含内部孔洞的面模型虚拟切割仿真研究

论文摘要

虚拟切割广泛应用于CAD/CAM、生物医学仿真、计算机图形学和虚拟现实等领域中。对于三角面模型的虚拟切割实现简单,效果逼真,实时性较强,应用方便。本文分别对三维面模型的切割、封面以及拼接的算法做了研究和程序实现,并对仿真结果进行了分析。本文主要在传统的Sutherland-Hodgman多边形裁剪算法的基础上,引入顶点移动算法进行切割,该算法在虚拟切割过程中,确保顶点数量的增加量达到最少,因而,运行效率高,实时性好,且无畸形三角面片生成。但由于顶点移动法可能会造成面模型发生形变,因此提出利用网格细分的思想,对切割模型在切割处首先进行网格细分,再采用顶点移动法,从而保证模型的真实性。切割后的面模型会产生“中空”现象,为逼真仿真效果,需要对其进行封面操作。切割交点形成一个多边形区域,对于凸多边形可以利用逐点插入法很快解决三角化问题,但对于凹多边形和内部包含有孔洞的多边形处理起来较为复杂。本文提出去除算法,即对所有的点按照整体剖分然后去除其中的孔洞部分。算法通用性较强,不仅可以处理凹凸多边形,且可以很好的解决孔洞问题。在实际应用中,如虚拟手术中会出现模型拼接操作,本文也对相关拼接算法做了初步研究,提出了两种解决网格拼接的思想——增点拼接和不增点拼接。对增点拼接进行了实现。本课题以VC++6.0和OpenGL为开发工具对上述算法进行了验证,在开发过程中自始至终贯彻了面向对象的编程思想。以虚拟手术中的三维面模型为数据来源,因为其具有面片数量多、几何结构复杂等特点,所以具有一定代表性。程序结果证明,本文提出的移动顶点算法、去除封面算法以及网格拼接算法,切实可行,达到了仿真效果,具有一定的实际应用价值。最后总结了全文的工作,并指出了存在的不足和今后的研究方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 几何模型的概念和分类
• 1.2 虚拟手术概述
• 1.2.1 手术仿真和计算机模拟手术概念
• 1.2.2 手术仿真的意义
• 1.3 选题背景
• 1.4 主要研究内容及组织结构
• 1.4.1 课题的主要研究内容
• 1.4.2 论文的组织结构
• 1.5 本章小结
• 第二章 基于面模型的剖切技术
• 2.1 虚拟切割概述
• 2.2 虚拟切割研究现状
• 2.2.1 碰撞检测切割算法
• 2.2.2 投影切割算法
• 2.2.3 标识点切割算法
• 2.2.4 Sutherland-Hodgman多边形裁剪算法
• 2.3 顶点移动算法
• 2.3.1 算法思想
• 2.3.2 实现步骤
• 2.4 网格细分算法
• 2.4.1 网格细分概述
• 2.4.2 算法思想和实现步骤
• 2.5 算法比较
• 2.5.1 切割效果比较
• 2.5.2 切割效率比较
• 2.6 本章小结
• 第三章 封面技术
• 3.1 三角剖分的发展
• 3.2 Delaunay三角剖分
• 3.2.1 Delaunay概述
• 3.2.2 Delaunay性质
• 3.3 Delaunay三角剖分算法
• 3.3.1 分割归并法
• 3.3.2 逐点插入法
• 3.3.3 三角网增长法
• 3.4 封面算法的研究和实现
• 3.4.1 简单多边形
• 3.4.2 基于简单多边形的剖分算法研究现状
• 3.4.3 凹多边形三角剖分算法实现
• 3.4.4 去除法实现任意多边形的三角剖分
• 3.4.5 三角剖分加密算法
• 3.5 算法比较
• 3.6 本章小结
• 第四章 拼接技术
• 4.1 拼接技术概述
• 4.2 网格拼接的研究现状
• 4.2.1 网格拼接的基本理论
• 4.2.2 网格拼接的分类
• 4.2.3 网格拼接算法
• 4.3 网格拼接算法研究和实现
• 4.3.1 增点拼接算法
• 4.3.2 不增点拼接算法
• 4.3.3 算法实现演示
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于面模型的切割仿真平台的初步实现
• 5.1 引言
• 5.2 平台框架及程序流程
• 5.2.1 平台功能模块介绍
• 5.2.2 程序流程
• 5.3 面模型数据结构
• 5.3.1 程序方法建立模型
• 5.3.2 建模软件建立模型
• 5.4 交互操作
• 5.4.1 交互平台简介
• 5.4.2 三维空间的交互
• 5.5 虚拟切割仿真
• 5.5.1 虚拟切割仿真简介
• 5.5.2 仿真效果演示
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文的工作总结
• 6.2 今后的研究方向
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果
• 致谢