Modeling And Simulation Of Soft Bodies

As graphics and simulations become more realistic, techniques for approximating soft body objects, that is, non-solid objects such as liquids, gases, and cloth, are becoming increasingly common. The proposed generalized soft body method encompasses some specific cases of other existing models enabling simulation of a variety of soft body materials by parameter adjustment. This research presents a general method of soft body model and simulation in which parameters for body control, surface deformation, volume control, and gravitation, can be adjusted to simulate different types of soft bodies. In this method, the soft body mesh structure maintains configuration among surface points while fluid modeling deforms the details of the surface. To maintain volume, an internal pressure is approximated by simulated molecules within the soft body. Free fall motion of soft body is generated by gravitational field. Additionally, a constraint is specified based on the property of the soft body being modeled. There are several standard methods to control soft body volume. This work illustrates the simplicity of simulation by selecting a mass-spring system for the deformation of the connected points of a three-dimensional mesh, while an internal pressure force acts upon the surface triangles. To incorporate fluidity, smooth particles hydrodynamics (SPH) is applied where surface points are considered as free moving particles interacting with neighboring surface points within a SPH radius. Because SPH is computationally expensive, it requires an efficient method to determine neighboring surface points. Collision detection with soft bodies and other rigid body objects also requires such fast neighbor detection. To determine the neighboring surface point, Axis Aligned Bounding Box (AABB), Octree, and a partitioning and hashing schemes iv have been investigated and the result shows that the partitioning and hashing scheme provides the best frame rate. Thus a fast partitioning and hashing scheme is used in this research to reduce both computational time and the memory requirements. The proposed soft body model aims to be applied in several types of soft body application depending on the specific types of soft body deformation. The work presented in this dissertation details experiments with a variety of visually appealing fluid-like surfaces and organic materials animated at interactive speeds. The algorithm is also used to implement animated space-blob creatures in the Galactic Arms Race video game and a human lung simulation, demonstrating the effectiveness of the algorithm in both an actual video game engine and a medical application. The simulation results show that the general model of the soft body can be applied to several applications by adjusting the soft body parameters according to the appearance results

Real-time simulation and visualisation of cloth using edge-based adaptive meshes

Real-time rendering and the animation of realistic virtual environments and characters has progressed at a great pace, following advances in computer graphics hardware in the last decade. The role of cloth simulation is becoming ever more important in the quest to improve the realism of virtual environments. The real-time simulation of cloth and clothing is important for many applications such as virtual reality, crowd simulation, games and software for online clothes shopping. A large number of polygons are necessary to depict the highly exible nature of cloth with wrinkling and frequent changes in its curvature. In combination with the physical calculations which model the deformations, the effort required to simulate cloth in detail is very computationally expensive resulting in much diffculty for its realistic simulation at interactive frame rates. Real-time cloth simulations can lack quality and realism compared to their offline counterparts, since coarse meshes must often be employed for performance reasons. The focus of this thesis is to develop techniques to allow the real-time simulation of realistic cloth and clothing. Adaptive meshes have previously been developed to act as a bridge between low and high polygon meshes, aiming to adaptively exploit variations in the shape of the cloth. The mesh complexity is dynamically increased or refined to balance quality against computational cost during a simulation. A limitation of many approaches is they do not often consider the decimation or coarsening of previously refined areas, or otherwise are not fast enough for real-time applications. A novel edge-based adaptive mesh is developed for the fast incremental refinement and coarsening of a triangular mesh. A mass-spring network is integrated into the mesh permitting the real-time adaptive simulation of cloth, and techniques are developed for the simulation of clothing on an animated character

Simulation der Phakoemulsifikation im Augenoperationssimulator Eyesi

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Simulation der Phakoemulsifikation zur Ausbildung von Augenchirurgen. Besonderer Wert wurde auf die Übertragung der für die reale Operation benötigten Phakomaschine in die virtuelle Realität gelegt. Damit entstand der einzige Trainingssimulator, der über eine Maschinensimulation verfügt

Kollisionserkennung für echtzeitfähige Starrkörpersimulationen in der Industrie- und Servicerobotik

Die mechanisch plausible Simulation von Robotern und deren Arbeitsumgebungen ist in der Industrie- und Service-Robotik ein zunehmend wichtiges Werkzeug bei der Entwicklung und Erprobung neuer Hardware und Algorithmen. Ebenso sind Simulationsanwendungen oftmals eine kostengünstige und vielseitig einsetzbare Alternative, sofern die Beschaffung echter Roboter unrentabel ist, oder Hardware und Arbeitsumgebung nur mit großer zeitlicher Verzögerung zur Verfügung stehen würden. Besonders wichtig sind Mechanik-Simulationen für Anwendungsfälle, in denen die direkte mechanische Interaktion von Objekten miteinander beziehungsweise der Arbeitsumgebung selbst im Vordergrund stehen, wie etwa in der Greifplanung oder der Ermittlung kollisionsfreier Bewegungsabläufe. Bei welcher Art von Szenarien der Einsatz von Mechanik-Simulationen sinnvoll ist und inwieweit die Möglichkeiten solcher Simulations-Werkzeuge ein geeigneter Ersatz für eine reale Arbeitsumgebung sein können, hängt sowohl von den technischen Besonderheiten dieser Werkzeuge, als auch von den Anforderungen des jeweiligen Anwendungsgebiets ab. Die wichtigsten Kriterien sind dabei: Die zur Umsetzung der jeweiligen Aufgabe nötige oder gewünschte geometrische Präzision bei der Modellierung von Objekten in einer Simulation, ie bei der Simulation mechanischem Verhaltens berücksichtigten Eigenschaften und Phänomene (etwa durch die Berücksichtigung von Verformungsarbeit oder tribologischer Eigenschaften), und die Fähigkeit, eine Simulation in oder nahe Echtzeit betreiben zu können (d. h. innerhalb von Laufzeitgrenzen, wie sie auch durch die reale Entsprechung eines simulierten Systems gegeben sind). Die Fähigkeit zum Echtzeit-Betrieb steht dabei in Konflikt mit der geometrischen und mechanischen Präzision einer Simulation. Jedoch ist es gerade die Kombination aus diesen drei Kriterien, die für Szenarien mit einem hohen Anteil mechanischer Interaktion zwischen aktiv durch einen Benutzer gesteuerten Aktorik und einer simulierten Arbeitsumgebung besonders wichtig sind: Im Speziellen gilt das für Simulationssysteme, die zur Steuerung simulierter Roboter-Hardware dieselben Hardware- oder Software-Steuerungen verwenden, die auch für die realen Entsprechungen der betrachteten Systeme verwendet werden. Um einen Betrieb innerhalb sehr kurzer Iterationszeiten gewährleisten zu können, muss eine Mechanik-Simulation zwei Teilaufgaben effizient bewältigen können: Die Überprüfung auf Berührung und Überschneidung zwischen simulierten Objekten in der Kollisionserkennung in komplex strukturierten dreidimensionalen Szenen, und die Gewährleistung einer numerisch stabilen Lösung des zugrundeliegenden Gleichungssystems aus der klassischen Mechanik in der Kollisionsbehandlung. Die Kollisionserkennung erfordert dabei gegenüber der Kollisionsbehandlung ein Vielfaches an Laufzeit-Aufwand, und ist dementsprechend die Komponente einer jeden echtzeitfähigen Mechanik-Simulation mit dem größten Optimierungspotential und -bedarf: Ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist daher die Kombination existierender Ansätze zur Kollisionserkennung unter weitgehender Vermeidung von deren Nachteilen. Dazu sollen ausgehend von Erfahrungen einer Projektstudie aus der Industrie-Robotik die speziellen Anforderungen an echtzeitfähige Mechanik-Simulationen beim Einsatz in dieser und verwandten Disziplinen hergeleitet und den Möglichkeiten und Einschränkungen existierender Simulations-Lösungen gegenüber gestellt werden. Basierend auf der Analyse existierender Kollisionserkennnungs-Verfahren soll im weiteren Verlauf der Arbeit eine alternative Möglichkeit zur Bewältigung dieser laufzeitaufwendigen Aufgabe auf Basis der Verwendung massiv paralleler Prozessor-Architekturen, wie sie in Form programmierbarer Grafik-Prozessoren (GPUs) kostengünstig zur Verfügung stehen, erarbeitet und umgesetzt werden

EUROGRAPHICS 2006 / E. Gröller and L. Szirmay-Kalos (Guest Editors) GPU-based Collision Detection for Deformable Parameterized Surfaces

Based on the potential of current programmable GPUs, recently several approaches were developed that use the GPU to calculate deformations of surfaces like the folding of cloth or to convert higher level geometry to renderable primitives like NURBS or subdivision surfaces. These algorithms are realized as a per-frame operation and take advantage of the parallel processing power of the GPU. Unfortunately, an efficient accurate collision detection, that is necessary for the simulation itself or for the interaction with and editing of the objects, can currently not be integrated seamlessly into these GPU-based approaches without switching back to the CPU. In this paper we describe a novel GPU-based collision detection method for deformable parameterized surfaces that can easily be combined with the aforementioned approaches. Representing the individual parameterized surfaces by stenciled geometry images allows to generate GPU-optimized bounding volume hierarchies in real-time that serve as a basis for an optimized GPU-based hierarchical collision detection algorithm. As a test case we applied our algorithm to the collision detection of deformable trimmed NURBS models, which is an important problem in industry. For the trimming and tessellation of the NURBS on the GPU we used a recent approach [GBK05] and combined it with our collision detection algorithm. This way we are able to render and check collisions for deformable models consisting of several thousands of trimmed NURBS patches in real-time