Interactive cutting of finite elements based deformable objects in virtual environments

Jerábková, Lenka; Bischof, Christian

doi:2094

Interactive cutting of finite elements based deformable objects in virtual environments = Interaktives Schneiden Finite-Elemente basierter, deformierbarer Objekte in virtuellen Umgebungen

Jerábková, Lenka (Author)

2007

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Lenka Jerábková

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2007

Umfang92 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Bischof, Christian (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2007-11-14

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-20943
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62528/files/Jerabkova_Lenka.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Virtuelle Realität (Genormte SW) ; Finite-Elemente-Methode (Genormte SW) ; Informatik (frei) ; Virtual Reality (frei) ; Finite Elements Method (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 004

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.

There is a wide range of virtual reality (VR) applications that benefit from physically based modeling, such as assembly simulation, robotics, training and teaching (e.g., medical, military, sports) and entertainment. The dynamics of rigid bodies is well understood and several open source as well as commercial physics engines supporting articulated rigid bodies and particle systems are available. On the other hand, the simulation of deformable bodies is an objective of current research. The main application areas of deformable objects simulation in computer graphics and VR are the simulation of cloth and medical simulation. The challenge of VR applications is the real time simulation requirement. The raising computational power of the last decades allowed for adapting selected methods known from engineering sciences for interactive simulation. The simulation of cutting is especially challenging though, as most methods suffer from both performance and stability issues. Although a number of approaches have been presented over the last decade, the problem has not been solved satisfyingly, yet. This thesis presents methods for an interactive simulation of finite elements based deformable objects as used, e.g., in VR surgical simulators. The main objectives of such simulators are stability and performance of the employed methods allowing for an interactive object manipulation including topological changes in real time. A novel method for interactive cutting of deformable objects in virtual environments is presented. The key to this method is the usage of the extended finite elements method (XFEM). The XFEM can effectively model discontinuities within an FEM mesh without creating new mesh elements and thus minimizing the impact on the performance of the simulation. The XFEM can be applied to advanced constitutive models used for the interactive simulation of large deformations. Moreover, an analysis of mass lumping techniques, showing that the stability of the simulation is guaranteed even when small portions of the material are cut is presented. The XFEM based cutting surpasses the currently most widely used remeshing methods in both, performance and stability and is suitable for interactive VR simulation. Further, a software architecture for physical simulation of deformable objects in VR applications is proposed. The framework is suitable for the creation of complex VR applications as, e.g., a virtual surgical trainer. It uses thread level task parallelization for the concurrent execution of visualization, collision detection, haptics and deformation. Moreover, a parallelization approach for the deformation algorithm, which is the most computationally intensive part is proposed. The presented solution based on OpenMP requires only minimal changes to the source code while achieving a speedup comparable to the results of more sophisticated approaches. The presented framework benefits from the current developments in the computing industry and allows an optimal utilization of multicore CPUs.

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