腹腔镜模拟手术系统中碰撞检测算法的研究

论文摘要

随着虚拟现实技术的不断发展,碰撞检测问题越来越受到人们的重视,因为实时而精确的碰撞检测对于提高虚拟环境的真实性及增强其沉浸感具有重要的作用。虚拟手术仿真是虚拟现实技术在医学的一个重要应用,它可以为医务人员提供一个训练的平台,分析手术方案的可行性。在虚拟手术中,不但要求通过力反馈装置与虚拟人体器官进行实时交互,而且要实时显示人体器官的变形,而碰撞检测是计算人体器官变形的先决条件,也只有根据碰撞检测的结果,才能准确的计算人体组织的变形。因此碰撞检测在手术仿真的整个过程中起着极其重要的作用。本论文在广泛阅读国内外相关领域参考文献的基础上,针对虚拟手术的碰撞检测做了一些研究,主要工作包括:1.在研究了k-DOPs等层次包围盒的基础上,通过了解具体构建k-DOPs包围盒和k-DOPs包围盒树,和包围盒重叠测试等技术,比较了k-DOPs更适用于复杂的虚拟手术场景中的优势,采用了基于k-DOPs的碰撞检测。2.针对几何基本元素的相交测试,采用了一种改进算法,实验证明改进后的算法相交测试速度更快,效果更好。3.本文在充分研究和利用虚拟环境中对象运动的时空相关性的基础上,采用了加速对象碰撞检测速度的遍历跟踪策略,通过跟踪上一时间采样点对包围盒树的遍历过程,确定当前时间采样点的遍历路径,实验结果证明能有效地减少遍历过程中包围盒相交测试的次数,提高了算法效率,同时通过对跟踪表的维护,保证了碰撞检测的正确性和有效性。4.模拟了两个刚性物体间的碰撞。同时证明本文采用的14-DOPs包围盒的性能比常用的AABB有了较大的提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 模拟手术的国内外研究现状
• 1.3 模拟手术的系统组成
• 1.3.1 模拟手术的硬件系统
• 1.3.2 模拟手术的软件系统
• 1.4 论文章节安排
• 第二章 模拟手术中的碰撞检测问题
• 2.1 引言
• 2.2 影响碰撞检测的要素
• 2.2.1 实时性
• 2.2.2 精确度
• 2.2.3 检测类别
• 2.2.4 模型类别
• 2.2.5 场景特征
• 2.3 常用的层次包围盒方法
• 2.3.1 层次包围盒方法的基本原理
• 2.3.2 包围盒的类型
• 2.3.3 层次包围盒方法的性能分析
• 2.4 基于k-DOPs的层次包围盒
• 2.4.1 k-DOPs的定义
• 2.4.2 固定方向集的选择
• 2.4.3 k-DOPs的计算
• 2.4.4 k-DOPs的重叠测试
• 2.4.5 重叠测试的顺序选择
• 第三章 基于k-DOPs层次包围盒的碰撞检测
• 3.1 k-DOPs树的构造
• 3.1.1 树的度
• 3.1.2 构造方法
• 3.1.3 构造过程
• 3.2 k-DOPs树的遍历
• 3.3 基本几何元素的相交测试
• 3.3.1 超平面
• 3.3.2 三维空间中的三角形测试
• 3.3.3 二维平面中的三角形相交测试
• 3.3.4 三角形与三角形相交测试的改进
• 3.4 k-DOPs树的更新
• 3.4.1 对象平移或旋转后包围盒树的更新
• 3.4.2 对象变形后包围盒树的更新
• 3.5 碰撞检测的优化算法
• 3.5.1 时空相关性
• 3.5.2 跟踪表的更新
• 3.6 实验结果
• 第四章 基于VC++和OPENGL模拟实验及结果分析
• 4.1 OpenGL技术
• 4.2 碰撞检测的编程实现
• 4.2.1 由3DS文件中读取物体信息
• 4.2.2 构造层次包围盒
• 4.2.3 基于OpenGL场景的绘制
• 4.2.4 碰撞检测的实现
• 4.3 实验结果分析
• 第五章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果