虚拟手术中的触觉形变计算与渲染关键技术研究

The processing technique for haptic deformation in virtual surgery is the key technique for simulating virtual surgery,it can be widely applicated. Simulating the force sense while handling surgery devices is the foundation of visual sense, it involves key techniques of haptic sense and interactive editing,haptic deformation computation,efficient collision detection with force feedback, realtime special effects processing with haptic sense.This project will deeply study haptic computatiuon with force feedback and visual rendering algorithms in realtime deformation,collision detection with force feedback,special effects processing based on hybrid model, it will form algorithms and library of software with their own features and independent intellectual property rights,so that it can satisfy the performance demands to realtime haptic computation of force feedback and visual rendering in complex virtual surgery systems. Based on the theoretical results and the developing virtual liver system with tumour removaland the developed virtual knee arthroscopy system, the theoretical results will be checked and adapted in order to satify the need for developing other virtual surgery systems.

虚拟手术触觉形变计算与渲染技术是实现虚拟手术仿真的关键，具有广泛的应用价值。仿真医生操作手术器械时对软组织处理的力感是虚拟手术系统真实感的基础，它涉及触觉力感知的交互模型编辑、触觉形变计算、高效碰撞检测与力反馈、触觉感知的实时特效渲染等关键技术。本项目根据PhanToM力反馈设备提供的开发工具，结合虚拟手术系统开发中的实际应用需求，在已有成果和多年开发虚拟手术系统经验积累的基础上重点创新研究力反馈作用下的软组织触觉计算与视觉渲染算法，在实时软组织触觉形变计算、高效碰撞检测与力反馈、触觉感知的特效场景实时渲染等方面进行深入研究，形成有自主知识产权的高效、稳健的算法和软件模块，以满足复杂虚拟手术仿真对实时力反馈交互触觉计算与视觉渲染的性能需求，形成理论研究成果，并将理论成果在虚拟肝脏肿瘤切割手术系统、虚拟膝关节镜手术系统开发中进行验证和改进，为进一步开发其他虚拟手术系统提供理论基础和技术保障。

本课题针对虚拟手术系统开发技术中触觉感知和视觉渲染等关键技术开展研究。在跟踪法国INRIA的EPIDAURE项目、Stanford大学Morris教授的项目、德国的VSone虚拟手术设备、瑞典的Surgical-Science的腹腔镜手术系统等相关工作的基础上，以虚拟肝脏手术为例开展研究，针对虚拟肝脏手术中肝门静脉的结扎进行仿真，提出了一种改进的碰撞检测算法。在支撑切割、形变需求的网格分割技术方面，提出一种基于多核学习的快速网格分割算法。虚拟场景几何建模技术方面，提出了一种基于缩小最短路径搜索区域的三角网格表面近似测地线算法。在虚拟场景中物体分类方面，提出了一种基于卷积-自动编码机的三维特征自动学习方法。在虚拟手术场景渲染方面，提出了一种结合纹理映射技术的美兰注射模拟算法。先后在国内外学术刊物上发表学术研究论文24篇，5次参加SIGGRAPH、SIGGRAPH Asia等国际学术交流，先后有4名硕士生获得硕士学位、3名博士生在此期间获得博士学位。