手術(shù)仿真中快速準(zhǔn)確的沖突響應(yīng)算法.pdf

1、本文研究了手術(shù)仿真系統(tǒng)和其中的沖突響應(yīng)算法，并擴(kuò)展了受限粒子系統(tǒng)。手術(shù)仿真系統(tǒng)是目前醫(yī)療圖像領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)，它可以提供一個(gè)虛擬的沉浸式的訓(xùn)練環(huán)境，以此取代醫(yī)院中基于人類(lèi)尸體和動(dòng)物的訓(xùn)練方式，降低醫(yī)院的成本，因此得到廣泛的關(guān)注和研究。沖突響應(yīng)算法是手術(shù)仿真系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是在沖突檢測(cè)模塊發(fā)現(xiàn)了物體問(wèn)的碰撞時(shí)，合理地化解沖突，并提供連續(xù)的反饋力供觸覺(jué)仿真。受限粒子系統(tǒng)是一種可形變模型，其功能是用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述外力作用下物體的形

2、態(tài)變化。沖突響應(yīng)算法和可形變模型算法均是手術(shù)仿真系統(tǒng)中至關(guān)重要的組成部分。 本文提出了一種混合型的沖突響應(yīng)算法，此法將沖突響應(yīng)算法解剖為三個(gè)階段，在每個(gè)階段上都針對(duì)不同系統(tǒng)的需求設(shè)計(jì)了多種算法，此方法融合了三種傳統(tǒng)的沖突響應(yīng)算法的優(yōu)點(diǎn)，并對(duì)各個(gè)算法都作出了改進(jìn)，并重點(diǎn)討論了反饋力的后處理過(guò)程，使用了縮放映射和線性插值平滑的方法使反饋力更為連續(xù)。本文還研究并擴(kuò)展了受限粒子系統(tǒng)的自定義約束問(wèn)題，針對(duì)手術(shù)仿真系統(tǒng)的特點(diǎn)，加入了三種新的

3、擴(kuò)展約束。同時(shí)本文也對(duì)這兩個(gè)研究進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了它們的穩(wěn)定性和運(yùn)行效率。 論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下： 1．提出了混合型沖突響應(yīng)算法，將一個(gè)整體問(wèn)題劃分為三個(gè)子問(wèn)題分別攻克。該混合型沖突算法由三個(gè)階段組成，分別為前處理階段，形變階段，反饋力階段，每個(gè)階段都有若干種不同的算法實(shí)現(xiàn)，算法之間耦合度低，可以任意組合使用。這樣的設(shè)計(jì)可以滿足不同系統(tǒng)的不同要求，例如有的算法實(shí)時(shí)性較好，有的算法穩(wěn)定性較好等。 2．在沖突響

4、應(yīng)算法的實(shí)現(xiàn)中，提供了多種計(jì)算合理的侵入方向的方法，傳統(tǒng)的侵入方向等同于最快離開(kāi)穿透物體的方向或是表面法向量。而本文提出了加權(quán)平均值法，原地離開(kāi)法，以及相對(duì)速度法，這三種方法均能獲得更為連續(xù)的懲罰力，尤其是第三種方法還考慮到了觸覺(jué)仿真中的特殊性。 3．在計(jì)算反饋力的過(guò)程中，相對(duì)于傳統(tǒng)的局部法，提出了相應(yīng)的整體法，將碰撞物體作為一個(gè)整體來(lái)考慮，這樣所計(jì)算得到的反饋力更加可以反映物體整體的狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 4．在反饋力的后處

5、理過(guò)程中，提出了基于反正切函數(shù)的方法對(duì)沖突響應(yīng)模塊所獲得的反饋力進(jìn)行縮放映射，并用線性插值的方法進(jìn)行平滑，然后傳遞給設(shè)備模塊。解決了沖突響應(yīng)模塊和設(shè)備塊中反饋力量度不統(tǒng)一的問(wèn)題，并且增加了設(shè)備反饋力在不同時(shí)間點(diǎn)間的連續(xù)性，避免了跳躍性的突變。 5．通過(guò)定性和定量的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地比較了視覺(jué)仿真中各個(gè)算法的形變的效果和時(shí)間復(fù)雜度，以及觸覺(jué)仿真中各個(gè)算法產(chǎn)生反饋力的連續(xù)性和算法時(shí)間復(fù)雜度。并提出了三個(gè)評(píng)估反饋力連續(xù)性的公式。 6．