[发明专利]一种基于质点弹簧与填充体模型混合的软体形变模型构建方法

说明书

本发明公开了一种基于质点弹簧与填充体模型混合的软体形变模型构建方法，属于计算机图形学仿真、虚拟现实领域。包括以下步骤：应用三维建模软件构建三维人体器官模型；对经过减面处理的人体器官模型进行三角剖分获取四面体模型；构建填充体模型；构建弹簧结构；形成表层约束条件以及内部填充体约束条件；对人体器官模型表层与内部填充体模型进行渲染；将视觉显示结构与物理形变结构分离。本发明在传统质点弹簧模型基础上融入了体模型的概念，减少了形变过程中的计算量，同时由于内部填充体模型的存在，使整个软体形变模型更加接近于真实的人体器官结构，避免了传统质点弹簧易产生塌陷失真的现象，大大增强了虚拟手术过程中软体形变的仿真效果。

技术领域

本发明属于计算机图形学仿真、虚拟现实领域，具体涉及一种基于质点弹簧与填充体模型混合的软体形变模型构建方法。

背景技术

随着计算机科学技术的高速发展，虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)技术逐渐被应用于诸多领域，包括军事训练、临床医疗、艺术设计以及休闲娱乐等诸多领域。将虚拟现实技术应用于手术教学训练具有十分重要的现实意义，传统手术训练具有训练成本高、手术资源有限、重复利用率低等诸多局限性，虚拟手术训练系统不仅能够解决传统手术训练过程中的局限性问题，同时能够对整个手术过程进行全程重复训练，极大地提高外科手术的学习效率、降低手术训练成本。同时在手术协同训练以及远程手术等外科手术过程中，虚拟现实技术都能发挥十分重要的作用。特别是在医疗领域中的虚拟手术训练系统，将虚拟现实技术应用于在医学方面的应用具有十分重要的现实意义。传统手术训练使用人类的尸体、动物或橡胶人体模型作为训练对象，存在着诸多局限性，虚拟手术技术的出现成为解决此类问题的重要手段。这种手术训练系统能够对手术全过程进行训练，这将极大地提高外科手术的学习效率、降低手术训练成本。另外，在远距离遥控外科手术，复杂手术的计划安排，手术过程的信息指导，手术后果预测及改善残疾人生活状况，乃至新药研制等方面，虚拟现实技术都能发挥十分重要的作用。其中，软组织是临床手术中接触最多的手术对象，因此也是虚拟手术系统中主要的研究对象。

作为虚拟手术系统中的核心部分，软组织形变建模方法按照形变的原理可分为如下两大类：一类是通过几何操作的方式来实现软体变形的非物理形变模型，另一类则是能够更好地反映软组织模型在外力作用下客观运动规律的物理形变模型。目前，最常用的软体形变仿真模型是物理形变模型，主要包括质点弹簧模型，有限元模型。

质点-弹簧模型(Mass-spring Model，MSM)将软组织几何模型中的顶点看作形变模型中的质点，顶点之间的拓扑关系通过虚拟弹簧元件来描述。质点-弹簧模型以其原理简单、便于实现、计算量小等优势在布料仿真、软组织形变建模等模拟软体变形的领域得到了广泛应用。但是，质点-弹簧模型的稳定性较差，在软体形变过程中往往会出现“硬化”现象。此外，在基于质点-弹簧的形变模型中，节点的位移只能通过虚拟的弹簧元件在邻层节点之间传递，因而在表现体模型的变形时存在一定的困难。

有限元模型通过将人体软组织的几何模型进行离散化处理，以划分成若干个基本体元。当软组织受到外力作用发生变形时，将有限单元内部任一点的位移表示成以当前有限单元上所有节点位移为自变量的函数，最后求解以节点为未知量的方程组以获取各个节点的位移量，从而实现软组织的形变仿真。其具有较高的解算精度，但在软体形变仿真过程中巨大的计算开销将严重制约虚拟手术系统的实时性能，尤其在模拟切割、缝合等存在软组织拓扑结构改变的时候其计算效率非常低，难以满足实时性要求。

针对以上研究背景，本发明将传统的质点弹簧模型融入体模型的概念，应用质点弹簧与填充体模型混合的方法完成软体形变模型构建，并且采用分层渲染的方式完成软体形变模型的表面与内部渲染。

发明内容

本发明的目的在于提供减少软体形变过程中的计算量，增加软体形变仿真实时性，提升软体形变仿真的效果的一种基于质点弹簧与填充体模型混合的软体形变模型构建方法。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：