[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

摘要

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。

主权项

1.一种虚拟手术中可变形对象切割仿真的网格变形优化方法，其特征在于实现步骤如下：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；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；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；第四步，网格几何优化过程，对执行完拓扑优化的网格，做几何优化，调节顶点位置，进一步的改善网格质量；其中步骤二、三、四中涉及的每个目标区域都作为一个单独的任务投递到线程池做并行处理；(1)第一步中所述的搜索目标单元为，(a)将网格模型的节点存储在三维K‑D树中，将不同节点相关的网格单元，即四面体或三角面片保存到一个哈希表中并对其实时更新；(b)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其中e_j(j＝1，2，3，4，5，6)是四面体网格的六条边的长度，V是四面体网格的体积，Q_V∈(0，1)，Q_V的值越接近1，说明四面体网格的质量越高，Q_V＝1时，网格单元为正四面体，设定阈值为0.3，搜索Q_V值小于0.3的四面体单元；(c)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局部搜索目标单元其中e_j(j＝1，2，3)是三角面片的三条边的长度，A是三角面片的面积，Q_F∈(0，1)，Q_F的值越接近1，说明三角形网格的质量越高，Q_F＝1时，网格单元为正三角形，设定阈值为0.3，搜索Q_F值小于0.3的三角形单元；(d)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；(e)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；(2)第二步中所述的网格优化预处理为，(a)确定周边单元，利用K‑D树邻近搜索的优势搜索与目标单元，即与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；(3)第三步中所述的网格拓扑优化过程为，(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；(b)判断网格质量是否满足要求，若满足要求则直接执行(d)，否则执行(c)，根据第一步搜索目标单元中所述的质量标准(1)和(2)判断目标区域内的单元是否符合要求；(c)在目标区域内添加新顶点并确定顶点位置，之后执行(a)，所述新顶点位置为目标区域内最大三角形或四面体的外接圆圆心，所述最大三角形或四面体为目标区域内外接圆半径最大的单元；(d)根据顶点之间的连接关系更新网格模型的拓扑结构，若没有添加新的节点，则直接执行第四步网格几何优化中的拉普拉斯平滑；(4)第四步中所述的网格几何优化过程为，(a)对目标区域体网格执行网格松弛，对于目标区域内的每个节点都执行以下操作，其中，(x_i,y_i,z_i)为目标节点的坐标，(x_p,y_p,z_p)为目标节点调整后的坐标，N为与目标节点有连接关系的所有节点的总数；对调整完的网格进行质量判断，判断标准如下：其中Q_R为关联质量系数(0<Q_R≤1)，Q_Vi为第一步中所述的搜索目标单元的质量标准，其中Q_Vi为包含目标节点的四面体的质量系数，Q_R越大，网格质量越高；若调整后的目标节点位于目标区域内并且比调整前目标节点的Q_R值大，则将目标节点移动到调整后的位置，否则令x_p＝(x_p+x_i)/2,y_p＝(y_p+y_i)/2,z_p＝(z_p+z_i)/2      (5)之后循环进行上述操作，直到满足质量标准或达到循环上限；(b)对切割后的局部表面网格执行拉普拉斯平滑，将局部表面网格的每个节点移动到其相邻节点的平均位置。