[发明专利]一种虚拟手术中可变形对象切割仿真的网格变形优化方法

说明书

本发明提供一种虚拟手术中可变形对象切割仿真的网格变形优化方法，采用几何优化和拓扑优化，并结合多线程方法对多个任务并行处理，用以解决切割仿真过程中出现的病态单元问题。该方法包括四个步骤，第一，搜索目标单元，根据网格质量搜索需要处理的网格单元；第二，网格优化预处理；第三，网格拓扑优化过程；第四，网格几何优化过程。其中步骤二、三、四使用多线程并行处理。本发明可以在提高网格质量的同时减少网格数量，可以有效的提高网格模型变形计算的效率和稳定性。

技术领域

本发明涉及一种虚拟手术切割仿真中的方法，尤其是涉及一种虚拟手术中可变形对象切割仿真的网格变形优化方法。

背景技术

虚拟手术为医生提供虚拟的手术环境以及可交互的操作平台，可以用于手术规划，手术训练，手术模拟教学等。与传统的手术训练及手术教学相比，虚拟手术成本低，并且可重复操作。随着虚拟现实技术的不断发展和计算机硬件性能的不断提升，虚拟手术得到了越来越广泛的研究。可变形对象的切割仿真是虚拟手术中的一项基本的、关键的技术，虚拟手术要求可变形对象的切割仿真具有较高的准确性和实时性。

当前可变形对象的切割仿真大部分是基于网格的方法，而基于四面体网格的切割仿真方法是目前应用最广的方法。四面体网格可以通过网格细分构造出几乎任意形状的模型，但是在网格生成和网格划分过程中会出现病态单元，病态单元会极大的降低变形仿真的计算效率和稳定性，并且网格划分会大大增加网格数量，造成计算负担过大，影响仿真的准确性和实时性。因此对于网格的处理一直是切割仿真的研究热点，如何有效的控制网格的数量和质量，到目前为止仍然是一个很有挑战性的问题。

本发明提出了一种虚拟手术中可变形对象切割仿真的网格变形优化方法。采用几何优化和拓扑优化，并结合多线程方法对多个任务并行处理，可以在解决切割仿真过程中出现的病态单元问题的同时减少网格数量，有效的提高网格模型变形计算的效率和稳定性。

发明内容

本发明的目的是为了解决虚拟手术可变形对象切割仿真中的病态单元问题，改善模型的网格质量，提高切割仿真的效率和稳定性，而提出的一种虚拟手术中可变形对象切割仿真的网格变形优化方法。

本发明提供一种虚拟手术中可变形对象切割仿真的网格变形优化方法，该方法包括四个步骤：

第一步，搜索目标单元，根据网格质量搜索需要处理的网格单元，每个目标单元交给一个线程做后续处理，具体如下：

(a)对于体网格，根据体网格质量的体积长度比率标准在执行切割操作的局部搜索目标单元；

(b)对于面网格，根据面网格质量的面积长度比率标准在执行切割操作的搜索目标单元；

(c)若搜索到两个或以上的目标单元相邻，则将其所构成的多边形或多面体作为新的目标单元；

(d)将搜索到的目标单元储存到目标单元队列中，并依次分配给子线程执行后续步骤。

第二步，网格优化预处理，根据搜索到的目标单元对局部目标区域进行处理，具体如下：

(a)确定周边单元，利用K-D树数据结构邻近搜索的优势搜索与目标单元(表面网格或体网格)顶点有连接关系的周边单元；

(b)删除目标单元的顶点，并删除每个顶点与周边单元的连接关系，从而得到目标区域，目标区域为一个多边形(或多面体)；

(c)根据顶点之间的连接关系更新网格模型的拓扑结构。

第三步，网格拓扑优化过程，对执行完预处理步骤的网格模型重新划分网格并更新拓扑结构，改善目标单元网格质量，具体如下：

(a)对目标区域重新划分网格，利用目标区域的边界及内部点集执行Delaunay剖分；