一種基于元球模型和混合驅動方法的實時數字器官切割方法技術

本發明專利技術提供一種基于元球模型和混合驅動方法的實時數字器官切割方法，以元球模型為基礎，在切割過程中，同時使用了位置動力學和無網格方法驅動模型，為了解決元球在切割過程中需要頻繁分裂和合并的問題，采用了一種元球到點集再到元球的切割模式，在該模式中，使用位置動力學方法驅動元球，使用無網格方法驅動元球生成的點集。該方法包含四個步驟，第一，預處理過程，讀取模型文件的同時要進行一些初始化操作；第二，變形過程，通過基于位置動力學的方法進行模型驅動；第三，切割過程，使用混合驅動的方法驅動模型，利用元球到點集再回歸元球的方法進行切割；第四，渲染過程，對第二和第三過程中的模型進行渲染。本發明專利技術可真實模擬虛擬手術中切割軟組織的過程，并具有較高的可控性和實時性。

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.

【技術實現步驟摘要】
一種基于元球模型和混合驅動方法的實時數字器官切割方法
本專利技術涉及一種基于元球模型和混合驅動方法的實時數字器官切割方法，屬于虛擬手術
，也可以應用于相關的領域，包括動畫和游戲等。
技術介紹
腹腔鏡手術是現代醫療常用的方法之一，在救治病人方面有著極其重要的意義。然而很多新手醫師都需要經過很多的訓練才能熟練操作，現在國內醫院的手術訓練多數是使用替代品，使用替代品存在著不準確和來源較少的缺點。隨著計算機技術的不斷發展，虛擬現實技術慢慢的出現在大眾的視野中，也為醫療手術的訓練帶來了新的方法，這就是虛擬腹腔鏡手術。現實中手術包括很多操作，比如碰觸，切割，止血，縫合等操作。虛擬手術中，人們也希望盡量實現所有的這些交互。一般對虛擬手術的建立過程包括建模，變形驅動，切割，縫合等，不同部位的器官根據其特征再添加一些更多的真實感的內容，比如血液，血管等。在掃描得到器官的表皮模型后，將為其建模一個體模型，常用的體模型有四面體模型，六面體模型，元球模型，粒子模型等；驅動則是在模型上添加物理或者幾何驅動方法，常用的有質點彈簧方法，有限元方法，無網格方法等；切割和縫合則是拓撲上改變的一些處理。在現有的切割方法中，多數使用的模型是四面體模型或六面體模型。四面體模型在切割時分裂邊界會比較準確，但是計算量巨大，容易產生異常的四面體，后續工作處理比較麻煩。六面體模型則是通過不斷的細分來確定切割邊界，需要較多的平滑操作。本專利技術選擇使用的元球模型實際上和六面體模型類似，但是本專利技術的模型更加平滑，通過可以交疊的特性，間接的構造其運動拓撲，使用元球模型的另一個好處是模型填充量小，收斂速度快。傳統的元球模型切割方法通常利用八叉樹來進行元球細分，細分過后容易產生過多小元球，降低迭代速度和迭代速度的同時，邊界情況也會明顯增多，給處理帶來許多困難。
技術實現思路
本專利技術解決的技術問題是：傳統模型收斂速度不夠，細分時容易產生太多碎片模型，提供一種基于元球模型和混合驅動方法的實時數字器官切割方法。在該方法中，利用元球模型做變形和切割，提供一個收斂速度真實快速的變形解決方案；在切割上，可以提供一個準確快速的分裂合并方法，滿足虛擬手術系統的實時性和真實性要求。本專利技術采用的技術方案為：一種基于元球模型和混合驅動方法的實時數字器官切割方法，一種基于元球模型和混合驅動方法的實時數字器官切割方法，以元球模型為基礎，在切割過程中，同時使用了位置動力學和無網格方法驅動模型，為了解決元球在切割過程中需要頻繁分裂和合并的問題，采用了一種元球到點集再到元球的切割模式，在該模式中，使用位置動力學方法驅動元球，使用無網格方法驅動元球生成的點集。該方法包含四個步驟，第一，預處理過程，讀取模型文件的同時要進行一些初始化操作；第二，變形過程，通過基于位置動力學的方法進行模型驅動；第三，切割過程，使用混合驅動的方法驅動模型，利用元球到點集再回歸元球的方法進行切割；第四，渲染過程，對第二和第三過程中的模型進行渲染。本專利技術可真實模擬虛擬手術中切割軟組織的過程，并具有較高的可控性和實時性。本專利技術具體包括以下四個步驟。第一步，預處理過程，讀取需處理的模型，所述模型包括元球模型和表面模型，元球模型是基礎模型，用來做驅動，表面模型是渲染模型；同時預處理過程還要進行渲染環境和驅動方法的初始化；第二步，變形過程，根據第一步讀取模型中的數據做位置動力學方法驅動，該變形過程為循環過程，即處理完后，若不進入第三步切割過程或發生結束事件，則重復該變形過程；第三步，切割過程，該過程的產生決定于第二步執行完后產生切割事件，切割事件的產生決定于手術刀和模型產生碰撞，切割過程后若不結束，將進入第二步變形過程；在切割過程中，需要一個混合驅動處理過程，混合驅動處理過程為使用一種從元球到點集再到元球的切割模式，元球切割分為四個部分，首先碰撞元球轉化為點集，然后點集構建無網格系統，同時進行剩余元球系統和無網格系統的耦合運動，最后點集轉化為元球；表面切割伴隨元球切割發生，分為表面分裂，裂隙生成和重新綁定；第四步，渲染過程，從第一步開始已經準備就緒，伴隨第二步和第三步發生，需要輸入變形過程或切割過程的數據，不斷進行渲染，最后輸出模型對應的顯示圖像。所述第一步，預處理過程，具體實現如下：(1)讀入三種類型的文件，所述三種類型的文件為標準三角面片OBJ文件，標準紋理圖片TGA文件和自定義元球SPH文件，其中SPH文件是通過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徑信息；OBJ文件按照通用方式存儲了三角面片的頂點信息和面片信息；TGA文件存放紋理信息；所述三種文件中的數據讀取后分別用相應的數據結構存儲；(2)渲染環境初始化，包括搭建OpenGL渲染環境和3D觸覺設備PhantomDevice的渲染環境初始化；(3)驅動方法初始化，包括基于位置的動力學方法和無網格方法的參數和依賴變量的初始化。所述第二步，變形過程，具體實現如下：(1)變形過程，根據第一步讀取的模型的數據，采用基于位置的動力學(PBD)方法進行驅動元球，在位置動力學方法中，添加拉伸約束，單元約束和能量約束，設置好固定元球，以達成收斂效果；(2)表面三角面片的頂點與元球做高斯綁定，即該頂點的運動由周圍元球的運動情況決定，影響元球數最多為3個，影響方式為該元球球心到頂點的距離與半徑的比率的高斯值加權作用在該頂點上。所述第三步，切割過程，具體實現如下：(1)當手術刀碰到元球時，將元球轉化為點集，采樣越密集結果越準確；同時移除碰撞的元球，產生一個剩余元球系統；(2)利用步驟(1)產生的點集構建無網格系統，使用無網格方法進行驅動，使用的無網格方法為簡化的無網格方法，計算速度較快；(3)利用步驟(1)產生的剩余元球系統與步驟(2)產生的無網格系統進行混合驅動，兩個系統存在耦合運動，一個系統產生運動時將運動信息反饋給另一個系統；(4)當手術刀離開元球模型時，需要將點集恢復為元球，恢復方法為采集表面無網格點，利用維諾圖方法對該頂點進行分析得到中心骨架，在骨架上進行元球填充；(5)表面分裂，處理三角形與線段相交的幾種不同的情況，分別分裂為分別分裂為更合適的三角形，分裂遵循基本原則，即分裂后的表面依然使用三角形填充，并將切割線段兩邊的多邊形分別分割為三角形，同時需要在裂隙處采集無網格點，對這些無網格點進行三角化處理，形成裂隙網格，最后更新所有三角形的綁定情況，需要更新的三角形包括新生成的三角形和裂隙附近的三角形；(6)本專利技術第三步的時間邏輯：步驟(1)執行的時間點為手術刀和元球發生碰撞，可能會被執行多次，每當一次步驟(1)執行完后立即持續執行步驟(2)和(3)，當手術刀不再和元球發生碰撞，即切割完畢，執行步驟(4)；而步驟(5)和其余4個步驟為并行關系，手術刀與表面發生碰撞時需要進行分裂處理，步驟(4)恢復元球時，同時處理裂隙生成，在步驟(4)和裂隙生成都執行完后進行重新綁定處理。所述第四步，渲染過程，具體實現如下：(1)繪制模型表面信息，表面信息包括三部分，紋理信息，頂點信息和面片信息，模型讀取時已經給定了表面的初始信息，紋理信息是固定不變的，而頂點信息是隨著變形過程和切割過程不斷做改變，面片信息也會隨著切割過程的步驟做改變，渲染過程為變形過程和本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于元球模型和混合驅動方法的實時數字器官切割方法，其特征在于實現步驟如下：第一步，預處理過程，讀取需處理的模型，所述模型包括元球模型和表面模型，元球模型是基礎模型，用來做驅動，表面模型是渲染模型；同時預處理過程還要進行渲染環境和驅動方法的初始化；第二步，變形過程，根據第一步讀取模型中的數據做位置動力學方法驅動，該變形過程為循環過程，即處理完后，若不進入第三步切割過程或發生結束事件，則重復該變形過程；第三步，切割過程，該過程的產生決定于第二步執行完后產生切割事件，切割事件的產生決定于手術刀和模型產生碰撞，切割過程后若不結束，將進入第二步變形過程；在切割過程中，需要一個混合驅動處理過程，混合驅動處理過程為使用一種從元球到點集再到元球的切割模式，元球切割分為四個部分，首先碰撞元球轉化為點集，然后點集構建無網格系統，同時進行剩余元球系統和無網格系統的耦合運動，最后點集轉化為元球；表面切割伴隨元球切割發生，分為表面分裂，裂隙生成和重新綁定；第四步，渲染過程，從第一步開始已經準備就緒，伴隨第二步和第三步發生，需要輸入變形過程或切割過程的數據，不斷進行渲染，最后輸出模型對應的顯示圖像。

【技術特征摘要】
1.一種基于元球模型和混合驅動方法的實時數字器官切割方法，其特征在于實現步驟如下：第一步，預處理過程，讀取需處理的模型，所述模型包括元球模型和表面模型，元球模型是基礎模型，用來做驅動，表面模型是渲染模型；同時預處理過程還要進行渲染環境和驅動方法的初始化；第二步，變形過程，根據第一步讀取模型中的數據做位置動力學方法驅動，該變形過程為循環過程，即處理完后，若不進入第三步切割過程或發生結束事件，則重復該變形過程；第三步，切割過程，該過程的產生決定于第二步執行完后產生切割事件，切割事件的產生決定于手術刀和模型產生碰撞，切割過程后若不結束，將進入第二步變形過程；在切割過程中，需要一個混合驅動處理過程，混合驅動處理過程為使用一種從元球到點集再到元球的切割模式，元球切割分為四個部分，首先碰撞元球轉化為點集，然后點集構建無網格系統，同時進行剩余元球系統和無網格系統的耦合運動，最后點集轉化為元球；表面切割伴隨元球切割發生，分為表面分裂，裂隙生成和重新綁定；第四步，渲染過程，從第一步開始已經準備就緒，伴隨第二步和第三步發生，需要輸入變形過程或切割過程的數據，不斷進行渲染，最后輸出模型對應的顯示圖像。2.根據權利要求1所述的一種基于元球模型和混合驅動方法的實時數字器官切割方法，其特征在于：所述第一步，預處理過程，具體實現如下：(1)讀入三種類型的文件，所述三種類型的文件為標準三角面片OBJ文件，標準紋理圖片TGA文件和自定義元球SPH文件，其中SPH文件是通過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徑信息；OBJ文件按照通用方式存儲了三角面片的頂點信息和面片信息；TGA文件存放紋理信息；所述三種文件中的數據讀取后分別用相應的數據結構存儲；(2)渲染環境初始化，包括搭建OpenGL渲染環境和3D觸覺設備PhantomDevice的渲染環境初始化；(3)驅動方法初始化，包括基于位置的動力學方法和無網格方法的參數和依賴變量的初始化。3.根據權利要求1所述的一種基于元球模型和混合驅動方法的實時數字器官切割方法，其特征在于：所述第二步，變形過程，具體實現如下：(1)變形過程，根據第一步讀取的模型的數據，采用基于位置的動力學(PBD)方法進行驅動元球，在位置動力學方法中，添加拉伸約束，單元約束和能量約束，設置好固定元球，以達成收斂效果；(2)表面三角面片的頂點與元球做高斯綁定，即該頂點的運動由周圍元球的運動情況決定，影響元球數最多為3個，影響方式為該元球球心到頂點的距離與半徑的比率的高斯...

【專利技術屬性】
技術研發人員：潘俊君，顏世增，趙沁平，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：北京,11