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基于虚拟现实的人机交互技术在心肺复苏培训中的应用与研究

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基于虚拟现实的人机交互技术在心肺复苏培训中的应用与研究

作者：付志颖南昌大学

学位级别：硕士

目前,虚拟现实与人机交互融合技术已经成为了人机交互研究方向最前沿的技术之一,同时大力发展虚拟现实与人机交互融合领域也具有重要意义。随着心肺复苏培训体系和系统的不断进化,使得用户培训越来越趋于自主化,但仍然存在不足。培训效... 详细信息

目前,虚拟现实与人机交互融合技术已经成为了人机交互研究方向最前沿的技术之一,同时大力发展虚拟现实与人机交互融合领域也具有重要意义。随着心肺复苏培训体系和系统的不断进化,使得用户培训越来越趋于自主化,但仍然存在不足。培训效果不佳以及复杂场景不敢施救问题已经成为目前心肺复苏培训系统迫切需要解决的问题。为了解决该问题,一种基于虚拟现实与人机交互技术的新型心肺复苏培训系统运营而生,该系统使用虚拟现实技术解决了复杂场景的模拟以及多个场景的切换问题,使用人机交互技术提高了培训质量,对于这种新型心肺复苏培训体系和系统的研究成为了一个重要课题。基于上述问题,本文主要的研究内容为:(1)深入研究基于包围盒碰撞检测详细流程,发现了该算法存在着包围盒树结点存储结构不优导致内存浪费和相交测试阶段进行多次冗余测试等不足,因此针对这些不足提出了三种优化方案。第一种方案是通过对层次包围盒树的结构优化以减少结点数量,该方案具有一定的局限性;第二种方案是使用B+树的存储结构对层次包围盒树结点信息进行存储以在相同条件下减少磁盘和内存IO次数,此方案能够在一定程度上提升算法效率;第三种方案是针对不同三角面片相交测试情况进行步骤调整以减少冗余相交测试次数,此方案能够较大的提高算法的效率。(2)为了探究心肺复苏模拟人与虚拟现实场景数据交互的整个过程和实现方式,设计出了一套解决方案。该方案在硬件通信方面选择了蓝牙通信方式,设计了数据传输格式以及相应的指令库,软件方面设计了连接、数据传输、数据过滤等蓝图类,同时完成了实时数据反馈和数据面板展示的设计。(3)为了将虚拟现实和人机交互技术与心肺复苏培训进行融合,实现了一套基于虚拟现实人机交互的心肺复苏培训系统。在该系统的基础上针对不同优化方案进行碰撞检测实验,探究固定面数模型与不同面数模型以及固定面数模型与多个固定面数模型单次碰撞检测所需时间,最后根据实验结果分析得出包围盒树结点存储结构优化和相交测试优化能够较好的提升碰撞检测算法的效率。

关键词：虚拟现实人机交互心肺复苏碰撞检测层次包围盒树

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基于粒子系统的瀑布模拟技术研究

基于粒子系统的瀑布模拟技术研究

作者：王艳培哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

自然景物的模拟研究,一直以来都是虚拟现实技术研究领域范畴中的热点。爆炸、烟雾、云彩、喷泉、雨雪、海浪等这种自然中常见的景物,大都是具有不规则的模糊的外形,其动态性和随机性都比较强,若采用传统的建模方法对其模拟研究,会比较... 详细信息

自然景物的模拟研究,一直以来都是虚拟现实技术研究领域范畴中的热点。爆炸、烟雾、云彩、喷泉、雨雪、海浪等这种自然中常见的景物,大都是具有不规则的模糊的外形,其动态性和随机性都比较强,若采用传统的建模方法对其模拟研究,会比较困难。粒子系统技术是目前为止,被作为用来对自然景物建模研究的最有效的方法之一。本文选取瀑布这一特殊景物作为研究的对象。通过对瀑布的形态结构和运动特性进行分析,抽象出其物理模型,利用粒子系统技术和碰撞检测技术,构建基于粒子系统的瀑布模型,添加雾效、音效等,增加场景的沉浸感。首先,为解决瀑布绘制阶段的时间开销大的问题。在瀑布粒子的运动过程中,对某一个瀑布粒子的运动路径进行跟踪,以一段时间内的运动路径作为基本绘制单元对瀑布粒子进行绘制,提出路径跟踪方式。其次,为解决以往瀑布模型中存在的碰撞检测与处理优化问题。根据瀑布粒子的时空位置和静态障碍物的特点,用于排除根本不可能发生碰撞相交的障碍物的区域,以达到简化树结构的目的,提出改进的层次包围盒树算法。再结合瀑布模型自身的特点,利用瀑布粒子与静态障碍物的投影是否相交,提前排除大量不会发生碰撞的瀑布粒子,提出粒子分类树算法。最后,结合提出的瀑布绘制方式和碰撞检测优化算法,在Visual C++平台下,实现瀑布的模拟。

关键词：瀑布模拟粒子系统碰撞检测层次包围盒树粒子分类树

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螺旋桨测量系统仿真和碰撞检测

螺旋桨测量系统仿真和碰撞检测

作者：汤翔华中科技大学

学位级别：硕士

螺旋桨是舰船的关键部件之一,制造工艺及流程十分复杂,且螺旋桨体型较大,在实际的螺旋桨毛坯上进行测量或加工操作,其风险和代价较大。计算机仿真技术是分析系统运行行为和动态过程的重要手段和方法。课题中将以螺旋桨制造工艺中的测量... 详细信息

螺旋桨是舰船的关键部件之一,制造工艺及流程十分复杂,且螺旋桨体型较大,在实际的螺旋桨毛坯上进行测量或加工操作,其风险和代价较大。计算机仿真技术是分析系统运行行为和动态过程的重要手段和方法。课题中将以螺旋桨制造工艺中的测量部分为背景,详细说明计算机仿真技术在螺旋桨测量系统中的应用。该部分主要的研究内容如下:第一、说明系统中测量环境建模的过程:包括基于段结构的测量机各组件层次结构的搭建和螺旋桨的组成结构。第二、研究基于时间的运动仿真原理、仿真控制(主要是仿真的加速控制)和基于段结构的模型组件的复合运动等。为了提高系统仿真的真实性,碰撞检测将是仿真过程中不可缺少的一部分。螺旋桨是由复杂曲面组成的几何体,且属于精细模型,包含的三角面片比较多,如果对其进行直接的碰撞检测往往效率低下,无法满足要求。课题在螺旋桨测量系统仿真的基础上,研究如何在保持碰撞检测实时性和准确性平衡的前提下进行碰撞检测。该部分主要的研究内容如下:第一、详细说明基于包围盒的碰撞检测技术并比较各自的优缺点,为后续螺旋桨测量系统仿真中包围盒的选择提供理论参考。第二、为了减少精确碰撞检测时模型复杂度,课题所述系统采用基于模型细分的层次包围盒树检测方法,并详细说明模型的细分方法和分步碰撞检测过程。第三、通过编程实现仿真过程和碰撞检测功能,比较多组数据说明层次包围盒树检测方法的效果,肯定了这种检测方法在系统仿真时能够一定程度上提高仿真效率,但也存在诸多问题使碰撞检测的效率提升受到限制。在分析了仿真运行结果后,提出了将原螺旋桨测量系统中使用的模型静态切分方法改为动态切分方法的想法,使用动态切分方法能够大量减少场景中以段为单位的模型数量,从而一定程度上提高了操作体验。

关键词：螺旋桨测量系统运动仿真碰撞检测层次包围盒树模型细分

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虚拟手术中碰撞检测算法的研究

虚拟手术中碰撞检测算法的研究

作者：涂超强南昌大学

学位级别：硕士

近年来,随着虚拟现实、分布交互仿真等技术的兴起,碰撞检测问题开始成为研究的热点。快速精确的碰撞检测对于提高虚拟环境的真实性、增强虚拟环境的沉浸感有着至关重要的作用,而虚拟环境自身的复杂性和实时性又对碰撞检测提出了更高的... 详细信息

近年来,随着虚拟现实、分布交互仿真等技术的兴起,碰撞检测问题开始成为研究的热点。快速精确的碰撞检测对于提高虚拟环境的真实性、增强虚拟环境的沉浸感有着至关重要的作用,而虚拟环境自身的复杂性和实时性又对碰撞检测提出了更高的要求。本文以虚拟手术仿真为应用背景,对碰撞检测的算法进行了深入的研究,主要包括以下几个方面的内容: 首先对虚拟现实和碰撞检测的发展与现状进行了阐述,并对碰撞检测常用的几种层次包围盒方法:Sphere、AABB、OBB和K-DOPs进行了系统研究,对这几种方法的优缺点进行了分析比较。其次,我们基于K-DOPs层次包围盒树易于更新,适用于软体对象;OBB层次包围盒树更新速度慢,但包围盒紧密性好,适用于刚体对象。结合K-DOPs与OBB包围盒各自的优点,提出了自己的算法——混合包围盒法:对刚体对象采用OBB包围盒,对软体对象采用K-DOPs包围盒。该方法适用于虚拟手术中刚体对象和软体对象均存在的情况,本文对混合包围盒法中存在的一系列问题进行了详细地说明论证,这些问题包括包围盒树的构造、OBB与K-DOPs包围盒间的相交测试方法、包围盒树的更新、算法的优化等。最后,将所提出的方法应用到虚拟手术试验中,实验结果和具体应用表明,基于OBB与K-DOPs的混合包围盒碰撞检测算法能很好的解决虚拟手术中刚体对象和软体对象间的碰撞检测问题。本文的研究成果对虚拟手术环境中的碰撞检测有一定的理论价值和实际意义。

关键词：碰撞检测包围盒层次包围盒树混合包围盒法相交测试

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基于包围盒的碰撞检测算法的研究及应用

基于包围盒的碰撞检测算法的研究及应用

作者：姜光焱电子科技大学

学位级别：硕士

由于碰撞检测(Collide Detection, CD)是虚拟现实技术(Virtual Reality, VR)中不可缺少的一部分内容，因此随着虚拟现实技术的快速发展，使得碰撞检测在计算机图形学、计算机动画、机器人学等领域成为重要的研究课题。最新研究表明，人... 详细信息

由于碰撞检测(Collide Detection, CD)是虚拟现实技术(Virtual Reality, VR)中不可缺少的一部分内容，因此随着虚拟现实技术的快速发展，使得碰撞检测在计算机图形学、计算机动画、机器人学等领域成为重要的研究课题。最新研究表明，人们在三维实时交互系统中的实际感知质量，并不取决于系统能否精确模拟物体的运动，而是取决于能否对发生碰撞后的效果进行实时模拟，这就对碰撞检测的实时性提出了更高的要求。因此，本文在保证碰撞检测精确性的前提下，为了提高碰撞检测的实时性而对碰撞检测算法的一个重要分支--层次包围盒算法进行了深入研究。本文主要的研究内容以及创新点如下：首先，对碰撞检测的常用算法进行了总结性的介绍，其中重点介绍了层次包围盒方法。通过从各个方面对各种包围盒技术的介绍，总结出它们各自的优劣，从而为后文选择何种包围盒提供了理论依据。其次，对传统的基于OBB包围盒的层次包围盒树碰撞检测算法--RAPID算法进行了深入研究，并针对RAPID算法中层次包围盒树的结构和OBB包围盒的构造方式进行改进。仿真结果表明：改进算法在双模型仿真场景中可以减少不必要的包围盒求交数目;在多模型仿真场景中可以快速排除掉明显不相交的物体，使得物体间的冗余测试数量减少。因此，和RAPID算法相比，无论是在双模型场景还是多模型场景中，改进算法都具有比较明显的优势。再次，对传统的基于AABB包围盒的层次包围盒树碰撞检测算法--SOLID算法进行了深入研究，并针对SOLID算法中层次包围盒树的节点进行了存储上的优化。仿真结果表明：和SOLID算法相比，优化算法不仅减少了碰撞检测时间，还极大地节省了内存空间，将它应用于模型较为复杂的仿真场景中能取得更加满意的效果。最后，将本文对碰撞检测算法的研究成果应用于XXX智能子弹药项目中。仿真结果表明：在保证碰撞检测真实性的前提下，基于AABB包围盒的优化算法能够很好地解决系统仿真中碰撞检测实时性的问题，从而为碰撞检测在实际项目开发中的成功应用提供了一种有效的方法。

关键词：碰撞检测层次包围盒树 OBB AABB RAPID算法 SOLID算法

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虚拟手术软组织形变建模与碰撞检测技术研究

虚拟手术软组织形变建模与碰撞检测技术研究

作者：梅新奎哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着虚拟现实技术的高速发展,虚拟现实技术已经被应用于包括娱乐、军事、医疗、教育等在内的众多领域,并均取得诸多成功。特别是在医疗领域,虚拟手术仿真系统已成为外科手术领域不可或缺的辅助工具。但是由于虚拟手术仿真系统功能模块多... 详细信息

随着虚拟现实技术的高速发展,虚拟现实技术已经被应用于包括娱乐、军事、医疗、教育等在内的众多领域,并均取得诸多成功。特别是在医疗领域,虚拟手术仿真系统已成为外科手术领域不可或缺的辅助工具。但是由于虚拟手术仿真系统功能模块多,涉及多学科交叉的前沿技术领域,研究难度与工作量巨大,部分功能模块还不健全,因此虚拟手术仿真系统各功能模块的研究具有重大意义,其中生物体软组织形变仿真模块是虚拟手术仿真系统中重要组成部分,因此,本文重点以生物体软组织形变仿真建模方法与碰撞检测技术作为研究内容,紧紧围绕如何提升生物体软组织形变的真实性与实时性展开深入的研究,主要工作如下:首先,论文对生物力学特性进行了分析,研究了能够体现出生物力学特性的弹簧模型,为接下来的生物体软组织形变仿真模型构建方法奠定了理论基础。同时介绍了生物体软组织几何建模常用方法,通过比较之后,论文采用Amira软件构建生物体软组织几何模型。最后介绍了虚拟手术中的触觉力反馈技术以及基于弹簧-阻尼器反馈力计算方法,了解虚拟手术中触觉力反馈机制,进而有助于提升虚拟手术系统的可交互性、改善虚拟现实系统的真实性以及沉浸感。其次,论文提出了基于质点-弹簧与填充体模型结合的生物体软组织形变仿真模型构建算法,不仅解决了传统质点-弹簧易产生塌陷和失真的缺陷,同时大大减少了虚拟手术软体形变过程中的计算量,提升了生物体软组织形变过程的实时性,同时通过融入填充体模型,使虚拟手术中软体模型更接近真正意义上的体模型概念,如果填充体模型趋于无限小,就基本可以模拟出人体生物体软组织器官的基本组织结构,该模型的形变过程就可以真实的反应出生物体软组织受外力而发生形变的过程。再次,论文提出了基于Sphere和AABB的混合层次包围盒碰撞检测方法,来完成生物体软组织形变仿真过程中的碰撞检测过程,在一定程度上弥补了单一类型包围盒在实时性与准确性不能兼顾的不足。同时文中采用软组织局部形变区域的混合层次包围盒树反向更新方法,提升了生物体软组织形变仿真过程中碰撞检测效率。论文最后根据所提出的相关理论,构建简易的虚拟手术仿真平台,且进行相应的仿真实验分析。仿真实验结果表明,论文所提出的基于质点-弹簧与填充体模型结合的软体模型构建方法以及基于Sphere和AABB的混合层次包围盒方法在一定程度上满足虚拟手术仿真系统的生物体软组织形变仿真需求,验证了文中所提出的方法的优越性与实用性。

关键词：虚拟手术软体组织形变填充体模型碰撞检测层次包围盒树

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虚拟环境中碰撞检测算法的研究和实现

虚拟环境中碰撞检测算法的研究和实现

作者：刘超南京航空航天大学

学位级别：硕士

虚拟环境中的碰撞检测是计算机图形学、机器人路径规划、虚拟装配以及计算机动画等诸多领域的核心问题之一,其基本任务是检测虚拟环境中的模型之间是否相交。高效的碰撞检测算法对增加虚拟场景的沉浸感和真实性起着至关重要的作用,虚拟... 详细信息

虚拟环境中的碰撞检测是计算机图形学、机器人路径规划、虚拟装配以及计算机动画等诸多领域的核心问题之一,其基本任务是检测虚拟环境中的模型之间是否相交。高效的碰撞检测算法对增加虚拟场景的沉浸感和真实性起着至关重要的作用,虚拟环境中涉及的三维模型越来越复杂,导致模型之间的碰撞检测也更为复杂。如何提高碰撞检测算法的效率是当前研究的重点内容。基于现有的碰撞检测系统框架,主要对碰撞检测过程中的粗略检测算法和精确检测算法进行了研究,在深入理解层次包围盒技术以及空间三角形相交检测技术的基础上,分别为层次包围盒碰撞检测算法,以及层次包围盒结构中三角形相交测试算法提出了新的改进方案,并实现了一个新的实时碰撞检测系统。对于层次包围盒结构,提出了一种基于轴向包围盒和方向包围盒的双重层次包围盒结构,与传统的层次包围盒算法相比,该算法主要有以下改进:(1)计算最小方向包围盒时,在主成分分析法的基础上增加了面积加权的思想;(2)证明了双重包围盒结构中不同类型包围盒之间的相交检测是强烈相关的,基于此,算法中方向包围盒的相交测试只需检测5条潜在的分离轴;(3)在层次包围盒的遍历过程中,使用了一种基于启发式的深度优先遍历算法。对于精确相交测试,提出了一种适用于方向包围盒结构的三角形相交检测算法。该算法用矩形的表达式替换三角形的顶点坐标,结合粗略检测阶段得到的坐标变换矩阵,避免了大量三角形的顶点坐标变换操作,同时,替换后的三角形顶点包含许多零值,这些零值可以进一步减少检测过程中的计算量。实验结果表明以上改进算法比传统算法具有更好的性能。

关键词：碰撞检测方向包围盒轴向包围盒层次包围盒树空间三角形相交检测

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虚拟手术软组织形变仿真及并行加速方法研究

虚拟手术软组织形变仿真及并行加速方法研究

作者：江帆哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

虚拟手术是虚拟现实在医学方面的具体应用,同时虚拟手术技术是一门多学科融合的复杂技术,一套完整的可以用于实际工作的虚拟手术系统其内容涵盖了各个研究领域,如计算机软硬件、生物医疗、力学等。近年来虚拟手术在手术训练、虚拟解剖... 详细信息

虚拟手术是虚拟现实在医学方面的具体应用,同时虚拟手术技术是一门多学科融合的复杂技术,一套完整的可以用于实际工作的虚拟手术系统其内容涵盖了各个研究领域,如计算机软硬件、生物医疗、力学等。近年来虚拟手术在手术训练、虚拟解剖、远程医疗等方面发展十分迅速,尤其是手术训练系统受到了广泛的关注。虚拟手术训练系统的目的是提供医生一个逼真的虚拟环境,让医生在这个虚拟环境中对具有自然物理特性的手术对象进行各种手术训练操作,具有提升医务人员的临床医疗水平、为真实手术提供参考等现实意义。这里所谓的逼真的虚拟环境以及具有物理特性的虚拟手术对象的实现需要依靠虚拟手术系统最关键的技术即物理建模和碰撞检测。物理建模和碰撞检测的实时性、稳定性、准确性是虚拟手术系统能否到达手术训练效果的重要指标,本文的重点内容也是围绕物理建模和碰撞检测技术的实时性、稳定性和准确性来展开。本文中对物理建模和碰撞检测的实时性的提升使用了GPU加速,所以需要介绍了GPU的发展概况和基于GPU的通用计算框架CUDA,为后续的物理建模和碰撞检测所用到的GPU加速手段做铺垫。软体手术对象的物理建模是虚拟手术系统的基础。有限元方法具有稳定性、准确性高的优点,但是其物理原理较为复杂,求解计算耗时较长,从而导致在实时性方面很难满足大型手术场景的要求。本文针对有限元法在物理建模过程中存在的实时性不高的缺点进行改进,使用GPU加速的方式对有限元的求解过程中稀疏矩阵向量乘法进行优化,使得改进后的有限元法能够在形变效果不变的情况下极大地提高系统的实时性。其次,本文对如何使用GPU加速的方法对提高碰撞检测的性能进行了一定的探索。根据不同包围盒法适用于不同基本图元相交率下的碰撞情况的特性,在碰撞预检测阶段采用AABB层次包围盒法,针对霍夫曼法构建AABB层次包围盒二叉树的缺点,使用基于链表排序的平衡二叉树进行改进,实验结果证明在虚拟手术物体的三角片元数量较多的情况下,本文算法相比传统基于CPU的碰撞检测方法法有更高的检测效率,减少了碰撞检测模块的耗时。在本文的最后部分介绍了使用图像三维重建系统Amira建立软组织肝脏模型的过程以及基于OpenGL使用本文提出的碰撞检测和物理建模方法搭建了肝脏虚拟手术系统进行仿真实验,在实验中无论是形变的效果还是实时性都很好地满足了虚拟手术系统的仿真要求,从而验证了本文CUDA的有限元物理建模方法和层次包围盒碰撞检测方法的有效性和实时性,能够应用到实际的虚拟手术训练系统中。

关键词：虚拟手术有限元 CUDA 稀疏矩阵碰撞检测层次包围盒树

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基于CUDA加速的光线投射法研究

基于CUDA加速的光线投射法研究