质点弹簧构造的皮肤缝合算法研究

作     者：韩育芳 

作者单位：燕山大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吕梦雅

授予年度：2012年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：虚拟手术 质点弹簧 皮肤软组织形变 缝合 跟踪头结点 

摘      要：随着计算机技术的快速发展，以及人们对健康问题的日益关注，虚拟现实系统与现代医学相结合产生了虚拟手术系统。缝合作为虚拟手术中必不可少的一环，逐渐成为虚拟手术系统中的热点和难点问题。本文对皮肤软组织和缝合线模型进行物理建模并研究了缝合过程中缝合线与皮肤软组织的交互过程。 首先，为实现皮肤软组织的真实形变，采用基于物理的质点弹簧方法对皮肤软组织进行建模，通过在皮肤质点间引入内摩擦系数真实地模拟皮肤质点间的运动;设计纹理排列，使每个四边形分别映射纹理上对应部分，以提高模型的真实感;对传统的寻找受力作用点方法进行改进以减少寻找受力作用点的时间。 其次，采用质点弹簧方法对缝合线进行建模，为了体现缝合线的立体感，绘制与缝合线线段数目相同的圆柱体并根据线段的新位置重绘圆柱体;跟踪头结点算法对缝合线进行轨迹跟踪，既可以体现缝合线的刚性特征，又能避免质点弹簧模型发生大形变时难以控制的缺点。 再次，在提升皮肤和缝合线的交互过程更加真实方面，对产生交互的皮肤结点和缝合线结点进行物理建模。另外，考虑到多次缝合时皮肤软组织形变相互影响，对每一个皮肤结点设标记位，记录对应缝合点信息，利用标记位信息计算两片皮肤的形变，利用标记位信息计算两片皮肤的形变，使得皮肤的形变更加真实。 最后，利用VC++和开放性图形接口OpenGL在Windows平台下设计了皮肤软组织的缝合系统，对改进后的方法进行实验验证。