CN106169021A - 一种基于路径分离的四面体网格虚拟切割方法 - Google Patents
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Abstract
一种计算机科学技术领域的一种基于路径分离的四面体网格虚拟切割方法,包括:(1)读取四面体网格的数据，得到四面体网格的表面三角面片集合;(2)启动碰撞检测的线程与显示表面三角面片集合到屏幕的线程;(3)在发生碰撞检测后，就开始启动刀具的轨迹离散化，并进行特征点处理，同时启动最优路径的选择；(4)分离最优路径上最先两个点所共享的四面体；（5）删除步骤(4)中两个点；本发明在切割的过程中，对每一个碰撞的面片，都利用评价函数进行评价，选择最优的点成为切割轨迹的路径，然后进行四面体分离，由于在切割过程中只有拓扑分离，并不会出现病态四面体，从而提高了有限元计算的稳定性，四面体的数量不会增加，从而保持了计算速度。
Description
技术领域
本发明属于计算机科学技术领域，更具体地，涉及一种基于路径分离的四面体网格虚拟切割方法。
背景技术
软组织的切割是医学领域虚拟手术的重要组成部分，不仅需要满足逼真性，还必须遵循生物组织的物理特性及实时变化，是一个极具挑战的课题。
目前国内外软组织模型采用的模型较为代表性的为质点-弹簧模型和有限元模型。质点-弹簧模型计算简单快速，在切割或者重置网格时只需更新拓扑结构，能方便的模拟物体的切割，但是它的模型简单决定了在手术的过程中无法保证变形的精确性。有限元模型可精确模拟具有物理意义的形变，但是四面体网格的数量与质量会对有限元的计算稳定性产生直接影响。切割的速率及好坏对虚拟手术具有重大的影响，切割的主要任务是满足切割条件下的模型拓扑结构的改变，现有的最简单的切割方法是去除法，虽然计算量小，实现简单，但是违反了质量守恒定律，切割边界存在锯齿走样。而顶点复制需要精确记录到的切横而且会产生由于复制的位置产生不规则的形状，导致后续再处理，使得步骤复杂，容易产生小网格，影响有限元计算。同样，细分四面体网格的切割方法也是有着容易产生不规则网格，为了消除不规则网格需要多次在一个四面体网格上切分，产生多个子四面体，在连续切割下，容易使得有限元计算变慢，而且由于小四面体的存在，会导致有限元计算的不稳定。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于路径分离的四面体网格虚拟切割方法，对每个碰撞的三角面片中的三个点，都利用评价函数进行评价，选择最优的一个点为最优路径上的点，得到与切割轨迹最接近的路径，进行轨迹上的四面体分离，使得在切割过程中，即不会出现更多的四面体网格，也不会出现小网格从而避免了有限元计算的不稳定与计算速度减慢，因此在连续切割后，有限元计算的稳定性依旧能得到保证，且保持了计算速度。
一种基于路径分离的四面体网格虚拟切割方法，具体步骤如下：
（1）读取四面体网格的数据，得到四面体网格的表面三角面片集合；
（2）启动碰撞检测的线程与显示表面三角面片集合到屏幕的线程；
（3）在发生碰撞检测后，就开始启动虚拟刀具的轨迹离散化，并进行特征点处理，同时启动最优路径的选择；
（4）最优路径集合内出现两个点以上，则将最先进入集合的两点的两个四面体网格拓扑分离，同时分别移动一部分距离，使之二者有一定的间隙；
（5）删除最优路径集合目前所有点中最初加入的那个点；
优选的技术方案中，所述的步骤（2）启动碰撞检测的线程，是指启动一个线程，在用户停止程序之前，始终在运行切割程序，切割程序一直在检测手术刀的表面网格是否与被切割的四面体网格有碰撞。
优选的技术方案中，所述的步骤（2）启动显示表面三角面片集合到屏幕的线程，是指启动一个线程，线程内部一直在重复运行着显示所有表面网格的程序，直到用户停止程序之前，一直都在显示着三角面片集合。
优选的技术方案中，所述的步骤（3）启动虚拟刀具的轨迹离散化，并进行特征点处理，是指在发现手术刀与被切割的物体的表面网格发生碰撞的期间，重复的获取当前的手术刀刀尖的空间位置，并全部按照时间顺序保存到一个集合K中，同时对K中的点第一个直接存储有效特征点集合L中，对于集合K中的某个点，如果K后面依旧还有点，则使用评价函数进行评价，否则等待集合K中有新点加入，再进行评价函数进行评价，如果评价结果达到评价指标2.26，则保留将该点加入到集合K中，否则放弃该点，继续找集合K后面的点进行评价，该过程是动态的，即在集合K加点的同时，集合L也在同时增加点，评价函数为：
这里，指的是当前评价点与K集合最后一个点组成的向量，指的是当前评价点与K集合最后一个点组成的向量，指的是的弧度，的长度与三角面片的平均长度之间的比值。
优选的技术方案中，所述的步骤（4）先进入集合的两点的两个四面体网格拓扑分离，是指将L集合中的两个点作为线段找到两个三角面片A与B,根据三角面片A与三角面片B找到四面体M与N，接着将四面体M与四面体N公用的面分为四面体M与四面体N私有的面，这里产生新的面，因此会在网格点集合中添加进新的点，同时产生的新的面都是边界面，要添加到边界面的集合中去。
优选的技术方案中，所述的步骤（4）两个三角面片分别移动一部分距离，使二者有一定的间隙，是指两个三角面片都在到公共边的垂直方向分别平移一段距离，这个移动的距离在下一个三角面片继续削弱迭代移动，最终移动距离为0即可。
优选的技术方案中，所述的削弱迭代移动是指，例如四面体M在发生移动时，有四个点发生移动，那么四个点上都有移动向量，接着在与四面体M共点的四面体N，为了保持形状不发生大幅度的变化，除了与四面体M共用的点，其余的点应该也有发生移动，其移动的距离是四面体M点移动的距离的2/3,不断迭代，直到移动的距离不足三角面片平均边长的1/5,则停止迭代。
优选的技术方案中，所述的步骤（5）删除最优路径集合目前所有点中最初加入的那个点，即权利要求1中的步骤（4）中参加拓扑分离的两个点中选择最先进入最优路径的那个点删除，剩下的那个点因为需要评价函数中为集合K中的新点进行评价而留下。
本发明的有效技术效果是：在切割的过程中，对每一个碰撞的三角面片中的三个点，都利用评价函数进行评价，选择最优的一个点为最优路径上的点，得到与切割轨迹最接近的路径，然后进行轨迹上的四面体分离，使得在切割过程中，只是会产生四面体网格的拓扑分离，而不会出现更多的四面体单元，也不会出现病态四面体从而提高了有限元计算的稳定性，而四面体的数量不会增加从而保持了计算速度。
附图说明
图1为本发明四面体网格虚拟切割方法的步骤流程示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的四面体网格虚拟切割方法进行详细说明。
如图1所示，一种基于路径分离的四面体网格虚拟切割方法，包括如下步骤。
（1）读取四面体网格的数据，得到四面体网格的表面三角面片集合；
读取四面体的数据，生成四面体网格的集合，三角面片的集合，与点的集合。
（2）启动碰撞检测的线程与显示表面三角面片集合到屏幕的线程；
启动两个线程，在操作的全过程始终在运行着，知道用户停止使用程序，线程才会退出。分别是碰撞检测线程与显示表面三角面片集合到屏幕的线程。碰撞检测的线程，是指在一个线程内，始终在运行着切割程序，切割程序则一直在检测手术刀的表面网格是否与被切割的四面体网格有碰撞，显示表面三角面片集合到屏幕的线程，是指在一个线程中，一直运行着显示所有表面网格的程序，直到用户停止程序之前，都在显示着三角面片集合。
（3）在发生碰撞检测后，就开始启动虚拟刀具的轨迹离散化，并进行特征点处理，同时启动最优路径的选择；
在碰撞检测程序检测到发生碰撞后，即是在发现手术刀与被切割的物体的表面网格发生碰撞的时候，在用户停止切割的时间之中，重复的获取当前的手术刀刀尖的空间位置，并全部按照时间顺序保存到一个集合K中，同时对K中的点第一个直接存储有效特征点集合L中，对于处理到集合K中的某个点（不是第一个点），如果K后面依旧还有点，则使用评价函数进行评价，否则等待集合K中有新点加入，再进行评价函数进行评价，如果评价结果达到评价指标2.26，则保留将该点加入到集合K中，否则放弃该点，继续找集合K后面的点进行评价，该过程是动态的，即在集合K加点的同时，集合L也在同时增加点，评价函数为：
这里，指的是当前评价点与K集合最后一个点组成的向量，指的是当前评价点与K集合最后一个点组成的向量，指的是的弧度，的长度与三角面片的平均长度之间的比值。
（4）最优路径集合内出现两个点以上，则将最先进入集合的两点的两个四面体网格拓扑分离，同时分别移动一部分距离，使二者有一定的间隙；
当检测到最优路径集合中的最优路径点有两个或者两个以上的时候，选择集合K中按时间排序的最先进入的两个点，以该两个点作为线段找到两个三角面片A与B,根据三角面片A与三角面片B找到四面体M与N，接着将四面体M与四面体N公用的面分为四面体M与四面体N私有的面，这里产生新的面，因此会在网格点集合中添加进新的点，同时产生的新的面都是边界面，要添加到边界面的集合中去。
接着，令着两个四面体单元在公共边的垂直方向向着各自的方向分别平移一段距离，这个移动的距离在下一个三角面片继续削弱，然后迭代移动，最终移动距离为0即可。削弱迭代移动指的是，例如四面体M在发生移动时，有四个点发生移动，那么四个点上都有移动向量，接着在与四面体M共点的四面体N，为了保持形状不发生大幅度的变化，除了与四面体M共用的点，其余的点应该也有发生移动，其移动的距离是四面体M点移动的距离的2/3,不断迭代，直到移动的距离不足三角面片平均边长的1/5,则停止迭代。
（5）删除最优路径集合目前所有点中最初加入的那个点；
在迭代结束后，将参加拓扑分离的两个点中选择最先进入最优路径的那个点删除，剩下的那个点因为需要评价函数中为集合K中的新点进行评价而留下。
Claims (8)
1.一种基于路径分离的四面体网格虚拟切割方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）读取四面体网格的数据，得到四面体网格的表面三角面片集合；
（2）启动碰撞检测的线程与显示表面三角面片集合到屏幕的线程；
（3）在发生碰撞检测后，就开始启动虚拟刀具的轨迹离散化，并进行特征点处理，同时启动最优路径的选择；
（4）最优路径集合内出现两个点以上，则将最先进入集合的两点的两个四面体网格拓扑分离，同时分别移动一部分距离，使二者有一定的间隙；
（5）删除最优路径集合目前所有点中最初加入的那个点。
2.根据权利要求1所述的一种基于路径分离的四面体网格虚拟切割方法，其特征在于，所述的步骤（2）启动碰撞检测的线程，是指启动一个线程，在用户停止程序之前，始终在运行切割程序，切割程序一直在检测手术刀的表面网格是否与被切割的四面体网格有碰撞。
3.根据权利要求1所述的一种基于路径分离的四面体网格虚拟切割方法，其特征在于，所述的步骤（2）启动显示表面三角面片集合到屏幕的线程，是指启动一个线程，线程内部一直在重复运行着显示所有表面网格的程序，直到用户停止程序之前，一直都在显示着三角面片集合。
4.根据权利要求1所述的一种基于路径分离的四面体网格虚拟切割方法，其特征在于，所述的步骤（3）启动虚拟刀具的轨迹离散化，并进行特征点处理，是指在发现手术刀与被切割的物体的表面网格发生碰撞的期间，重复的获取当前的手术刀刀尖的空间位置，并全部按照时间顺序保存到一个集合K中，同时对K中的点第一个直接存储有效特征点集合L中，对于集合K中的某个点，如果K后面依旧还有点，则使用评价函数进行评价，否则等待集合K中有新点加入，再进行评价函数进行评价，如果评价结果达到评价指标2.26，则保留将该点加入到集合K中，否则放弃该点，继续找集合K后面的点进行评价，该过程是动态的，即在集合K加点的同时，集合L也在同时增加点，评价函数为：
这里，指的是当前评价点与K集合最后一个点组成的向量，指的是当前评价点与K集合最后一个点组成的向量，指的是的弧度，，与三角面片的平均长度之间的比值。
5.根据权利要求1所述的一种基于路径分离的四面体网格虚拟切割方法，其特征在于，所述的步骤（4）先进入集合的两点的两个四面体网格拓扑分离，是指将l集合中的两个点作为线段找到两个三角面片A与B，根据三角面片A与三角面片B找到四面体M与N，接着将四面体M与四面体N公用的面分为四面体M与四面体N私有的面，这里产生新的面，因此会在网格点集合中添加进新的点，同时产生的新的面都是边界面，要添加到边界面的集合中去。
6.根据权利要求1所述的一种基于路径分离的四面体网格虚拟切割方法，其特征在于，所述的步骤（4）两个三角面片分别移动一部分距离，使二者有一定的间隙，是指两个三角面片都在到公共边的垂直方向分别平移一段距离，这个移动的距离在下一个三角面片继续削弱迭代移动，最终移动距离为0即可。
7.根据权利要求6所述的一种基于路径分离的四面体网格虚拟切割方法，其特征在于，所述的削弱迭代移动是指，例如M四面体在发生移动时，有四个点发生移动，那么四个点上都有移动向量，接着在与四面体M共点的四面体N，为了保持形状不发生大幅度的变化，除了与四面体M共用的点，其余的点应该也有发生移动，其移动的距离是四面体M点移动的距离的2/3，不断迭代，直到移动的距离不足三角面片平均边长的1/5,则停止迭代。
8.根据权利要求1所述的一种基于路径分离的四面体网格虚拟切割方法，其特征在于，所述的步骤（5）删除最优路径集合目前所有点中最初加入的那个点，即权利要求1中的步骤（4）中参加拓扑分离的两个点中选择最先进入最优路径的那个点删除，剩下的那个点因为需要评价函数中为集合K中的新点进行评价而留下。
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108427425A (zh) * | 2018-06-13 | 2018-08-21 | 广州市盘古机器人科技有限公司 | 空间位置探测agv小车应用技术 |
| CN108537797A (zh) * | 2018-04-09 | 2018-09-14 | 哈尔滨理工大学 | 一种虚拟手术中可变形对象切割仿真的网格变形优化方法 |
| CN109388840A (zh) * | 2017-08-10 | 2019-02-26 | 利弗莫尔软件技术公司 | 用于具有预定义负载路径和对应网格调整方案的金属成型过程的数值模拟的专用编程计算机 |
| TWI743933B (zh) * | 2020-08-10 | 2021-10-21 | 威聯通科技股份有限公司 | 跨感測器之空間定位與身分辨識之方法及系統 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103065305A (zh) * | 2012-12-25 | 2013-04-24 | 上海交通大学 | 虚拟手术训练系统中基于四面体的组织模型切割方法 |
| CN104318056A (zh) * | 2014-09-24 | 2015-01-28 | 北京航空航天大学 | 基于位置动力学的软组织变形和切割模拟方法 |
| CN105261069A (zh) * | 2015-11-05 | 2016-01-20 | 北京航空航天大学 | 基于gpu的软组织器官元球模型自动生成与碰撞检测的方法 |
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103065305A (zh) * | 2012-12-25 | 2013-04-24 | 上海交通大学 | 虚拟手术训练系统中基于四面体的组织模型切割方法 |
| CN104318056A (zh) * | 2014-09-24 | 2015-01-28 | 北京航空航天大学 | 基于位置动力学的软组织变形和切割模拟方法 |
| CN105261069A (zh) * | 2015-11-05 | 2016-01-20 | 北京航空航天大学 | 基于gpu的软组织器官元球模型自动生成与碰撞检测的方法 |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109388840A (zh) * | 2017-08-10 | 2019-02-26 | 利弗莫尔软件技术公司 | 用于具有预定义负载路径和对应网格调整方案的金属成型过程的数值模拟的专用编程计算机 |
| CN109388840B (zh) * | 2017-08-10 | 2023-02-10 | 利弗莫尔软件技术公司 | 用于具有预定义负载路径和对应网格调整方案的金属成型过程的数值模拟的专用编程计算机 |
| CN108537797A (zh) * | 2018-04-09 | 2018-09-14 | 哈尔滨理工大学 | 一种虚拟手术中可变形对象切割仿真的网格变形优化方法 |
| CN108537797B (zh) * | 2018-04-09 | 2019-11-08 | 哈尔滨理工大学 | 一种虚拟手术中可变形对象切割仿真的网格变形优化方法 |
| CN108427425A (zh) * | 2018-06-13 | 2018-08-21 | 广州市盘古机器人科技有限公司 | 空间位置探测agv小车应用技术 |
| TWI743933B (zh) * | 2020-08-10 | 2021-10-21 | 威聯通科技股份有限公司 | 跨感測器之空間定位與身分辨識之方法及系統 |
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