虚拟手术中血流特效场景仿真的研究

血流特效场景可以增强虚拟手术的真实感。虚拟手术中的血流特效场景包括了有交互的血液模拟及血管壁模拟。首先基于光滑粒子流体动力学,使用Physx物理引擎模拟血液流动的物理形态,并利用Screen Space Flow算法对血流表面进行实时渲染。然后基于质点-弹簧模型,提出使用Physx物理引擎模拟可交互、有弹性形变及可切割的血管壁。最后实现两个实验场景:场景一实现肺动脉内大规模血液流动的特效;场景二实现在用户交互下的血管壁形变和切割,并通过触发事件实现血管壁破裂流血的特效。实验结果表明,该血流及血管壁模拟方法在40 000个粒子下仍能保证实时绘制,满足虚拟手术的需求。     

人体头部变形模型研究

针对传统几何造型呆板静态的缺点,在人体头部模型中提出采用基于简化弹簧质点系统的物理建模技术。研究了简化弹簧质点系统的质点受力计算和方程组求解技术。根据人体头部特点,作特征参数化处理,并将头表面简化成由弹簧连接的线弹性质点系统。经实验,该变形模型能实时计算描述动态变形过程,达到了较好的仿真显示效果。     

快速的布料碰撞检测和有效的接触摩擦算法

为了快速处理布料的碰撞检测并获得真实的接触摩擦仿真效果,提出一种基于罚函数的碰撞/接触解决方案.首先,采用质点-弹簧模型进行布料的仿真模拟,在弹簧形变方向添加改进的阻尼力,以减少粒子之间的振荡来保证系统稳定性;其次,采用代数非穿透滤波器对连续碰撞检测算法进行简化求解,快速判断是否存在方程根,提高布料每帧运行的仿真效率;最后,采用库仑约束和接触约束对每个碰撞/接触对进行约束,并结合改进的罚函数法有效地响应所有的碰撞/接触对.实验结果表明,该算法在CPU仿真环境下能快速有效地处理布料的碰撞和接触摩擦,模拟出布料复杂的物理行为,适用于实时的交互应用.     

实时刚体破碎特效仿真研究

刚体仿真是图形学研究的热点之一,但是单纯依据物理规律进行仿真达不到实时性要求.依据攻击武器的运动轨迹在目标的八叉树结构上抽取空间连续的子块,设计了一种摧毁区域锁定算法;提出一种刚体预破碎模式,采用线性约束连接子块和块内元素,并用统一的算法检测由攻击武器的碰撞引起的约束动态受损情况.线性约束的不同程度破损或导致子块的分裂,或导致块内基础元素的分裂,将形成不同程度的破碎特效.最后设计了实时刚体破碎特效实验方案并构建仿真系统.实验表明,该种模式不仅较好地体现了刚体破碎特效,也简化了刚体破碎仿真的复杂性,相应的破碎特效能够拓展到具有实时性需求的虚拟现实应用环境中.     

基于改进质点弹簧模型下的布料实时仿真

布料模拟一直是计算机动画的研究热点.且对于虚拟现实技术有着重要意义.在以往的研究中,人们提出了许多模拟织物运动的方法,方法的一个主要缺点是复杂度高、计算效率低,无法满足交互设计和实时动画的要求.在经典质点掸簧模型的表示基础上结合Choi的布料模型,通过简化弹簧弯曲抗力的计算方法,合并了弹簧的结构力和剪切力,从而达到了简化了布料物理模型的目的,提高了模拟的速度.实验证明,采用经改进的质点弹簧模型可以得到实时稳定的布料仿真效果.     

真实软组织特性的肝脏组织物理建模及受力分析优化

为解决人软组织系统物理建模过程中存在的精确性与实时性之间的矛盾,选择典型的人体软组织——肝脏为实验对象,建立了一套满足实时性的复杂软组织物理建模方法.首先在基于表面模型的质点-弹簧系统基础上引入了体弹簧,采用能够满足体行为模拟的质点-弹簧模型;在质点质量分配方面,采用体离散化的方法完成了质点质量的确定,同时提出了基于层次包围盒的重心修正方法;在弹簧参数设定方面,通过真实软组织生物力学实验和参数分析,提出分段线性化弹簧参数设定方法;最后提出了作用力影响范围的受力优化分析方法,以提升变形仿真的速度.实验结果表明,该方法能够更好地模拟软组织的形变,并提高模拟仿真的实时性.     

基于改进弹簧-质点模型的柔性绳索仿真

针对虚拟吊装训练系统中柔性绳索模拟仿真时存在的实时性、逼真程度较差等问题,基于物理建模提出了一种蜂窝状弹簧-质点模型应用于绳索形变仿真.该模型依据绳索细长、柔韧等特点,将传统正方形弹簧质点网格改进为蜂窝状弹簧-质点模型,其由多簇六边形立柱状弹簧-质点包围而成,绳索各部分质量均匀分布,质点间设置4种弹簧模拟绳索内部弯曲、扭转、拉伸等形变特性;为加快求解速度同时保证精度要求,使用改进的Verlet-梯形预测-校正法对数值计算进行求解.仿真结果表明,文中模型是可行的;数值计算结果表明,Verlet-梯形预测-校正法在效率、精度方面均优于其他数值计算方法.     

基于PhysX物理引擎的布料仿真技术的研究与实现

运用布料仿真技术中的物理方法来实现对布料印制效果的三维展示.首先对布料建立弹簧-质点模型,分析弹簧-质点模型的受力状况,以牛顿第二定律作为理论基础,用PhysX物理引擎中的模拟函数模拟布料的运动,并解决了仿真中与刚体的碰撞问题与布料自身的碰撞问题.最后通过生成多个仿真效果和加入多种交互功能,构建了适用于印花图案设计产品的虚拟展厅.     

织物三维动态模拟

在质点一弹簧模型的基础上，对织物模型进行进一步的简化．将连接质点的弹簧换成了刚性杆，同时采用Verlet积分法计算质点的位置和速度．该算法简单、快速而又稳定，具有很好的实时效果．     

实时力反馈技术在手术仿真中的实现与应用

文章介绍了一种应用于手术仿真中的实时力反馈技术。主要讨论了其实现的步骤过程和系统仿真结构,分析了其采用的质点-弹簧-阻尼器物理仿真模型,并描述了手术仿真中虚拟手术器械挤压软组织模型的面弹力和在软组织表面上的粘滞摩擦力的实现原理和方法,同时,为手术仿真中实时力反馈的实现和应用提出了一种解决的方案。     

An improved memetic algorithm using ring neighborhood topology for constrained optimization

This paper proposes an improved memetic algorithm relying on ring neighborhood topology for constrained optimization problems based on our previous work in Cai et al. (Soft Comput (in press), 2013). The main motivation of using ring neighborhood topology is to provide a good balance between effective exploration and efficient exploitation, which is a very important design issue for memetic algorithms. More specifically, a novel variant of invasive weed optimization (IWO) as the local refinement procedure is proposed in this paper. The proposed IWO variant adopts a neighborhood-based dispersal operator to achieve more fine-grained local search through the estimation of neighborhood fitness information relying on the ring neighborhood topology. Furthermore, a modified version of differential evolution (DE), known as “DE/current-to-best/1”, is integrated into the improved memetic algorithm with the aim of providing a more effective exploration. Performance of the improved memetic algorithm has been comprehensively tested on 13 well-known benchmark test functions and four engineering constrained optimization problems. The experimental results show that the improved memetic algorithm obtains greater competitiveness when compared with the original memetic approach Cai et al. in (Soft Comput (in press), 2013) and other state-of-the-art algorithms. The effectiveness of the modification of each component in the proposed approach is also discussed in the paper.     

基于量子行为粒子群优化的软子空间聚类算法*

针对软子空间聚类算法搜寻聚类中心点容易陷入局部最优的缺点,提出在软子空间聚类框架下,结合量子行为粒子群优化(QPSO)和梯度下降法优化软子空间聚类目标函数的模糊聚类算法.根据QPSO全局寻优的特点,求解子空间中全局最优中心点,利用梯度下降法收敛速度快的特点,求解样本点的模糊权重和隶属度矩阵,最终获取样本点的最优聚类结果.在UCI数据集上的实验表明,文中算法可提高聚类精度和聚类结果的稳定性.     

Soft fuzzy rough set-based MR brain image segmentation

Fuzzy sets, rough sets are efficient tools to handle uncertainty and vagueness in the medical images and are widely used for medical image segmentation. Soft sets are a new mathematical approach to uncertainty and vagueness. In this paper, a hybrid segmentation algorithm based on soft sets namely soft fuzzy rough c-means is proposed to extract the white matter, gray matter and the cerebro spinal fluid from MR brain image with bias field correction. In this algorithm, soft fuzzy rough approximations are applied to obtain the rough regions of image. These approximations are free from defining thresholds, weight parameters and are less complex compared to the existing rough set based algorithms. Soft sets use similarity coefficients to find the similarity of the clusters formed in present and previous step. The proposed algorithm does not involve any negative region, hence all the pixels participate in clustering avoiding clustering mistakes. Also, the histogram based centroids choose the centroids close to the ground truth that in turn effect the definition of approximations, standardizing the clusters. The proposed algorithm evaluated through simulation, compared it with existing k-means, rough k-means, fuzzy c-means and other hybrid algorithms. The soft fuzzy rough c-means algorithm outperforms the considered algorithms in all analyzed scenarios even in extracting the tumor from the brain tissue.     

A Kriging-assisted multiobjective evolutionary algorithm

A surrogate-assisted (SA) evolutionary algorithm for Multiobjective Optimization Problems (MOOPs) is presented as a contribution to Soft Computing (SC) in Artificial Intelligence (AI). Such algorithm is grounded on the cooperation between a “pure” evolutionary algorithm and a Kriging based algorithm featuring the Expected Hyper-Volume Improvement (EHVI) metric. Comparison with state-of-art pure and Kriging-assisted algorithms over two- and three-objective test functions have demonstrated that the proposed algorithm can achieve high performance in the approximation of the Pareto-optimal front mitigating the drawbacks of its parent algorithms.     

改进的无损压缩算法在软电话中的研究与应用

PC-Phone业务已经成为目前业界关注的焦点，该文研究了以SIP为会话初始协议的一个支持视频和音频的多媒体可视软件电话(Soft Pone)设计与实现，并在此基础上提出了一种改进的LZW无损压缩算法实现对Soft Phone中SIP文本消息的无损压缩，达到了降低传输延迟、缩短会话建立时间的目的。     

改进的无损压缩算法在软电话中的研究与应用

PC-Phone业务已经成为目前业界关注的焦点，该文研究了以SIP为会话初始协议的一个支持视频和音频的多媒体可视软件电话（SoftPone）设计与实现，并在此基础上提出了一种改进的LZW无损压缩算法实现对SoftPhone中SIP文本消息的无损压缩，达到了降低传输延迟、缩短会话建立时间的目的。     

基于信息熵模糊聚类和粗糙集理论故障的模糊判据研究

复杂电子系统的缓变故障是故障预报的难点之一,针对这一问题提出了基于信息熵模糊聚类和粗糙集理论的故障决策判据方法;该方法主要分两个步骤:以信息熵作为聚类标准,采用谱系的方法确定聚类数目,然后通过FCM模糊聚类构造故障决策表;利用粗糙集理论对故障决策表进行简化和最小化,最终形成带评价的简约故障决策判据;该方法改进了一般模糊聚类算法的不足,克服了先验信息和知识不准确、不完整、不一致情况下故障决策表获取与更新的困难;实际算例表明,信息熵模糊聚类方法比一般模糊聚类方法的聚类质量更高,更客观真实。     

A sub‐pixel mapping algorithm based on sub‐pixel/pixel spatial attraction models

Soft classification techniques avoid the loss of information characteristic to hard classification techniques when handling mixed pixels. Sub‐pixel mapping is a method incorporating benefits of both hard and soft classification techniques. In this paper an algorithm is developed based on sub‐pixel/pixel attractions. The design of the algorithm is accomplished using artificial imagery but testing is done on artificial as well as real synthetic imagery. The algorithm is evaluated both visually and quantitatively using established classification accuracy indices. The resulting images show increased accuracy when compared to hardened soft classifications.     

卡尔曼滤波器在传感器软故障诊断中的应用

传感器发生软故障的特征是变化缓慢、不易检测。为克服传感器检测这一缺点设计了一种软故障诊断算法。该算法是在多重故障假设基础上,使用卡尔曼滤波器产生残差,采用加权二乘方（Weighted Sum of Squared Residuals,WSSR）方法对滤波残差进行处理,从而方便快速地检测出传感器的软故障,并实现隔离和重构。仿真实验表明,算法能很好地实现传感器软故障的检测、隔离和重构,不会发生误报和漏报现象。     

基于超球体的一种探测器集构造算法

借鉴免疫细胞工作机理,提出了免疫体概念.利用该免疫体技术构造了一种探测器集构造算法,并把位图索引技术引进到免疫体的构造当中.理论分析和实验结果表明,该算法大大降低了探测器“异己”检测计算复杂度和探测器集存储空间复杂度.最后把该算法应用于恶性可执行体的检测中,并与穷尽式探测器生成算法进行了全面比较,结果表明该算法有明显的优势.