论文摘要
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中的重要应用。绳状物体或近似绳状物体的模拟技术在虚拟手术系统中被广泛应用,基于物理形变模型的绳状物体模拟技术的进步对提高虚拟手术系统整体的真实性、增强用户的沉浸感有重要价值。绳状物体模拟的关键在于保持物体模拟的视觉真实感、物理特性和计算效率三个方面,现有的绳状物体模拟技术尚不能满足现实需求。本文以虚拟“ACL”重建手术系统中的肌腱行为模拟为研究背景,研究了绳状物体的建模问题。本文的主要工作如下所述:1、提出基于改进弹簧振子模型的绳状物体模型。模型的改进之处主要是修正了弹性力与形变量的线性关系。使用该模型模拟的绳状物体能很好的克服使用基本弹簧振子模型模拟绳状物体时出现的“超弹性”现象,并且模型形变产生的应力更接近物体真实形变时的数据。同时,改进的弹簧振子模型在模型信息更新时所需要的计算量和基本弹簧振子模型相当。2、提出并实现了绳状物体的碰撞预测和处理算法。针对绳状物体的几何模型特点,以绳状物体几何模型各圆柱的扩大包围盒为叶子节点建立AABB层次包围盒树,并通过层次树相互遍历进行绳状物体之间碰撞以及绳状物体自碰撞的预测。结合预测结果采用添加临时性罚弹簧的策略,在避免几何模型的真实接触的基础上模拟了绳状物体的碰撞响应。3、提出并实现了人体肌腱的模拟方法。在几何模型层,将人体肌腱抽象为控制点（质点）和均匀圆柱;在医学模型层,建立基于改进弹簧振子的物体模型;在碰撞模型层,以各段圆柱的扩大包围盒为叶子节点建立AABB层次包围盒树进行碰撞预测,并进行处理;在渲染阶段,根据几何模型控制点的位置,将人体肌腱面网格数据中的各顶点分层映射到合适位置,完成人体肌腱外观的渲染。该方法适用于大部分绳状物体的模拟。本文在VC++6.0平台上实现了虚拟“ACL”重建手术系统中的人体肌腱行为模拟模块。实验结果表明,该模块能很好的模拟虚拟“ACL”重建手术中的人体肌腱的各种行为,满足系统对肌腱模拟的视觉真实感、触觉真实感和实时性的要求。