虚拟手术系统中血流场景渲染方法研究与程序实现

作     者：顾恩祖 

作者单位：哈尔滨理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王沫楠

授予年度：2022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 渲染 血流模拟 GPU算法 

摘      要：虚拟手术系统中对真实感,沉浸感的需求使得在虚拟手术中实时的血流渲染成为实现整个虚拟手术系统中真实感不可或缺的一个重要组成部分。随着计算机图形硬件性能的提升,实现实时的血流渲染成为可能。在医学应用上,实时的血流渲染不仅能提高整个虚拟手术系统的真实感,还可以为医护人员及时提供虚拟手术系统人机交互操作中血流变化信息。首先,比较了拉格朗日方法与欧拉方法模拟流体运动的优缺点。因为拉格朗日方法更符合在虚拟手术中血流在组织表面自由流动的特点,因此使用拉格朗日方法中的光滑粒子流体动力学方法离散化求解纳维叶-斯托克斯方程,基于光滑粒子流体动力学方法模拟流体并对此过程中存在的问题进行分析。对绘制流体表面使用的图形管线渲染技术说明。然后,对光滑粒子流体动力学方法模拟流体运动过程中压力计算误差导致在显示结果中出现粒子聚簇现象,在密度约束的基础上对模拟过程中的粒子位置进行矫正实现流体模拟中的不可压缩特性,并针对在邻域粒子数量较少的情况导致密度约束不满足的问题,提出加入附加斥力降低密度约束所需要的邻域粒子数量的方法,通过降低在邻域粒子搜索中的粒子数量降低了计算带来的时间消耗,消除在流体模拟中的卡顿现象最后,利用可编程图形管线技术在渲染管线的顶点着色器阶段和片段着色器阶段,在本文血流运动模拟的基础上直接对当前可见的流体表面进行绘制。在屏幕空间流体绘制过程中,根据流体在真实环境中光照下的特性考虑折射、散射以及入射偏移现象改进光照效果高效的绘制出血流表面。应用C++语言和OpenGL图形库,实现虚拟手术中实时的血流场景渲染。