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质点弹簧水面与Metaball结合的雨场景渲染算法

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吉林大学学报（工学版） 2013年第S1期43卷 230-234页

作者：吕梦雅郑玄唐勇燕山大学信息科学与工程学院河北秦皇岛066004 河北省计算机虚拟技术与系统集成重点实验室河北秦皇岛066004

为解决雨场景细节展现不真实和不完善问题,提出一种Metaball技术与质点弹簧水面结合的算法模拟雨滴撞击水面的效果。首先,以粒子系统结合基于图像的绘制方法建立雨滴模型,以质点弹簧建立任意形状的水面模型;其次,采用质点弹簧水面结合Me... 详细信息

为解决雨场景细节展现不真实和不完善问题,提出一种Metaball技术与质点弹簧水面结合的算法模拟雨滴撞击水面的效果。首先,以粒子系统结合基于图像的绘制方法建立雨滴模型,以质点弹簧建立任意形状的水面模型;其次,采用质点弹簧水面结合Metaball技术模拟雨滴撞击水面起泡的过程;再次,采用粒子系统和逐渐淡化融合的方法表现了水花的产生和消失;最后,使用Cg语言实现了水面和泡泡的反射和折射效果,完成场景渲染。实验结果表明,所提出的方法能够快速且比较真实表现雨滴撞击水面的效果。

关键词：雨场景质点弹簧 Metaball技术粒子系统动态纹理

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质点弹簧构造的皮肤缝合算法研究

质点弹簧构造的皮肤缝合算法研究

作者：韩育芳燕山大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：虚拟手术质点弹簧皮肤软组织形变缝合跟踪头结点

虚拟手术中基于质点弹簧建模及其切割技术研究

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虚拟手术中基于质点弹簧建模及其切割技术研究

作者：胡序一燕山大学

学位级别：硕士

随着科学技术的发展,虚拟现实技术得到了越来越多的实际应用。在医疗应用方面,通过采用计算机及其它设备的结合的虚拟手术系统进行虚拟手术仿真不仅可以减少手术训练成本,而且在降低手术风险、培养医疗人才等方面发挥着广泛的作用。本... 详细信息

随着科学技术的发展,虚拟现实技术得到了越来越多的实际应用。在医疗应用方面,通过采用计算机及其它设备的结合的虚拟手术系统进行虚拟手术仿真不仅可以减少手术训练成本,而且在降低手术风险、培养医疗人才等方面发挥着广泛的作用。本文从虚拟手术系统软组织建模与重建出发,以微创虚拟手术中人体软组织为研究对象,针对形状模型的建立、形变以及切割仿真等方面展开深入的研究,主要工作如下:首先,分析了现存各种几何及物理模型建模方法的优劣,比较其各自优缺点,为建模奠定基础。针对几何模型建立时图像分割效率较低,精度不高的问题,提出了利用Amira软件采用自动分割同手动分割相结合,自动分割继承手动分割细节信息的方式,得到真实度较高的人体软组织几何模型。针对质点弹簧模型数学基础,分析了形变的数学过程,建立符合程序设计要求的数据结构。其次,针对质点弹簧模型参数确定的随意性问题,提出了利用遗传算法确定质点弹簧模型参数的方法。采用遗传算法,利用模拟形变同参考形变间差异大小作为适应度函数求得模型参数的近似最优解,得到准确复现实际形变效果的质点弹簧形变模型。最后,对虚拟手术切割方面进行研究,提出四叉树与深度检测结合的切割起点搜索方法;利用模型单元重心间距表达的邻域信息建立索引搜索所有切割单元;以切割轨迹为基础,依据网格密度匹配进行伤口路径获取,针对获取的路径点采用区域向量加权完成伤口扩张实现整个切割操作过程,实现了较高仿真程度的伤口切割效果。

关键词：虚拟手术质点弹簧遗传算法伤口切割

基于质点弹簧和卡尔曼滤波的无线传感器网络定位研究

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基于质点弹簧和卡尔曼滤波的无线传感器网络定位研究

作者：杨友华南昌大学

学位级别：硕士

无线通信技术和集成电路的快速发展使得无线传感器节点的尺寸越来越小,功能却越来越强大,这大大加快了无线传感器网络应用的脚步。而对于无线传感器网络的内部服务和外部应用来说,节点的位置信息常常是十分有用甚至必不可少的,所以节点... 详细信息

无线通信技术和集成电路的快速发展使得无线传感器节点的尺寸越来越小,功能却越来越强大,这大大加快了无线传感器网络应用的脚步。而对于无线传感器网络的内部服务和外部应用来说,节点的位置信息常常是十分有用甚至必不可少的,所以节点的定位成为了研究热点。定位可以分为测距和非测距定位,其中测距定位要进行距离或者角度的测量,能够取得较高的定位精度,而非测距定位利用网络的连通信息进行定位,不需要为节点安装测距设备,节约了成本并降低了功耗,但因定位精度较低而使其应用范围受到一定限制。为了得到定位精度较高的非测距定位算法,本文重点对质心算法和DV-Hop算法进行了研究,将广泛应用于测距定位中的质点弹簧模型和扩展卡尔曼滤波在非测距的情况下和它们进行巧妙地结合,得到了定位精度较高的L-MSM算法和L-EKF算法。L-MSM算法利用质心算法进行粗定位时,为了提高节点定位成功率,未知节点如果有邻居锚节点则只使用邻居锚节点来定位,没有邻居锚节点就使用已经定位的未知节点来定位,然后质点弹簧模型以节点到所有邻居节点估计距离的平均值作为弹簧的平衡长度对质心算法粗定位后的结果进行迭代求精。L-EKF算法首先利用DV-Hop算法进行粗定位,然后使用具有线性状态方程和非线性观测方程的扩展卡尔曼进行迭代求精,滤波的初始值为粗定位后的结果,滤波的观测变量为未知节点到各个锚节点的跳距。仿真实验表明,L-MSM和L-EKF算法都能够在原有质心算法和DV-Hop算法的基础上大幅提高定位精度。

关键词：无线传感器网络非测距定位质点弹簧卡尔曼

基于改进的质点-弹簧模型的软组织形变仿真研究

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通化师范学院学报 2017年第2期38卷 64-69页

作者：王舒珍陈国栋李琦福州大学物理与信息工程学院

软组织器官建模和形变仿真是虚拟手术领域的一个重要研究课题,常用的有质点弹簧模型和有限元模型.虽然很多学者一直致力于研究软组织形变,但软组织形变仿真仍然是一个极具挑战性的问题.该文针对虚拟手术中软组织的特点,提出了一种改进... 详细信息

软组织器官建模和形变仿真是虚拟手术领域的一个重要研究课题,常用的有质点弹簧模型和有限元模型.虽然很多学者一直致力于研究软组织形变,但软组织形变仿真仍然是一个极具挑战性的问题.该文针对虚拟手术中软组织的特点,提出了一种改进的质点-弹簧模型建模方法.在传统的四边形面模型的基础上对模型进行简化,去除剪切弹簧,并以一条结构弹簧代替.在求解动力方程时,采用简单快速的Verlet积分法,满足仿真的实时性和稳定性的需求.最后通过实验验证该方法能够有效地模拟软组织形变.

关键词：质点弹簧物理建模软组织形变 Verlet积分法

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重力作用下肝脏模型变形及切割模拟仿真

哈尔滨工程大学学报 2021年第8期42卷 1096-1101页

作者：张峰峰张石黄柯于凌涛孙立宁苏州大学机电工程学院江苏苏州215006 苏州大学苏州纳米科技协同创新中心江苏苏州215123 哈尔滨工程大学机电工程学院黑龙江哈尔滨150001

为了能够实时且准确的模拟部分肝脏切除术中肝脏真实变形状态,本文提出了一种基于物理的质点弹簧软组织模型。依据肝脏软组织生物力学特性建立了针对肝脏的质点弹簧模型,利用此模型将离体猪肝作为实验对象,分别进行离体猪肝受重力变形... 详细信息

为了能够实时且准确的模拟部分肝脏切除术中肝脏真实变形状态,本文提出了一种基于物理的质点弹簧软组织模型。依据肝脏软组织生物力学特性建立了针对肝脏的质点弹簧模型,利用此模型将离体猪肝作为实验对象,分别进行离体猪肝受重力变形以及离体猪肝的切割实验,给出了模拟变形与真实变形的离体猪肝CT扫面重建模型对比结果。实验结果表明:离体猪肝在重力作用下变形在2 mm内,离体猪肝切割变形在3 mm内;在实时性方面,引入GPU进行并行计算,在重力变形以及切割过程中刷新率分别保持在300FPS和200FPS。该模型能够真实反映肝脏组织形变,同时在计算效率方面具有明显的优势。本文提出的质点弹簧软组织模型能够满足肝脏切割的要求。

关键词：部分肝脏切除术肝脏模型质点弹簧实时性准确性离体猪肝虚拟手术重力变形

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多梳贾卡织物结构形变研究与计算机仿真

纺织学报 2016年第12期37卷 140-145页

作者：张爱军蒋高明李欣欣丛洪莲江南大学教育部针织技术工程研究中心江苏无锡214122

为实现多梳贾卡织物的形变模拟,尤其是提花地网中不同大小网眼对织物形变的模拟,建立了适用于多梳贾卡经编织物的质点弹簧模型。通过研究多梳贾卡织物的组织结构和贾卡提花原理,将地梳线圈简化为质点,连接线圈之间的延展线简化为弹簧,... 详细信息

为实现多梳贾卡织物的形变模拟,尤其是提花地网中不同大小网眼对织物形变的模拟,建立了适用于多梳贾卡经编织物的质点弹簧模型。通过研究多梳贾卡织物的组织结构和贾卡提花原理,将地梳线圈简化为质点,连接线圈之间的延展线简化为弹簧,并进一步将地梳、氨纶梳和衬纬贾卡梳、花梳形成的组织简化为纵向结构弹簧、卷曲弹簧、横向结构弹簧和约束弹簧;研究了线圈质点在4种弹簧复合作用下的受力,引入弹簧阻尼力以减小质点弹簧系统的振动;采用显式欧拉方法求解任意时刻质点的运动状态来减少线圈形变模拟过程的计算时间;通过实样举例,将形变模拟的预测效果与上机编织样布进行对比,验证了所建质点弹簧模型的正确性和实用性。

关键词：经编多梳贾卡质点弹簧形变仿真

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海面溢油可视化关键技术研究

系统仿真学报 2018年第6期30卷 2109-2116页

作者：邹长军尹勇刘秀文万飞飞大连海事大学航海动态仿真和控制实验室大连116021

针对海上溢油可视化及海上溢油交互中存在的问题进行了相关研究,针对传统海上溢油方法中存在盲区问题,提出了基于纹理投影技术的动态海面溢油可视化技术;为实现基于物理方法的海上围油栏建模,提出了基于质点弹簧模型的海上围油拦运动建... 详细信息

针对海上溢油可视化及海上溢油交互中存在的问题进行了相关研究,针对传统海上溢油方法中存在盲区问题,提出了基于纹理投影技术的动态海面溢油可视化技术;为实现基于物理方法的海上围油栏建模,提出了基于质点弹簧模型的海上围油拦运动建模技术;为实现更加真实的海上溢油作业交互模拟,提出了基于多边形裁剪海上动态溢油交互技术。实现了基于GPU的海面溢油实时可视化方法,证明文章提出方法的正确性和可靠性。

关键词：海面溢油可视化纹理投影质点弹簧多边形裁溢油设备交互

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柔性织物动态仿真的研究及实现

天津工业大学学报 2013年第5期32卷 6-10页

作者：鲁艳波李英琳天津工业大学纺织学部天津300387

介绍了一种毛衫织物动态仿真的方法.通过对影响织物动态仿真因素的综合分析,以毛衫织物为例,结合毛衫织物柔软、弹性好的特点,建立质点弹簧模型;利用二分法求解碰撞检测来降低运算的复杂度,以提高仿真速度;结合毛衫织物与球体碰撞时短暂... 详细信息

介绍了一种毛衫织物动态仿真的方法.通过对影响织物动态仿真因素的综合分析,以毛衫织物为例,结合毛衫织物柔软、弹性好的特点,建立质点弹簧模型;利用二分法求解碰撞检测来降低运算的复杂度,以提高仿真速度;结合毛衫织物与球体碰撞时短暂"静止"的现象,以差别化求解碰撞响应方法计算质点受力、速度,从而实现了毛衫织物的仿真.实践表明采用该方法对毛衫织物进行动态仿真,效果比较逼真.

关键词：柔性织物动态仿真纺织CAD 质点弹簧 OpenGL