论文摘要
本文主要研究了神经外科虚拟手术系统中的三维建模及人机交互技术。神经外科虚拟手术系统是虚拟现实技术和图形图像处理技术在神经外科医学领域的重要应用,涉及到虚拟现实、计算机图形学、数字图像处理、神经外科手术等多种学科,是一个多学科交叉的新兴领域。神经外科手术,特别是脑部的神经外科手术,具有错综复杂、神经组织密集、操作空间狭小等特点,任何损伤都可能带来严重的并发症甚至死亡。而神经外科虚拟手术系统能提供较理想的手术模拟效果和教学环境,它必然会对临床教学、手术计划的制定、手术成功率的提高发挥巨大的推动作用,因此,对它的研究具有重要的学术意义和广阔的应用前景。本文针对神经外科虚拟手术系统的关键技术进行了研究。首先,建立了神经外科虚拟手术系统所需要的三维模型:虚拟颅脑模型、虚拟手术室模型、虚拟手模型。虚拟颅脑模型利用VTK可视化工具包中体绘制三维重建算法建立,能够比较真实地表现人头颅的基本结构;利用3DS MAX建立的虚拟手术室模型具有逼真的深度感和空间感,医师进行虚拟操作时可以产生身临其境的感觉;基于OpenGL建立的虚拟手模型充分考虑了系统的交互需求,并兼顾了人手的生理和物理特性,能够满足神经外科虚拟手术系统的基本需要。在建立虚拟手模型的同时,本文还研究了当前主要的面向OpenGL应用的三维建模技术,针对这些技术分别做了建立虚拟手模型的实验,分析了它们各自的优缺点以及适用场合,提出了针对虚拟手术的建模思想。本文提出了新的虚拟手抓取判定规则,以解决现有判定规则或繁或简,不适用于神经外科虚拟手术的缺点,尽可能使得虚拟手的抓取动作协调、真实、自然,同时充分考虑神经外科虚拟手术系统人机交互的实时性要求,满足系统的交互需要。同时本文还分析了虚拟手常规的抓取过程,提出了相应的抓取算法。碰撞检测是虚拟现实领域的研究重点,精确的碰撞检测对提高虚拟环境的真实性、增加虚拟环境的沉浸性具有十分重要的作用。本文研究了虚拟手抓取过程中的碰撞检测算法,并结合现有的成熟碰撞检测库ColDet提出了针对本课题的碰撞检测算法。最后,基于上面所研究成果,实现了基于数据手套的基本的虚拟交互操作。