虚拟物体的力/触觉模型及再现技术研究进展

虚拟物体在受力作用时的形变建模是虚拟环境中力/触觉人机交互的关键.分析了虚拟物体的力/触觉模型及再现技术的研究难点.介绍了当前六种有代表性的力/触觉模型:自由式形变模型、3D ChainMail模型、弹簧-质点模型、有限元模型、Shape-Retaining Chain Linked模型、长单元模型,并在此基础上对这些模型的优缺点进行了比较.最后对力/触觉模型及再现技术的发展趋势进行了展望.     

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。     

虚拟针灸系统中的人体皮肤变形研究与实现

围绕虚拟针灸仿真中在针灸力作用下皮肤变形效果的各种实现技术进行深入探讨;并结合虚拟人体经络系统中三维人体模型的实际结构的特征,对皮肤三维模型及皮肤受力模型的进行分析,最终在传统表面弹簧模型模型中引入虚拟力弹簧来表现皮肤表面模型的体特征。实验表明该方法即能满足针灸力作用下皮肤效果实时绘制的要求,又能体现皮肤受力作用产生变形的物理意义。     

基于物理的植物器官实时变形模拟

近年来,各种方法被用来模拟可变形物体的实时变形。提出了一种基于质点-弹簧系统的植物器官变形模拟方法,并根据交互式设计的要求开发了参数化的植物器官几何造型和弹簧模型生成方法,简化了质点-弹簧模型的构造。实验结果表明,该方法能够获得具有较高真实感的变形效果,能够适用于多种植物器官一般情况下的变形模拟;同时,参数化的几何曲面和物理模型生成能够满足于交互式实时模拟的需要。     

基于软组织形变力学信息虚拟手术力反馈过程仿真

为了更好的实现对真实手术的力触觉模拟,利用质点弹簧模型建立了人体软组织的力学模型;应用四阶龙格库塔法解决了力学模型的计算问题;基于模块化设计思想完成了力反馈设备的设计;将力反馈设备通过ADAMS平台建模与力学算法程序相连接,实现了力学信息的传送过程和力反馈设备终端获取力学信息的模拟,该仿真对整个力反馈过程的进行实现了验证。仿真结果表明:力反馈设备可以实时获取力学信息。该项研究将虚拟现实与虚拟样机技术相结合,基于力反馈器虚拟设计实现力反馈过程的仿真模拟,为虚拟手术系统前期设计提供参考和设计依据。     

一种用于软组织变形仿真的动态质点弹簧模型

针对可以用面模型近似表示的软组织，提出一种俺单可靠的软组织变表仿真的质点弹簧建模方法，虚拟体弹簧动态地产生一种约束力表现软体的体特征，准静态方法求解模型使仿真效果更好；用修改的蝶形细分方法把比较粗糙的表面网格模型先细分成若干细节层次，仿真时依质点所受力的大小动态细分，以提高模型仿真的精确度，实验表明：所提出的方法确实增强了软组织变形仿真的体积感；局部动态细分模型与粗网格模型的计算量相差甚少，但其计算精度却提高多倍。     

质点-弹簧模型驱动的体数据模型快速变形模拟

探讨三维体数据模型的快速真实感变形模拟和绘制方法。该方法用离散的质点-弹簧模型具有物理真实感地模拟变形过程；利用FFD从离散质点的运动信息插值求得体数据空间任意点的变形；而将重采样和绘制过程融为一体的光线虚拟弯曲技术和光线提前终止技术则避免了将大量无用计算，使变形和绘制速度明显提高；根据局部变形的连续线性特性提出了光照修正算法，算法实现简单，算出的光照浓淡变化具有高的真实感。     

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。     

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。     

基于质点-弹簧系统的短毛实时动态模拟

把质点-弹簧系统应用到基于shell层的短毛绘制方法中,提出了一种新的计算shell层偏移量的方法,以实现毛发动画并真实地模拟了毛发的自然弯曲效果。该方法设计了一种最简单的质点和弹簧的布局方式,即分别在最内和最外shell层的顶点上附着质点并以一根弹簧进行连接,并且只考虑质点-弹簧系统中的位移力。当外力作用于质点时,首先计算出最外shell层的偏移量,然后通过顶点绘制器由里到外分别计算各shell层的偏移量,以新的位置绘制各shell层,从而实现了短毛动画效果。由于利用了GPU的加速功能,达到了实时的要求。     

基于数据手套的虚拟操作技术研究

介绍了虚拟操作的概念和应用前景，以及实现虚拟操作的方法，并探讨了利用动力学分析的方法实现基于数据手套的虚拟操作时的关键技术问题，碰撞检疫算法，建立虚拟接触力模型，虚拟物体运动解算等。     

虚拟手术中缝合仿真的初步研究

初步实现了一个虚拟缝合仿真系统,可以模拟针穿刺柔性体并牵引所附缝合线穿过柔性体的过程。用户通过Phantom Desktop力反馈设备控制虚拟针的运动。柔性体在针和缝合线的作用下会发生变形。缝合线使用非均匀可变长刚性杆模型和FTL(Follow the Leader)变形算法。柔性体使用线弹性材料和Tensor-Mass变形算法。针穿刺柔性体时柔性体对针运动的阻力传给力反馈设备,而其反作用力则施加于柔性体之上。缝合线在针的牵引下穿过柔性体形成滑动约束点。缝合线的变形将在滑动约束点产生弹性力作用于柔性体之上,而柔性体的变形则反过来影响滑动约束点的位置。将约束点对应的缝合线顶点编号增加和约束点两侧刚性杆长度调整相结合,实现了缝合线光滑穿过柔性体的效果。最后给出对含有切口形状的柔性体模型进行缝合仿真的实验结果,并讨论未来的改进和发展方向。     

虚拟手术中具备触觉功能的软组织交互技术

研究了虚拟手术中用户通过触觉设备与软组织进行交互操作的技术.所用触觉设备为Phantom Desktop,交互操作包括切割、触摸和抓取.为了克服用户手的颤抖产生的触觉反馈力振荡,切割中的反馈力使用代理的方法计算,反馈力由刀锋阻力和刀面约束力构成.触摸和抓取操作使用作用球的方法,根据作用球的入侵体积来计算作用力和反馈力,并使用力和力矩等效原则将作用力分解成顶点等效力.最后给出了使用虚拟肝脏模型进行交互操作的效果.     

基于元模型的复杂产品虚拟样机建模方法研究

新技术环境下复杂产品对数字化设计质量的要求不断提升,需要进一步提高建模的质量和效率,解决复杂产品虚拟样机多学科模型的一体化信息集成问题,以实现复杂产品系统设计及优化。本文以航天制造领域广泛存在的复杂产品为对象,对元模型、建模方法以及多学科建模过程进行研究与分析,将多学科优化设计与元模型建模方法相结合,建立了复杂产品的虚拟样机元模型,并构建了元模型与学科元模型的转换关系,形成了虚拟样机多学科建模优化设计方案。     

集成图形和力觉交互的牙齿探诊模拟系统开发

研究目的是开发具有力觉显示功能的虚拟现实系统，培训牙科医生进行牙体探查操作。通过分析牙科手术临床操作的特征和培训现状，提出了基于虚拟现实技术的培训方案。采用力觉交互设备Phantom，基于Windows2000建立了试验平台，实现了两种典型接触交互操作的模拟：探针对牙齿表面不同组织区域进行探查和利用探针去除牙面软沉积物。文章重点讨论力觉显示系统的硬件和软件体系结构，牙齿和工具的建模方法，以及保证仿真实时性的方法。实验证明该系统可以比较逼真的模拟牙齿探查的手术操作，为培训牙科医生提供了一种新的途径。     

一种三维虚拟场景自动漫游的快速路径规划算法

针对三维虚拟场景自动漫游的路径规划问题,提出了一种快速路径规划算法：橡皮筋算法。首先,介绍了基于栅格的环境信息表示,场景中的障碍物在场景投影图矩阵中以不同的颜色值表示并求得其绕障包围路线,在此基础上来求得局部避障路径,生成基本路径后用橡皮筋算法进行优化处理,求得从起始点到结束点的一条最优路径。该算法可用于复杂形体和运动物体的实时避障,且具有稳定性好、求解实际问题效率高的特点。     

扑翼微型飞行器的动力学建模

对鸟和昆虫的飞行机理进行了有价值的探讨,并对扑翼式微型飞行器机体动力学和机翼空气动力学进行了详细的分析。由此分析得出结论:机体所受外力为空气动力、自身重力和机翼作用于机体的驱动力,而采用扑动与扭转两个自由度飞行的机翼所产生的机体驱动力就是由瞬时平移力和旋转循环力合成的瞬时空气动力,从而得出了相应的参数方程以及整机动力学模型。对所建模型的仿真结果表明,只要合理选择参数,各种飞行过程能得到很好的模拟。