面向虚拟手术的碰撞检测算法研究

论文摘要

碰撞检测技术是虚拟环境中的一项关键技术,它的速度和准确性影响虚拟环境的真实感和沉浸感。本文以虚拟手术为应用背景,对虚拟手术中的碰撞检测和软体自碰撞检测算法进行了深入研究。论文首先针对采用单一层次包围盒进行碰撞检测在实时性和精确性方面的不足,提出了基于轴向包围盒（AABB）结构和有向包围盒（OBB）的快速混合层次包围盒的碰撞检测方法（SHBVs）。通过分析各种层次包围盒的特点以及虚拟手术环境中的对象特点,混合层次包围盒的碰撞检测方法将包围盒树分为上下两层,上层采用AABB-AABB的方式,用来快速排除不可能相交的物体；下层采用OBB-AABB的方式,能更紧密地包围虚拟环境中的活动对象（如细长的手术器械）,同时对环境对象（软体组织）能更快速地在软体变形后进行更新。实验证明,本文提出的混合层次包围盒算法能更快地检测碰撞,达到较好的实时性和精确性。针对虚拟手术环境中软体在被切割或者缝合等情况下可能发生自碰撞的特点,采用了空间分割法来进行检测。在划分单元格时通过适当加大对象的划分空间,以稍大的空间冗余来缩短时间,提高算法效率。映射对象到空间单元格时采用了哈希表来进行存储。经验证,该算法能实时满足虚拟手术场景中的软体自碰撞检测。最后进行了仿真实验并实现了碰撞和自碰撞检测。实验结果证明算法能很好地解决虚拟手术中的碰撞检测问题,且满足虚拟手术中的实时性和精确性要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及其意义
• 1.2 问题描述
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 虚拟手术系统
• 1.3.2 碰撞检测技术
• 1.4 本文主要工作和章节安排
• 第二章 碰撞检测方法
• 2.1 碰撞检测方法分类
• 2.1.1 层次包围盒方法
• 2.1.2 空间分割法
• 2.1.3 图像空间方法
• 2.2 碰撞检测方法的一般框架
• 2.2.1 粗略检测阶段
• 2.2.2 详细检测阶段
• 2.3 各类方法的比较及讨论
• 2.4 小结
• 第三章 基于混合层次包围盒的碰撞检测算法
• 3.1 算法概述
• 3.2 混合层次包围盒树的构造
• 3.2.1 层次包围盒树的一般构造方法
• 3.2.2 混合层次包围盒树的构造方法
• 3.3 混合层次包围盒树的更新
• 3.3.1 刚体对象运动后包围盒树的更新
• 3.3.2 软体对象变形后包围盒树的更新
• 3.4 包围盒间的相交检测
• 3.4.1 AABB间的相交检测
• 3.4.2 OBB-AABB间的相交检测
• 3.5 算法实现
• 3.6 小结
• 第四章 基于空间分割法的自碰撞检测算法
• 4.1 问题的提出
• 4.2 算法流程
• 4.2.1 均匀空间的划分
• 4.2.2 映射对象到空间单元格
• 4.2.3 单元格内的相交检测
• 4.3 算法复杂度
• 4.4 小结
• 第五章 仿真实验与结果分析
• 5.1 实验工具平台
• 5.1.1 Microsoft Visual Studio
• 5.1.2 OpenGL
• 5.2 系统框架和主要数据结构
• 5.2.1 系统框架
• 5.2.2 主要数据结构
• 5.3 实验结果及分析
• 5.4 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间完成的研究成果