Metaballs-based physical modeling and deformation of organs for virtual surgery
Metaballs-based physical modeling and deformation of organs for virtual surgery
复制标题
基于元球的虚拟手术器官物理建模和变形
DOI：
10.1007/s00371-015-1106-y
复制
发表时间：
2015-05
期刊：
影响因子：
3.5
通讯作者：
Qin Hong
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Pan Junjun;Zhao Chengkai;Zhao Xin;Hao Aimin;Qin Hong
以前的研究基于metaballs建模只集中在形状几何和它的有机对象的处理。本文采取了不同的方法，探索一种新的基于元球的数字器官的物理建模方法，这是必要的，以支持虚拟手术。我们提出了一种新的混合物理模型，包括表面网格和占据器官内部的元球。具有高精度几何信息和纹理信息的精细表面网格是表示器官边界结构所必需的。通过使用变形球，器官内部通过一组具有不同半径的重叠球体进行几何简化。这项工作的新奇取决于元球和基于位置的动力学（PBD）的集成，使基于元球的器官作为物理模型，并参与动态模拟。对于元球的构造，我们提出了一种基于Voronoi图的自适应模型初始化方法。利用全局优化，提出了一种静电吸引模型，以驱动元球与器官的边界最佳匹配。使用PBD，我们设计了一种新的基于金属球的变形算法，通过对拉普拉斯坐标和局部体积的约束，保持两个局部形状属性。为了保持器官的平滑变形，我们提出了一种新的基于距离场的蒙皮方法，并将其用于建立元球与器官边界之间的映射。这种基于金属球的变形技术已经集成到基于VR的腹腔镜手术模拟器中。
Prior research on metaballs-based modeling solely focuses on shape geometry and its processing for organic objects. This paper takes a different approach by exploring a new metaballs-based physical modeling method for digital organs that are imperative to support virtual surgery. We propose a novel hybrid physical model comprising both surface mesh and the metaballs which occupy organs’ interior. The finer surface mesh with high-precision geometric information and texture is necessary to represent the boundary structure of organs. Through the use of metaballs, the organ interior is geometrically simplified via a set of overlapping spheres with different radii. This work’s novelty hinges upon the integration of metaballs and position-based dynamics (PBD) which enables metaballs-based organs to serve as physical models and participate in dynamic simulation. For the metaballs construction, we develop an adaptive approach based on Voronoi Diagram for model initialization. Using global optimization, an electrostatic attraction model is proposed to drive the metaballs to best match with the organ’s boundary. Using PBD, we devise a novel metaballs-based deformation algorithm, which preserves two local shape properties via constraints on Laplacian coordinates and local volume. To retain the organ’s smooth deformation, we propose a new skinning method based on distance field, and it is employed to build the mapping between the metaballs and organ boundary. This metaballs-based deformation technique has already been integrated into a VR-based laparoscopic surgery simulator.
登录
查看更多内容
DOI：
10.1504/eg.2010.029888
发表时间：
2010
期刊：
Electron. Gov. an Int. J.
影响因子：
--
作者：
Helaiel Almutairi
通讯作者：
Helaiel Almutairi
DOI：
10.1145/966131.966132
发表时间：
2004
期刊：
ACM Trans. Graph.
影响因子：
--
作者：
G. Bradshaw;C. O'Sullivan
通讯作者：
G. Bradshaw;C. O'Sullivan
DOI：
10.1002/rcs.399
发表时间：
2011-09
期刊：
The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery
影响因子：
--
作者：
Jun J Pan;Jian Chang;Xiaosong Yang;J. Zhang;T. Qureshi;R. Howell;T. Hickish
通讯作者：
Jun J Pan;Jian Chang;Xiaosong Yang;J. Zhang;T. Qureshi;R. Howell;T. Hickish
影响因子：
2.5
作者：
Jun Wu;R. Westermann;C. Dick
通讯作者：
Jun Wu;R. Westermann;C. Dick
DOI：
10.1145/1057432.1057456
发表时间：
2004-07
期刊：
--
影响因子：
--
作者：
O. Sorkine-Hornung;D. Cohen-Or;Y. Lipman;M. Alexa;Christian Rössl;H. Seidel
通讯作者：
O. Sorkine-Hornung;D. Cohen-Or;Y. Lipman;M. Alexa;Christian Rössl;H. Seidel