一种改进质点弹簧模型及碰撞检测算法研究

论文摘要

虚拟手术仿真系统关键问题在于既要提高软组织模型形变的准确性,又要保证其实时性。软组织建模两种常用方法为有限元模型和质点弹簧模型,有限元虽然计算精度高,准确性好,但巨大的计算量导致其实时性不足,难以满足虚拟手术对于实时性要求。质点弹簧模型虽然计算简便,但计算精度不高,准确性不足,且形变后形状恢复能力较差。为了解决质点弹簧模型存在的这些缺陷,提出了一种改进的质点弹簧模型,利用四面体建模,并创新性地加入向量弹簧。向量弹簧的回复力以及四面体弹簧的体积力都能够提高模型形状恢复性能,提高仿真精度。新型的质点弹簧模型被用来对血管、心脏以及肝脏等软组织建模,实验结果表明,该模型在大幅提高虚拟软组织形状恢复能力的同时,也保持了较好的实时性。现有质点弹簧模型弹簧参数通常凭经验对弹簧的刚度系数,阻尼系数等参数赋值,难免会存在误差,导致模型精确性不足。为了获得尽可能准确的模型参数以提高质点弹簧模型的仿真精度,本文利用粒子群算法对提出的质点弹簧模型弹簧劲度系数以及阻尼系数进行了估计。在虚拟手术过程中,手术器械与软组织的触碰与交互需要通过碰撞检测算法实现。考虑到虚拟手术对于实时性的需求,一般采用离散碰撞检测以实现快速的交互检测。但是离散碰撞检测算法检测时间点是离散的,会导致漏检测的情况发生。连续碰撞检测虽然可以避免漏检测问题,但计算代价过大,实时性仍有待改善。基于此,提出了一种改进连续碰撞检测算法,该算法从模型简化,运动状态分类相交检测和基于二分回退的初始碰撞时间检测三个方面对传统连续碰撞检测算法进行改进。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 虚拟手术研究现状
•   1.3 软组织形变研究现状
•     1.3.1 有限元模型
•     1.3.2 质点弹簧模型
•   1.4 碰撞检测研究现状
•   1.5 本文主要研究内容与结构
•     1.5.1 本文主要研究内容
•     1.5.2 本文创新点
•     1.5.3 本文的结构
• 第2章 新型质点弹簧模型
•   2.1 引言
•   2.2 传统质点弹簧模型
•     2.2.1 质点弹簧模型描述
•     2.2.2 质点弹簧力学分析
•     2.2.3 时间积分方式
•     2.2.4 质点弹簧模型的缺陷
•   2.3 向量弹簧
•   2.4 四面体质点弹簧模型
•   2.5 实验结果
•     2.5.1 实验环境
•     2.5.2 血管模型试验
•     2.5.3 心脏模型试验
• 第3章 新型质点弹簧模型参数估计
•   3.1 引言
•   3.2 粒子群优化算法
•   3.3 参数估计
•     3.3.1 有限元分析
•     3.3.2 目标函数的确定
•   3.4 结果验证
• 第4章 碰撞检测与形变反馈计算
•   4.1 引言
•   4.2 虚拟手术中的碰撞检测算法的不足
•   4.3 改进碰撞检测算法
•     4.3.1 碰撞检测算法简化
•     4.3.2 算法原理与运行流程
•     4.3.3 运动路径规划
•     4.3.4 基于运动状态分类的模型相交检测
•     4.3.5 基于二分回退的初始碰撞时间检测
•   4.4 实验结果分析
•     4.4.1 实验条件
•     4.4.2 碰撞检测实时性测试
•     4.4.3 碰撞检测准确性测试
• 第5章 虚拟手术仿真系统
•   5.1 引言
•   5.2 系统运行流程
•   5.3 初始化模块
•   5.4 交互反馈模块
•   5.5 硬件模块
•   5.6 软件平台
• 第6章 总结与展望
•   6.1 结论
•   6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 洪智超

导师: 陶凌

关键词: 质点弹簧模型,虚拟手术,软组织形变,参数估计,碰撞检测算法,向量弹簧,二分回退

来源: 南昌大学

年度: 2019

分类: 基础科学,医药卫生科技,信息科技

专业: 生物学,生物医学工程,计算机软件及计算机应用,自动化技术

单位: 南昌大学

分类号: TP18;R318;TP391.9

DOI: 10.27232/d.cnki.gnchu.2019.000177

总页数: 62

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