CN110930521B - 一种应用于虚拟手术中降维的动态碰撞检测方法及*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种应用于虚拟手术中降维的动态碰撞检测方法及***。所述的方法包括：动态创建层次包围盒，进行粗碰撞检测，获得潜在碰撞对；将潜在碰撞对向二维平面投影，执行精碰撞检测，判断是否有碰撞发生。通过粗碰撞检测模块，明显减少数据处理的数量；通过投影降维处理，明显减少数据处理的复杂度；并且该发明能快速实现碰撞检测，精度满足检测要求。

Description

一种应用于虚拟手术中降维的动态碰撞检测方法及***
技术领域
本发明涉及虚拟手术中碰撞检测的方法，尤其涉及一种应用于虚拟手术中降维的动态碰撞检测方法及***。
背景技术
虚拟手术时虚拟现实领域的一个重要研究方向，它是集现代医学、计算机科学、计算机图形学、生物力学、材料力学等诸多学科为一体的新型交叉研究领域。在虚拟手术环境中，由于虚拟手术刀具的移动，与人体组织模型经常可能发生碰撞。因其碰撞对象刀具的特殊性，为刚体结构且不会发生形变，在碰撞检测方法上有别与其他碰撞。
当前关于虚拟手术的碰撞检测方法，主要是基于三角面片模型的方法。一些采用四面体网格的组织模型，在碰撞检测时通过将其转化为三角面片模型实现。目前关于碰撞检测的方法，主要由两阶段组成，分为粗碰撞检测(Broad-phase Collision Detection)和精碰撞检测(Narrow-phase Collision detection)。粗碰撞检测通过获得潜在的碰撞对，减少计算机处理数据的数量；粗碰撞检测的方法主要有层次包围盒(Bounding VolumeHierarchies,BVH)、空间细分(Spatial Partitioning)和扫描修剪(Sweep and Prune)方法。精碰撞检测方法通过检测潜在的碰撞检测对，进一步确定碰撞与否；精碰撞检测方法主要有距离场(Distance Field)、基于法锥(Normal Cone)和基于径向视图(Radial View-based Culling)的方法。他们较少被应用于虚拟手术环境中。
本发明提供了一种新的碰撞检测方法，即一种应用于虚拟手术中降维的动态碰撞检测方法。实现较少的数据处理量，快速检测刀具与组织模型的碰撞，并且具有实时性，完成精确快速的碰撞检测。
发明内容
本发明提供了一种应用于虚拟手术中降维的动态碰撞检测方法及***，通过动态创建层次包围盒，实现粗碰撞检测，减少数据处理量；通过把三维空间向二维平面投影，将粗碰撞检测的潜在碰撞对降维处理，实现二维平面的精碰撞检测，减少处理复杂度。实现快速准确的碰撞检测。
本发明提供一种应用于虚拟手术中降维的动态碰撞检测方法，包括以下步骤：
(1)读入软组织与刀具的三角面片数据，建立数据信息；
(2)动态构建层次包围盒(Bounding Volume Hierarchies,BVH)，进行刀具与软组织的粗碰撞检测(Broad-phase Collision Detection)。若粗检测结果为有碰撞发生，进行精检测模块；若粗检测结果为无碰撞发生，在有数据更新时，重复进行粗碰撞检测模块，在无数据更新时，结束碰撞检测，输出检测结果信息；
(3)获取粗碰撞检测的潜在碰撞对，获得碰撞对所在包围盒内的软组织与刀具的数据信息，进行降维处理：将其向三个二维平面投影，得到三个二维平面的碰撞检测对象；
(4)进行二维平面上的碰撞检测。若二维碰撞检测结果为有碰撞发生，输出检测结果信息；若二维碰撞检测结果为无碰撞发生，在有数据更新时，执行粗碰撞检测模块，在无数据更新时，结束碰撞检测，输出检测结果信息；
步骤(2)中动态构建层次包围盒的方法，具体步骤为：
(2.1)构建浅层的父包围盒，进行碰撞测试：
(2.2)若发生碰撞，判断包围盒尺寸大小是否满足限定大小；若满足限定大小，进行下一步的精碰撞检测；若不满足限定大小，动态生成软组织下一层次的子包围盒，再一次进行碰撞测试与包围盒尺寸大小的判断；
(2.3)若不发生碰撞，在有数据更新时，重新构建层次包围盒进行粗碰撞检测，在无数据更新时，结束碰撞检测，输出检测结果信息。
本发明有益效果是：通过动态构建层次包围盒，在粗碰撞检测阶段无碰撞发生时，明显减少数据处理量；通过将三维空间的检测转化为二维平面的检测，明显减少处理的复杂度；且可实现对凹形形状的组织直接进行碰撞检测，无需转化为凸形形状。本发明提高了碰撞检测的速度，满足碰撞检测的精度要求，并具有实时性。
附图说明
图1为一种应用于虚拟手术中降维的动态碰撞检测***的结构示意图；
图2为一种应用于虚拟手术中降维的动态碰撞检测方法的流程图；
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的碰撞检测方法进行详细说明。
本发明提供一种应用于虚拟手术中降维的动态碰撞检测方法及***，如图1所示的***结构示意图，相应执行其中的模块。参照图2的流程图，主要实施步骤如下：
第一步，读入软组织及刀具结构的数据信息，让***建立其数据信息；
第二步，执行粗碰撞检测模块。进行粗碰撞检测，获得潜在的碰撞对：
(1)更新位置与变形等数据信息，保证数据信息的实时更新，使数据准确；
(2)设定包围盒限定大小的值，根据数据模型结构大小调整包围盒限定值，即所要满足的精度要求；
(3)创建浅层次的包围盒，判断软组织与刀具碰撞与否：检测到有碰撞发生时，判断是否满足包围盒限定尺寸的大小，在满足大小要求(精度要求)时，进入精碰撞检测模块；在不满足大小要求(精度要求)时，动态创建子层次的包围盒，重复判断以上步骤；在未发生碰撞时，避免了创建无用的深层次包围盒的复杂处理操作；
(4)对未发生碰撞的粗检测结果，进行是否有数据更新的判断：在有数据更新时，重复进行粗碰撞检测；在无数据更新时，结束碰撞检测。
第三步，执行精碰撞检测模块，进行精碰撞检测：
(1)得到潜在的碰撞检测对，获取潜在碰撞包围盒内的数据信息；
(2)将潜在碰撞对的三维数据数据信息向三个二维平面投影，投影平面分别为XOY、XOZ、YOZ，得到投影的轮廓的数据信息；
(3)对三个二维平面上的数据进行碰撞检测：碰撞结果必须同时满足在三个二维平面上投影发生碰撞，才能判定在三维空间中软组织与刀具相互碰撞；任意其中一个二维平面内满足投影未发生碰撞，则在三维空间中软组织与刀具未发生碰撞。
(4)在未发生碰撞时，进入到粗检测模块，判断软组织与刀具是否有数据更新：在有数据更新时，重复进行粗碰撞检测；在无数据更新时，结束碰撞检测；在有碰撞发生时，执行结果输出模块；
第四步，执行结果输出模块：在有碰撞发生时，输出碰撞的位置信息；在无碰撞发生时，输出未发生碰撞的信息。
以上为对本发明所提供的一种应用于虚拟手术中降维的动态碰撞检测方法及***的描述，依据本发明实施的思想，在具体实施方式及具体细节上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种应用于虚拟手术中降维的动态碰撞检测方法，其特征在于实现如下步骤：
(1)读入软组织与刀具的三角面片数据，建立数据信息；
(2)动态构建层次包围盒(Bounding Volume Hierarchies,BVH)，进行刀具与软组织的粗碰撞检测(Broad-phase Collision Detection)；若粗检测结果为有碰撞发生，进行精碰撞检测(Narrow-phase Collision detection)模块；若粗检测结果为无碰撞发生，在有数据更新时，重复进行粗碰撞检测模块，在无数据更新时，结束碰撞检测，输出检测结果信息；
(3)获取粗碰撞检测的潜在碰撞对，获得碰撞对所在包围盒内的软组织与刀具的数据信息，进行降维处理：将其向三个二维平面投影，得到三个二维平面的碰撞检测对象；
(4)进行二维平面上的碰撞检测：若二维碰撞检测结果为有碰撞发生，输出检测结果信息；若二维碰撞检测结果为无碰撞发生，在有数据更新时，执行粗碰撞检测模块，在无数据更新时，结束碰撞检测，输出检测结果信息。
2.根据权利要求1所述的一种应用于虚拟手术中降维的动态碰撞检测方法，其特征在于，步骤(2)中动态构建层次包围盒的方法，具体步骤为：
(2.1)构建浅层的父包围盒，进行碰撞测试；
(2.2)若发生碰撞，判断包围盒大小是否满足限定尺寸大小；若满足限定大小，进行下一步的碰撞检测；若不满足限定大小，动态生成软组织下一层次的子包围盒，再一次进行碰撞测试与包围盒尺寸大小的判断；
(2.3)若不发生碰撞，在有数据更新时，重新构建层次包围盒进行粗碰撞检测，在无数据更新时，结束碰撞检测，输出检测结果信息。
3.根据权利要求1所述的一种应用于虚拟手术中降维的动态碰撞检测方法，其特征在于，步骤(2)中有数据更新时，需要更新位置与变形数据的信息如下：
在只有刀具位置信息变化时，只更新刀具位置信息，无需更新软组织的数据信息；
在软组织位置的变化，或者软组织变形情况下，只更新软组织的数据信息，无需更新刀具的数据信息；
在软组织与刀具均发生严重变化，软组织与刀具数据信息均需要更新。
4.根据权利要求1所述的一种应用于虚拟手术中降维的动态碰撞检测方法，其特征在于，步骤(3)中向三个二维平面投影操作中，根据包围盒内的数据信息，满足所投影的三个平面为笛卡尔坐标的三个平面XOY、XOZ、YOZ。
5.根据权利要求1所述的一种应用于虚拟手术中降维的动态碰撞检测方法，其特征在于，步骤(3)中得到三个二维平面的碰撞检测对象，满足三个二维平面的碰撞检测对象只保留二维图形轮廓边缘信息，删除掉投影后的二维图形的内部信息。
6.根据权利要求1所述的一种应用于虚拟手术中降维的动态碰撞检测方法，步骤(4)中进行三个二维的碰撞检测，其特征在于，只检测二维平面轮廓边缘的碰撞；且其必须同时满足在三个二维平面上，软组织的投影与刀具的投影碰撞，才能判定在三维空间中软组织与刀具相互碰撞；任意其中一个二维平面内满足软组织的投影与刀具的投影未发生碰撞，则在三维空间中软组织与刀具未发生碰撞。
7.根据权利要求2所述的一种应用于虚拟手术中降维的动态碰撞检测方法，其特征在于，所述的动态构建层次包围盒的方法，步骤(2.2)中包围盒尺寸大小是否满足限定大小的判断操作：需提前设定包围盒限定的大小值，包围盒限定大小的数据值决定粗碰撞检测的检测精度。
8.根据权利要求2所述一种应用于虚拟手术中降维的动态碰撞检测方法，其特征在于，所述的动态构建层次包围盒的方法中步骤(2.3)重新构建层次包围盒的操作满足：
在只有刀具位置更新，而软组织数据未更新时，只重新构建刀具层次包围盒结构，保留之前步骤中为软组织构建的层次包围盒；
在只有软组织数据更新时，而刀具位置未更新时，只重新构建软组织的层次包围盒结构，保留之前步骤中为刀具构建的层次包围盒；
在刀具与软组织均有数据更新时，重新构建刀具与软组织的层次包围盒结构。
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