应用于网上虚拟手术的自适应变形模型

提出并开发了一种适用于网上虚拟手术的自适应变形模型.在这个模型里,外力逐层地传播到软组织里,从而导致变形.通过控制外力的渗透深度,变形只局限在某些区域内发生,而模拟的计算量和准确性亦得以优化.该方法避免了在传统的质点弹簧模型中建立刚度矩阵的繁复程序.实验结果表明,这个模型可以用来模拟不同机械特性的材料,亦可用于在虚拟环境里模拟多用户的协同工作,或与多自由度的触觉式设备结合使用.     

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。     

一种用于软组织变形仿真的支撑球弹簧模型

基于经典的质点弹簧模型原理,提出一种用于软组织变形仿真的物理模型——支撑球弹簧模型。定义一系列具有质量、惯性以及体积特征的六自由度弹性支撑球,贴近软组织面模型下表面排布,支撑球之间由弹簧连接,共同构成软组织的支撑骨架来控制软组织的整体变形。软组织面模型的网格节点通过独立的弹簧与支撑骨架相连,当支撑骨架发生变形时将带动整个软组织发生变形。将此模型运用到角膜变形仿真中,获得了快速、稳定的变形效果,可进一步用于角膜虚拟手术。理论与实践均表明,该模型简单实用,效果良好。     

用于地下油库系统的虚拟监测软件界面的设计

本文论述了虚拟现实技术以及建模、三维图形加速的基本原理,并探讨了几何对象之间的碰撞检测以及逼真场景与图形加速之间的协调问题.在此基础上,针对钢铁厂地下油库监测现场,探索并完成了油库虚拟监测软件界面的设计与开发,并将得到实际应用.     

实时交互式软组织切割与变形计算模型

为提高虚拟手术模拟的交互性与实时性,提出一种软组织实时切割与变形计算模型.该模型以混合有限元模型为基础,根据手术过程中不同区域的交互特点,利用GPU加速手术区域的切割与变形计算;同时,对非手术区域的软组织因交互而引起的实时变形可通过选择性相乘的方法快速实现.实验结果充分证明,该计算模型可以灵活有效地实现实时软组织的交互切割与变形模拟.     

利用VRML技术建造网上虚拟模型库

现代教学模式突破了有围墙的学校教育，使学生可以摆脱课堂教学时空的限制，借助计算机网络进行探究学习。传统机械制图教具因易损，不利于学生进行探究学习及实现资源共享。本文探讨了利用VRML技术结合Auto CAD、3dsmax、Photoshop、Dreamweaver等软件建造网上虚拟模型库的方法。     

基于VRML的虚拟卧室模型

虚拟现实(VR:Virtual Reality)是集计算机技术、传感与测量技术、仿真技术、微电子技术等为一体的综合集成技术,其目标为通过人工合成的经历来表示信息,让人在网络中感受到从现实生活中感受到的一切.VRML虚拟现实建模语言(Virtual Reality Modeling Language)被称为"第二代Web",它是描述虚拟现实场景的一种标准,利用它可以在Internet建立交互式的三维多媒体的虚拟世界.在VRML的基础上,实现了一个卧室的虚拟现实模型,其中包括多个物体在虚拟现实中的设计;在传统虚拟建模方法的基础上,尤其注重纹理和材质相关技术的应用,以改善虚拟物体的真实感,取得了令人满意的效果.     

一种用于实时软组织变形仿真的有限元模型

软组织模型的变形计算是虚拟手术中的一个重要组成部分,尽管大量的研究一直致力于模拟软组织的形变,软组织变形的建模仍然是一个具有挑战性的问题。从仿真实时性的角度,提出了一种基于混合有限元模型的软组织模型解决方案。实验仿真表明该方案提高了计算效率,节省了大量内存,实验仿真表明达到了实时性仿真水平。     

利用VRML技术建造网上虚拟模型库

现代教学模式突破了有围墙的学校教育,使学生可以摆脱课堂教学时空的限制,借助计算机和网络进行探究学习。传统机械制图教具因易损,不利于学生进行探究学习及实现资源共享。本文探讨了利用VRML技术结合AutoCAD、3dsmax、Photoshop、Dreamweaver等软件建造网上虚拟模型库的方法。     

VRML在动物解剖学虚拟实验中的应用

虚拟实验是指应用虚拟现实技术来仿真实际实验的计算机应用系统.提出虚拟解剖实验,使用网上虚拟现实中应用比较广泛的VRML技术,剖析它的特点,分析它的交互机制,并将该技术应用于动物解剖学虚拟实验中.使用3DSMax对动物几何建模,导出成VRML格式文件,再对VRML文件添加Sensor（传感器）、Route（路由）和Script（脚本）,使静态的场景能响应用户的操作,最后再对文件进行优化,完成狗解剖虚拟实验.     

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.     

虚拟手术中软组织形变仿真研究综述

软组织结构是一种非线性、各项异性、近似不可压缩的粘弹性材料体,而软组织变形仿真是虚拟手术系统中最重要的研究方向之一,同时也是难点之一。本文首先对虚拟手术做了大致的介绍,然后重点分析和总结了软组织形变的各种方法,从几何方法到物理方法,从网格模型到无网格模型,并列举了最近几年的研究情况。其中对目前比较流行的有限元方法做了较为详细的说明。最后对未来发展方向进行了展望和总结。     

网络虚拟实验室应用研究

为了满足远程教育对实验的新要求，我们尝试使用VRML、Java等工具在内联网上实现了网络虚拟实验室，在条件充分后很容易扩展到因特网上。     

虚拟肩关节镜手术中软组织形变的模拟

为实现虚拟肩关节镜手术中软组织的形变模拟,提出一种改进的质点-弹簧模型.通过自适应采样及K阶最邻近节点快速查询算法,建立表面质点密度高而中心质点密度低的拓扑结构模型,在传统质点-弹簧形变模型的基础上,增加防止弹簧翻转的复原力,采用计算统一设备构架实现图形处理器的加速.模拟结果表明,该模型能够实现较真实的形变模拟.     

虚拟手术中模拟软组织切割的混合弹性模型

虚拟手术仿真系统应该同时满足真实性和实时性的要求.弹簧质点模型可以满足实时性的要求,但它无法模拟人体的粘弹性特征;而传统的有限元模型虽然可以模拟人体的粘弹性特征,但巨大的时间消耗使得这个方法几乎无法给出实时的反馈.混合弹性模型是一种基于有限元方法的优化模型,由于采用了简化措施,使得它既克服了弹簧质点模型的缺陷;同时也满足了虚拟手术的实时性要求.实验证明混合弹性模型在虚拟手术的真实性和实时性之间达到了一个较好的折中效果,它可以实时的提供视觉反馈,同时也使在虚拟手术系统中引入力反馈器成为可能.     

基于Web的虚拟设计中VRML实时模型的可交互处理方法

提出一种基于Web的虚拟设计系统的基本结构,对其中在Web页面上展示产品的VRML模型提出了一种可实时交互的处理方法,包括对VRML模型的可交互操作进行预定义、预定义的节点信息和数据库之间的逻辑关系以及根据预定义信息对VRML模型文件进行自动处理的相关算法,最后在系统原型中具体实现了该方法。     

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。