Realistic Visualization of Accessories within Interactive Simulation Systems for Garment Prototyping

In virtual garment prototyping, designers create a garment design by using Computer Aided Design (CAD). In difference to traditional CAD the word "aided" in this case refers to the computer replicating real world behavior of garments. This allows the designer to interact naturally with his design. The designer has a wide range of expressions within his work. This is done by defining details on a garment which are not limited to the type of cloth used. The way how cloth patterns are sewn together and the style and usage of details of the cloth's surface, like appliqués, have a strong impact on the visual appearance of a garment to a large degree. Therefore, virtual and real garments usually have a lot of such surface details. Interactive virtual garment prototyping itself is an interdisciplinary field. Several problems have to be solved to create an efficiently usable real-time virtual prototyping system for garment manufacturers. Such a system can be roughly separated into three sub-components. The first component deals with acquisition of material and other data needed to let a simulation mimic plausible real world behavior of the garment. The second component is the garment simulation process itself. Finally, the third component is centered on the visualization of the simulation results. Therefore, the overall process spans several scientific areas which have to take into account the needs of each other in order to get an overall interactive system. In my work I especially target the third section, which deals with the visualization. On the scientific side, the developments in the last years have shown great improvements on both speed and reliability of simulation and rendering approaches suitable for the virtual prototyping of garments. However, with the currently existing approaches there are still many problems to be solved, especially if interactive simulation and visualization need to work together and many object and surface details come into play. This is the case when using a virtual prototyping in a productive environment. The currently available approaches try to handle most of the surface details as part of the simulation. This generates a lot of data early in the pipeline which needs to be transferred and processed, requiring a lot of processing time and easily stalls the pipeline defined by the simulation and visualization system. Additionally, real world garment examples are already complicated in their cloth arrangement alone. This requires additional computational power. Therefore, the interactive garment simulation tends to lose its capability to allow interactive handling of the garment. In my work I present a solution, which solves this problem by moving the handling of design details from the simulation stage entirely to a completely GPU based rendering stage. This way, the behavior of the garment and its visual appearance are separated. Therefore, the simulation part can fully concentrate on simulating the fabric behavior, while the visualization handles the placing of surface details lighting, materials and self-shadowing. Thus, a much higher degree of surface complexity can be achieved within an interactive virtual prototyping system as can be done with the current existing approaches

Interaktive Echtzeitsimulation deformierbarer Oberflächen für Trainingssysteme in der Augenchirurgie

Die Arbeit befasst sich mit Simulations-Algorithmen für virtuelle Augenoperationen. Sie konzentriert sich auf die Simulation von Membranen, die im Verlauf eines chirurgischen Eingriffs aus dem Auge entfernt werden müssen. Es werden Algorithmen vorgestellt, die eine realistische Interaktion zwischen Membran und chirurgischem Instrument ermöglichen, und die eine physikalisch plausible Riss-Simulation garantieren

Interaktive Animation textiler Materialien

In dieser Arbeit werden mehrere Verfahren und Konzepte vorgestellt, die zusammengenommen ein komplettes System zur Simulation und Visualisierung von textilen Materialien bzw. Bekleidung ergeben, welches sich für die virtuelle Anprobe und das Virtual Prototyping von Bekleidung eignet. Besonderes Augenmerk wird dabei die Stabilität der Simulation und die Echtzeitfähigkeit des Komplettsystems gelegt. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit sind Ontologien für Bekleidung, Algorithmen zur schnellen Kollisionserkennung, die effiziente Simulation von textilem Material und die Visualisierung in Echtzeit. Für die Berechnung der Anfangswerte für die Simulation von Bekleidung werden in dieser Arbeit Ontologien für Kleidungsstücke und ein Verfahren zum interaktionsfreien Einkleiden virtueller Menschen vorgestellt. Die Ontologien können eingesetzt werden, um auf einer hohen bzw. abstrakten Ebene intuitiv die Eigenschaften von mehreren gleichzeitig getragenen virtuellen Kleidungsstücken zu ändern. Weiterhin profitiert auch die Kollisionserkennung für mehrlagige Kleidungsstücke von den dadurch gegebenen semantischen Informationen. Der Prozess der Kollisionserkennung teilt sich in Selbstkollisionserkennung und Kollisionen zwischen Stoff und Umgebung. Letzteres erfolgt auf der Basis von Distanzfeldern. Diese Methode ist extrem robust, da durch die Vorzeichen des Distanzfeldes klar zwischen dem Inneren und dem äußeren eines Objektes unterschieden werden kann. Ein Distanzfeld liefert nicht nur die Eindringtiefe, sondern auch die Normale, die für die Kollisionsantwort benötigt wird, wodurch eine sehr schnelle Kollisionserkennung möglich wird. Weiterhin wird in dieser Arbeit ein neues Verfahren zur Vermeidung von Selbstkollisionen textiler Materialien beschrieben. Die Methode basiert auf einer hierarchischen Datenstruktur, die während der Simulation schnell upgedated und abgefragt werden kann. Zudem arbeitet der Algorithmus äußerst stabil. Für die interaktive Simulation von textilen Materialien wird ein Algorithmus vorgestellt, der sogar für Netze mit mehreren tausend Dreiecken in Echtzeit arbeitet. Das Verfahren ist auch bei großen Zeitschritten stabil, da die hohen internen Kräfte durch geometrische Einschränkungen modelliert werden, die für verschiedene Materialien parametrisiert werden können. Nur die externen Kräfte, wie die Gravitation, werden auf herkömmliche Weise integriert. Zur realistischen Visualisierung von Kleidung wird ein Verfahren vorgestellt, das auch Details wie Nähte, Knöpfe und Säume rendern kann. Durch die Verwendung zusätzlicher Geometrie und weiterer Texturen lassen sich diese Elemente in hoher Auflösung darstellen, die auch bei Nahaufnahmen nicht an Qualität verlieren