论文摘要
虚拟手术作为虚拟现实的重要应用之一,其发展对促进医学水平的提高具有重要意义。近年来,随着微创手术技术的发展,研究和开发具有逼真视觉和力学反馈的内窥镜手术仿真系统已成为虚拟手术的主要发展方向,膝关节手术是内窥镜手术之一,虚拟膝关节手术系统实现的是对膝关节微创伤外科手术的模拟。几何网格模型的切割技术作为虚拟手术系统的重要组成部分,必须满足实时性和真实感特性。在虚拟手术中,切割模拟分为对软组织器官模型切割模拟和对刚性骨骼模型切割模拟两种,本文的背景即是基于对骨骼的几何网格模型进行切割操作的布尔方法研究。布尔方法在计算机图形学中的应用具体表现在三个方面:构造实体几何模型、生成纹理样本、对几何网格模型的操作。本文从计算机图形学角度出发,首先介绍了布尔方法的基本原理、布尔运算中的相交检测方法,并给出布尔方法的实现过程。之后,本文概括总结了三维空间中几何网格模型布尔运算的一般方法,并针对该方法中存在的不足,提出在几种常见的模型布尔操作中的改进方法。其中,针对包含几何图元的布尔运算,改进布尔方法能够充分利用图元参数方程的函数性质,提高相交检测的效率。本文的核心在于提出了基于隐含模型空间排序的预处理过程,从而实现的对几何网格模型进行切割操作的改进布尔方法。该方法针对利用曲线或多边形对模型沿某一方向矢量进行切割操作的情况,研究提高对模型进行切割操作的布尔运算效率的改进方法。该方法能够将三维相交检测问题转化为二维相交检测问题,省略了布尔操作的预处理过程——即对模型进行空间排序的过程,并提出了基于保持位移矢量的平滑处理方法来代替三维空间中较为复杂的平滑处理方法,实现了对布尔操作后的几何网格模型的平滑处理。在本文最后,基于几何网格模型切割操作的改进布尔方法,我们应用该方法实现了虚拟膝关节手术中的双隧道钻孔模拟,并针对虚拟膝关节手术的特殊性要求,对算法进行了进一步完善,比如:“T”型点的消除、隧道的动态模拟等。
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标签：虚拟手术论文; 前交叉韧带论文; 几何网格模型论文; 布尔运算论文; 布尔方法论文; 二叉树论文; 相交检测论文; 网格平滑论文;