New Geometric Data Structures for Collision Detection

We present new geometric data structures for collision detection and more, including: Inner Sphere Trees - the first data structure to compute the peneration volume efficiently. Protosphere - an new algorithm to compute space filling sphere packings for arbitrary objects. Kinetic AABBs - a bounding volume hierarchy that is optimal in the number of updates when the objects deform. Kinetic Separation-List - an algorithm that is able to perform continuous collision detection for complex deformable objects in real-time. Moreover, we present applications of these new approaches to hand animation, real-time collision avoidance in dynamic environments for robots and haptic rendering, including a user study that exploits the influence of the degrees of freedom in complex haptic interactions. Last but not least, we present a new benchmarking suite for both, peformance and quality benchmarks, and a theoretic analysis of the running-time of bounding volume-based collision detection algorithms

New geometric algorithms and data structures for collision detection of dynamically deforming objects

Any virtual environment that supports interactions between virtual objects and/or a user and objects, needs a collision detection system to handle all interactions in a physically correct or plausible way. A collision detection system is needed to determine if objects are in contact or interpenetrates. These interpenetrations are resolved by a collision handling system. Because of the fact, that in nearly all simulations objects can interact with each other, collision detection is a fundamental technology, that is needed in all these simulations, like physically based simulation, robotic path and motion planning, virtual prototyping, and many more. Most virtual environments aim to represent the real-world as realistic as possible and therefore, virtual environments getting more and more complex. Furthermore, all models in a virtual environment should interact like real objects do, if forces are applied to the objects. Nearly all real-world objects will deform or break down in its individual parts if forces are acted upon the objects. Thus deformable objects are becoming more and more common in virtual environments, which want to be as realistic as possible and thus, will present new challenges to the collision detection system. The necessary collision detection computations can be very complex and this has the effect, that the collision detection process is the performance bottleneck in most simulations. Most rigid body collision detection approaches use a BVH as acceleration data structure. This technique is perfectly suitable if the object does not change its shape. For a soft body an update step is necessary to ensure that the underlying acceleration data structure is still valid after performing a simulation step. This update step can be very time consuming, is often hard to implement and in most cases will produce a degenerated BVH after some simulation steps, if the objects generally deform. Therefore, the here presented collision detection approach works entirely without an acceleration data structure and supports rigid and soft bodies. Furthermore, we can compute inter-object and intraobject collisions of rigid and deformable objects consisting of many tens of thousands of triangles in a few milliseconds. To realize this, a subdivision of the scene into parts using a fuzzy clustering approach is applied. Based on that all further steps for each cluster can be performed in parallel and if desired, distributed to different GPUs. Tests have been performed to judge the performance of our approach against other state-of-the-art collision detection algorithms. Additionally, we integrated our approach into Bullet, a commonly used physics engine, to evaluate our algorithm. In order to make a fair comparison of different rigid body collision detection algorithms, we propose a new collision detection Benchmarking Suite. Our Benchmarking Suite can evaluate both the performance as well as the quality of the collision response. Therefore, the Benchmarking Suite is subdivided into a Performance Benchmark and a Quality Benchmark. This approach needs to be extended to support soft body collision detection algorithms in the future.Jede virtuelle Umgebung, welche eine Interaktion zwischen den virtuellen Objekten in der Szene zulässt und/oder zwischen einem Benutzer und den Objekten, benötigt für eine korrekte Behandlung der Interaktionen eine Kollisionsdetektion. Nur dank der Kollisionsdetektion können Berührungen zwischen Objekten erkannt und mittels der Kollisionsbehandlung aufgelöst werden. Dies ist der Grund für die weite Verbreitung der Kollisionsdetektion in die verschiedensten Fachbereiche, wie der physikalisch basierten Simulation, der Pfadplanung in der Robotik, dem virtuellen Prototyping und vielen weiteren. Auf Grund des Bestrebens, die reale Umgebung in der virtuellen Welt so realistisch wie möglich nachzubilden, steigt die Komplexität der Szenen stetig. Fortwährend steigen die Anforderungen an die Objekte, sich realistisch zu verhalten, sollten Kräfte auf die einzelnen Objekte ausgeübt werden. Die meisten Objekte, die uns in unserer realen Welt umgeben, ändern ihre Form oder zerbrechen in ihre Einzelteile, wenn Kräfte auf sie einwirken. Daher kommen in realitätsnahen, virtuellen Umgebungen immer häufiger deformierbare Objekte zum Einsatz, was neue Herausforderungen an die Kollisionsdetektion stellt. Die hierfür Notwendigen, teils komplexen Berechnungen, führen dazu, dass die Kollisionsdetektion häufig der Performance-Bottleneck in der jeweiligen Simulation darstellt. Die meisten Kollisionsdetektionen für starre Körper benutzen eine Hüllkörperhierarchie als Beschleunigungsdatenstruktur. Diese Technik ist hervorragend geeignet, solange sich die Form des Objektes nicht verändert. Im Fall von deformierbaren Objekten ist eine Aktualisierung der Datenstruktur nach jedem Schritt der Simulation notwendig, damit diese weiterhin gültig ist. Dieser Aktualisierungsschritt kann, je nach Hierarchie, sehr zeitaufwendig sein, ist in den meisten Fällen schwer zu implementieren und generiert nach vielen Schritten der Simulation häufig eine entartete Hüllkörperhierarchie, sollte sich das Objekt sehr stark verformen. Um dies zu vermeiden, verzichtet unsere Kollisionsdetektion vollständig auf eine Beschleunigungsdatenstruktur und unterstützt sowohl rigide, wie auch deformierbare Körper. Zugleich können wir Selbstkollisionen und Kollisionen zwischen starren und/oder deformierbaren Objekten, bestehend aus vielen Zehntausenden Dreiecken, innerhalb von wenigen Millisekunden berechnen. Um dies zu realisieren, unterteilen wir die gesamte Szene in einzelne Bereiche mittels eines Fuzzy Clustering-Verfahrens. Dies ermöglicht es, dass alle Cluster unabhängig bearbeitet werden und falls gewünscht, die Berechnungen für die einzelnen Cluster auf verschiedene Grafikkarten verteilt werden können. Um die Leistungsfähigkeit unseres Ansatzes vergleichen zu können, haben wir diesen gegen aktuelle Verfahren für die Kollisionsdetektion antreten lassen. Weiterhin haben wir unser Verfahren in die Physik-Engine Bullet integriert, um das Verhalten in dynamischen Situationen zu evaluieren. Um unterschiedliche Kollisionsdetektionsalgorithmen für starre Körper korrekt und objektiv miteinander vergleichen zu können, haben wir eine Benchmarking-Suite entwickelt. Unsere Benchmarking- Suite kann sowohl die Geschwindigkeit, für die Bestimmung, ob zwei Objekte sich durchdringen, wie auch die Qualität der berechneten Kräfte miteinander vergleichen. Hierfür ist die Benchmarking-Suite in den Performance Benchmark und den Quality Benchmark unterteilt worden. In der Zukunft wird diese Benchmarking-Suite dahingehend erweitert, dass auch Kollisionsdetektionsalgorithmen für deformierbare Objekte unterstützt werden

Scalable collision detection for distributed virtual environments

PhD ThesisDistributed Virtual Environments (DVEs) provide a mechanism whereby dispersed users can interact with one-another within a shared \'irtual world. DVEs commonly allow users to interact with one-another in ways analogous to the real-world, e.g. mimicking Newtonian physics. A scalable DVE should enable large numbers of users to participate simultaneously, regardless of the In geographical location and hardware configurations of individual users. addition, these users should perceive a mutually-consistent virtual world in which each user perceives a consistent series of events in real-time. Collision detection and response is a fundamental requirement of most virtual environments and simulations. It is a computationally-expensive operation which must be perfonned at frequent intervals in all virtual environments which simulate the motion of solid objects. Collision detection has received large amounts of research interest and as a result a number of efficient collision detection algorithms have been proposed. However, these collision detection approaches are designed to detect collisions efficiently in simulations run on a single machine and are not capable of overcoming problems associated with scalability and consistency, which are of paramount importance in DVEs. This thesis presents a new collision detection approach, tenned distributed collision detection, which provides high-levels of scalability, consistency and responsiveness. This thesis presents the algorithms and theory which underpin the distributed collision detection approach and provides experimental results demonstrating its scalability and responsiveness

Real-time deformation and fracture in a game environment

This paper describes a simulation system that has been developed to model the deformation and fracture of solid objects in a real-time gaming context. Based around a corotational tetrahedral finite element method, this system has been constructed from components published in the graphics and computational physics literatures. The goal of this paper is to describe how these components can be combined to produce an engine that is robust to unpredictable user interactions, fast enough to model reasonable scenarios at real-time speeds, suitable for use in the design of a game level, and with appropriate controls allowing content creators to match artistic direction. Details concerning parallel implementation, solver design, rendering method, and other aspects of the simulation are elucidated with the intent of providing a guide to others wishing to implement similar systems. Examples from in-game scenes captured on the Xbox 360, PS3, and PC platforms are included. © 2009 ACM

Mathematische Modellierung von Lymphozyten-vermittelten Immunantworten

The adaptive immune response is crucial for defence of organisms against infections. There are two main cell populations of the adaptive immune system, T and B lymphocytes, bearing specific receptors which allow to recognise infection and cancer antigens. Although these cells may play a beneficial role in viral or bacterial infection, in some cases, like autoimmune diseases or organ transplantation, T and B cell responses are undesired. Chronic graft rejection is associated with the production of donor-specific antibodies by B cells, and is the main reason for late graft failure. Immune cell clusters called tertiary lymphoid organs (TLOs), which develop at chronic inflammation sites, are shown to be related to graft rejection in mice. The stability of these clusters depends on the interactions of lymphocytes with stromal cells via chemokine and cell surface proteins, which is modelled in chapter 3. In addition, I implemented a 3D agent-based off-lattice model, which allows to describe cell migration, chemokine diffusion and receptor internalisation dynamics. I show that chemokine degradation by proteolysis does not influ- ence its concentration in the vicinity of a secreting cell. In addition, I study how consumption of the chemokine may change its gradient or even invert it at certain model parameters. In chapter 4, I model interaction of germinal centres (GCs). GCs are organized clusters of immune and stromal cells in secondary and tertiary lymphoid tissue, which are responsible for the generation of B cell clones producing high affinity antibodies. Injected antibodies are shown to mask antigen which is presented to B cells in GCs. It motivates to consider GCs as a system of agents interacting via antibodies. Simulation of a system of interacting GCs suggested the possibility for early GCs to suppress development of the later ones. I hope to provoke new experiments in order to investigate influence of antibodies on the GC reaction course, which might find an application in different clinical conditions. Besides antibody responses, a cytotoxic T cell (CTL) activity might also find application in clinics. In chapter 5, I estimated killing rates for CTLs in different experimental set-ups. Using the data from in vivo microscopy about target cell fate depending on the contacts with CTLs I show that previous contacts dramatically increase the probability of target cells to die. This kind of modelling may be used for optimization of T cell-based therapies.Die adaptive Immunantwort ist essentiell für die Verteidigung des Organismus gegen Infektionen. Es gibt zwei wesentliche Zellpopulationen des adaptiven Immunsystems, die T- und B-Lymphozyten, welche spezifische Rezeptoren tragen, die ihnen erlauben, Antigene in Infektionen und Krebs zu erkennen. Obwohl diese Zellen bei Infektionskrankheiten hilfreich sind, ist der Immunantwort unter bestimmten Bedingungen unerwünscht. Chronische Transplantatabstoßung geht mit der Produktion spezifischer Antikörper gegen das Spendergewebe einher und ist der Haupgrund für spätes Transplantatatversagen. Verbünde von Immunzellen, genannt tertiäre lymphoide Organe (TLO), die sich an chronischen Entzündungsherden bilden, stehen mit der Transplantatabstoßung in Mäusen im Zusammenhang. Ihre Stabilität hängt von über Chemokine und Oberflächenproteine vermittelten Interaktionen ab, die in Kapitel 3 modelliert werden. Ich zeige hier, dass die Degradation von Chemokin durch Proteolyse dessen Konzentration in der Umgebung einer chemokinproduzierenden Zelle nicht beeinflusst. Weiterhin untersuche ich, wie der Verbrauch von Chemokin dessen Gradienten unter bestimmten Modellparametern verändern oder sogar umkehren kann. In Kapitel 4 modelliere ich Interaktionen zwischen Keimzentren (GC). GC sind organisierte Verbünde von Immun- und Stromazellen in lymphoiden Gewebe, die für die Bildung von B-Zell-Klonen verantwortlich sind, die hochaffine Antikörper produzieren. Es konnte nachgewiesen werden, dass injizierte Antikörper das im GC den B-Zellen präsentierte Antigen bedecken. Dies legt nahe, GC als ein System von interagierenden Akteuren zu betrachten. Simulationen eines Systems interagierender GC weisen darauf hin, dass früh gebildete GC sich später bildende GC unterdrücken könnten. Neben der Antikörperantwort kann auch die Aktivität cytotoxischer T-Zellen (CTL) für die klinische Anwendung relevant sein. In Kapitel 5 schätze ich die Rate ab, mit der CTL in verschiedenen Experimenten Zellen eliminieren. Anhand von mittels in vivo-Mikroskopie generierten Daten zur weiteren Entwicklung von Zellen abhängig von der Zahl der Kontakte mit CTL weise ich nach, dass ein früherer Kontakt mit CTL die Wahrscheinlichkeit für eine Zelle massiv erhöht, bei einem erneuten CTL-Kontakt zu sterben. Dieser Modellierungsansatz könnte für die Optimierung von auf T-Zellen basierten Therapien genutzt werden

A methodology for robust optimization of low-thrust trajectories in multi-body environments

Issued as final reportThales Alenia Spac

a review of particle damping modeling and testing

Abstract This survey provides an overview of the different approaches seen in the literature concerning particle damping. The emphasis is on particle dampers used on beams vibrating at frequencies between 10 Hz and 1 kHz. Design examples, analytical formulations, numerical models, and experimental setups for such dampers are gathered. Modeling approaches are presented both for particle interaction and for systems equipped with particle dampers. The consequences of the nonlinear behavior of particle dampers are brought to attention. As such, the apparent contradictions of the conclusions and approaches presented in the literature are highlighted. A list of particle simulation software and their use in the literature is provided. Most importantly, a suggested approach to create a sound numerical simulation of a particle damper and the accompanying experimental tests is given. It consists of setting up a discrete element method simulation, calibrating it with literature data and a representative damper experiment, and testing it outside of the range of operation used for the tuning