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技术

本发明专利技术提供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，以元球模型为基础，在切割过程中，同时使用了位置动力学和无网格方法驱动模型，为了解决元球在切割过程中需要频繁分裂和合并的问题，采用了一种元球到点集再到元球的切割模式，在该模式中，使用位置动力学方法驱动元球，使用无网格方法驱动元球生成的点集。该方法包含四个步骤，第一，预处理过程，读取模型文件的同时要进行一些初始化操作；第二，变形过程，通过基于位置动力学的方法进行模型驱动；第三，切割过程，使用混合驱动的方法驱动模型，利用元球到点集再回归元球的方法进行切割；第四，渲染过程，对第二和第三过程中的模型进行渲染。本发明专利技术可真实模拟虚拟手术中切割软组织的过程，并具有较高的可控性和实时性。

Real time digital organ cutting method based on meta sphere model and hybrid driving method

The present invention provides a real-time digital organ driving method and hybrid element model based on ball cutting method, the ball element model as the foundation, in the cutting process, while the use of the position and dynamics of meshless method driven model, in order to solve the ball frequently splitting and merging problems in the cutting process, using a the ball point set to the cutting element model ball, in this mode, the use of dynamic method of driving element position the ball, the meshless method is applied to drive the ball element generated point set. The method consists of four steps: first, pre process, read the model files at the same time to carry out some initialization operation; second, the deformation process, driven by the model method based on dynamics; third, cutting process, using the method of mixed driving model, using the method of point set and then return ball ball to cutting; fourth, the rendering process for rendering the model in the process of second and third. The invention can simulate the process of cutting the soft tissue in the virtual operation, and has higher controllability and real-time performance.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及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，属于虚拟手术
，也可以应用于相关的领域，包括动画和游戏等。
技术介绍
腹腔镜手术是现代医疗常用的方法之一，在救治病人方面有着极其重要的意义。然而很多新手医师都需要经过很多的训练才能熟练操作，现在国内医院的手术训练多数是使用替代品，使用替代品存在着不准确和来源较少的缺点。随着计算机技术的不断发展，虚拟现实技术慢慢的出现在大众的视野中，也为医疗手术的训练带来了新的方法，这就是虚拟腹腔镜手术。现实中手术包括很多操作，比如碰触，切割，止血，缝合等操作。虚拟手术中，人们也希望尽量实现所有的这些交互。一般对虚拟手术的建立过程包括建模，变形驱动，切割，缝合等，不同部位的器官根据其特征再添加一些更多的真实感的内容，比如血液，血管等。在扫描得到器官的表皮模型后，将为其建模一个体模型，常用的体模型有四面体模型，六面体模型，元球模型，粒子模型等；驱动则是在模型上添加物理或者几何驱动方法，常用的有质点弹簧方法，有限元方法，无网格方法等；切割和缝合则是拓扑上改变的一些处理。在现有的切本文档来自技高网...

【技术保护点】
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...

【技术特征摘要】
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PhantomDevice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...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘俊君，颜世增，赵沁平，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11