使用有限元模型仿真可变形物体的研究进展

可变形物体的建模与仿真是当今计算机图形学领域的难点和热点之一。对于手术模拟等需要精确计算的场合,最佳的建模工具仍然是有限元模型。惟一限制有限元模型广泛应用的瓶颈,在于有限元的大计算量。为了克服这个困难,目前出现了很多新颖的技术方法。对这些有限元新技术做一个比较全面的综述,对其进行分类和概括,并总结这些最新成果的解决思路以及具体的解决方法,对有意以有限元为工具开发仿真系统的研究者们具有很大的启发和参考价值。

一种快速的可变形物体的碰撞检测算法

为实现虚拟环境中可变形物体与刚体间实时的碰撞检测,提出了一种快速的基于混合包围盒层次结构的并行碰撞检测算法。算法充分利用包围盒在检测速度和精度上的不同侧重,对可变形物体建立Sphere和AABB混合包围盒层次树,对刚体建立Sphere和OBB混合包围盒层次树;每个物体的混合包围盒层次树又分成上层、中层和下层,每层使用不同的包围盒;在碰撞检测遍历时,上层使用Sphere和Sphere相交检测快速排除不相交物体,在中层使用Sphere和OBB的相交检测进一步排除物体相交的可能性,在下层使用AABB和OBB的相交检测较精确地确定物体是否相交;采用多线程技术,在多核设备上实现并行碰撞检测算法。实验结果表明,与经典的AABB算法相比较,该算法在效率方面具有明显优势,能够满足可变形物体与刚体的碰撞检测要求。

动画柔性可变形物体的弹簧模型研究

连续变形模型通常用控制点网格表示 ,用这些点间的相互作用模拟弹性属性。该文给出了一个可变形弹簧模型和动画布料的弹力公式 ,在公式中将布料属性当作外部弹力考虑 ,可适当地设置布料的弹性属性 ,简单地考虑模型点间的相互作用 ,较精确地描述布料的行为。

基于混合更新策略的可变形物体碰撞检测算法

针对可变形物体对碰撞检测实时性和精确性的要求,提出了一种快速的基于混合更新策略的并行碰撞检测算法。该算法对物体建立AABB包围盒层次树,并用八叉树代替常用的二叉树,提高了算法效率;在每个变形时间步采用自顶向下和自底向上相结合的混合策略来更新包围盒层次树,进一步提高算法效率;最后采用多线程技术,在多核设备上实现并行碰撞检测算法。实验结果表明,与经典的AABB算法相比,该算法在效率、精确性方面具有明显优势,能够满足可变形物体碰撞检测的要求。

可变形物体间的精确碰撞检测方法研究

针对可变形物体,提出了一种基于粒子的精确碰撞检测算法。首先用LBG矢量量化技术将物体的表面划分成几个小区域,然后在每个区域中分别选择一个点作为检测粒子。当一个物体接近另一个物体时,找出两物体上靠得最近的粒子对。为了得到精确的碰撞位置坐标,进一步计算靠得最近的顶点的相关三角面片之间的最短距离。若此距离小于某个给定的阈值,则可认为两物体在相关三角面片上的最近点处发生了碰撞。仿真实验验证了该算法能有效处理虚拟力交互仿真中的可变形物体的碰撞检测。

一种优化的可变形物体碰撞检测算法

对可变形物体的碰撞检测提出了一种优化的加速算法。算法在Sean Curtis[1]等人提出的特征三角形检测算法的基础上,增加了点和边的基本元素动态分配,并且用多叉树代替二叉树,提高了碰撞检测的效率。新算法可以应用于所有以三角形为基本单位的模型,能够显著地减少基本元素对的检测,并且可以和传统的层次包围盒法结合使用。用提出的优化加速算法对连续碰撞检测中的球-布模型和人体模特-服装模型进行了检测,实验表明,改进的算法相比原算法减少了元素检测的对数,缩短了检测时间,性能提升非常明显。

一种基于骨架的可变形物体建模方法

提出了一种新的基于骨架的混合型的软组织建模方法,用于虚拟手术仿真及手术训练。介绍了通过自动的方法抽取物体的骨架,建立物体的表面物理模型、体物理模型以及对应的计算模型。还介绍了利用骨架进行碰撞检测及外力计算的方法并介绍了实验的软件结构及实验结果。

基于动态减背景图像处理算法的可变形线性物体识别

围绕可变形线性物体(deformable linear objects,DLO)的检测、目标特征提取和动态操作时的故障诊断3个方面进行研究.首先,应用静态背景下常用的动态减背景方法实现了可变形线性物体的动态目标检测;进而对检测出来的目标物体进行插补,并加以标记,从而提取得到目标特征.最后,通过对提取出的特征点进行监控,获得目标物体在不同状态下的信息,并提供故障诊断的依据.结合以上图像处理算法,在带视觉系统的三菱PA10机械臂平台上操作可变形线性物体,进行了实验研究.结果证明,该方法可以较好地监控可变形线性物体在运动过程中状态,并及时诊断故障的发生.

基于空间散列法的虚拟植物碰撞检测算法

根据虚拟植物模型复杂的特点,采用在精细的三角形网格模型上所创建的较粗糙的四面体网格模型,在虚拟植物模型上实现基于空间散列法的碰撞和自碰撞检测。该算法具有高效快速、无需复杂的数据结构等特点。实验结果表明,该算法能够有效地解决群体中植株的碰撞和自碰撞问题,并能够达到实时的处理要求。可同时适用于其它复杂的三维模型的碰撞检测问题。

玉米群体冠层实时物理模拟

植物器官具有柔性体性质,如何快速高效地处理植物群体内部、植株之间,以及植物器官之间的碰撞检测及变形问题是进行植物群体实时物理模拟的关键。以玉米群体冠层为例,提出了四面体网格结合皮肤网格的双层架构的植物群体物理模拟方法。该方法创建与植株精细的三角形皮肤网格模型相对应的较粗糙的四面体网格包络模型,在四面体网格模型上进行物理模拟、碰撞检测等计算,然后通过四面体网格与皮肤网格间的关联将模拟结果变换到三角形精细网格模型,从而实现了较为逼真、稳定的植物群体实时物理模拟效果。

虚拟手术模拟系统中包围盒碰撞检测技术及应用研究

碰撞检测模块是虚拟内窥镜系统的重要组成部分。根据变形物体的碰撞检测要求及连续切割过程对网格结构的影响,提出了碰撞检测的层次包围盒结构修正方法。该方法针对网格中的单元剖分和网格优化的过程中网格单元变化采用子树替换、位置提升方法进行修正。

基于模糊控制可变形线性物体机器人操作抑振

为满足针对可变形线性物体(DLO)自动控制和机器人操作日益增加的需求,提出一种基于视觉的DLO末端抑振方法.该抑振策略借鉴人类对DLO操作过程中的抑振思想,通过高速摄像头获取DLO的运动图像,采用图像处理算法实时处理DLO图像,获取DLO末端的运动状态.基于DLO末端信息,设计模糊控制器实现机器人与DLO的运动方向相同的运动,削减DLO的内部能量,从而实现DLO末端抑振.实验结果表明基于模糊控制的DLO末端抑振方法能够实现快速抑振.