【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于碰撞检测，涉及虚拟手术实验中软组织模型和手术机械之间的碰撞检测问题。
技术介绍
1、碰撞检测技术是一种用来判断某时刻物体之间是否发生接触或者碰撞的技术。在虚拟手术仿真系统中，碰撞检测作为软组织和手术器械交互和力反馈计算的前提，需要快速并精准地检测到仿真系统间物体发生的碰撞。在虚拟手术系统中，若要让操作者体验到手术器械和软组织模型在虚拟环境中实时且精确的交互感受，碰撞检测算法需要同时达到计算速度快、检测精度高两大要求。
2、目前，国内外很多学者对于碰撞检测
都做了很多研究工作，并且提出了一系列高效的碰撞检测算法。根据在虚拟环境中物体的运动状态的不同，碰撞检测算法可分为静态检测算法和动态检测算法，在动态检测算法中，又可分为离散碰撞检测算法和连续碰撞检测算法。其中，静态检测算法主要用于检测在虚拟空间中保持静止状态的物体间的接触或碰撞，但由于适用场景中的物体通常是保持静止的，显然不适用于虚拟手术领域。在动态检测算法中，离散碰撞检测算法是指每个离散的时间点上，对物体利用静态检测算法进行碰撞检测，检测速率较快。但由于离散碰撞检测算法利用的是在整个交互过程的时间点中离散采样的原理，离散检测算法会遗漏交互过程中相邻时间点间物体状态的变化，因此会导致物体之间出现相互穿透的现象。连续碰撞检测算法是指在相邻的时间点之间构造物体的运动轨迹，对运动轨迹进行检测，即在相邻时间点连续不断的检测物体，从而判断物体是否产生接触。相比于离散检测算法，虽然连续检测算法能够避免物体之间出现穿透的现象，检测精度更高，但计算成本也更高，实时
3、kockara等人(kockara s,halic t,iqbal k,et al.collision detection:asurvey[c]//2007ieee international conference on systems,man andcybernetics.ieee,2007:4046-4051.)利用自适应时间步长代替传统离散检测中的固定时间步长，减少了物体之间出现相互穿透的现象。哈尔滨工程大学的王涛等人(于凌涛,王涛,宋华建,王正雨,张宝玉.面向虚拟手术的碰撞检测优化算法[j].哈尔滨工程大学学报,2014,35(09):1164-1170.)采用离散检测和连续检测相结合的方法，一定程度上提高了检测精度，但仍然无法完全杜绝此现象的出现。
4、目前，已经有国内外的研究学者将连续检测算法应用于虚拟手术领域中。其中，tang等人(tang m,curtis s,yoon s e,et al.iccd:interactive continuous collisiondetection between deformable models using connectivity-based culling[j].ieeetransactions on visualization and computer graphics,2009,15(4):544-557.)在连续检测算法中加入了变形非穿透滤波器以减少物体单元间碰撞误报的次数，优化了非邻接物体单元间的相交测试，相较于传统的连续检测算法，性能提升了1.5至8.2倍。浙江大学的黄通浪等人(黄通浪,唐敏,董金祥.一种快速精确的连续碰撞检测算法[j].浙江大学学报(工学版),2006(06):1051-1055.)提出的改进连续碰撞检测算法使用连续锥向量以及动态特征三角元减少三角面间的冗余检测，并将其应用于软组织的碰撞检测。li等人(cq.li,j.ding,z.hong,y.pan and p.x.liu,asurface mass-spring model with new flexionsprings and collision detection algorithms based on volume structure forreal-time soft-tissue deformation interaction[j].ieee access,2018,6:75572-75597.)利用基于连续插值技术和体积结构检测混合算法完善了传统连续碰撞检测耗时较大的缺点。然而，在他们的实验中手术器械被简化为球体，无法验证在复杂场景下的有效性。
5、综上所述，考虑到虚拟手术软组织模型和手术器械交互场景的复杂性，离散检测算法并不能满足虚拟手术中碰撞检测的精确性要求，因此设计一种快速精确的连续碰撞检测算法，是现如今待亟需解决的问题。
技术实现思路
1、基于现有技术存在的问题，本专利技术提出了一种新型连续碰撞检测方法，应用于虚拟手术中软组织模型和手术器械交互场景中，本专利技术适用于多种手术器械与各类软组织模型交互场景。
2、本专利技术是通过以下技术方案实现的。
3、本专利技术所述的一种连续碰撞检测方法，是一种基于gpu加速空间哈希算法和混合层次包围盒算法的连续碰撞检测方法，将碰撞检测分为快速检测和精确检测两个阶段。
4、本专利技术所述的一种连续碰撞检测方法，包括以下步骤：
5、步骤1，构建软组织和手术器械模型。
6、步骤2，将虚拟空间均匀划分为若干个设定大小的等体积的子空间，利用gpu多线程加速搜索空间信息，快速建立空间信息哈希表，获取待检测对象在空间内的移动轨迹，并根据空间哈希函数计算的结果存入空间信息哈希表中，根据空间哈希表确定处于同一空间下的对象。
7、步骤3，为同一空间下的对象构建混合层次包围盒，并检测其是否相交；若相交，则执行下一步，否则退出检测。
8、步骤4，基于折半查找的时间定位法进一步确定检测对象发生碰撞的时间区间，标记可能发生碰撞的对象集。
9、步骤5，为步骤5中可能发生碰撞的对象集构建层次包围盒，并进行相交检测；若检测到某节点或其子节点相交，则执行下一步，否则退出检测。
10、步骤6，精确判断步骤5中节点所包含的基本三角单元是否相交；若相交，则更新检测对象的位置；否则保持检测对象的位置不变。
11、进一步地，所述步骤1中，首先利用三维物体建模软件构建软组织模型和手术器械模型。软组织模型和手术器械模型均由不同大小的基本三角形网格构成。
12、进一步地，所述步骤2中，如附图1所示，首先将虚拟空间均匀划分为若干个等体积的子空间，利用gpu多线程获取子空间信息，然后将时间步长[ti，ti+1]内的检测对象的运动轨迹视为匀速直线运动，构建运动轨迹模型，最后将柱状体的运动轨迹模型映射到占有的子空间，并将映射结果存储在哈希表中；具体过程为：
13、定义子空间边长为r，设子空间上某个顶点坐标为(x，y，z)，子空间在哈希表的索引值(q，w，e)的计算公式如下：
14、
15、子空间的索引值通过哈希函数与哈希表相互映射，实现了从三维结构到一维数据结构的转换。空间哈希函数表达式为：
16、ha本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种新型连续碰撞检测方法，其特征是包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种新型连续碰撞检测方法，其特征是步骤1所述的构建模型是利用三维物体建模软件构建软组织模型和手术器械模型，软组织模型和手术器械模型均由不同大小的基本三角形网格构成。
3.根据权利要求1所述的一种新型连续碰撞检测方法，其特征是所述的步骤2包括如下过程：
4.根据权利要求1所述的一种新型连续碰撞检测方法，其特征是所述的步骤3包括如下步骤：
5.根据权利要求1所述的一种新型连续碰撞检测方法，其特征是所述的步骤4中，对于给定时间步长[0,t]和轨迹模型ω1,ω2，确定最短时间子区间[k·(t/2)^n,(k+1)·(t/2)^n]；其中，n表示折半搜索层数阈值，k表示细化时间间隔的索引，此时碰撞时间可近似表示k·(t/2)^n。
6.根据权利要求1所述的一种新型连续碰撞检测方法，其特征是所述的步骤6中，假设空间中现存在两个三角形单元U,V，其顶点分别为和法向量分别为K1和K2；首先根据三角形顶点得到两三角形单元所在平面为πA和πB的平面方程，以πB的平
...【技术特征摘要】
1.一种新型连续碰撞检测方法，其特征是包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种新型连续碰撞检测方法，其特征是步骤1所述的构建模型是利用三维物体建模软件构建软组织模型和手术器械模型，软组织模型和手术器械模型均由不同大小的基本三角形网格构成。
3.根据权利要求1所述的一种新型连续碰撞检测方法，其特征是所述的步骤2包括如下过程：
4.根据权利要求1所述的一种新型连续碰撞检测方法，其特征是所述的步骤3包括如下步骤：
5.根据权利要求1所述的一种新型连续碰撞...
【专利技术属性】
技术研发人员：李春泉，杨浩凡，李永辉，陈利民，黄水源，张海欣，尹锐睿，岳靓，袁丽琴，马雨前，喻俊志，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：
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