[发明专利]一种切割形变仿真方法、装置、存储介质及终端设备

说明书

本发明公开了一种切割形变仿真方法，用于解决现有方法因粒子之间的相互影响，模型不适用于模拟切割过程的问题。本发明提供的方法包括：获取预先构造的三维软组织模型，三维软组织模型包括内部质点和由三角面片组成的表面网络；更新切割工具和表面网络的位置信息；检测切割工具是否与表面网络中的三角面片相交；若相交，则记录两者的接触点；计算各个质点每个时间步长的受力；对受力进行时间积分，模拟出三维软组织模型的位移和形变；确定与记录下的各个接触点最接近的三角面片上的各个顶点；连接各个顶点得到切割工具的切割轨迹；将各个顶点以切割轨迹为中心分别拆分成两个对称的新顶点，顶点所在的边分别拆分成两条对称的新边，形成表面切口。

技术领域

本发明涉及虚拟现实技术领域，尤其涉及一种切割形变仿真方法、装置、存储介质及终端设备。

背景技术

虚拟手术中的研究对象一般是三维软组织，研究目的包括软组织的形变和切割。传统的方法主要包括质点弹簧法或者有限元方法。但质点弹簧方法容易产生抖动，降低了系统的稳定性和真实性；有限元方法计算量较大，不易满足实时性的要求。无网格方法是近年来兴起的一种新兴模拟物体运动的方法，且应用越来越广泛。

无网格方法在计算过程中不使用网格，而是使用带属性的粒子作为计算单元，其实现的形变模拟具有形变效果好，实时性高的特点。无网格法主要分为两类，一类是以Lagrange方法为基础的粒子法，一类是以Euler方法为基础的无格子法。其中，光滑流体动力学(SPH)是应用比较广泛的一种无网格方法，该方法以离散的粒子为基础，计算粒子的物理属性，根据每个粒子的物理属性计算粒子的速度，根据速度更新物体的位置信息。SPH方法不仅局限与模拟流体形变，也可应用到固体的形变及切割中。基于点的方法也是无网格方法中的一种，与SPH方法类似，使用粒子作为运算的基础。在基于点的方法上进行改进，在模拟固体物体的形变时，内部使用离散的粒子作为运算单元，在表面和内部离散分布质点进行计算。

使用基于点的无网格方法计算量远远小于有限元方法，实时性和可操作性比质点弹簧方法要高。但该方法不支持拓扑结构的改变，因此在研究软组织的切割过程中需要对模型进行改进。Müller在2004年提出了一种基于点的无网格方法，并模拟了弹塑性以及融化物体的形变。但是因为粒子之间的相互影响，该模型并不适用于切割过程。

发明内容

本发明实施例提供了一种切割形变仿真方法、装置、存储介质及终端设备，能够模拟三维软组织的因受力产生的位移、形变，并形成对应的切割切口，该方法支持拓扑结构的改变且适用于切割过程。

第一方面，提供了一种切割形变仿真方法，包括：

获取预先构造的三维软组织模型，所述三维软组织模型包括内部质点和由三角面片组成的表面网络；

在每个步长内更新切割工具和所述表面网络的位置信息；

根据所述切割工具和所述表面网络的位置信息检测所述切割工具是否与所述表面网络中的三角面片相交；

若所述切割工具与所述表面网络中的三角面片相交，则记录所述切割工具与三角面片的接触点；

通过求解所述三维软组织模型内部各个质点的位移梯度来计算所述各个质点每个时间步长的受力；

对所述各个质点每个时间步长的受力进行时间积分，模拟出所述三维软组织模型因受力产生的位移和形变；

确定与记录下的各个所述接触点最接近的三角面片上的各个顶点；

将确定出的所述各个顶点连接起来，得到所述切割工具的切割轨迹；

将所述各个顶点以所述切割轨迹为中心分别拆分成两个对称的新顶点，并且将所述各个顶点所在的边以所述切割轨迹为中心分别拆分成两条对称的新边，拆分得到的新顶点和新边形成所述三维软组织模型的表面切口。