虚拟手术系统中的三维建模及人机交互技术。神经外科虚拟手术系统是虚拟现实技术和图形图像处理技术在神经外科医学领域的重要应用,涉及到虚拟现实、计算机图形学、数字图像处理、神经外科手术等多种学科,是一个多学科交叉的新兴" />

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神经外科虚拟手术系统中三维建模及人机交互技术研究

作　者: 王志刚
导　师: 陈雷霆
学　校: 电子科技大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 虚拟手术三维建模虚拟手抓取判定碰撞检测
分类号: TP391.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 246次
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内容摘要

本文主要研究了神经外科虚拟手术的学位论文">虚拟手术系统中的三维建模及人机交互技术。神经外科虚拟手术系统是虚拟现实技术和图形图像处理技术在神经外科医学领域的重要应用,涉及到虚拟现实、计算机图形学、数字图像处理、神经外科手术等多种学科,是一个多学科交叉的新兴领域。神经外科手术,特别是脑部的神经外科手术,具有错综复杂、神经组织密集、操作空间狭小等特点,任何损伤都可能带来严重的并发症甚至死亡。而神经外科虚拟手术系统能提供较理想的手术模拟效果和教学环境,它必然会对临床教学、手术计划的制定、手术成功率的提高发挥巨大的推动作用,因此,对它的研究具有重要的学术意义和广阔的应用前景。本文针对神经外科虚拟手术系统的关键技术进行了研究。首先,建立了神经外科虚拟手术系统所需要的三维模型:虚拟颅脑模型、虚拟手术室模型、虚拟手模型。虚拟颅脑模型利用VTK可视化工具包中体绘制三维重建算法建立,能够比较真实地表现人头颅的基本结构;利用3DS MAX建立的虚拟手术室模型具有逼真的深度感和空间感,医师进行虚拟操作时可以产生身临其境的感觉;基于OpenGL建立的虚拟手模型充分考虑了系统的交互需求,并兼顾了人手的生理和物理特性,能够满足神经外科虚拟手术系统的基本需要。在建立虚拟手模型的同时,本文还研究了当前主要的面向OpenGL应用的三维建模技术,针对这些技术分别做了建立虚拟手模型的实验,分析了它们各自的优缺点以及适用场合,提出了针对虚拟手术的建模思想。本文提出了新的虚拟手抓取判定规则,以解决现有判定规则或繁或简,不适用于神经外科虚拟手术的缺点,尽可能使得虚拟手的抓取动作协调、真实、自然,同时充分考虑神经外科虚拟手术系统人机交互的实时性要求,满足系统的交互需要。同时本文还分析了虚拟手常规的抓取过程,提出了相应的抓取算法。碰撞检测是虚拟现实领域的研究重点,精确的碰撞检测对提高虚拟环境的真实性、增加虚拟环境的沉浸性具有十分重要的作用。本文研究了虚拟手抓取过程中的碰撞检测算法,并结合现有的成熟碰撞检测库ColDet提出了针对本课题的碰撞检测算法。最后,基于上面所研究成果,实现了基于数据手套的基本的虚拟交互操作。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-18
  1.1 课题背景和研究意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-13
  1.3 课题的内容及本文的主要工作与创新点  13-17
    1.3.1 课题的内容  13-16
    1.3.2 本文的主要工作与创新点  16-17
  1.4 论文的章节安排  17
  1.5 本章小结  17-18
第二章神经外科虚拟手术的学位论文">虚拟手术系统相关技术  18-39
  2.1 虚拟现实技术  18-27
    2.1.1 概述  18-19
    2.1.2 发展简史  19-20
    2.1.3 技术特征  20-23
    2.1.4 系统组成及分类  23-26
    2.1.5 应用  26-27
  2.2 人机交互技术  27-28
  2.3 神经外科虚拟手术  28-29
  2.4 三维建模软件  29-38
    2.4.1 3DS MAX  29-31
    2.4.2 VTK  31-32
    2.4.3 OpenGL  32-38
  2.5 本章小结  38-39
第三章神经外科虚拟手术系统中三维建模技术研究  39-53
  3.1 虚拟颅脑模型的建立  39-40
    3.1.1 建模流程  39-40
    3.1.2 建模结果  40
  3.2 虚拟手术室模型的建立  40-42
    3.2.1 建模步骤  40-41
    3.2.2 建模结果  41-42
  3.3 面向 OpenGL 应用的建模技术研究  42-51
    3.3.1 基于OpenGL 的建模技术  42-46
    3.3.2 基于专业建模工具的直接读取建模技术  46-48
    3.3.3 基于专业建模工具的转换建模技术  48-51
    3.3.4 实验结论  51
  3.4 虚拟手术系统的建模思想  51-52
  3.5 本章小结  52-53
第四章神经外科虚拟手术系统中人机交互技术研究  53-74
  4.1 虚拟手的动作实现  53-60
    4.1.1 抓取动作  53-59
    4.1.2 释放动作  59-60
  4.2 抓取判定  60-63
    4.2.1 抓取判定规则  60-61
    4.2.2 抓取过程  61
    4.2.3 抓取算法  61-63
  4.3 碰撞检测  63-67
    4.3.1 碰撞检测介绍  63-64
    4.3.2 碰撞检测算法  64-65
    4.3.3 碰撞检测库  65-67
  4.4 数据手套和虚拟手的关联  67-70
    4.4.1 数据手套  68
    4.4.2 数据手套的校准  68-69
    4.4.3 数据的获取  69-70
  4.5 虚拟交互操作的实现  70-73
    4.5.1 类的设计  70-72
    4.5.2 功能实现  72-73
  4.6 本章小结  73-74
第五章总结与展望  74-76
致谢  76-77
参考文献  77-81
个人简历及硕士期间发表的论文  81-82

神经外科虚拟手术系统中三维建模及人机交互技术研究

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