[发明专利]一种基于网格优化的可变形对象的虚拟切割算法

说明书

本发明提供了一种基于网格优化的可变形对象的虚拟切割算法，适用于虚拟手术中的切割操作，涉及虚拟手术技术领域。本算法包括网格划分算法和网格优化算法，其中所述网格划分算法针对表面网格单元和内部网格单元分别执行不同的操作，包括插入节点，插入边，插入面，构造切割面，用于使网格分离，生成切口，所述的网格优化算法包括选定优化区域，几何优化和拓扑优化，用于消除网格划分后生成的畸形单元，为下一次切割提供良好的网格环境。本发明通过使用局部的网格优化算法消除切割时生成的畸形单元，能够在保证切割实时性的同时，保证下一次切割的稳定性，实现部分切割和连续切割。

技术领域

本发明涉及虚拟手术仿真技术领域，具体是一种基于网格优化的可变形对象的虚拟切割算法。

背景技术

虚拟手术为医生提供虚拟的手术环境以及可交互的操作平台，可以用于手术规划，手术训练，手术模拟教学等。与传统的手术训练及手术教学相比，虚拟手术成本低，并且可重复操作。随着虚拟现实技术的不断发展和计算机硬件性能的不断提升，虚拟手术得到了越来越广泛的研究。可变形对象的切割仿真是虚拟手术中的一项基本的、关键的技术，虚拟手术要求可变形对象的切割仿真具有较高的准确性和实时性。

当前可变形对象的切割仿真大部分是基于网格的方法，而基于四面体网格的切割仿真方法是目前应用最广的方法。四面体网格可以通过网格细分构造出几乎任意形状的模型，但是在网格生成和网格划分过程中会出现病态单元，病态单元会极大的降低变形仿真的计算效率和稳定性，并且网格划分会大大增加网格数量，造成计算负担过大，影响仿真的准确性和实时性。因此对于网格的处理一直是切割仿真的研究热点，如何有效的控制网格的数量和质量，到目前为止仍然是一个很有挑战性的问题。

本发明提供了一种基于网格优化的可变形对象的虚拟切割算法，适用于虚拟手术中的切割操作，涉及虚拟手术技术领域。本算法包括网格划分算法和网格优化算法，其中所述网格划分算法针对表面网格单元和内部网格单元分别执行不同的操作，包括插入节点，插入边，插入面，构造切割面，用于使网格分裂，生成切口，所述的网格优化算法包括选定优化区域，几何优化和拓扑优化，用于消除网格划分后生成的畸形单元，为下一次切割提供良好的网格环境。本发明通过使用局部的网格优化算法消除切割时生成的畸形单元，能够在保证切割实时性的同时，保证下一次切割的稳定性，实现部分切割和连续切割。

发明内容

本发明的目的是为了解决虚拟手术可变形对象切割仿真中的病态单元问题，改善模型的网格质量，提高切割仿真的效率和稳定性，而提出的一种基于网格优化的可变形对象的虚拟切割算法。

一种基于网格优化的可变形对象的虚拟切割算法，其特征在于所述方法的步骤如下：

步骤一、对所有与切割轨迹相交的四面体单元执行网格划分，生成切割面；

步骤二、对网格模型执行网格优化操作，消除网格划分后的畸形单元；

步骤一所述的对四面体单元执行网格划分，具体操作依次包括构造并维护存储网格模型的数据结构，插入点，插入边，插入面，构造切割面使网格分裂，形成切口；

步骤二所述的网格优化，具体操作为对整体四面体单元执行尺寸控制，选定优化区域，并对选定的局部网格执行几何优化和拓扑优化；

根据步骤一中所述的构造并维护存储网格模型的数据结构操作，其特征在于：

对于读取的网格数据，将网格数据按照半边和半面结构存储，以便于查找网格元素的相邻关系，同时维护一个unionfind，以便于记录网格节点间的连通关系，每次改变网格结构都需要相应的更新这些数据结构；

根据步骤一中所述的四面体单元网格划分的插入点操作，其特征在于：