[发明专利]基于无网格伽辽金与质点弹簧耦合的软组织形变仿真方法

摘要

本发明涉及一种物体形变实时模拟图形处理技术，特别是涉及一种基于无网格伽辽金与质点弹簧耦合的软组织形变仿真方法。在前处理过程中，为软组织建立线性粘弹性生物力学模型；在计算形变过程中，根据软组织所承载的载荷动态划分无网格区域和质点弹簧区域，并在无网格区域与质点弹簧区域之间的连接区域建立过渡单元，构造过渡单元近似位移函数，实现无网格伽辽金方法与质点弹簧方法的自适应耦合；在后处理过程中，根据形变计算结果，将形变过程每个时间步长的质点或节点的状态输出到屏幕上，并进行光照渲染，最终在屏幕上显示软组织器官在受力情况下的实时形变过程，实现动态形变可视化效果。利用质点弹簧法效率高和无网格伽辽金法精度高、无需重构网格的优势，弥补伽辽金法不适宜求解大规模问题的缺陷，从而有效降低软组织形变仿真中的计算复杂度，提高运算效率。

主权项

一种基于无网格伽辽金与质点弹簧耦合的软组织形变仿真方法，包括前处理过程、计算形变过程、后处理过程三个步骤，在前处理过程中，为软组织建立线性粘弹性生物力学模型；在计算形变过程中，根据软组织所承载的载荷动态划分无网格区域和质点弹簧区域，并在无网格区域与质点弹簧区域之间的连接区域建立过渡单元，构造过渡单元近似位移函数，实现无网格伽辽金方法与质点弹簧方法的自适应耦合；在后处理过程中，根据形变计算结果，将形变过程每个时间步长的质点或节点的状态输出到屏幕上，并进行光照渲染，最终在屏幕上显示软组织器官在受力情况下的实时形变过程，实现动态形变可视化效果；其特征是：所述计算形变的过程，具体包括如下四个步骤：1）设计载荷与距离之间的函数，作为划分无网格区域的依据，并使无网格区域足够大以保证不连续边界都在无网格区域内，其它区域为质点弹簧区域；2）对于无网格区域和质点弹簧区域，分别建立有效数据结构，分类管理数据；3）在无网格区域和质点弹簧区域之间的连接区域建立过渡单元：（1）将已划分的无网格区域与质点弹簧区域作为两个实体，两实体相接触部分作为过渡边界，在背景网格的基础上，细分过渡边界处的背景网格并作为子单元，使每个子单元中最多有一个节点或质点存在，以不包含节点或质点的单元作为空子单元；（2）以空子单元作为搜索对象，分别向上下左右前后六个方向搜索子单元，经过迭代，逐步将无网格区域内部符合转换条件的空子单元转化为无网格单元，将质点弹簧区域内部符合转换条件的空子单元转化为质点弹簧单元，直至空子单元不再变化，并将剩余的空子单元作为过渡单元；4）在过渡单元内建立过渡节点，确定过渡节点的近似位移函数，实现无网格区域与质点弹簧区域之间的光滑过渡；过渡节点的建立满足两个条件：（1）过渡节点分别受到无网格区域和质点弹簧区域的作用力，其合力为零；（2）过渡节点分别受到无网格区域和质点弹簧区域的作用力，其位移相等； 根据上述条件，分别构建基于无网格伽辽金和质点弹簧的线性粘弹性动态运动方程，求解微分方程，得出同一过渡节点的两个不同近似位移，遍历所有过渡节点，得到两种模型构建出的近似位移函数，建立二者之间的函数关系，作为过渡节点的近似位移函数。