虚拟手术中的快碰撞检测算法.doc

虚拟手术中的快速碰撞检测算法 摘 要:为了解决当前虚拟手术仿真中使用单一包围盒进行碰撞检测实时性不能满足要求的问题,提出了一种针对虚拟手术的基于层次包围体的快速碰撞检测方法。该方法主要应用了层次包围盒(bvh)的思想,同时根据不同对象的拓扑结构特征,采用不同的包围盒技术来表示。首先,用层次包围盒来表示手术工具,用层次包围球表示手术对象;然后,利用包围球和方向包围盒的相交测试快速排除不相交部分;最后,对于可能发生碰撞的部分再使用更为精确的三角面片相交测试来确定碰撞信息。实验结果表明,在相同的虚拟手术场景下,提出的这种方法较使用单一的层次包围盒具有更快的速度。 关键词:碰撞检测;虚拟手术;包围球;方向包围盒;层次包围体  fast collision detection method in virtual surgery  xie qianru*, geng guohua ( institute of information science and technology, northwest university, xian shaanxi 710027, china ) abstract: the paper proposed an efficient algorithm of collision detection by using bounding volume hierarchy (bvh) in order to improve the realtime performance in virtual surgery. the main contribution of this work was to use the technology of mixed bounding volume hierarchy to represent different objects according to different topology structure. first, surgical instruments and objects were represented as hierarchy tree. then the intersection test was implemented between sphere and oriented bounding box for eliminating disjoint parts fast. after that more accurate triangle collision test was used to determine the contact status in overlapping parts. experimental results show that our algorithm achieves higher speed compared to the algorithm of single bounding box. key words: collision detection; virtual surgery; bounding sphere; oriented bounding box (obb); bounding volume hierarchy (bvh)  0 引言 虚拟手术是虚拟现实技术在医学领域中的重要应用。在虚拟手术过程中,可以进行术前手术计划制定、手术过程仿真、术后效果预测等工作。因此越来越多的医疗机构运用虚拟手术系统来辅助外科手术过程。 碰撞检测是构成虚拟手术系统功能的基本要素,也是进行虚拟手术的前提。虚拟手术系统中碰撞检测需要确定手术工具与人体组织是否碰撞,在确认碰撞后要反馈碰撞点的具体信息。依据这些获取的数据,系统才能对人体组织的形变做出相应的操作。虚拟手术中的碰撞检测不仅要满足手术实时性的需要,还要满足手术精确度的需要,因为快速精确的碰撞检测对保证进一步分析的质量是非常重要的。常用的碰撞检测算法主要有包围盒的检测方法以及空间分割的检测方法。包围盒测试法以其高效的特征,成为最为常用的碰撞检测方法。常用的包围盒方法有包围球(bounding sphere)[1]、轴向包围盒(axis aligned bounding box, aabb)[2]、方向包围盒(oriented bounding box, obb)[3]等。目前国内外对于包围盒算法的研究主要集中于提高碰撞检测算法的效率上以及相交测试的精确度上，figueiredo等[4]采用重叠的多层轴向包围盒,快速过滤不相交对象,以提高碰撞检测效率；maciel等[5]使用包围球的方法来进行物体之间的快速碰撞检测；