《基於離散微分和形狀匹配的物理實體大變形研究》是依託中南大學，由廖勝輝擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於離散微分和形狀匹配的物理實體大變形研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：廖勝輝
- 依託單位：中南大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
方便實用的三維變形技術一直是計算機圖形學等領域的研究前沿和熱點問題，具有極大套用價值。但現有方法大多只為獲得物體表面視覺上的真實感效果，忽略物理實體內部複雜的材質屬性和保體積等物理約束，限制了在仿真等領域的套用。本項目擬採用基於離散微分屬性和局部形狀匹配的方法實現高效、保真三維物理實體大變形：首先系統地研究一組邏輯聯繫緊密的三維實體變形方法，包括基於體格線拉普拉斯坐標和梯度場的線性體格線變形，保持局部剛性的非線性體格線變形，基於變形梯度和實例學習的體格線變形，以及基於局部形狀匹配的非線性點陣實體變形，這些方法不僅高效、魯棒，而且能有效保持局部形狀特徵；然後進一步研究非均質和各向異性等材質屬性和保體積等物理約束對變形的影響，特別是對複雜的局部不同的正交各向異性的模擬，以提高物理實體變形模擬的準確性，同時儘可能保持實現和效率等方面的優勢，為各種仿真模擬套用提供一系列新的基礎技術和解決方案。
結題摘要
方便實用的三維變形技術一直是計算機圖形學等領域的研究前沿和熱點問題，具有極大套用價值。但現有方法大多只為獲得物體表面視覺上的真實感效果，忽略物理實體內部複雜的材質屬性和物理約束，限制了在實際仿真領域的套用。為此，本項目採用基於離散微分屬性和局部形狀匹配的方法實現高效、保真三維物理實體大變形。為使研究成果能適合於實際套用，收集了150餘例的頭部整形手術的術前、術後掃描數據，以驗證研究方法的有效性並進行實例學習。本項目的研究工作進展比較順利，基本上按計畫按時完成各方面研究工作。首先，推導出幾何相關的體格線拉普拉斯運算元、梯度運算元和散度運算元的具體離散表示和快速計算方法；將面格線上基於拉普拉斯坐標和梯度場的微分域變形方法擴展到體格線，比表面格線更好地保持體積特徵、避免出現局部自交、更好地擴散變形對遠端區域施加正確影響。同時，直接利用線性變形框架進行疊代最佳化，研究了使局部變形儘可能保持剛性的非線性體格線變形。接下來，研究了基於局部形狀匹配的體域變形GPU加速算法，在 GTX 465 圖形卡上最高得到96倍加速比。為解決實例數據生成相同拓撲格線的問題，推導出基於解剖特徵約束的體格線準保角參數化，從標準體格線為實例數據生成相同拓撲格線；然後計算變形梯度變化加權值，映射為變形材質參數；再統計各個實例參數生成非均勻材質參數場，賦值給標準體格線以後續使用。同時，研究了實體內部正交各向異性主方場生成算法，利用組織纖維方向、或者幾何形狀長軸方向，和其正交各向異性材質最大剛度方向的分布具有一致性的特點，採用體調和場生成正交各向異性主方向量場。最後研究了非均勻材質和各向異性的變形影響。對於各向異性變形，首先研究了局部不同正交各向異性方向場的影響，不過實驗結果不是特別理想；於是，課題組稍微改變探索方法，採用全局的正交各向異性材質場、結合不同材質主方向上非勻質材質參數的設定，提高了體格線變形結果準確性。到目前為止，已正式發表論文9篇，其中6篇為SCI國際期刊論文，2篇為中文核心論文；另外還有2篇SCI期刊論文正在投稿和準備；同時，申請發明專利1項，授權計算機軟體權1項，以項目研究的軟組織實體大變形技術為基礎，開發了2套達到臨床實用水平的整形手術仿真系統，已在多家醫院臨床使用，並進行商業推廣和套用。本項目為各種仿真模擬套用提供一系列新的基礎技術和解決方案，對計算機圖形學、醫學仿真等領域具有借鑑意義。
