学上得到了广泛应用。利用虚拟现实技术取代效率低下的常规培训,可以大大减少所需的培训时间和昂贵的动物实验费用。针对复杂的显微外科手术的血管缝合,作者建立了可用于大夫培训、手术规划的虚拟现实系统。其中的交互设备采用了具有力反馈功能的PHANTOM—Desktop,使用与之配套的GHOSTSDK软件开发包,建立虚拟环境。考虑到柔性体仿真的实时性和真实性要求,采用了质量一弹簧模型的建模方法。在完成了对虚拟环境中柔性平面仿真的基础上,成功实现了带有力感觉的显微外科血管穿刺的虚拟仿真。     

基于VRML的虚拟汽车驾驶系统

介绍了基于VRML的汽车虚拟驾驶系统的设计,采用3DsMax建立城市建筑、街道、路灯、道路维护设备及标志等静态物体的三维几何模型,将这些几何模型装配成城市模型,将其转换成VRML格式,然后,采用ParallelGraphies的InternetSceneAssembler工具装配具有动态行为的几何模型并进行动态行为建模,如交通信号灯、汽车、行人。该工具使用基于VRML语言的可视化界面进行建模,使用很方便,效率高。动态行为使用VRML2．0结合JavaScript进行编程。开发的虚拟汽车驾驶系统可以在Internet上发布和游览。     

基于DIS的航空火灾应急处理仿真系统

针对航空飞行中发生火灾事故的应急处理的客观需求,在分析了基于分布交互仿真主要思想的基础上,提出了航空火灾应急处理仿真系统的构架,描述了具体的仿真体系结构和模块功能,并对其中的若干关键技术进行了论述。     

Banded matrix approach to Finite Element modelling for soft tissue simulation

Realistic deformation of computer-simulated anatomica structures is computationally intensive. As a result, simple methodologies not based in continuum mechanics have been employed for achieving real-time deformation of virtual anatomy. Since the graphical interpolations and simple spring models commonly used in these simulations are not based on the biomechanical properties of tissue structures, these quick and dirty methods typically do not represent accurately the complex deformations and force-feedback interactions that can take place during surgery. Finite Element (FE) analysis is widely regarded as the most appropriate alternative to these methods. Extensive research has been directed toward applying this method to modelling a wide range of biological structures, and a few simple FE models have been incorporated into surgical simulations. However, because of the highly computational nature of the FE method, its direct application to real-time force-feedback and visualisation of tissue deformation has not been practical for most simulations. This limitation is due primarily to the overabundance of information provided by the standard FE approaches. If the mathematics are optimised through preprocessing to yield only the information essential to the simulation task, run-time computation requirements can be reduced drastically. We are currently developing such methodologies, and have created computer demonstrations that support real-time interaction with soft tissue. To illustrate the efficacy and utility of these fast banded matrix FE methods, we present results from a skin suturing simulator which we are developing on a PC-based platform.     

具有力感觉的声带肿物切除仿真方法研究

在虚拟手术系统中,实时的图形显示和使操作者感觉到真实的操作力是非常重要的。该文介绍了在建立虚拟手术系统中,具有力感觉的声带肿物切除的仿真方法。首先介绍了软组织声带以及声带肿物的几何建模办法,考虑到虚拟手术中对实时性的要求,采用了分块建模的方法;然后通过对软组织生物力学特性的分析,利用弹簧-质量-阻尼模型对其建模。采用的算法减小了计算量,真实地仿真了声带肿物取出时声带的变形以及操作者感觉到的力。     

交通三维视景仿真软件设计方法

在当前的交通仿真研究中,虚拟现实技术的应用是热点之一也是难点之一,矛盾主要在于二者都是硬件资源的消耗大户。在目前的主流PC配置下,传统的设计方法无法给虚拟现实技术以充分的发挥空间。为此,文章提出了基于路段交通统计数据的显示模块设计新方案,并在此基础上通过分割地图多PC处理虚拟城市以及独立出显示模块,在自由交通流基础上对仿真结果二次逼近等手段突破了交通仿真研究中虚拟现实技术的应用在计算机硬件能力和网络传输能力上的瓶颈,并完成了基于Paramics—WTK平台的三维视景仿真软件。真正实现了虚拟城市环境下的交通仿真。     

自行车虚拟综合训练仿真器

虚拟现实技术在体育仿真中的应用不仅可以提高运动员的科学训练水平和竞技水平，还有利于广泛开展全民健身运动。结合实际工作，对自行车虚拟综合训练仿真器进行了较详细的叙述，讨论了自行车运行速度及车把的转角和车身倾角之间的关系，使得教练员更好地指导运动员训练，阐述了体育系统仿真和实际运动训练结合的必要性。     

救援救生仿真系统中虚拟人运动控制的实现

利用起点终点的直线距离生成Hermite曲线的方法,用该方法生成的曲线能有效地逼近原始曲线.将生成Hermite曲线的方法应用到救援救生视景仿真系统中,根据全局坐标系中建立局部坐标系以确定位姿,同时将坐标系中的位姿用矩阵形式表示,利用起点坐标和终点坐标计算得到控制点坐标,并能够保证虚拟人可以运动到终点位置.结合DOF节点作为控制虚拟人运动的控制点,同时获取正确的DOF节点相对于船的位姿,实现了虚拟人随时间变化沿Hermite曲线在摇晃的船上运动.     

虚拟操作训练系统中的过程仿真模型研究

该文深入研究了虚拟操作训练系统的仿真对象,在此基础上得到了过程仿真模型的框架结构。开放式操作响应模型是虚拟操作训练系统过程仿真模型的重要组成部分,该文在分析开放式操作行为特点的基础上,建立了基于产生式规则的操作响应模型,并给出了具体的操作响应模型数据流程。     

Java3D扩展鼠标交互功能的研究与实现

介绍了Java3D本身提供的鼠标交互功能,针对三维仿真环境中暴露出的操作性、交互性不足的问题,提出了扩展鼠标点取功能的需求,即可以对场景中任意目标物体进行操作和控制.详细论述了Java3D扩展鼠标交互功能的实现方案:首先判断鼠标点击动作,然后在获取点击范围内所有目标的列表后选择目标对象进行操作.结合具体实现的代码阐述了扩展鼠标交互功能的一般性方法,继承、重载和改写了Java3D中相关的鼠标操作类,重点讲解了实现过程中技术难点的解决方案,最后阐明了此研究工作的价值.     

虚拟现实力反馈设备的设计与实现

主要介绍了虚拟现实力反馈设备的设计与实现。文章先从力反馈设备的总体结构出发,根据设备的两种运作状态提出了设计的要求。然后讨论了运动空间、机械结构的确定等几个设计方面的关键问题的解决办法,其中重点介绍了传感器的设计。根据文中方法实现的小型力反馈设备在实际应用中取得了良好的效果。     

3DS模型在虚拟现实几何建模中的应用

几何建模是开发虚拟现实系统过程中最基本,最重要的工作之一,该文采用了3DS模型文件作为虚拟环境中几何模型的主要存储格式,并且从理论上、实际应用方法以及试验仿真结果几个方面分析了该方法的可行性,通用性,说明了在要求不高的条件下,采用3DS模型和相关的三维建模软件进行虚拟现实研究工作是一条现实的途径。     

Assembly operation process planning by mapping a virtual assembly simulation to real operation

Virtual assembly has been widely used in product development. However, virtual operation and actual operation are different in time and space, the simulation of interactive virtual assembly cannot support the assembly operation's process planning directly. In this paper, the solution for assembly operation's process planning is developed based on interactive virtual assembly. According to the solution, interactive assembly operation is used to obtain the actions of operation sequence. The actions are mapped into the data of a real operation action to obtain real operation actions. Then assembly operation cards can be obtained. To support the assembly operation actions obtained through virtual assembly simulation, a product assembly model is proposed. An operation semantic model is used to replace the geometric constraint model of assembly, which contains several ordered geometric constraints and some engineering restriction conditions. To test the solution and the models, one process planning example of an automobile engine is introduced. The results verified the feasibility and the effectiveness of the methods.     

虚拟现实技术及其应用概况

本文详细介绍了虚拟现实技术的发展和当前应用的基本情况，论述了一个虚拟现实系统的基本组成所需的软，硬件支持，并对虚拟现实技术存在的一些理论问题和技术障碍进行了讨论，最后，对该技术的未来发展作了展望。     

飞行视景仿真系统的设计与实现

讨论了将虚拟现实技术应用于飞行视景仿真,介绍了飞行视景仿真系统的组成以及各模块的功用和实现方法,提出了仿真中飞机模型位姿自动校准和飞行数据预处理的方法.     

基于增强现实的人机物理交互仿真系统研究

在增强现实系统中,真实物体和虚拟物体除了要实现视觉上的融合之外,还要能够实现视觉交互和物理交互.仿真系统采用了基于单目视觉的ARToolKit增强现实开发平台,首先对CMOS摄像头采集的图像进行处理,利用模式识别的方法对标识物进行图像匹配,然后对从标识物坐标系到摄像机坐标系的变换矩阵进行计算,实现虚实注册,最后通过对标识物空间位置的改变实现了虚实物体问的单向物理交互.实验结果表明,该系统操作简单直观,具有良好的实时性,交互性及可扩展性.     

Fast continuous collision detection and handling for desktop virtual prototyping

This paper presents an overview of our recent work on continuous collision detection methods and constraints handling for rigid polyhedral objects. We demonstrate that continuous collision detection algorithms are practical in interactive dynamics simulation of complex polyhedral rigid bodies and show how continuous collision detection and efficient constraint-based dynamics algorithms allow us to perform various virtual prototyping tasks intuitively, precisely and robustly on commodity desktop computers. Especially, we present two applications of our system to actual industrial cases. We note that both tasks are performed with a simple 2D mouse on a high-end computer.     

基于虚拟现实技术的林区交互系统研究与实现

林木场景复杂的地理地形特点和林木本身复杂的结构,使得基于林木场景的实时虚拟交互漫游在可视化的基础上对系统提出了更高的要求.在针对问题研究的基础上,提出了一种基于软件实现的林区虚拟交瓦系统的设计方法,即利用三维建模软件3ds max来进行三维视景模拟,采用虚拟交瓦平台软件Virtools进行场景驱动.通过利用软件自带的一些功能和应用技巧,可以最大限度发挥软件的优化作用来解决真实感与实时交瓦的矛盾.介绍了系统实现的框架和技术流程,并对实现过程中的场景建模技术、交互设计中的图形化设计方法以及场景优化技术做了深入阐述.经过鹫峰林区的应用,验证方法可行.