虚拟手术仿真中碰撞检测问题的研究

虚拟手术仿真是虚拟现实技术医学领域的一个重要应用，快速精确的碰撞检测是虚拟手术仿真的基础。现有的碰撞检测方法虚拟手术仿真中人体组织模型变形和拓朴结构变化等问题，本文给出了一种基于固定方向凸包包围盒的碰撞检测方法，它不仅在速度上较以往的方法有一定的提高，而且能有效地解决虚拟手术仿真中出现的各种新问题。     

基于局部模型的多更新率切削仿真力觉渲染算法

提出了一种牙科手术虚拟现实模拟训练系统的力觉计算方法。为了保证切削仿真的逼真度、力觉计算的快速性和交互稳定性,提出了基于局部模型的多更新率体系架构的计算方案。仿真系统分解为三个不同计算频率的线程,即切削仿真、力觉伺服和图形显示线程。提出虚拟工具和切削工具的概念,实现交互力计算和牙齿三角片网格模型切削变形的协调;基于虚拟工具和牙齿三角片碰撞检测信息构造局部模型,实现力觉设备控制与切削仿真线程的解耦,降低了对切削仿真线程计算频率的要求;利用多线程技术保证图形显示和力觉显示的数据传输和时间同步。针对局部模型更新时的振荡问题,采用改进的恢复时间方法对局部模型进行插值,增强了仿真系统稳定性。基于力觉交互设备Phantom建立试验平台,开发了牙科手术力觉交互仿真软件,通过试验验证了本文算法的有效性。     

虚拟战场环境中典型碰撞问题研究

碰撞、碰撞检测及碰撞响应是虚拟战场环境中非常关键的技术，直接关系到最终仿真的效果。文中根据虚拟战场的特点，对碰撞响应技术进行了研究，深入分析了虚拟战场中常见的几类碰撞问题，重点对虚拟战场环境中导弹对目标或大地的碰撞检测及响应、运动目标与地形的碰撞检测及响应（地形匹配）以及视线的碰撞检测及应用等三个方面的问题进行讨论，并建立了一套科学实用的仿真模型，为解决军事仿真中的碰撞问题提供理论依据。     

石油井下工具虚拟设计仿真平台的实现

通过研究石油井下工具生产工艺和结构特点,提出了面向对象,特征化、参数化、模块化的数字模型建立方法.结合三维造型软件SolidWorks和可视化的编程工具Visual Basic 6.0,开发了"石油井下工具虚拟设计仿真平台",提供了井下工具的模型建立,模型装配、有限元分析、仿真等基本操作和计算.将程序的集中控制能力、数据库的集成管理能力和三维虚拟设计仿真相结合,实现了井下工具初步设计阶段产品模型的信息化集成设计与管理.     

基于手指运动方向的动态碰撞检测算法及实现

通过对虚拟手抓握物体时手指运动过程的分析,提出基于手指运动方向的动态碰撞检测算法,在详细描述该算法的基础上,给出算法流程图、算法实现框图和应用实例。针对单个手指与球体的接触过程,将此动态碰撞检测算法和传统的静态碰撞检测算法进行性能测试比较,结果证实该动态碰撞检测算法在总体性能上优于传统静态碰撞检测算法,主要体现在提高了抓握操作仿真过程中碰撞检测阶段的运行速度、解决了抓握操作中以多面体模型之间的碰撞检测仿真实体模型之间的碰撞检测问题。该动态碰撞检测算法并可以推广应用于其他动态碰撞检测仿真。     

采用VR技术的集装箱吊装模拟器原型机的研究

介绍了集装箱吊装模拟器原型机的系统构成。根据拉格朗日运动方程建立了系统的运动模型,并在模型中增加了对集装箱吊减摇系统的仿真。仿真结果表明,所建立的运动模型可以模拟由于加速运动所产生的货物不规则摇摆及在减摇控制装置起作用时,货物摇摆角的收敛情况。尝试采用一种基于层次结构和均衡二叉树的面向对象实时三维碰撞检测技术,实现了虚拟场景的实时碰撞检测。视景系统采用半球形显示系统,满足系统对垂直视场角的要求,具有较强的沉浸效果。     

实时力觉交互中的虚拟力计算及渲染方法

虚拟力计算和渲染是虚拟现实力觉显示系统的核心技术。针对人与虚拟环境通过工具进行接触交互的任务,讨论了提高力觉显示逼真度的方法。静态物体采用三角片模型,运动的虚拟工具采用质点模型。用均匀划分包围盒方法和基于三角片元素拓扑关系及最短距离迭代的方法,分别解决虚拟力计算的碰撞检测和碰撞响应问题。针对物体几何特征逼真度显示给出了渲染判据,实现了逼真度和稳定性的矛盾折衷。基于力觉交互设备Phantom,开发了力觉仿真系统平台,通过感知具有典型几何特征的物体形状,验证了虚拟力计算和渲染方法的有效性。     

基于Vega的潜艇虚拟视景仿真

结合某型艇航海训练模拟器中潜望镜视景仿真系统,研究了基于Vega环境的视景系统的开发方案,并建立了虚拟的战场环境和场景模型,实现了视景环境中实时驱动、控制模型和碰撞检测,生成了逼真的海洋效果和环境特效.仿真结果表明,该系统可使受训人员产生强烈的沉浸感,改善训练效果.     

虚拟测量工具的构造与实现

虚拟测量工具是虚拟维修训练中一个重要组成部分，文章从仿真建模到软件模块的实现，较全面地介绍了一种虚拟测量工具构造与实现的方法。首先以万用表为例，详细介绍了如何使用GL Studio仿真建模软件建立测量工具的几何模型和行为模型；在此基础上，运用组件技术开发其组件模块；最后，阐述了虚拟测量工具组件模块的运行和交互环境。     

虚拟样机协同建模环境中建模工具的集成与应用

针对虚拟样机协同建模环境对建模仿真工具集成的需求，对典型建模工具MATLAB的应用方法进行研究，提出在虚拟样机协同建模环境中仿真模型的建立、验证以及仿真应用软件开发各个阶段中MATLAB的集成与应用方法。并且结合一类武器系统虚拟样机的开发实例详细介绍了MATLAB工具的应用和集成。     

制粉系统智能解耦控制的分布式仿真实验平台

钢球磨煤机制粉系统具有强耦合、非线性、大时滞等综合复杂性,为解决其智能解耦控制技术的工程化验证问题,建立了制粉系统智能解耦控制的分布式仿真实验平台。该实验平台由优化计算机、集散控制系统(DCS),仪表与执行机构的虚拟装置和模拟现场制粉系统的对象计算机组成。在对象计算机上,通过MATLAB和组态软件之间的无缝链接,有效地模拟制粉系统的输入输出特性。该实验平台的所有过程信号与工业现场一致,实验结果表明它可以有效地从工程角度验证智能解耦控制系统的控制性能。     

虚拟高坝泄洪挑流运动的建模与实现

以挑流泄洪为例,提出了基于泄洪水力学模型和粒子系统的虚拟泄洪水流运动的建模与实现方法,建立了坎前水舌运动、空中扩散射流、空中水舌碰撞以及水流跌水碰溅的粒子系统模型,实现了泄洪水流运动的场景逼真模拟,为直观分析高坝泄洪雾化问题提供了新的辅助手段。应用实例证明了该方法的有效性。     

高保真电视胸腔镜肺叶切除术模拟

电视胸腔镜(VATS, Video-assisted thoracoscopic surgery)肺叶切除术仿真系统对外科医生手术培训及规划具有重要价值。为实现高保真电视胸腔镜肺叶切除术的模拟,设计了一套有效模拟VATS手术过程中不同手术操作的肺叶切除术模拟器。采用基于位置的动力学仿真框架实现了手术器械-软组织和软组织间交互作用、软组织切割以及手术缝合操作引起的变形模拟;并采用了Marching Cubes算法对模型进行面绘制,尤其是切割操作的渲染;使用GPU并行计算的方法加速手术模拟和面绘制。实验结果表明,本文方法可实现高保真、稳定、高效的VATS手术仿真效果。     

全虚拟无人车辆自主导航仿真系统的研究与实现

以履带式车辆为研究对象，建立了相应的车辆运动学模型和动力学模型，并采用虚拟现实技术，用一辆虚拟车辆在虚拟环境中的驾驶性能仿真了无人车辆在实际环境中的驾驶性能，使操作者能身临其境地观察到无人车辆的各种运动状态。该系统逼真、形象，可以方便地进行诸如路径规划和路径跟踪等各种高层智能操作的仿真，并可以对操作结果做出评价。     

基于手势控制的虚拟绘画室

介绍基于手势识别虚拟绘画室系统,在系统中多个用户通过分散终端佩戴相应的虚拟现实设备,进入一个统一的虚拟绘画室,在共同的虚拟画板上创作图画。运行过程中,用户通过手势直接控制绘画效果,化身动作通过实时动画技术,即时体现人物位移,有着极为强烈的体验感,是系统的最大特色。     

基于虚拟现实的轧钢实时仿真训练系统

将虚拟现实技术应用于轧钢实时训练系统仿真中,在对轧钢过程进行数学建模的基础上,运用OpenGL图形库,直观快速地再现了轧钢场景,实现了轧钢过程的可视化仿真,为轧钢操作工的训练提供了实时的模拟操作环境。实际应用表明,这种实时仿真技术是一种安全、经济、有效的训练轧钢操作工的方法与手段。介绍了系统的设计思想和总体结构,重点讨论如何运用OpenGL实现建模、仿真及动态驱动。     

一种膝关节镜手术仿真系统

介绍了一种膝关节镜手术仿真系统,主要对系统结构设计、快速碰撞检测、软组织形变和实时力反馈计算等方法进行讨论,提出了基于八叉树分割的坐标轴层次包围盒碰撞检测算法和线弹性有限元半隐式模型,并结合力反馈计算实现了四类膝关节镜手术的仿真。通过应用,表明系统能够满足临床手术训练的需要。     

硬件在环仿真试验台监控系统的设计与开发

针对基于xPC的硬件在环仿真系统,研究了Matlab GUI监控软件的相关开发技术,以解决时钟驱动模式下,数据更新速率慢、显示停顿的问题。在设计监控系统模块化方案的基础上,利用ActiveX控件技术建立虚拟仪表交互界面,提出S函数驱动GUI界面的实时显示方法,实现仿真数据的动态显示。试验台的使用表明,开发的监控系统具有良好的人机交互功能,对仿真数据的采集频率可达100Hz,虚拟仪表的更新速率超过20Hz,数据传输及显示过程耗时小于21毫秒,满足实时监控的要求。