一种基于元球模型驱动的软组织变形方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114724723A(43)申请公布日2022.07.08(21)申请号202210296753.6(22)申请日2022.03.24(71)申请人苏州迪威视景数字科技有限公司地址215141江苏省苏州市相城区经济技术开发区澄阳街道澄阳路116号阳澄湖国际科技创业园1号楼A座910室(72)发明人潘俊君蒋云(74)专利代理机构北京科迪生专利代理有限责任公司11251专利代理师安丽(51)Int.Cl.G16H50/50(2018.01)G06T17/20(2006.01)权利要求书3页说明书7页附图4页(54)发明名称一种基于元球模型驱动的软组织变形方法(57)摘要本发明提出了一种基于元球模型驱动的软组织变形方法，包括四个步骤：元球模型拓扑结构的构建阶段，使用BradshowGareth球树生成算法，根据原始网格模型生成维诺图，进而生成元球模型，通过设置阈值的方法构建其拓扑结构；元球模型形变计算阶段，使用扩展位置动力学算法结合Laplacian坐标约束来模拟软组织体模型的形变过程；软组织模型的蒙皮阶段，对体模型中的元球分别建立其距离场函数，将元球模型和表皮网格模型建立映射关系，实现蒙皮过程；真实感绘制及实时触觉渲染阶段，根据软组织物理形变进行真实感绘制，并基于GeomagicTouch力反馈设备进行实时触觉渲染。本发明可真实模拟虚拟手术中软组织的形变过程，具有物理真实感强，实时性好的特点。CN114724723ACN114724723A权利要求书1/3页1.一种基于元球模型驱动的软组织变形方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)、输入软组织的三维网格模型作为表皮模型，通过BradshowGareth球树生成算法生成软组织的元球模型，并通过基于阈值的方法对元球进行连接，构建软组织元球模型的拓扑结构；步骤(2)、使用扩展位置动力学算法，结合Laplacian坐标约束对软组织的元球模型进行形变过程模拟，计算得到软组织元球模型的形变；步骤(3)、对软组织元球模型中的元球分别建立距离场函数，将元球模型中的元球和表皮模型建立映射关系，构建起软组织元球模型的蒙皮算法；在每一帧的软组织元球模型形变中，表皮模型根据元球模型中各元球的位置和映射关系更新表皮模型中各个顶点的三维坐标，最终完成软组织表皮模型的变形。2.根据权利要求1所述的基于元球模型驱动的软组织变形方法，其特征在于：所述步骤(1)中，在通过使用Bradshow算法生成软组织的元球模型的基础上，使用如下算法构建软组织元球模型的拓扑结构：对于元球i，中心是ci，与该元球拓扑相连的点函数定义为：其中，N是设定阈值，num(i)是与元球i重叠的元球数量，L函数指与元球i重叠的元球全部定义为拓扑连接，L′是指距离元球i最近的m个元球定义为与元球i拓扑连接。3.根据权利要求1所述的基于元球模型驱动的软组织变形方法，其特征在于：所述步骤(2)中扩展位置动力学算法具体实现如下：(1)首先，使用扩展位置动力学算法中的拉伸约束，拉伸约束函数如(2)式：Cstretch(p1,p2)＝|p1‑p2|‑d(2)其中，d为三维网格模型中有拓扑连接的顶点p1和p2之间最初的原始距离，其中C(P1,...,Pn)是以P1到Pn的顶点位置为输入的约束函数，是函数关于顶点Pi的梯度：公式(3)和公式(4)是受约束两点P1和P2的位置改变量；其中w1与w2为两个顶点的权重；(2)然后，对三维网格模型中有拓扑连接构成四面体的顶点，使用扩展位置动力学算法中的体积保持约束，体积保持约束的函数如下所示：V0是四面体的原始体积；P1,P2,P3,P4分别是四面体的四个顶点坐标；根据体积保持约束的函数，得到四面体中每个点的梯度为：2CN114724723A权利要求书2/3页每个顶点的位置改变量为：(3)最后使用Laplacian坐标约束，算法如下：对于任一元球，设为m，中心设为cm，设元球模型拓扑结构上与之相邻的元球有n个，这些相邻元球的中心设为ci，则元球i的拓扑中心为ccenter，即：然后，对元球模型的形变模拟进行预处理，对于元球m，它的Laplacian坐标如下：Lm是一个固定矢量，在每次形变模拟中，元球中心位置更新为：c′m＝Lm+c′center(13)式中c′m和c′center为cm和ccenter更新之后的新的位置。4.根据权利要求1所述的基于元球模型驱动的软组织变形方法，其特征在于：所述步骤(3)，具体实现如下：首先，对元球模型进行预处理，即对于元球模型中任一元球i，建立它的距离场函数，如(14)式所示：其中，r是该元球的半径，d是表皮模型中的任一点到该球心的距离，c是常量参数；然后，对于表皮模型中的任一点，设为v，设对元球i，满足条件的元球有n