一种基于元球模型和混合驱动方法的实时数字器官切割方法与流程

文档序号:12722810阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种基于元球模型和混合驱动方法的实时数字器官切割方法,其特征在于实现步骤如下:

第一步,预处理过程,读取需处理的模型,所述模型包括元球模型和表面模型,元球模型是基础模型,用来做驱动,表面模型是渲染模型;同时预处理过程还要进行渲染环境和驱动方法的初始化;

第二步,变形过程,根据第一步读取模型中的数据做位置动力学方法驱动,该变形过程为循环过程,即处理完后,若不进入第三步切割过程或发生结束事件,则重复该变形过程;

第三步,切割过程,该过程的产生决定于第二步执行完后产生切割事件,切割事件的产生决定于手术刀和模型产生碰撞,切割过程后若不结束,将进入第二步变形过程;在切割过程中,需要一个混合驱动处理过程,混合驱动处理过程为使用一种从元球到点集再到元球的切割模式,元球切割分为四个部分,首先碰撞元球转化为点集,然后点集构建无网格系统,同时进行剩余元球系统和无网格系统的耦合运动,最后点集转化为元球;表面切割伴随元球切割发生,分为表面分裂,裂隙生成和重新绑定;

第四步,渲染过程,从第一步开始已经准备就绪,伴随第二步和第三步发生,需要输入变形过程或切割过程的数据,不断进行渲染,最后输出模型对应的显示图像。

2.根据权利要求1所述的一种基于元球模型和混合驱动方法的实时数字器官切割方法,其特征在于:所述第一步,预处理过程,具体实现如下:

(1)读入三种类型的文件,所述三种类型的文件为标准三角面片OBJ文件,标准纹理图片TGA文件和自定义元球SPH文件,其中SPH文件是通过OBJ文件生成的,SPH文件提供元球信息,所述元球信息包括元球球心位置和半径信息;OBJ文件按照通用方式存储了三角面片的顶点信息和面片信息;TGA文件存放纹理信息;所述三种文件中的数据读取后分别用相应的数据结构存储;

(2)渲染环境初始化,包括搭建OpenGL渲染环境和3D触觉设备Phantom Device的渲染环境初始化;

(3)驱动方法初始化,包括基于位置的动力学方法和无网格方法的参数和依赖变量的初始化。

3.根据权利要求1所述的一种基于元球模型和混合驱动方法的实时数字器官切割方法,其特征在于:所述第二步,变形过程,具体实现如下:

(1)变形过程,根据第一步读取的模型的数据,采用基于位置的动力学(PBD)方法进行驱动元球,在位置动力学方法中,添加拉伸约束,单元约束和能量约束,设置好固定元球,以达成收敛效果;

(2)表面三角面片的顶点与元球做高斯绑定,即该顶点的运动由周围元球的运动情况决定,影响元球数最多为3个,影响方式为该元球球心到顶点的距离与半径的比率的高斯值加权作用在该顶点上。

4.根据权利要求1所述的一种基于元球模型和混合驱动方法的实时数字器官切割方法,其特征在于:所述第三步,切割过程,具体实现如下:

(1)当手术刀碰到元球时,将元球转化为点集,采样越密集结果越准确;同时移除碰撞的元球,产生一个剩余元球系统;

(2)利用步骤(1)产生的点集构建无网格系统,使用无网格方法进行驱动,使用的无网格方法为简化的无网格方法,计算速度较快;

(3)利用步骤(1)产生的剩余元球系统与步骤(2)产生的无网格系统进行混合驱动,两个系统存在耦合运动,一个系统产生运动时将运动信息反馈给另一个系统;

(4)当手术刀离开元球模型时,需要将点集恢复为元球,恢复方法为采集表面无网格点,利用维诺图方法对该顶点进行分析得到中心骨架,在骨架上进行元球填充;

(5)表面分裂,处理三角形与线段相交的几种不同的情况,分别分裂为更合适的三角形,分裂遵循基本原则,即分裂后的表面依然使用三角形填充,并将切割线段两边的多边形分别分割为三角形,然后在裂隙处采集无网格点,对这些无网格点进行三角化处理,形成裂隙网格,最后更新所有三角形的绑定情况,包括新生成的三角形和裂隙附近的三角形;

(6)权利要求4的时间逻辑:步骤(1)执行的时间点为手术刀和元球发生碰撞,可能会被执行多次,每当一次步骤(1)执行完后立即持续执行步骤(2)和(3),当手术刀不再和元球发生碰撞,即切割完毕,执行步骤(4);而步骤(5)和其余4个步骤为并行关系,手术刀与表面发生碰撞时需要进行分裂处理,步骤(4)恢复元球时,同时处理裂隙生成,在步骤(4)和裂隙生成都执行完后进行重新绑定处理。

5.根据权利要求1所述的一种基于元球模型和混合驱动方法的实时数字器官切割方法,其特征在于:所述第四步,渲染过程,具体实现如下:

(1)绘制模型表面信息,表面信息包括三部分,纹理信息,顶点信息和面片信息,模型读取时已经给定了表面的初始信息,纹理信息是固定不变的,而顶点信息是随着变形过程和切割过程不断做改变,面片信息也会随着切割过程的步骤做改变,渲染过程为变形过程和切割过程共同的伴随步骤;表面信息需要绘制两遍,一遍用OpenGL绘制在屏幕上,一遍用Phantom库绘制进力反馈设备中;

(2)选择性绘制体信息,提供体绘制开关,在查看切割效果时打开体信息绘制,体信息包括元球信息以及元球拓扑信息,元球信息也在预处理过程中模型读取时给定,之后随着变形过程和切割过程的步骤不断做改变,元球拓扑信息为元球的交叠情况,在有交叠的元球之间,会在它们球心连接一条线段表示它们存在拓扑信息。

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