虚拟手术中基于最少单元分裂的切割仿真技术

详细论述了虚拟手术中切割仿真技术的实现.虚拟软组织模型由四面体网格构成,四面体分裂算法使用了最少单元分裂法.为了提高算法效率,设计了由顶点、边、面和四面体4种基本单元构成,并且具有相关指针的软组织模型数据结构.详细阐述了最少单元分裂法中每种分裂类型的具体实现,以及解决内部分裂不一致问题的方法.碰撞检测使用了基于空间一致性原则的邻域搜索法.最后给出了使用肝脏模型进行切割仿真的结果.     

一种基于OpenHaptic的软组织有限元形变模型

OpenHaptic是基于PhanToM设备的力反馈模拟编程环境,与原来常用的GHOST SDK编程环境相比有着不可替代的优势;因此,在OpenHaptic环境下进行力反馈相关研究具有十分重要的意义。充分探究了采用OpenHaptic进行空间力反馈模拟的实现方法,在分析现有软组织形变模拟方法的基础上,根据软组织形变模拟对真实感与实时性的要求,建立了一种基于有限元计算模型的形变处理方法。实验结果表明软组织有限元形变模型在OpenHaptic环境下完全满足软组织形变模拟的真实感与实时性要求。较早地探究基于OpenHaptic环境的虚拟手术相关实现技术并做出相应的研究成果对于基于OpenHaptic环境的虚拟手术相关研究具有重要的参考价值。     

基于软组织形变力学信息虚拟手术力反馈过程仿真

为了更好的实现对真实手术的力触觉模拟,利用质点弹簧模型建立了人体软组织的力学模型;应用四阶龙格库塔法解决了力学模型的计算问题;基于模块化设计思想完成了力反馈设备的设计;将力反馈设备通过ADAMS平台建模与力学算法程序相连接,实现了力学信息的传送过程和力反馈设备终端获取力学信息的模拟,该仿真对整个力反馈过程的进行实现了验证。仿真结果表明:力反馈设备可以实时获取力学信息。该项研究将虚拟现实与虚拟样机技术相结合,基于力反馈器虚拟设计实现力反馈过程的仿真模拟,为虚拟手术系统前期设计提供参考和设计依据。     

虚拟手术中基于凸多边形的软组织切割算法研究

虚拟手术仿真系统为医学教学提供了一种方便、廉价、有效的方法。切割模拟是该系统重要组成部分,影响整个系统的实时性和真实性,因此对整个切割过程进行深入研究并提出了基于凸多边形的切割算法。首先通过遍历优化索引结构后的八叉树来寻找切割起点,由起点开始,以切割轨迹为参照,采用邻居搜索策略寻找所有被切割的三角形,然后通过引入辅助单元组成凸多边形,再对凸多边形进行三角剖分,以实现网格重构。实验证明新的剖分算法抑制了模型单元数量的急剧增长,提高了三角形重构的质量。     

用于触觉建模的生物组织切割特征多参量采集

基于图像及三维磁跟踪的方法，设计了生物组织切割过程的多参量（切割力，切割深度及切割速度）采集系统，并针对猪肝脏，心脏，肌肉等软组织进行了系统性能的实验验证；研究了手术刀在切割不同组织时，切割速度，切割深度等与切割反馈力，破裂极限间的相互关系，并初步给出了手术刀连续切割的力反馈触觉模型；为进一步研究生物组织的物理特性及基于真实的切割过程的手术模拟提供了实验条件。     

空间操作任务的分布式仿真系统

针对非合作目标抓捕、在轨维护、空间装配等复杂空间操作任务的地面验证需求,构建一套分布式仿真系统,主要由后台仿真模型、前端视景演示系统和前端主控制器组成。为实现不同建模工具或编程语言之间的多学科模型耦合与交互,引入FMI(functional mock-up interface)标准进行系统集成,提高了系统的模块化程度、通用性与可移植性。为充分利用计算资源、提高仿真效率,分布式部署仿真子系统与模块,利用DDS(data distribution service)通信机制实现高效、可靠的数据交互。双臂空间机器人抓捕非合作目标的演示案例表明,该仿真系统能够高保真模拟从远距离导引到近距离操作的全过程,满足实时仿真的要求。     

虚拟手术中具备触觉功能的软组织交互技术

研究了虚拟手术中用户通过触觉设备与软组织进行交互操作的技术.所用触觉设备为Phantom Desktop,交互操作包括切割、触摸和抓取.为了克服用户手的颤抖产生的触觉反馈力振荡,切割中的反馈力使用代理的方法计算,反馈力由刀锋阻力和刀面约束力构成.触摸和抓取操作使用作用球的方法,根据作用球的入侵体积来计算作用力和反馈力,并使用力和力矩等效原则将作用力分解成顶点等效力.最后给出了使用虚拟肝脏模型进行交互操作的效果.     

一种基于四面体的软组织切割算法

手术仿真系统可以进行新的手术式的培训，也可以用来预演手术的整个过程以便事先发现手术中的问题，作为一个特殊的ＶＲ系统，手术仿真系统要求能够对手过程中的切割和缝合进行模拟，本文提出了一种在于局部处理的软件切割算法，可以较好地完成对于以四面体作为基元的有限元模型的实切割任务。     

脆性物体破碎效果实时仿真研究

通过对现实世界中脆性物体破碎现象的分析,实现了一种在虚拟场景中实时模拟物体破碎效果的方法。该方法采用三角面片模型对破碎物体进行建模,采用BSP树结构存储以实现三角面片的快速分类及检索。对模型进行预处理并使用平面进行切割,对切割所产生的多边形进行三维重建,得到新的完整的三角面片模型。对预处理所得的各个三角面片设置其初始位置、速度、角度等以实现物体破碎过程的实时仿真,引入碰撞检测以免碎片相互贯穿。     

单舰火炮虚拟训练仿真系统设计与实现

介绍了火炮射击训练模拟器的设计过程,包括软件设计、模型计算、软件实现几个阶段。软件采用HLA框架和Vega Prime实现了火炮虚拟射击训练系统的作战仿真环境。对设备的操作使用进行了模拟,为受训人员提供火炮射击的设备虚拟训练环境。计算了火炮的外弹道仿真模型,使用matlab软件绘制了火炮的外弹道。介绍了火炮的射击效果评定和火炮的弹道误差模型,使大家熟悉火炮的模拟训练和作战过程,了解火炮作战和训练指标的计算和用途。     

保持自然特征的烟雾快速生成系统

提出了一个保持自然特征的实时真实感烟雾模拟系统。系统根据用户定义的烟源位置,首先产生一个采用欧拉法表示的三维烟雾密度场;通过将烟雾密度场先直接投射再扩散能量,生成一张描述烟雾阴影浓度信息分布的纹理图,运用基于硬件的绘制技术来进行快速真实感的成像。该系统不仅能获得实时的烟雾模拟效果,而且通过生成烟雾阴影来保持其自然特征。实验证明,在复杂场景中,该系统能够以较快的速度模拟具有自然真实感的烟雾效果。     

真实场景的生成与实时绘制技术

真实场景的实时绘制是飞行模拟器视景系统开发的一个难点。本文介绍了采用大幅遥感卫星照片和DEM数据生成真实场景和使用IRIS Performer开发工具，实时绘制真实场景的技术，提出了采用区域分割，多精度模型等方法，将大片区域场景分成若干了子块，每块有几层模型的设计思想，提出了基于视步的场景数据动态分块调入与释放策略，应用该方法实时绘制的真实场景已投入飞行模拟训练，获得了满意效果。     

直升机旋翼系统仿真建模研究

以某型直升机飞行模拟器为背景,阐述了如何建立直升机旋翼系统的仿真数学模型.运用旋翼的空气动力学理论,分析了其中的技术要点,有针对性地讨论并设计了一种旋翼系统仿真模型的建模方法,其中根据直升机模拟器飞行动力学仿真的需要对旋翼系统模型进行了适当简化,降低了模型的复杂性.仿真结果表明该模型能够较逼真地模拟直升机的动态特性,实际应用效果验证了所述理论及方法的有效性.     

六自由度飞行模拟器体感模拟算法及仿真实现

针对国内首台直九飞机六自由度模拟器，研究了与之相应的体感模拟算法，并应用MATLAB及VC 建立了模型。在此模型的基础上，对一组实际飞行数据进行了仿真计算和分析。结果表明，该算法为充分发挥六自由度模拟器模拟能力提供了一种有效的方法。     

基于a&ω六自由度运动模型的船舶运动参数发生器

针对航海模拟器中船舶运动数学模型建立过程过于复杂、仿真的有效性难以验证的问题, 结合船舶自身机动特点设计了一种新的船舶运动参数发生器, 可生成航海模拟器所需的各船舶运动参数。首先, 在响应模型的基础上, 建立了基于线加速度和角速度(linear acceleration and angular velocity, a & ω)的船舶运动模型。然后, 通过船舶运动微分方程求解了船舶位置、速度、姿态、航向等运动参数信息。最后, 提出相似度评估指标并将其应用于基于实测数据的仿真的验证。仿真验证结果表明, 船舶运动参数发生器能有效地模拟船舶在多种机动状况下的运动, 各船舶运动参数的相似度均在80%以上, 是一种有效的航海模拟器的船舶运动模拟仿真研究方法。     

基于外观保持的多分辨率模型生成算法

现代三维仿真系统中,大规模、精细模型的使用使得pc机难以进行实时渲染,因此该论文研究了一种模型简化算法,在同等分辨率条件下,最大程度的保留三维模型的外观特征。算法基于二次误差度量,引入了模型表面分类、顶点法向量偏移等约束条件。实验表明,该算法输出结果对模型外观保持程度较高。     

采用VR技术的集装箱吊装模拟器原型机的研究

介绍了集装箱吊装模拟器原型机的系统构成。根据拉格朗日运动方程建立了系统的运动模型,并在模型中增加了对集装箱吊减摇系统的仿真。仿真结果表明,所建立的运动模型可以模拟由于加速运动所产生的货物不规则摇摆及在减摇控制装置起作用时,货物摇摆角的收敛情况。尝试采用一种基于层次结构和均衡二叉树的面向对象实时三维碰撞检测技术,实现了虚拟场景的实时碰撞检测。视景系统采用半球形显示系统,满足系统对垂直视场角的要求,具有较强的沉浸效果。     

基于Flightgear模拟器的实时可视化飞行仿真系统

针对国外某型无人飞行器,建立了非线性六自由度飞行模型和自主导航控制系统,在此基础上,利用Flightgear飞行模拟器外部数据输入/输出接口,将飞行仿真数据通过网络实时传递,驱动Flightgear可视化引擎,实现飞行仿真中,飞行姿态、天气条件和地理环境的三维实时可视化显示。仿真试验表明,该可视化飞行仿真系统可扩展性强,开发周期短,系统建设简单,使用方便,为今后的深入研究打下了良好基础。     

水下体目标回波空间方位特性仿真研究

分析并给出了水下尺度目标回波的亮点结构模型和稳态反射亮点与随机散射亮点数字时间序列生成方法。提出了一种利用布放在消声水池中的弧形阵同步发射经时变投影矩阵加权变换的多亮点声波时间序列来仿真水下体目标回波特性的方法。将该方法应用于实现自导仿真试验系统,仿真试验结果表明该方法能够较好地模拟目标空间尺度,除了能够模拟普通靶标的多亮点延迟重发,还具备模拟包括平滑连续、阶跳及其组合等在内的复杂目标空间方位变化的能力,并能够用于水下航行体制导系统的半实物仿真。     

油田多岗位协同操作虚拟仿真培训系统研究

针对油田多岗位员工培训与协同操作的实际需求,研究油田多岗位协同操作虚拟仿真培训系统。给出了系统开发模式和架构,通过用户感知环境获取数据信息进行自主决策,利用碰撞检测处理仿真用户和设备的交互操作。设计了协同仿真策略及网络通信协议,采用房间管理保证组内场景实时一致、组间场景独立,提供非真人控制角色功能支持单用户体验模块。提出一种实时动态渲染导航网格技术实现最优路径规划。本系统有效解决了传统培训中存在的枯燥乏味、实践机会少、易发生危害等问题,为其他领域相关系统的开发提供了参考。