Efficient collision detection for real-time simulated environments

Thesis (M.S.)--Massachusetts Institute of Technology, Program in Media Arts & Sciences, 1994.Includes bibliographical references (leaves 64-68).by Paul Jay Dworkin.M.S

Abstract Interval Methods for Multi-Point Collisions between Time-Dependent Curved Surfaces

We present an efficient and robust algorithm for finding points of collision between time-dependent parametric and implicit surfaces. The algorithm detects simultaneous collisions at multiple points of contact. When the regions of contact form curves or surfaces, it returns a finite set of points uniformly distributed over each contact region. Collisions can be computed for a very general class of surfaces: those for which inclusion functions can be constructed. Included in this set are the familiar kinds of surfaces and time behaviors encountered in computer graphics. We use a new interval approach for constrained minimization to detect collisions, and a tangency condition to reduce the dimensionality of the search space. These approaches make interval methods practical for multi-point collisions between complex surfaces. An interval Newton method based on the solution of the interval linear equation is used to speed convergence to the collision time and location. This method is more efficient than the Krawczyk–Moore iteration used previously in computer graphics

Computational Techniques to Predict Orthopaedic Implant Alignment and Fit in Bone

Among the broad palette of surgical techniques employed in the current orthopaedic practice, joint replacement represents one of the most difficult and costliest surgical procedures. While numerous recent advances suggest that computer assistance can dramatically improve the precision and long term outcomes of joint arthroplasty even in the hands of experienced surgeons, many of the joint replacement protocols continue to rely almost exclusively on an empirical basis that often entail a succession of trial and error maneuvers that can only be performed intraoperatively. Although the surgeon is generally unable to accurately and reliably predict a priori what the final malalignment will be or even what implant size should be used for a certain patient, the overarching goal of all arthroplastic procedures is to ensure that an appropriate match exists between the native and prosthetic axes of the articulation. To address this relative lack of knowledge, the main objective of this thesis was to develop a comprehensive library of numerical techniques capable to: 1) accurately reconstruct the outer and inner geometry of the bone to be implanted; 2) determine the location of the native articular axis to be replicated by the implant; 3) assess the insertability of a certain implant within the endosteal canal of the bone to be implanted; 4) propose customized implant geometries capable to ensure minimal malalignments between native and prosthetic axes. The accuracy of the developed algorithms was validated through comparisons performed against conventional methods involving either contact-acquired data or navigated implantation approaches, while various customized implant designs proposed were tested with an original numerical implantation method. It is anticipated that the proposed computer-based approaches will eliminate or at least diminish the need for undesirable trial and error implantation procedures in a sense that present error-prone intraoperative implant insertion decisions will be at least augmented if not even replaced by optimal computer-based solutions to offer reliable virtual “previews” of the future surgical procedure. While the entire thesis is focused on the elbow as the most challenging joint replacement surgery, many of the developed approaches are equally applicable to other upper or lower limb articulations

Robust, Efficient, and Accurate Contact Algorithms

Robust, efficient, and accurate contact response remains a challenging problem in the simulation of deformable materials. Contact models should robustly handle contact between geometry by preventing interpenetrations. This should be accomplished while respecting natural laws in order to maintain physical correctness. We simultaneously desire to achieve these criteria as efficiently as possible to minimize simulation runtimes. Many methods exist that partially achieve these properties, but none yet fully attain all three. This thesis investigates existing methodologies with respect to these attributes, and proposes a novel algorithm for the simulation of deformable materials that demonstrate them all. This new method is analyzed and optimized, paving the way for future work in this simplified but powerful manner of simulation

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

Computer animation of deformable bodies

Available from British Library Document Supply Centre- DSC:DXN060923 / BLDSC - British Library Document Supply CentreSIGLEGBUnited Kingdo