免费论文：面向牙科手术模拟的多组织力觉渲染方法

人们每天面对的现实世界是复杂的，是由具有不同的物理属性的物质组成的，其中，有的是固体、有的是流体，有的是刚体、有的是变形体，有的比较软、有的比较硬。然而，目前的虚拟现实技术中的触觉交互技术的交互场景，仍然是以单一物理属性的交互对象为主，或者是刚体、或者是变形体，而且硬度或者变形特性是一致的。随着虚拟现实技术的发展，触觉交互技术研究的深入，具有多种物理属性的复杂对象的交互渲染技术开始走入研究者们的视线，变得越来越重要。 因此，本文以具有不同软硬程度的多组织刚体的力觉渲染为研究对象，研究其渲染方法，设计实验验证该方法的有效性。本文针对牙科教学对新技术的需求，以牙齿解剖结构和龋齿探查教学任务为例，研究了多组织交互对象力觉渲染方法的实现，包括建模、碰撞检测，以及交互力计算方法。 首先，本文针对两种不同的软硬区域的交界线的力觉感受，即清晰的交线和模糊的交线，分别提出了虚拟边界面法和灰色区域法，作为两种力觉感受的渲染方法。设计了形状判别实验，用来验证虚拟边界面法在模拟具有清晰的交界线的多组织交互对象的触觉感受时，能够为操作者提供稳定的交互和清晰的交界线。设计了模糊交线探查实验用来验证灰色区域法在模拟具有模糊的交界线的多组织交互对象的触觉感受时，能够为操作者提供稳定的交互和渐变的刚度感受。 然后，本文以牙齿切面探查场景为示例，研究了虚拟边界面法对于平面内的任意形状的交互对象探查的触觉渲染方法。本文提出以嵌套三区域的特征描述牙齿切面上各种组织之间的位置关系，建立牙齿切面上各种组织以及虚拟边界面的几何模型。根据半射线交点计数法进行交互区域的碰撞检测。根据平面内点与多边形的最小距离和工具点嵌入牙齿切面的深度，基于弹簧力，计算工具与牙齿切面的交互力。通过上述工作，初步实现了牙齿切面探查场景。操作者可以探查硬度不同的多种组织，并且各种组织之间的交界线在探查时稳定、清晰。 最后，本文以龋齿探查场景为示例，研究了虚拟边界面法对于用三角片网格表达的立体的交互对象探查的触觉渲染方法。本文提出了三种虚拟边界面的建模方法，即与软区域三角片夹角相等的虚拟边界面、均分软区域和硬区域三角片方向的虚拟边界面和相同延伸方向的虚拟边界面。在龋齿探查中，软区域指龋坏组织、硬区域指健康组织。其中，本文着重研究了第一种和第三种虚拟边界面模型下的碰撞检测和交互力的计算方法。通过这些工作，初步实现了龋齿探查场景。操作者在探查的过程中可以感受到龋坏和健康组织之间的不同硬度，并且在探查组织交线时稳定、清晰。

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