面向虚拟手术的碰撞检测优化算法

于凌涛，王涛，宋华建，王正雨，张宝玉

(哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150001)

对于实习医生来说，传统手术训练方法存在很多问题，包括使用费用、伦理道德、动物与人体组织的区别以及使用人体尸源匮乏等，给手术培训带来了极大的不便。本文建立一个的虚拟手术模拟系统可以有效解决这一矛盾。虚拟手术模拟系统，即通过精确的人体组织器官造型，来逼真的模拟组织器官在手术器械的外力交互作用下产生变形乃至被切割的过程，并通过视觉、听觉、触觉以及其他通道的感官反馈来提供逼真的手术感觉［1］。虚拟手术中碰撞检测用来解决虚拟环境中对象之间是否碰撞，何时碰撞，何处碰撞3个问题［2］。由于虚拟手术中，人体的信息数据非常大，快速而精确的进行三维空间物体的碰撞检测是目前虚拟手术中实现实时操作的重要课题之一［3－4］。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［5］。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。Maciel等［6-7］在包围盒方面做出了一些研究，但是由于包围盒自身的原因，往往碰撞检测效率不能达到要求，特别是当虚拟对象有上万个单元体时，碰撞检测不能很好的满足虚拟手术实时性。近年来，随着计算机性能的提高也有很多使用硬件加速等方法来加快碰撞检测的方法，Kim［8］等通过负载平衡策略在CPU与GPU之间进行合理调配来提高算法的整体效率。……