虚拟手术环境中软组织的快速碰撞检测

针对虚拟手术中软组织碰撞检测的实时性问题,提出了一种基于延迟更新策略的快速检测方法。该方法应用层次包围盒（BVH）的思想并根据拓扑结构特征来表示手术环境中的对象,同时使用延迟更新的策略来降低更新的计算量。首先用不同的层次包围盒来表示手术工具和手术对象;然后利用包围盒的相交测试快速排除不相交部分;再对可能发生碰撞的部分使用更为精确的三角面片相交测试来确定碰撞信息,最后使用延迟更新的策略来完成软组织变形时层次包围盒的更新。实验表明,该方法相较于现有算法在保持检测精度的同时能够有效提高碰撞检测的速度。     

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。     

虚拟手术中基于可碰撞集的软组织自碰撞检测算法

快速精确的碰撞检测是保证手术仿真真实性的重要条件.由于虚拟手术仿真过程中的高复杂性和高计算性,使得现有的碰撞检测已经不能满足实时性与复杂性的要求,为此提出一种新的软组织自碰撞检测方法.该方法根据软组织的曲率提取可碰撞集,基本几何元素间的自碰撞仅在该可碰撞集中发生,基本几何元素相交检测采用基于特征检测的方法.通过试验表明,该方法不仅能有效地提高碰撞检测的速度,而且能对人体软组织进行相对精确的检测.     

虚拟手术中的快速碰撞检测算法

为了解决当前虚拟手术仿真中使用单一包围盒进行碰撞检测实时性不能满足要求的问题,提出了一种针对虚拟手术的基于层次包围体的快速碰撞检测方法。该方法主要应用了层次包围盒(BVH)的思想,同时根据不同对象的拓扑结构特征,采用不同的包围盒技术来表示。首先,用层次包围盒来表示手术工具,用层次包围球表示手术对象;然后,利用包围球和方向包围盒的相交测试快速排除不相交部分;最后,对于可能发生碰撞的部分再使用更为精确的三角面片相交测试来确定碰撞信息。实验结果表明,在相同的虚拟手术场景下,提出的这种方法较使用单一的层次包围盒具有更快的速度。     

虚拟现实环境下的碰撞检测实现

为了在虚拟漫游系统中对运动物体的碰撞进行实时检测,分析了基于Vega的相交矢量检测方法,鉴于其LOS方法相交测试效率较高,但碰撞检测精确性较低,而BUMP方法的相交测试精确度较高,但大量计算占用的系统资源导致碰撞检测效率较低,提出了一种分级检测措施,即采用LOS方法做模糊相交测试,再切换到BUMP方法进行精确相交测试,旨在提高碰撞检测效率。实验结果表明,这种分级碰撞检测方法提高了运算效率,保证了检测精度,在视景仿真漫游系统中表现出满意的碰撞处理效果。     

一种改进AABB包围盒的碰撞检测算法

详细分析比较基于包围盒的碰撞检测算法中的轴向包围盒法、方向包围盒法、离散方向多面体法的检测原理和检测效率,并改进了轴向包围盒碰撞检测算法,提出利用简化包围盒边缘节点实现碰撞检测的新设想,其可行性已被初步试验证实。不仅显著提高了碰撞检测的速度,并且可以便捷地得到更为详细的碰撞检测信息,满足了进一步进行碰撞响应处理的需要。使飞行模拟机的视景系统能够实时、准确地检测出虚拟物体间的碰撞。     

基于模型约简和GPU加速的软组织实时仿真

为了得到虚拟外科手术中人体软组织的实时变形仿真,采用了基于模态分析的模型约简方法,同时结合了GPU加速技术,实现了人体软组织的实时仿真计算,为虚拟手术提供了良好的人机交互.模型约简以有限元理论为基础,将软组织模型的动力学方程投射到约筒子空间,减少系统自由度.在实时仿真过程中,首先需在子空间中对低维动力学模型进行数值计算,然后利用GPU通用计算技术来加速重建原始空间中的形变向量.以心脏大变形实时仿真为例,验证方法的性能,实验结果表明心脏的变形仿真可以在很高的刷新率下运行.提出的模型约简和GPU加速方法,为人体软组织的变形实现了实时仿真,为虚拟手术提供了理论基础和技术支撑.     

基于时空相关性的快速碰撞检测算法

针对如何提高碰撞检测算法实时性的问题,提出一种空间分解与层次包围盒相结合的碰撞检测算法,并利用物体运动的时空相关性来加速物体之间的碰撞检测速度。首先用空间分割的方法确定相邻物体,然后用基于时空相关性的层次包围盒方法检测物体之间的碰撞情况,在包围盒碰撞检测时采用加入预判的OBB相交测试方法,减少了包围盒的相交测试计算。实验结果表明,该算法能够实现多个物体同时发生碰撞的检测,并且提高碰撞检测的实时性。     

基于移动最小二乘法的无网格肝脏形变研究

在手术虚拟仿真对软组织形变研究中,采用传统的网格形变方法,由于出现网格畸变、网格重构会影响形变效果的问题.针对手术虚拟仿真要求尽可能逼真地模拟形变以达到良好的真实感,提出了一种基于移动最小二乘法的无网格方法对以肝脏为对象的软组织进行形变研究,考虑肝脏软组织生物力学特性,采用Voigt模型对肝脏软组织进行物理建模.同时,针对无网格肝脏模型的碰撞检测,提出AABB包围盒与八叉树空间分割相结合的碰撞检测算法,在肝脏模型体节点的合理布局基础上可以对碰撞进行有效准确的检测.实验结果表明,无网络方法实现简单且具有较好的形变真实感,对虚拟手术中软组织形变研究具有重要的指导意义.     

虚拟手的姿态控制与变形仿真

iHandRehab应用机器人技术与虚拟现实技术对手部损伤患者进行康复训练。主动模式下的训练任务需要在虚拟环境中模拟人手抓持和释放物体的真实过程,难点集中在虚拟手与刚性物体接触时的姿态控制和局部变形计算。根据人手的组织结构和运动特征将食指和拇指简化为3指节串联机构,通过改变各关节的旋转角度来实现虚拟手的自由运动。虚拟抓持过程中以手指的运动学模型为基础,结合前后指节需要满足的约束关系确定虚拟手的最终姿态。指节和物体分别采用点壳和距离场模型进行碰撞检测,根据点壳上碰撞点的嵌入信息计算虚拟手在接触区域的局部变形量。实验结果表明:模型能够实时准确地模拟人手抓持刚性物体时的真实状态。     

虚拟装配中基于精确模型的碰撞检测算法

针对目前虚拟装配中由多边形模型引起的碰撞检测准确性低的问题,提出一种考虑公差信息的精确碰撞检测算法.首先进行分层的多边形碰撞检测,获得发生碰撞的多边形;然后基于层次图像数据将发生碰撞的多边形映射到零件相应的几何上;再依据几何的公差信息计算碰撞阈值;最后根据碰撞阈值进行精确碰撞判定.实例验证结果表明,文中算法在保证虚拟装配系统实时性的同时,提高了碰撞检测的准确性.     

视点依赖的温室场景模拟与交互式漫游

为对包含日光温室的农业场景进行实时、逼真的绘制,采用基于视点的连续细节层次（LOD）来减少实际需要绘制的网格数据量,并基于包围盒技术实现了视点的碰撞检测,同时使用可见性剔除算法来加速场景渲染速度。在渲染温室内植物时,通过几何变换实现了大规模植物群体的快速构建,并在场景中使用阴影体算法来渲染阴影,生成了具有真实感的大规模温室农业场景。模拟结果表明该方法能有效地减少渲染的面元数目,大大提高了绘制速率,场景有较高的真实感,能够满足交互式实时漫游的要求。     

基于矩形包围盒的多边形碰撞检测算法

碰撞检测是计算机图形学领域中的一个普遍存在的问题。为了提高多边形碰撞检测的效率 ,针对简单形式刚性运动的多边形对象 ,提出了一种基于二维轴向矩形包围盒结构的平面简单多边形碰撞检测算法。该算法基于坐标轴的单调性对多边形进行分割 ,并通过矩形包围盒之间的预检来减少无关边对的相交测试 ,以加速算法的终止。由于采用轴向扫描线方法可以大大减少包围盒测试的数量和线段求交的数量 ,所以 ,经过少量的“边 -边”相交判断就能求解到所有交点 ,同时能快速地获得两多边形干涉发生的第 1位置。试验表明 :(1)对于一般多边形 ,该算法的复杂度也远远低于 O(NP× NQ) ;(2 )对于凸多边形对象 ,该算法的复杂度为 O(NP NQ) ,其中 NP,NQ 为多边形 P,Q的顶点数。由此可见 ,算法能够获得较好的运算效率     

虚拟维修中表面间碰撞检测问题研究

基于几何约束的虚拟样机中,表面间的碰撞检测是实现维修操作的必要条件.目前有一些公用的碰撞检测工具包,但这些碰撞检测工具包一般支持多面片模型,并没有利用CAD模型中的表面信息,无法确定发生碰撞的表面.该文针对虚拟维修操作的特点,提出了一种新的场景图数据结构.在该场景图下采用表面-三角面片映射和表面-对象映射,在通用的碰撞检测工具包的基础上实现表面间的碰撞检测.最后,描述了约束管理系统的结构,利用该系统可对碰撞检测系统中发生碰撞的表面进行约束识别和求解,从而有效地支持虚拟维修中的装配和拆卸操作.     

Real-time resolution of self-intersection in dynamic cylindrical free-form deformation

This paper presents a method of self-intersection detection and resolution for dynamic cylindrical-lattice-based free-form deformation (FFD). The lattice-based approach allows efficient computation of deformation of complex geometries. But excessive deformation can cause visual anomalies such as surface infiltration and distortion. This paper derives a geometrically intuitive sufficient condition to guarantee that the FFD function is a homeomorphism and there is no self-intersection. The FFD function is defined by linear and quadratic B-Spline functions with the control points of the cylindrical lattice cell. The sufficient condition is satisfied if each trilinear function of the nine prism-shaped pentahedrons derived from the cell has a positive Jacobian determinant. The positivity is satisfied if the 12 tetrahedrons derived from the pentahedron have positive volumes. Based on the sufficient condition, the proposed method converts the self-intersection problem into a point-face collision detection and response problem suitable for dynamic simulation. The efficiency and accuracy of the self-intersection detection algorithm is analyzed and compared with a previous method. The results show that the proposed technique allows simulation of excessive deformation of tubular objects in an efficient and realistic manner.     

基于视线的智能碰撞检测方法

针对在虚拟漫游系统中运动物体的碰撞检测问题,提出一种基于视线的智能碰撞检测方法。分析虚拟现实漫游环境中碰撞检测的基本原理和基于视线的碰撞检测,采用模糊控制隶属函数提高碰撞检测效率。实验结果表明,该方法的运算效率和检测精度有所提高,能避开墙体和障碍物。     

Out-of-core real-time haptic interaction on very large models

In this paper we address the problem of fast inclusion tests and distance calculation in very large models, an important issue in the context of environments involving haptic interaction or collision detection. Unfortunately, existing haptic rendering or collision detection toolkits cannot handle polygonal models obtained from 3D digitized point clouds unless the models are simplified up to a few thousand polygons, which leads to an important lack of detail for the scanned pieces. We propose a data structure that is able to manage very large polygonal models (over 25M polygons), and we explain how this can be used in order to compute the inclusion of a point into the solid surface very efficiently, performing several thousand point-in-solid tests per second. Our method uses a data structure called EBP-Octree (Extended Bounding-Planes Octree), which is a very tight hierarchy of convex bounding volumes. Based on a spatial decomposition of the model using an octree, at each node it defines a bounding volume using a subset of the planes of the portion of the polygonal model contained at that node. We use the EBP-Octree in a haptic interaction environment, where distance tests and the orientation of collided triangles must be accurate and fast. We also demonstrate that the proposed algorithm largely meets the interactive query rate demanded by a haptic interaction (1 kHz), despite being executed in a single CPU thread on a commonly available computer.     

Guaranteed collision detection with toleranced motions

We present a method for guaranteed collision detection with toleranced motions. The basic idea is to consider the motion as a curve in the 12-dimensional space of affine displacements, endowed with an object-oriented Euclidean metric, and cover it with balls. The associated orbits of points, lines, planes and polygons have particularly simple shapes that lend themselves well to exact and fast collision queries. We present formulas for elementary collision tests with these orbit shapes and we suggest an algorithm, based on motion subdivision and computation of bounding balls, that can give a no-collision guarantee. It allows a robust and efficient implementation and parallelization. At hand of several examples we explore the asymptotic behavior of the algorithm and compare different implementation strategies.     

碰撞检测在虚拟心脏介入手术中的应用

虚拟手术系统是虚拟现实技术在现代医学的重要应用。碰撞检测是虚拟手术系统的基础问题。基于心脏介入手术中碰撞的特点,提出了结合空间分解和包围盒层次的混合碰撞检测算法。它能够满足虚拟心脏介入手术系统中对碰撞检测的实时性要求。该算法对被检测对象形变引起的更新不敏感,具有天然的解决可变形对象间碰撞检测的能力。     

基于改进碰撞检测算法的肝门静脉结扎仿真

为了对虚拟肝脏手术中肝门静脉的结扎进行仿真,提出了一种改进的碰撞检测算法。改进的碰撞检测算法主要包括三个方面:缝合线的自碰撞检测、缝合线的运动分解,以及缝合线与肝门静脉模型的碰撞检测。缝合线的模拟采用跟踪控制点FTL算法,采用包围球法对缝合线进行自碰撞检测;提出运动分解方法来防止缝合线发生自穿透;将包围球法和空间网格划分法相结合,实现缝合线和肝门静脉之间的碰撞检测;同时,肝门静脉的形变采用设置刚体核的几何模型来模拟,使用虚拟弹簧振子来实现结扎时的触觉反馈。将改进的碰撞检测算法运用到虚拟肝脏手术中,满足虚拟场景中真实感和实时性的要求。