[发明专利]一种增强模拟柔性体可旋转变形的发条弹簧模型

说明书

技术领域

本发明属于计算机仿真技术领域，尤其涉及一种增强模拟柔性体可旋转变形的发条弹簧模型。

背景技术

虚拟手术仿真是虚拟现实技术在现代化手术训练中的重要应用，主要由医学数据可视化与建模，人体柔性体器官受力形变仿真两部分构成，在视觉和力触觉器官上为用户提供手术场景的真时再现。与传统手术相比，虚拟手术可以最大性能模拟出真实柔性体的各种物理特性，同时还可以根据医生的需要提供可以反复利用的实验对象，大大降低外科手术训练成本。

针对虚拟现实人机交互的基于物理意思的柔性体变形仿真的力触觉模型已成为当前虚拟现实技术研究的前沿和热点。目前基于物理意义的柔性体变形仿真力触觉模型主要有3种：①弹簧-质点模型具有简单易行、计算量较小、易于实现等优点，但精度和稳定性有限，另外还存在拓扑分析困难等弊端。②有限元模型虽然较为准确，但涉及大量繁杂的计算，实时交互性能差。③边界元模型虽对模型的边界进行离散，简化了计算，但在稳定性方面却存在一定的不足。以上说明，这些常用的柔性体变形物理模型均存在计算较为繁杂和仿真精度不高等问题，继而影响了计算的实时性和有效性。因此，在保证变形模型准确性的同时，简化算法，提高计算的实时性是当前虚拟力触觉交互系统亟待解决的首要问题。

人机工程学的研究表明：人的力触觉感知存在着信号与噪声之间的协同行为，即适量噪声的加入会提高人的力触觉感知能力，其主要原因是人手皮肤对一个持续作用力具有很强的适应性，而对噪声信号比较敏感，所以当加入合适的噪声信号，会产生比较真实的感觉。

最新的大量实验表明：不同的随机模拟声音谱的医疗效果不同，发现白噪声由于太没有规律，会使病人产生恐惧感；而热噪声的功率谱符合人体对刺激的反应规律，使人在接受刺激的过程中不感到恐惧和紧张，1/f噪声反而会有轻松甚至甜美的感觉，它可以从某种程度上减轻患者的痛苦，甚至在噪声停止相当长一段时间内仍能保持一定的作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种增强模拟柔性体可旋转变形的发条弹簧模型。本发明模型为了提高手术仿真过程中，力触觉交互的稳定性和感知真实性，在可旋转变形的发条弹簧模型的基础上，加入热噪声信号和1/f噪声信号两部分组成的增强噪声信号。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种增强模拟柔性体可旋转变形的发条弹簧模型，包括如下步骤：

步骤1，对虚拟场景进行初始化；

步骤2，当检测到虚拟代理碰撞到虚拟柔性体之前，即在靠近虚拟柔性体的过程中，反馈输出一种增强噪声信号，其由热噪声信号和1/f噪声信号两部分组成，表示为：

U2=V2+W2=83ηT1gB+αzLf---(1)]]>

其中，U、V、W分别为：增强噪声信号的电压、热噪声信号的电压、1/f噪声信号的电压，η=1.38×10^-23为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，g为MOS场效应晶体管的管跨导，B为测量系统带宽，α为因素影响常数，z、L、f分别为MOS场效应晶体管的沟道宽、长和频率；

步骤3，当检测到虚拟代理碰撞到虚拟柔性体表面上任何一点时，在给定扭矩M作用下，虚拟代理与虚拟柔性体交互的局部区域内部填充可旋转变形的发条弹簧模型，在交互过程中，虚拟柔性体产生实时变形力触觉仿真信息，将该力触觉仿真信息与增强噪声信号相加，作为反馈输出信号；所述可旋转变形的发条弹簧模型的建模方法为：

步骤3-1，建立空间直角坐标系，确定柔性体表面上任意点处安放的发条弹簧，其过程如下：

步骤3-1-1，建立空间直角坐标系，