- Interaktives Schneiden Finite-Elemente basierter, deformierbarer Objekte in virtuellen Umgebungen
Jerábková, Lenka; Bischof, Christian (Thesis advisor)
Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2007)
Doktorarbeit
Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007
Kurzfassung
Es gibt eine breite Skala von Anwendungen der virtuellen Realität (VR), die von Methoden der physikalisch basierten Modellierung profitieren können. Als Beispiele können Montagesimulation, Robotik, Training und Lehre (z.B. in der Medizin, im Militär oder im Sport) und Unterhaltung genannt werden. Die Dynamik von Festkörpern und Partikeln wurde in der Vergangenheit gut erforscht und wird zur Zeit von mehreren Open Source als auch kommerziellen Softwarepaketen unterstützt. Im Gegensatz dazu ist die Simulation deformierbarer Objekte Gegenstand aktueller Forschung. Die Hauptanwendungsgebiete für die Simulation deformierbarer Objekte in Computergraphik und VR ist die Stoff- und Kleidungssimulation sowie die medizinischen Anwendungen. Die Echtzeit-Anforderung von VR Anwendungen stellt eine große Herausforderung dar. Dank steigender Rechenleistung in den letzten Dekaden ist es möglich bestehende Methoden aus den Ingenieurswissenschaften zu übernehmen oder für interaktive Simulation zu adaptieren. Die Simulation vom Schneiden ist dennoch besonders anspruchsvoll, da die meisten Methoden zu Performanz- oder Stabilitätsproblemen führen. Obwohl in den letzten Jahren verschiedene Lösungsansätze präsentiert wurden, wurde das Problem nicht zufriedenstellend gelöst. Diese Arbeit präsentiert Methoden für eine interaktive Simulation deformierbarer Objekte, basierend auf der Methode der finiten Elemente, die z.B. in einem virtuellen Chirurgie Simulator Verwendung finden. Die Hauptziele eines solchen Simulators sind die Stabilität und Effizienz der eingesetzten Methoden um eine interaktive Manipulation einschließlich topologischer Veränderungen in Echtzeit zu ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit wird eine innovative Methode zum Schneiden deformierbarer Objekte in virtuellen Umgebungen präsentiert. Diese Methode basiert auf der erweiterten Methode der finiten Elemente (engl. extended finite elements method, XFEM). Mit Hilfe von XFEM können Diskontinuitäten in einem FE-Netz effizient, ohne die Erzeugung neuer Elemente, modelliert werden, wodurch der Einfluss auf Simulationsleistung minimiert wird. Die XFEM kann mit verschiedenen Materialmodellen kombiniert und somit auch für die interaktive Simulation großer Deformationen eingesetzt werden. Des Weiteren wird die Analyse verschiedener Methoden der Diagonalisierung der Massenmatrix präsentiert und gezeigt, dass die Stabilität der Simulation unabhängig von Lage und Menge des abgeschnittenen Materials gewährleistet ist. Die XFEM basierte Methode übertrifft die zur Zeit am häufigsten eingesetzten remeshing Methoden sowohl in Effizienz als auch in der Stabilität und ist somit für interaktive VR Simulation besonders geeignet. Weiterhin wird eine Softwarearchitektur zur Simulation deformierbarer Objekte vorgeschlagen. Das Rahmenwerk eignet sich zur Erstellung komplexer VR Anwendungen wie, z.B., eines virtuellen chirurgischen Trainers. Die nebenläufige Ausführung von Visualisierung, Kollisionserkennung, Kraftrückkopplung und Deformation wird mittels Thread-Level Parallelisierung realisiert. Außerdem wurde ein Parallelisierungsansatz für den Deformationsalgorithmus, welcher den rechenintensivsten Teil der Anwendung darstellt, entworfen und realisiert. Die präsentierte auf OpenMP basierte Lösung erfordert minimale Änderungen des Quellcodes, während gleichzeitig ein Speedup erreicht wird, der vergleichbar mit den Ergebnissen anspruchsvollerer Ansätze ist. Das vorgestellte Rahmenwerk profitiert von der gegenwärtigen Entwicklung der Computerindustrie und ermöglicht eine optimale Ausnutzung von Multicore CPUs.
Einrichtungen
- Virtual Reality Group [124170]
- Fachgruppe Informatik [120000]