虚拟心脏介入手术系统中的碰撞检测技术研究

近年来,随着计算机科学与技术的不断发展,计算机被越来越广泛地应用在社会生活的各个领域。虚拟现实技术是人们利用计算机模拟现实世界的手段,虚拟手术系统是虚拟现实技术在现代医学的重要应用。碰撞检测是虚拟手术系统的基础问题之一,它对提高虚拟手术系统的真实性、增强用户沉浸感有至关重要的作用,而虚拟手术系统自身的复杂性和实时性又对碰撞检测提出了更高的要求。 空间分解和包围盒层次是碰撞检测领域中使用最广泛的两种技术,它们分别对场景空间和对象模型进行划分,通过建立树状层次数据结构降低碰撞检测问题的时间复杂性。它们的目的都是尽早的排除那些明显不可能发生相交的基本几何元素,只对剩下的部分元素进一步检测,以提高碰撞检测的速度。 本文以虚拟心脏介入手术系统为应用背景,提出并实现了基于运动对象局部场景截取的碰撞检测算法。它的主要思想是根据虚拟场景中的运动对象来获取位于其周围的局部场景数据,降低碰撞检测问题复杂度。在局部场景数据获取时,我们采用了多种简化问题复杂度的处理方法,并对简化的正确性进行了证明。算法对场景的几何信息和拓扑结构没有要求,可适用于刚体之间、可形变对象之间以及刚体与可形变物体之间的碰撞检测。 针对更一般的碰撞检测问题,结合空间分解和包围盒层次技术,本文提出了一种混合碰撞检测算法。在空间分解过程,我们提出一种基于节点的对象基本几何元素分配策略,减少树的遍历次数和待检测的基本几何元素的数量,提高了算法效率。通过实验,就空间分解深度对算法效率的影响做了一定研究,结果表明空间分解深度太小或太大都将对算法的效率产生负面影响。 最后,本文实现了虚拟心脏介入手术系统中的碰撞检测模块。实验结果表明,该模块可以很好地解决虚拟心脏介入手术中的碰撞检测问题,满足系统对碰撞检测的实时性和精确性要求。