一種軟組織形變的局部質點彈簧模型的實時動態生成方法
【專利摘要】本發明屬于計算機圖形學領域，具體地說是一種虛擬手術系統中模軟組織形變的局部質點彈簧模型的實時動態生成方法。本發明定義一個用于選擇局部區域的圓形拾取工具；根據需要，改變圓形拾取工具的位置和尺寸；將當前場景中的軟組織模型投影至圓形拾取工具所在平面，根據投影模型和圓的位置關系，提取出位于圓形拾取工具區域內的頂點和三角形集合；再頂點集合的邊界點分離出來；最后實時生成模型，并將邊界點固定。該發明很大程度地提高了系統的實時性，為力覺反饋的實時更新奠定了基礎。此外本發明的方法簡單，速度快，可有效地用于虛擬手術系統的軟組織形變仿真中。
【專利說明】一種軟組織形變的局部質點彈簧模型的實時動態生成方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于計算機圖形學領域，具體地說是一種虛擬手術系統中模軟組織形變的局部質點彈簧模型的實時動態生成方法。
【背景技術】
[0002]虛擬現實技術涉及計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等領域，它用計算機生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，使人作為參與者通過適當裝置，自然地對虛擬世界進行體驗和交互作用。
[0003]虛擬現實技術在醫學方面的應用具有十分重要的現實意義。傳統手術訓練使用人類的尸體、動物或橡膠人體模型作為訓練對象，存在著諸多局限性，虛擬手術技術的出現成為解決此類問題的重要手段。這種手術訓練系統能夠對手術全過程進行訓練，這將極大地提高外科手術的學習效率、降低手術訓練成本。另外，在遠距離遙控外科手術，復雜手術的計劃安排，手術過程的信息指導，手術后果預測及改善殘疾人生活狀況，乃至新藥研制等方面，虛擬現實技術都能發揮十分重要的作用。
[0004]在模擬虛擬手術系統中軟組織形變過程的時候，通常使用的物理建模策略是質點一彈簧模型(簡記為MSS)，質點一彈簧模型，顧名思義是基于虛擬質點及彈簧建立起來的一種物理模型。設質點數為n，其相應的彈簧連接數量與質點之間的連接數量一致。其中(I)是系統的形變微分方程:
【權利要求】
1.一種軟組織形變的局部質點彈簧模型的實時動態生成方法，其特征在于: (1)獲取當鼠標左鍵按下時，鼠標在屏幕坐標下的位置(X，y)，選取近側裁剪平面Z=Zp為投影面，將屏幕坐標(X，y)變換為三維空間坐標(X，y, zp)，然后再以點(X，y, Zp)為中心、長度Rinit為半徑，進行局部區域的圓形拾取，進行圖形渲染，投影面即是透視投影中的近裁剪面Zp ; (2)定義拾取區域，動態更新拾取區域的位置和尺寸，設此時圓的中心為(^?^?，％)，半徑為Rnew ； (3)將軟組織模型的頂點投影至近裁剪平面zp，以判斷投影后的頂點和步驟(2)中以(x_，ynM，zp)為中心、R_為半徑的圓的位置關系:1)將軟組織模型的全部頂點投影至屏幕坐標下，坐標為(Xi，yi; Zi) ;2)屏幕坐標下的坐標投影至近裁剪面zp，坐標分別為(xPi，yPi，zp)，遍歷所有的點(xPi，yPi, zp)，根據軟組織投影點和圓的位置關系，提取出位于圓內的點集和三角形集合，分別設為P和T ; (4)根據集合T中三角形的網格拓撲關系，從頂點集合P中分離出邊界點集，設為集合B: O建立一個臨時點數組Temp，并置為空； 2)對當前點的所有鄰接三角網格上異于當前點的點進行判斷:如果臨時點數組Temp包含此點，則從臨時點數組Temp中刪除此點，否則,把此點加入到臨時點數組Temp中； 3)檢查臨時點數組Temp,如果臨時點數組Temp為空,則當前點為內點，否則為邊界點，并且臨時點數組Temp中的點是和當前點鄰接的邊界點； (5)對位于拾取區域內的三角形集合T，根據頂點之間的連接關系，實時生成局部質點彈簧模型，并將邊界點集合B的頂點固定: 1)遍歷頂點集合P，把P中的所有頂點添加至質點彈簧系統中； 2)遍歷三角形集合T中的所有邊，若當前邊i尚未生成彈簧模型，則對該邊添加彈簧，并設置當前邊是否已加彈簧的標志位為true ； 3)遍歷邊界點集合B，并將B中的所有頂點固定。
【文檔編號】G06T15/00GK103793552SQ201310697661
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2013年12月18日 優先權日:2013年12月18日
【發明者】葉秀芬, 張建國, 王振華, 張元科, 郭亞博 申請人:哈爾濱工程大學