虚拟膝关节手术中基于骨架的实时形变方法

针对带有骨架的3D模型的大范围形变问题,提出一种改进的梯度域方法,通过在容易引起体积失真的部位(如关节)加入虚拟节点构建体图,采用体微分坐标实现保持体积的形变。通过修改能量函数中的权值,实现表面材料相关的形变。实验表明,该方法能够满足虚拟膝关节手术的实时性和真实感要求。     

虚拟手术中肝脏形变仿真系统

由于肝脏具有复杂的生物力学特性,因此在进行形变仿真时,计算量大而难以达到实时性要求;同时在对肝脏形变实时仿真时却很难达到真实感.为了解决这一矛盾,需要研究一种可以自动依据手术器械操控区域及施力大小而动态转换的混合模型,通过理论分析提出了一种肝脏网格与无网格混合模型的构建方法.实验结果表明,该算法具有较高的计算效率且形变具有较好效果,能够满足虚拟肝脏手术仿真的真实感与实时性要求,对虚拟肝脏软组织手术研究具有一定的指导意义.     

虚拟膝关节镜手术中保持单元质量的体网格形变方法

在虚拟膝关节手术中,需要对膝关节进行大范围形变的实时模拟。本文针对四面体网格的膝关节模型,提出了采用LSD度量建立形变能量,然后将带约束的最优化问题转化为不带约束的最优化问题,最后通过带Armijo线性查找的非精确牛顿法求解最优化问题。在求解过程中,通过预估未知点的位置,减少迭代步数,提高了算法的效率。这种方法具有较好的保体积性,同时保证形变后的四面体网格不出现体元翻转和退化。该方法也能推广应用于其它类似的关节弯曲运动的变形中。     

面向普通用户的3D虚拟人脸动画

为合成真实感人脸动画,提出一种实时的基于单摄像头的3D虚拟人脸动画方法.首先根据用户的单张正面人脸图像重建用户的3D人脸模型,并基于该人脸模型合成姿态、光照和表情变化的人脸图像,利用这些图像训练特定用户的局部纹理模型;然后使用摄像头拍摄人脸视频,利用特定用户的局部纹理模型跟踪人脸特征点;最后由跟踪结果和3D关键形状估计Blendshape系数,通过Blendshape模型合成的人脸动画.实验结果表明,该方法能实时合成真实感3D人脸动画,且只需要一个普通的摄像头,非常适合普通用户使用.     

基于改进弹簧振子模型的实时肌腱模拟

在膝关节前交叉韧带重建仿真系统中,为了进行人体肌腱实时模拟,提出一种基于改进弹簧振子模型的实时肌腱模拟方法,通过定义非线性弹簧,降低线性弹簧振子模型“超弹性”现象的发生概率,从而增强肌腱应力的仿真效果,利用添加临时性约束弹簧的方法进行碰撞处理,同时用隐式欧拉方法求解模型,提高肌腱模拟的整体性和实时性。实验结果表明,该方法符合系统对实时性和真实感的要求。     

基于物理模型的火苗动画

本文提出了一种基于物理模型的火苗数值模拟方法。真实感和实时性是计算机图形学追求的两个目标。传统的动画技术生成的物体运动是虚拟的,并不能完全反映物体的真实运动。与传统的动画技术相比,基于物理的动画更能表现运动的真实性。本文在用非粘性不可压欧拉方程表示火苗物理模型的基础上,利用破开算予法将其分解成外力项、对流项和投影项分别进行求解,每一步都稳定,因而整个求解也就稳定。求解过程的稳定性保证了模拟可以用大时间步长,也就保证了模拟的实时性。与传统的方法相比,能同时满足计算机图形学的真实感和实时性要求。     

基于GPU的海浪特效实时渲染

对于海浪特效的模拟能有效增强海洋场景仿真的真实感,模拟的实时性也是海洋场景仿真系统的重要需求之一.为了实现基于GPU的海浪特效实时渲染,以PM海浪谱为基础进行了研究,从而生成海浪高度场,并结合视相关反投影方法生成海浪网格,采用硬件着色器进行基于物理光照模型的实时光照处理,生成了具有较强真实感的海面效果,较好地满足了时渲染场景实时性和真实感的要求,达到了实时视景仿真系统中对海洋模块的实时仿真要求.     

虚拟手术中的模型实时绘制

实时的视觉反馈在虚拟手术中可以加强操作者的沉浸感。该文分析了体绘制和面绘制的优缺点,在系统实时性的要求下,实现了基于立体纹理映射的三维体模型的面绘制。算法在容许实时交互的同时,为操作者提供了真实感较强的视觉反馈。由于文中立体纹理生成及纹理坐标计算的特殊性,对虚拟手术中的拉压变形和切割等操作也能很好地处理。     

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.     

网络环境中虚拟树木的建模和实时渲染研究

在网络环境中虚拟树木表现技术上,如何达到网络传输的实时性和视觉效果的平衡一直是国内外学者研究的热点.论文摹于Java3D技术,提出了一种web环境下虚拟树木的实时建模和渲染方法.该方法以树木特性为依据设计了虚拟树木场景结构以及基于web的虚拟树木建模算法.在树木场景创建以及渲染过程中采用多种优化技术如面片建模、LOD方法等既保证视觉效果又有效减少场景面片数以加速场景的漫游显示速率.经过测试,构建的基于Web的虚拟树木场景不但具有较强的真实感及良好的交互性,而且满足网络实时传输的要求.     

一种基于物理的实时细节保持变形算法

实时变形是计算机图形学研究的热点问题之一,复杂物体的实时变形至今仍未得到很好的解决.从物理变形方法和多分辨率网格编辑技术的优点出发,提出了一种适合于复杂弹性物体的实时变形算法.在预处理阶段,将原始精细网格模型进行简化以建立其基网格表示,基于基网格对模型的局部细节特征进行编码;在实时绘制阶段,在基网格上进行物理变形操作,并通过变形后的基网格和细节编码重构出变形后的精细网格.以上过程充分利用图形硬件的并行处理能力,利用像素处理器进行大部分计算操作.实验结果表明,该算法在变形过程中较好地保持了物体的局部特征,适合于表面细节复杂物体的实时变形应用.     

基于二维轮廓序列的膝关节三维重建

提出了一个基于二维轮廓序列的四面体网格生成方法,用于医学图像三维几何模型重构.该方法首先对各选定的断层图像提取目标轮廓并做分支匹配等处理,然后生成各轮廓内部平面域的三角网格,最后在相邻断层之间根据三角网格连接四面体单元.该方法被应用于人体膝关节虚拟手术系统的三维几何建模,得到的膝部股骨模型包含494个节点和2 046个四面体单元,膝部脂肪模型包含2 854个节点和14011个四面体单元,这些模型被成功地应用于膝关节手术仿真,从而证明了该三维模型重建方法的可行性和有效性.     

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.     

城区建筑物3D景观模型建立

为了在2D GIS基础上实现城市建筑物的3D显示,提出了一种建立建筑物3D模型的方法,该方法首先采用最大包围盒法将建筑物3D模型与2．5D DEM集成在一起,然后采用了Meier关系数据结构的表示城区建筑物几何模型中的拓扑信息和属性信息,并通过VRML浏览器业实现城市景观的交互显示,从而实现了利用常规2D GIS数据建立建筑物3D景观虚拟模型,实验结果表明,该方法能在VRML浏览器中以各种视角,在各个位置和按各种缩放比例,对建筑物模型进行动态观察,并在计算机屏幕上实现立体显示,根据实验结果和分析可见,随着2D GIS的发展成熟,利用常规2D GIS数据来建立建筑物3D景观模型的条件已经具备。     

三维机械虚拟模型库的研究

提出了机械零部件三维模型库的构建思路与方法,介绍了三维建模、虚拟现实、数据库及网络技术。通过虚拟现实技术和网络技术实现了三维模型在网络上的传播及用户对三维模型的旋转、平移、放大、及缩小等实时交互操作。     

A virtual 3D interactive painting method for Chinese calligraphy and painting based on real-time force feedback technology

A novel 3D interactive painting method for Chinese calligraphy and painting based on force feedback technology is proposed. The relationship between the force exerted on the brush and the resulting brush deformation is analyzed and a spring-mass model is used to build a model of the 3D Chinese brush. The 2D brush footprint between the brush and the plane of the paper or object is calculated according to the deformation of the 3D brush when force is exerted on the 3D brush. Then the 3D brush footprint is obtained by projecting the 2D brush footprint onto the surface of the 3D object in real time, and a complete 3D brushstroke is obtained by superimposing 3D brush footprints along the painting direction. The proposed method has been successfully applied in a virtual 3D interactive drawing system based on force feedback technology. In this system, users can paint 3D brushstrokes in real time with a Phantom Desktop haptic device, which can effectively serve as a virtual reality interface to the simulated painting environment for users.     

一个基于全景图的虚拟环境漫游系统

虚拟现实的实现有两种方法。传统上,使用三维图形学方法进行建模和绘制,这种方法需要繁琐的建模工作和昂贵的专用绘图硬件,而且用三维模型很难真实表现自然景观。基于图像的绘制是实现虚拟现实系统的一种新方法,它克服了三维图形方法的上述缺点,近年来得到了日益广泛的应用。文章讨论了一个基于图像的虚拟环境漫游系统的实现,分析了此类系统的模型,介绍了系统实现中摄像机定标、图像拼接、实时图像变换等关键技术。