[发明专利]一种基于渐进式外接球结构的碰撞检测算法

说明书

本发明涉及虚拟手术技术领域，特别公开了一种基于渐进式外接球结构的碰撞检测算法，它包括1）进入初始化阶段：2）对于手术器械的三维模型，需要在初始化阶段绑定碰撞检测体：3）根据软体模型局部几何特征，进行外接球尺寸调整；4）根据软体模型材质属性，进行外接球尺寸的调整；5）在仿真阶段中，利用三角形面片的包围球进行broad phase碰撞检测；6）基于外接球的Narrow Phase碰撞检测：7）碰撞解算：8）处理完碰撞后，判断是否需要更新外接球结构。本发明可以减少碰撞约束的复杂多样性，从而提高整体软体形变求解过程的收敛速度，稳定性与精确性。

技术领域

本发明涉及虚拟手术技术领域，特别涉及一种基于渐进式外接球结构的碰撞检测算法。

背景技术

虚拟手术技术，以虚拟现实技术构建的可交互3D环境为基础，通过模拟手术中的关键步骤，为医生提供一种零损伤且较强可重复性的虚拟教学训练环境。虚拟手术技术主要依赖于计算机图形学中的实时图形渲染（可视化）和物理仿真（软体与刚体动力学）。 虚拟手术的主要特色在于能够提供用户和虚拟软组织器官的实时交互，用户可以通过力反馈设备，实时感受到与3D物体之间的触碰感。力反馈设备所提供的触碰感取决于虚拟手术环境中，虚拟手术器械与软组织之间交互的精确度与稳定性。这种交互的本质在于，手术器械（刚体）与软组织器官（软体）在实时力学仿真中是如何相互作用的。为了解决这个问题， 关键是捕获到何时手术器械与软组织器官的什么部位发生了碰撞（碰撞检测）。

一个健壮的碰撞检测算法直接影响手术模拟器的用户体验感。虚拟手术中涉及频繁的手术器械与软组织之间的复杂交互。手术器械与软体的碰撞检测难点在于根据实时更新的软组织3D模型的几何结构信息来查找碰撞发生的位置。根据这个信息，作出相应的几何计算与物理计算，产生逼真的碰撞效果，并有效防止手术器械穿透软组织的仿真瑕疵出现。

高效解决软体碰撞检测的方法中， 简化碰撞元（collisionprimitive）的方式应用的较为广泛。传统方法中， 碰撞检测的基本单位是多边形面片。现有的模型简化方法的主要核心思想是利用简单的几何图元（例如球体）来取代传统方法中基于多边形面片来进行碰撞检测的算法，从而达到提高计算效率与减少仿真穿透瑕疵的目的。但是这种类型的方法存在的巨大问题在于，简化的碰撞结构模型不能很好的拟合原有软体模型的表面，虽然增加多边形厚度的方法可以克服穿透的仿真瑕疵，但是带来了过度保护的效果（比如碰撞发生时，碰撞体之间却存在间隔）。如何做到高效解决碰撞同时尽可能减少仿真可视化结果的瑕疵，是手术模拟中的一项挑战。

实时软体仿真中， 为达到实时效果，需要在求解的软体力学模型并未达到收敛解的时候，停止算法。 在现有广泛使用的实时软体仿真框架下（Position Based Dynamics），会把碰撞检测作为一种约束放入最终的求解框架下。如果碰撞检测情况越复杂，碰撞约束种类越多，最终求解效果的收敛精度就会越差。比如传统的基于多边形的碰撞检测算法，会产生很多碰撞信息（边，点，面之间的碰撞）。这些复杂的信息，会导致仿真时，由于结果不收敛而造成的不稳定性，即出现碰撞处软体剧烈抖动的瑕疵。为了解决这个问题，现有方法只能提高迭代次数以求解更精确的结果，但这会带来巨大的计算开销。

发明内容

本发明为了弥补现有技术的缺陷，提供了一种用来提高虚拟手术中手术器械与软组织模型之间的碰撞检测效率，准确率以及稳定性的基于渐进式外接球结构的碰撞检测算法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种基于渐进式外接球结构的碰撞检测算法，其特征是，包括以下步骤：

1）进入初始化阶段：该阶段会初始化三维软组织器官的外接球结构，并为每一个三角形面片生成一个大小和位置依赖于模型表面的曲率与软体物理材料属性的外接球；

2）对于手术器械的三维模型，需要在初始化阶段绑定碰撞检测体,该碰撞检测体负责物理仿真中与软体进行碰撞检测；

3）根据软体模型局部几何特征，进行外接球尺寸调整；