虚拟手术中基于Tensor-Mass的变形仿真技术

详细论述并实现了虚拟手术中软组织变形仿真技术。虚拟软组织由四面体网格构成,生物力学模型使用Tensor-Mass模型。推导了一种半隐式数值积分算法用以求解软组织变形的动力学方程。该方法比传统的显式积分算法更稳定,并可将积分时间步长提高一个数量级。使用了基于拓扑距离的方法进一步减少数值积分算法的计算量。最后给出使用肝脏模型进行变形仿真的结果。

虚拟手术中基于最少单元分裂的切割仿真技术

详细论述了虚拟手术中切割仿真技术的实现。虚拟软组织模型由四面体网格构成,四面体分裂算法使用了最少单元分裂法。为了提高算法效率,设计了由顶点、边、面和四面体4种基本单元构成,并且具有相关指针的软组织模型数据结构。详细阐述了最少单元分裂法中每种分裂类型的具体实现,以及解决内部分裂不一致问题的方法。碰撞检测使用了基于空间一致性原则的邻域搜索法。最后给出了使用肝脏模型进行切割仿真的结果。

具备触觉反馈的实时绳子打结仿真

实现了实时绳子打结仿真。绳子使用刚性杆模型和FTL(FollowtheLeader)变形算法。碰撞处理算法将刚性杆当作圆柱体,使用AABB层次结构提高碰撞检测效率,可以处理绳子的自碰撞和绳子与其它刚体的碰撞,并通过设置临时接触约束实现等效摩擦力。通过碰撞簇的识别检测结的形成并在FTL算法中将结作为一个整体处理,确保结形成后可以在空间自由运动。图形绘制算法对刚性杆进行曲线插值以产生光滑的绳子效果。用户通过触觉反馈设备控制绳子的运动。反馈力根据绳子的张力和约束条件计算,并使用时间域上取平均的方法消除反馈力抖动现象。最后给出仿真程序的运行效果。

虚拟手术中具备触觉功能的软组织交互技术

研究了虚拟手术中用户通过触觉设备与软组织进行交互操作的技术。所用触觉设备为Phantom Desktop,交互操作包括切割、触摸和抓取。为了克服用户手的颤抖产生的触觉反馈力振荡,切割中的反馈力使用代理的方法计算,反馈力由刀锋阻力和刀面约束力构成。触摸和抓取操作使用作用球的方法,根据作用球的入侵体积来计算作用力和反馈力,并使用力和力矩等效原则将作用力分解成顶点等效力。最后给出了使用虚拟肝脏模型进行交互操作的效果。

先细分后分裂的新式四面体网格交互切割方法

提出了一种新式的由四面体网格构成的三维模型的交互切割方法。切割方法首先将四面体网格细分从而消除边交点和面交点,然后分裂面、边和顶点来形成切口。与以前的切割方法相比,该方法避免了繁琐的分类处理,在任何切割状态下均可产生合理的分裂结果,并且可以有效地处理切割刀大角度转向的情况。最后给出了切割方法的实现和对不同模型进行切割的效果。

OpenCL加速的基于虚拟节点法的柔性体实时切割仿真

为了提高柔性体变形仿真运行速度并且解决切割对变形计算稳定性的负面影响,提出了能与GPU加速的变形算法协同运作的基于虚拟节点法的柔性体实时切割仿真方法.柔性体模型由真实四面体网格嵌入虚拟四面体网格中构成,前者用于碰撞处理和图形渲染,而后者则用于变形计算.切割算法首先分裂真实四面体网格;然后复制包含超过一块真实四面体连通碎片的虚拟四面体,每个复制品包含一块真实四面体碎片;再根据真实四面体之间的连接关系更新虚拟四面体之间的连接关系;最后更新真实四面体网格与虚拟四面体网格之间的镶嵌关系.为了确保仿真系统不被限制在NVIDIA公司的GPU上,GPU加速使用OpenCL实现.仿真测试结果表明,该方法可以在任意多次切割情况下保持变形计算稳定不发散,并且在NVIDIA公司和AMD公司的GPU上都可以正确运行.

虚拟手术中缝合仿真的初步研究

初步实现了一个虚拟缝合仿真系统,可以模拟针穿刺柔性体并牵引所附缝合线穿过柔性体的过程。用户通过Phantom Desktop力反馈设备控制虚拟针的运动。柔性体在针和缝合线的作用下会发生变形。缝合线使用非均匀可变长刚性杆模型和FTL(Follow the Leader)变形算法。柔性体使用线弹性材料和Tensor-Mass变形算法。针穿刺柔性体时柔性体对针运动的阻力传给力反馈设备,而其反作用力则施加于柔性体之上。缝合线在针的牵引下穿过柔性体形成滑动约束点。缝合线的变形将在滑动约束点产生弹性力作用于柔性体之上,而柔性体的变形则反过来影响滑动约束点的位置。将约束点对应的缝合线顶点编号增加和约束点两侧刚性杆长度调整相结合,实现了缝合线光滑穿过柔性体的效果。最后给出对含有切口形状的柔性体模型进行缝合仿真的实验结果,并讨论未来的改进和发展方向。

GPU加速的支持交互式切割的柔性体实时变形算法

使用OpenGL和GLSL实现了GPU加速的柔性体实时变形算法。变形计算使用共旋线性有限元法,可以处理大尺度旋转情况。为了能够与交互式切割操作协同运作,GPU数据结构使用带激活标志的可变长线性数组。将切割过程中需要更新的单元分为"全肮脏"和"部分肮脏"两类,以此降低GPU数据的更新量。针对GPU不能完成发散操作的缺点,设计顶点相邻四面体信息数据结构和相应的切割更新算法,将力的发散操作变为聚合操作。使用四面体单元刚度矩阵高频模式过滤方法来提高稳定积分的时间步长,以此降低切割产生的退化单元对变形计算稳定性的负面影响。最后给出若干仿真测试的结果,对仿真效果和运行效率进行了分析。

综合使用CPU和GPU的实时手术仿真系统并行框架

使用多线程技术实现了任务并行化的实时手术仿真系统框架。系统由主控制、力反馈控制、变形计算和GPU控制四大主线程和若干碰撞辅助线程构成。主控制线程处理手术工具与软组织的交互操作、碰撞检测和碰撞响应。力反馈控制线程处理力反馈设备状态读入和反馈力输出。变形计算线程完成基于CPU的软组织变形计算。GPU控制线程处理三维场景图形渲染和基于GPU的软组织变形计算。碰撞辅助线程与主控制线程协同运作完成碰撞检测的并行处理。系统在数据结构和运行机制上进行了特殊设计,使得切割操作可以和GPU加速的变形计算并行运作。对若干测试场景的仿真结果表明,并行框架可以提高系统运行速度,并且运行稳定正常,无死锁现象。

多线程加速的基于空间散列的柔性体碰撞算法

实现了针对手术仿真使用的柔性体碰撞检测和碰撞响应。柔性体使用四面体网格模型。碰撞检测使用空间散列表检测顶点-四面体碰撞对。碰撞响应计算发生碰撞顶点的一致性侵入深度和方向,并由此计算顶点的约束平面。变形计算使用约束平面对顶点施加惩罚力。碰撞检测使用多线程加速。变形计算单独运行在一个线程中,与碰撞处理之间使用过渡缓冲区传递运算结果。最后给出了若干测试仿真场景的运行效果,并对计算效率进行了分析和比较。

油田勘探开发数据集成研究

数据集成是勘探开发数据整合的重要环节,如何根据实际情况设计适用的数据集成模式,是数据集成工作顺利开展的前提。本文介绍了油田勘探开发数据的发展和数据集成的必要性,重点论述了油田勘探开发数据集成的建设思路,阐述了当前流行的集成模式,描述了适用华北油田的勘探开发数据集成模式、集成步骤、集成规则与需要使用的集成工具。

GVF Snake模型中初始轮廓线设置算法的研究

在详细分析了动态轮廓模型抗干扰性差、运算量大、不能逼近比较复杂轮廓、初始轮廓线设置复杂等问题原因的基础上,提出了轮廓线"有效逼近域"概念,进一步研究发现,这些问题都可以通过设置初始轮廓线到"有效逼近域"内,并有效地控制"有效逼近域"范围而得以解决。由于初始轮廓线只要求设置在"有效逼近域"内,因此符合基于小波变换多尺度边缘检测算法的特性,"有效逼近域"也可以通过控制GVF力场迭代次数来有效控制其大小。基于此,通过采用小波变换多尺度边缘检测获得不同分辨率边缘点,合理控制GVF力场迭代次数,提出初始轮廓线连接算法,成功地实现了初始轮廓线的有效设置。实验结果表明,能够准确地将初始轮廓线设置在"有效逼近域"内,并且"有效逼近域"的大小可以减小到真实轮廓左右5个像素以内,运算量有效的减小,抗干扰性也得到了很大的提高。

碳纤维复合材料切削工艺研究

为了提供车削碳纤维复合材料的切削力及表面质量的数据,提出了超声振动车削的方式提高表面质量,对超声振动切削的运动以及切削力模型进行分析后,自制超声振动状态下的切削力检测刀具,研究不同的进给量、背吃刀量、切削速度对振动切削力的影响,以及不同参数切削后的表面粗糙度。在对碳纤维复合材料的破坏机理进行研究后分析切削力及表面质量得到:随着进给量以及切削深度的增加振动切削力呈现增大趋势,切削速度的变化对切削力影响较小。同时现切削参数在切削深度0.5mm,进给量0.11mm/r以下时,表面质量较好,可以作为发动机检测切削参数。

基于非线性力反馈模型的软组织变形仿真

虚拟手术仿真研究中反馈力一般采用线性模型,但软组织的反馈力往往呈现出非线性的特点。通过对软组织生物力学特性的分析,将非线性性质应用到软组织力反馈模型的研究。在保持原线性反馈力方向不变的前提下,加入非线性扰动,建立了反馈力的非线性模型,从而使反馈力更加真实。首先构建了人体肝脏物理模型,然后给出了非线性力反馈模型方程,并对人体肝脏物理模型变形和反馈力进行了仿真。为了减小计算量采用了整体刚度矩阵缩减算法。仿真结果表明该模型有较好的非线性和可调节性。

树木的建模与实时渲染技术

详细论述了树木生成以及渲染的实现过程。描述了一个使用随机L-系统的树木建模方法,以及几何绘制和替代物渲染相结合的树木渲染方法,并讨论了树木阴影的生成。最后,使用VC++和OpenGL设计了一个树木的生成器和一个树木的渲染器,实现了树木的建模与渲染。程序的运行结果表明,该方法能够取得较好的渲染效率和不错的视觉效果。

德国在轨雷达成像卫星商业竞争力升级

德国目前共有两颗民商用高分辨率雷达成像卫星在轨,分别是2007年发射的＂X频段陆地合成孔径雷达＂（TerraSAR-X）卫星和2010年发射的＂陆地合成孔径雷达-数字高程模型-X＂（TanDEM-X）卫星。这两颗卫星有效载荷相同,最高分辨率均为1m×1.2m（方位向×距离向）,共同组成高分辨率干涉测量X频段合成孔径雷达卫星星座。最近，据国外媒体报道，TerraSAR-X卫星完成了任务扩展，能力大幅提升，最高分辨率已达到0．25m。而同期德国航空航天中心（DLR）也声明德国政府将不对商业出售的对地观测数据分辨率做严格限制？这一旦成为现实，将极大地提升德国在轨雷达成像卫星的商业竞争力。笔者认为这两事件或存在内部关联，本文中进行相关分析。

OFDM通信系统高速ADC模块硬件实现

讨论了OFDM通讯系统高速ADC和DAC平台的硬件设计,对高速ADC、逻辑控制、高速缓存、高速DAC及DSP对I/O的同步读写进行了讨论和介绍,提出了更为有效的同步控制方式。利用CCS和示波器对数据进行了观察和分析。观察和分析结果表明,该系统能够有效地工作,验证了系统要求。

虚拟手术中模拟软组织切割的混合弹性模型

虚拟手术仿真系统应该同时满足真实性和实时性的要求。弹簧质点模型可以满足实时性的要求,但它无法模拟人体的粘弹性特征;而传统的有限元模型虽然可以模拟人体的粘弹性特征,但巨大的时间消耗使得这个方法几乎无法给出实时的反馈。混合弹性模型是一种基于有限元方法的优化模型,由于采用了简化措施,使得它既克服了弹簧质点模型的缺陷;同时也满足了虚拟手术的实时性要求。实验证明混合弹性模型在虚拟手术的真实性和实时性之间达到了一个较好的折中效果,它可以实时的提供视觉反馈,同时也使在虚拟手术系统中引入力反馈器成为可能。

布料仿真中基于精确力学公式的粒子模型

推导了一种用于布料仿真的粒子模型。该模型使用精确的力学公式构建布料模型平面内的拉伸与剪切变形,以及平面外的弯曲变形方程,并加以适当的简化。模型使用的参数全部具有物理意义,并且适用于任何三角面片网格,克服了传统的弹簧-质点模型中弹簧的弹性系数没有物理意义,并且只适用于规整网格的缺点。实验表明该模型具有良好的仿真效果。

虚拟肝脏重建与形变切割仿真

针对肝脏虚拟手术仿真对仿真场景逼真性、形变和切割仿真实时性的要求,提出虚拟体包络技术、基于解剖结构的边界条件设置以及双体素网格3种创新方法,根据肝脏的解剖结构重建肝脏仿真模型。对于肝脏模型外以面模型形式存在的管道模型,将其镶嵌在虚拟包络体模型中以实现形变和切割仿真。通过对肝脏表面解剖结构的分析,以及对肝脏约束形式进行合理简化,在肝脏韧带结构上设置边界限制标志。双体素网格方法在两层尺度不同的体素网格上重建肝脏仿真模型:原始模型表面在精细体素网格中重建,而切割面则在粗糙体素网格中构造,以此减少形变和切割仿真的计算量。仿真结果表明所用方法能在保持肝脏形变和切割仿真的真实感前提下提高仿真的运行速度。