基于力反馈技术的三维模型表面绘制技术研究

本文将力反馈技术引入虚拟绘制过程中,提出一种基于力反馈技术的三维模型表面绘制方法。首先分析毛笔在三维绘制过程中的受力和变形,采用弹簧-振子模型建立三维毛笔模型;然后由毛笔碰撞变形后的最小包围球找出碰撞相关点,计算碰撞相关点的平均法矢确定投影平面,通过计算毛笔的变形得出在投影平面上的笔触,将该笔触投影到三维模型表面,同时控制毛笔的受力和运笔路径叠加笔触获得具有特定书法效果的三维笔道;最后介绍了仿真系统,使用Phantom Desktop力反馈设备在该系统中实现了三维模型表面的绘制。仿真结果表明,该方法再现了三维模型表面绘制的力觉控制过程,增强了绘制过程中的真实感。     

基于力反馈技术的毛笔笔道仿真

本文将力反馈技术引入虚拟绘制过程,提出一种基于力反馈技术的笔道仿真方法.首先通过分析力对毛笔变形的影响机理,采用弹簧-振子模型构建了一种新的毛笔力反馈仿真模型;然后通过计算毛笔模型变形时每个采样点处的笔触形状,得到笔触变化的时间序列,获得完整的笔道,实现力对笔道的动态控制.文中利用Phantom Desktop力反馈设备,成功地实现了具有力觉反馈的笔道仿真.仿真结果表明,该方法再现了传统笔道绘制中通过力触觉控制绘制的过程,有效地增强了虚拟绘制过程的真实感.     

基于复合模型的软组织变形模拟算法

为满足虚拟手术中软组织变形的精确性和实时性要求,提出一种基于复合模型的软组织变形模拟算法。该复合变形模型包括复合网格的建立,复合网格中粗糙体网格应用有限元模型,精细表面网格应用基于位置动力学模型,通过变形计算流程实现变形模拟。复合模型与传统的有限元模型和基于位置的动力学模型相比,变形的精确性和实时性取得了更好的平衡。通过变形实例,表明复合模型对于实例模型也具有很好的展示效果。     

遥操作系统中力反馈研究与实现

力反馈的研究与实现是遥操作系统研究的重要内容之一。该文设计了一种带力反馈的主从式遥操作系统。在系统中提出以虚拟手指空间位姿代替实际力作用线方向上位移的计算和基于实际材料的虚拟力外推的方法。该方法以虚拟手指的位姿来计算虚拟力,以实验所得实际材料的数据作为索引进行虚拟力的外推。实验结果表明,和以往的考虑力和变形关系的力反馈研究相比,此力反馈系统不仅简单易行,同时保证了较高的精度和刷新率。     

基于力反馈技术的干笔飞白仿真方法

将力反馈技术引入虚拟绘制过程,提出一种基于力反馈技术的干笔飞白仿真方法.该方法根据毛笔模型受力后的形态变化,提出一种笔道绘制算法;通过分析不同运笔方式下的飞白特征以及力对飞白的影响,建立了飞白纹理库;采用纹理映射和纹理融合技术将飞白纹理映射到笔道,实现了干笔飞白的计算机仿真.文中方法已成功地应用于基于力反馈技术的虚拟绘制系统,仿真效果良好.     

虚拟手术仿真中人体软组织形变技术的研究

对虚拟手术仿真中人体软组织形变技术进行深入研究,利用OpenGL三维图形标准建立了基于质点-弹簧物理模型的虚拟人体软组织形变系统。围绕虚拟手术仿真中人体软组织形变的逼真度和实时性两大要素展开研究,通过对比四边形网格结构提出了改进的基于质点-弹簧模型的正六边形几何拓扑结构,并对软组织形变动力学模型及其数值积分算法、软组织形变力反馈计算模型进行了讨论,针对以往的虚拟手术器械与软组织表面接触时作用点的最近邻质点求取算法存在的不足,提出了改进的求取算法。实验结果表明,改进的算法在模拟软组织形变时具有较好的稳定性和实时性。     

一种基于标志点的三维表面模型的切割方法

在计算机辅助虚拟手术研究中,需要对三维模型进行切割.由此,提出了利用标志点及三角剖分构建三维网格模型的方法来切割三维模型,并对切割后断开的网格进行修补,最大程度避免切割部位失真.该方法已应用到颅外科手术仿真系统中,实践证明,该方法容易实现,且能够比较精确地切割三维模型,达到理想的效果.     

弹性体力/触觉框架模型

在力/触觉建模技术中,高效的实时性与基于物理意义的准确性是与生俱来的一对矛盾.为了提高实时性与准确性的和谐程度,提出一种分析虚拟柔性体力/变形关系的框架结构模型.在柔性体内部建立一定数量并相互独立的钢架结构,运用虚功原理计算每根钢架上节点的位移;根据接触点和节点的分布,采用分水岭法将柔性体表面分割成若干区域,通过本区域内节点和接触点的位移插值计算区域内顶点的变形,进而得到柔性体的整体变形.仿真实验结果表明,该模型简便、实时性好,在具体的虚拟建模力反馈工作中可操作性强.     

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.     

支持力反馈的肝脏外科虚拟手术仿真系统

介绍一个用于外科手术的肝脏虚拟手术仿真系统。该系统基于SensAble公司的PHANTOM力反馈设备,利用虚拟现实技术实现肝脏手术过程中有关肝脏及其内部组织的多种手术操作,提供真实的视觉反馈和力反馈,具有良好的实时性。为虚拟现实技术在手术仿真中的实用化探索出一条可行的道路。