Adaptive Vereinfachung von Dreiecksnetzen in Echtzeit

Dreiecksnetze stellen in der Computergraphik eine häufig angewandte Repräsentation von 3-dimensionalen Objekten dar, indem die Objektoberfläche durch Dreiecke angenähert wird. Eine große Menge an Dreiecken erlaubt die Abbildung einer Vielzahl an Details, jedoch mit dem Nachteil eines hohen Berechnungsaufwandes bei der Bilderzeugung. Verfahren zur Reduktion der Dreieckszahl werden seit langem erforscht. Sie kommen zum Einsatz, um Annäherungen von polygonalen Modellen zu errechnen, die weniger Zeit für die Bilderzeugung in Anspruch nehmen. Unter Zuhilfenahme der Kapazitäten moderner Graphikprozessoren werden Algorithmen entwickelt, die eine Vereinfachung eines Dreiecksnetzes zur Laufzeit, also vor der Bilderzeugung, berechnen. In dieser Arbeit wird ein neuartiger, paralleler Ansatz zur Vereinfachung von Dreiecksnetzen präsentiert, der die notwendigen Operationen unter Berücksichtigung der Topologie und ohne Vorberechnung von Vereinfachungen ermittelt. Die Vereinfachungsoperatoren werden modifiziert, so dass eine große Menge von Operationen parallel auf einem Dreiecksnetz ausgeführt werden kann, ohne eine Kommunikation zwischen den individuellen Operationen zu erfordern und ohne Löcher und unerwünschte Faltungen auf der Oberfläche zu schaffen. Der hohe Grad an Parallelität der Operationen erlaubt eine effiziente Implementierung auf moderner Hardware, insbesondere die Ausnutzung moderner Graphikprozessoren, was zu einer starken Reduktion der Berechnungszeit führt. Unter diesen Aspekten ist der Einsatz in Echtzeit möglich und somit eine Vereinfachung, die Position und Blickwinkel des Betrachters in die Berechnungen einfließen lässt, um erkennbare Auswirkungen der Vereinfachung zu reduzieren. Potentielle Erweiterungen sind die Extraktion und Berücksichtigung von markanten Merkmalen eines Objekts und eine verbesserte Oberflächenanalyse bei der Auswahl von Vereinfachungsoperationen

Adaptive Vereinfachung von Dreiecksnetzen in Echtzeit

Dreiecksnetze stellen in der Computergraphik eine häufig angewandte Repräsentation von 3-dimensionalen Objekten dar, indem die Objektoberfläche durch Dreiecke angenähert wird. Eine große Menge an Dreiecken erlaubt die Abbildung einer Vielzahl an Details, jedoch mit dem Nachteil eines hohen Berechnungsaufwandes bei der Bilderzeugung. Verfahren zur Reduktion der Dreieckszahl werden seit langem erforscht. Sie kommen zum Einsatz, um Annäherungen von polygonalen Modellen zu errechnen, die weniger Zeit für die Bilderzeugung in Anspruch nehmen. Unter Zuhilfenahme der Kapazitäten moderner Graphikprozessoren werden Algorithmen entwickelt, die eine Vereinfachung eines Dreiecksnetzes zur Laufzeit, also vor der Bilderzeugung, berechnen. In dieser Arbeit wird ein neuartiger, paralleler Ansatz zur Vereinfachung von Dreiecksnetzen präsentiert, der die notwendigen Operationen unter Berücksichtigung der Topologie und ohne Vorberechnung von Vereinfachungen ermittelt. Die Vereinfachungsoperatoren werden modifiziert, so dass eine große Menge von Operationen parallel auf einem Dreiecksnetz ausgeführt werden kann, ohne eine Kommunikation zwischen den individuellen Operationen zu erfordern und ohne Löcher und unerwünschte Faltungen auf der Oberfläche zu schaffen. Der hohe Grad an Parallelität der Operationen erlaubt eine effiziente Implementierung auf moderner Hardware, insbesondere die Ausnutzung moderner Graphikprozessoren, was zu einer starken Reduktion der Berechnungszeit führt. Unter diesen Aspekten ist der Einsatz in Echtzeit möglich und somit eine Vereinfachung, die Position und Blickwinkel des Betrachters in die Berechnungen einfließen lässt, um erkennbare Auswirkungen der Vereinfachung zu reduzieren. Potentielle Erweiterungen sind die Extraktion und Berücksichtigung von markanten Merkmalen eines Objekts und eine verbesserte Oberflächenanalyse bei der Auswahl von Vereinfachungsoperationen

Simulation inkompressibler deformierbarer Körper

Die computergestützte Simulation von Bewegungsabläufen wird immer wichtiger in vielen Anwendungsgebieten. Einsatzgebiete von dynamischen Simulationen sind beispielsweise die Erstellung von Computeranimationen für Filme, Anwendungen in der virtuellen Realität oder für Computerspiele. In diesen Gebieten genügen oft plausible Ergebnisse, die dem Anwender das Gefühl einer realistischen Bewegung vermitteln. Hier kann die Simulation volumenerhaltender Körper zur Verbesserung der visuellen Plausibilität

Simulation von Herzkatheterinterventionen bei Kleinkindern

Interventionelle Verfahren stellen seit vielen Jahren ein stetig wachsendes Gebiet in der Therapie angeborener Herzfehler dar. Dennoch existiert bis heute ein Mangel an adäquaten Ausbildungsmethoden um junge Mediziner erfolgreich und risikoarm an die Verwendung dieser Therapien heranzuführen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung einer Simulationsumgebung zum Training von Herzkatheterinterventionen bei Kleinkindern. Neue Lösungsmöglichkeiten für die physikalische Simulation medizinischer Instrumente (Katheter) im Zusammenspiel mit dem schlagendem Herzen werden vorgestellt. Der gezeigte Ansatz kombiniert hohe Geschwindigkeit in der Berechnung mit einer realistischen Bewegungssimulation und kann unabhängig von Topologie und Form umliegender Gefäße angewandt werden ohne dabei zugunsten der Performanz auf Freiheitsgrade verzichten zu müssen. Der präsentierte Ansatz basiert auf einem quasistatischen Modell und einer effizienten Energieminimierung. Ein Verfahren zur Deformation des schlagenden Herzens mittels einer in Echtzeit berechenbaren pseudoinversen Free Form Deformation Technik wird gezeigt und besprochen. Weiterhin wird ein schnelles, deskriptives Simulationsverfahren für Kontrastmittelfluss vorgestellt, sowie eine Vielzahl grafischer Verfahren zur Nachbildung realistischanmutender Bildgebungsverfahren implementiert und ausgewertet. Es wird im Rahmen dieser Arbeit mittels eines voll funktionsfähigen Prototypen gezeigt, dass mit heutigen Rechnern eine vollständig realistische Simulation von Herzkathetereingriffen bei Kleinkindern möglich ist

Beitrag zur voxelbasierten Simulation des fünfachsigen NC-Fräsens

Die Simulationstechnik wird als Hilfsmittel zur Beherrschung der drei- und fünfachsigen NC-Fräsbearbeitung eingesetzt. Gewöhnlich wird die Aktualisierung des simulierten Werkstücks entweder im Bildraum des Werkstücks oder geometrisch im Objektraum durchgeführt. Die vollständige Aktualisierung des simulierten Werkstücks fordert jedoch nur eine geometrische Lösung. Im vorliegenden Forschungsbericht wird der Ansatz der voxelbasierten fünfachsigen NC-Simulation entwickelt. Die Grundlage für den Aufbau des Simulationssystems ist der am IPK Berlin entwickelte 3D-Kernmodellierer des Virtual Clay Modelling Systems. Dieser ermöglicht die Modellierung und die Aktualisierung von komplizierten Werkstücken und Zerspanungsvolumen in der drei- und fünfachsigen NC-Simulation auf Rechenanlagen. Das simulierte Werkstück wird rechnerintern diskret mit einem Voxelmodell dargestellt. Die dadurch eingeführten NC-Simulationsfehler werden unter Berücksichtigung des eingesetzten Fräsers kontrolliert. Eine voxelbasierte Methode zur Gestaltung von Zerspanungsvolumen der diversen Werkzeuge wie zylindrische Fräser, Torus-, zylindrische Gesenk-, Kugelkopf-, Fass-, Kegel- und kegelige Gesenkfräser wurde entwickelt. Der Vorteil dieser Methode liegt darin, dass aufgrund der diskreten Datenstruktur des Voxelmodells und der damit ermöglichten Abbildung von beliebigen Formen keinerlei Einschränkungen zur Modellierung der Zerspanungsvolumen der diversen Fräsertypen gegeben sind. Die Materialverletzungen und verbliebenen Restmaterialien auf dem simulierten Werkstück können im 3D-Raum zur Bewertung der Qualität der NC-Programme ermittelt werden. Eine effektive Optimierung der NC-Programme in der Fertigungsvorbereitung kann durchgeführt werden. Zur Beschleunigung der Werkstückaktualisierung wurden ausgehend von den Eigenschaften des Voxelmodells die entsprechenden Maßnahmen getroffen. Mit der vorgestellten Methode wird ein wichtiger Beitrag zur drei- und fünfachsigen Simulation des NC-Fräsens geleistet. Damit können die NC-Programme für die drei- und fünfachsige NC-Fräsbearbeitung verifiziert, optimiert und die Prozessqualität vorab sichergestellt werden

Dynamiksimulation in der Computergraphik

Die interaktive physikalisch-basierte Simulation von Starrkörpern und deformierbaren Festkörpern ist ein wichtiges und aktuelles Forschungsgebiet in der Computergraphik und ein essentieller Bestandteil in vielen Anwendungen, wie z.B. Virtual Prototyping, Computerspiele oder Trainingssimulatoren. In dieser Arbeit werden interaktive Simulationsmethoden für Mehrkörpersysteme, Textilien und inkompressible deformierbare Volumenkörper vorgestellt

An explicit model for the fluid-structure interaction based on LBM and p-FEM

Die Arbeit beschäftigt sich mit der partitionierten Kopplung von zwei effizienten Lösern zur Simulation von Fluid-Struktur-Interaktionsproblemen. Auf der einen Seite ist dies der Lattice-Boltzmann-basierende Fluidlöser VirtualFluids und auf der anderen Seite der Finite-Elemente-Strukturlöser höherer Ordnung AdhoC. Anhand eines Benchmarks für poröse Medien wurde die Leistungsfähigkeit des LB-Ansatzes aufgezeigt. Die hohe Effizienz des Lösers motivierte die Untersuchung hinsichtlich einer Fluid-Struktur-Kopplung. In dieser Arbeit ist es gelungen, ein explizites Kopplungsschema zu entwickeln. Dieses wird durch die schwach kompressible Formulierung der notwendigen Gleichungen ermöglicht. Notwendige Kraftinterpolationsverfahren wurden auf der Fluidseite entwickelt. Die sehr anspruchsvolle Behandlung von bewegten Geometrien auf quadtree/octreeartigen Gittern war eine Herausforderung des entwickelten Gittergenerators. Ein numerischer und ein experimenteller Benchmark, initiiert von der DFG-Forschergruppe 493, wurden ausführlich in 2-D validiert. Die übereinstimmenden Ergebnisse mit anderen Simulationscodes zeigten, dass die Simulationen mit dem expliziten Kopplungsschema durchgeführt werden können. Für die dreidimensionale Fluid-Struktur-Interaktion führten die Testfälle einer in einem Rohr sinkenden Kugel und eine längsangeströmte Rechteckplatte zu guten Resultaten. Hierbei ist die Berechnungseffizienz der gekoppelten Simulation im Vergleich zu anderen impliziten Verfahren hervorzuheben. Der letzte Teil der Arbeit beschreibt die flexible Softwarearchitektur des VirtualFluids-Strömungslösers, die auch für weitere physikalische Problemstellungen und eine interaktive Bedienung der laufenden Simulation entwickelt wurde. Für den Anspruch Adaptivität, Parallelisierung und wissenschaftliche Visualisierung in einer Simulationsumgebung zu vereinen, ist der gezeigte Ansatz vielversprechend.This work deals with the partitioned coupling of two efficient solvers for the simulation of fluid-structure-interaction problems. The fluid solver VirtualFluids, based on the Lattice-Boltzmann method, and the high order finite element structural solver AdhoC are used. Based on a benchmark for porous media, the efficiency of the LB approach was shown. The high efficiency has further motivated the development of the fluid-structure coupling approach. In this work we succeessfully developed an explicit coupling scheme. This is possible due to the weakly compressible form of the governing equations. Force interpolation rules have been developed on the fluid side. Moreover, the handling of moveable geometries on quadtree/octree-typed grids was a major challenge for the grid generator. In two dimensions, a numerical and an experimental benchmark, initiated from the DFG Research Unit 493, were validated in detail. The results agreed well with other simulation codes and showed that the simulation can be done with an explicit coupling scheme. For the three dimensional fluid-structure interaction, a sinking sphere in a pipe and a rectangular plate in a cross flow leads to good results. For all of the examined test cases, the high computational efficiency of the coupled simulation in comparison to implicit methods has to be pointed out. The last part of this work describes the flexible software concept of the flow solver VirtualFluids, which is the basis for further physical problem definitions and an interactive handling of the running simulation. The presented software concept has shown to be capable of combining adaptivity, parallelization and scientific visualization in one simulation environment

Geodatenbasierte Lokalisierung für Outdoor Augmented Reality

Die Arbeit erläutert die besonderen Herausforderungen der Augmented Reality-Technologie zur Visualisierung von Geodaten (GeoAR) und präsentiert eine geeignete Lokalisierungsmethode zur präzisen globalen Registrierung von mobilen GeoAR-Systemen auf Basis von digitalen 3D-Geodatenmodellen zur virtuellen Repräsentation der Außenumgebung. Die Funktionsweise dieser nutzergesteuerten AR-Registrierungsmethode wird dazu im Detail vorgestellt und die Bedienbarkeit und das Anwendungspotenzial ausführlich diskutiert.The paper elaborates the challenges of augmented reality technology for visualization of geospatial data (GeoAR) and presents a localization method that is suitable for precise global registration of mobile GeoAR systems. The developed method is based on 3D geospatial data models as virtual representation of the outdoor environment. The paper therefore presents the main components of this user-aided AR registration method and discusses the usability and application potential of the method in detail