面向支撑喉镜下声带手术的虚拟仿真系统

创建了一套具有力感觉的面向支撑喉镜声带手术的虚拟仿真系统,模拟了实际手术中的狭长操作环境,建立了声带、喉镜和手术工具的几何模型。在进一步构建声带物理模型和计算模型的基础上,仿真了声带在虚拟手术工具作用下的粘弹性变形过程,并通过碰撞检测模块的建立,实现了虚拟工具之间"体与体"的碰撞检测。     

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。     

支持力反馈的鼻腔镜虚拟手术仿真系统

介绍了一个用于外科医生手术操作训练用的鼻腔镜手术仿真系统。该系统基于SensAble公司的PHANTOM为反馈设备，利用虚拟现实技术来表现鼻腔镜手术过程中对鼻腔解剖结构的漫游以及对有关鼻腔组织的手术操作反应。该系统提供的实时高分辨率的视觉和力觉反馈具有很强的真实感，为虚拟现实技术在手术仿真训练中的实用化探索了一条有益的路子。     

虚拟现实技术在鼻腔镜手术仿真训练系统中的应用研究

讨论了虚拟现实技术在鼻腔镜手术仿真训练中的应用,结合研制开发的具体实用系统,对系统设计、三维重建、实时力反馈、交互漫游、仿真操作等相关技术进行探讨。为把虚拟现实技术拓展到其他医学手术仿真领域提供了技术依据。     

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。     

Fastrak数据滤波校正及在虚拟手术中的应用

电磁跟踪设备Fastrak在虚拟手术中医疗器械的定位中有很重要的应用,为此重点研究了Fastrak与OpenGL的编程接口,以及在复杂电磁场干扰环境下的数据滤波校正。利用快速傅立叶变换,设计了一个带通滤波器对Fastrak噪声数据进行过滤,确保了虚拟手术过程中医疗器械的平稳、准确实施。研究的滤波校正方法已成功应用于虚拟膝关节镜手术系统中,为虚拟手术系统提供了合理的Fastrak数据。     

排爆机器人训练仿真系统中的碰撞检测技术

精确的碰撞检测对提高虚拟现实系统的沉浸性、真实感至关重要。但是Vega只对碰撞检测提供了有限的支持,为提高碰撞检测的实时性和精确度,提出了分块设置掩码、动态加载相交矢量、在运动物体易发生碰撞的部位放置相交矢量以及物体高速运动时引进距离因子等方法。有效的解决了排爆机器人训练仿真系统中遇到的各种碰撞检测问题。     

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。     

数控弯管加工过程仿真中的碰撞检测研究

基于自行开发的导管加工仿真系统(TBS)中导管的分段表示，提出了基于仿真指令的碰撞干涉模型和导管扩展OBB树(XOBB)的碰撞检测算法，碰撞干涉模型剔除了加工环境中明显不参与碰撞测试的物体及导管段，实现了导管加工过程仿真中碰撞检测物体对的初级过滤。导管扩展OBB树把变形导管的碰撞检测问题转化为已成形导管段的碰撞检测问题，避免了导管变形所引起的OBB树结点的重新生成。最后，提出了一种三角形求交的代数方法——基于非线性规划的三角形求交算法。     

一种防空导弹毁伤效果评估仿真方法

研究了一种配有激光近炸引信的防空导弹毁伤效果评估仿真方法。以仿真软件Vega为基础,实现了弹目交会的视景仿真;应用碰撞检测技术模拟激光近炸引信的目标探测。并利用包围体方法提高碰撞检测速度,解决了目标遗失问题;通过计算破片击中目标的数量和部位,实现了对导弹毁伤效果的量化评价。在此基础上,开发了"防空导弹毁伤效果评估"仿真软件,并在导弹引信设计中进行应用,验证了算法的有效性。     

虚拟现实技术在机器人臂/灵巧手遥操作中的应用

将虚拟现实技术应用机器人臂/灵巧手遥操作系统中,完成了环境建模、人-机接口、精确的图形碰撞检测和抓握稳定性分析,并实现了对虚拟环境中模型的实时误差校正。利用该虚拟现实系统,结合视觉反馈和力反馈,完成了按按钮、拉抽屉、抓握灯泡等遥操作任务。     

基于线素的力觉人机交互建模和实时渲染方法

针对空间路径引导的力觉交互过程,提出了线模型的建模思想以及实时渲染方法。在建模方法中,提出线素的概念,把三维空间复杂轨迹分解为基于线素(LIXEL)的有序拓扑装配连接。线素间的拓扑关系采用特征点描述,基于特征点实现基本线素的拼接和顺序定义。在实时渲染方法中,提出了一种基于DeCasteljau算法的三阶Bezier曲线模型的快速碰撞检测算法,以满足1kHz力信号更新率的要求,并提出了在书法力觉交互过程中基于检测特征点平面的稳定性处理方法。基于线模型方法构建了具有力反馈的书法训练系统,并进行了试验验证,证明采用线模型方法构建的力觉交互系统能够稳定、逼真地模拟钢笔书法训练时的力觉导引过程。     

一种支持触觉反馈的膜组织变形仿真方法

针对一类面模型的软组织变形触觉仿真问题,提出了一种基于半边数据结构和AABBs（Aligned Axis Bounding Boxes）树结构混合的碰撞检测响应方法,命名为层次半边观察法,以适应触觉反馈计算的高帧率要求。触觉反馈仿真了膜组织的粘弹性力和粘滞性摩擦效果。粘滞性摩擦由修改的滞滑摩擦模型实现。膜组织的变形基于简单的质点弹簧模型建模。实验表明,提出的方法与单一的使用AABBs树结构方法相比,具有较高效率。记录的力反馈曲线清晰的反映了膜组织的粘滞性摩擦特征。该方法将是建立白内障虚拟手术仿真器的基础。     

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。     

舰载机牵引系统甲板调运避碰路径规划

针对舰载机牵引系统的甲板调运过程,提出了一种适用于复杂障碍物环境中不规则形状目标的路径规划方法。针对舰载机外轮廓特点,建立了目标的凸构型描述形式,并推导了多目标间碰撞检测及距离计算方法,在此基础上提出了舰载机牵连运动的轨迹跟踪控制算法,同时引入行为动力学方法实现牵引系统的避碰路径规划。为提高复杂环境下的避碰能力,基于广义符号阈值函数,提出了避障行为策略改进方法。仿真结果表明,本文提出的算法能够有效地解决舰载机牵引系统的避碰路径规划问题。