Meshless Mechanics and Point-Based Visualization Methods for Surgical Simulations

Computer-based modeling and simulation practices have become an integral part of the medical education field. For surgical simulation applications, realistic constitutive modeling of soft tissue is considered to be one of the most challenging aspects of the problem, because biomechanical soft-tissue models need to reflect the correct elastic response, have to be efficient in order to run at interactive simulation rates, and be able to support operations such as cuts and sutures. Mesh-based solutions, where the connections between the individual degrees of freedom (DoF) are defined explicitly, have been the traditional choice to approach these problems. However, when the problem under investigation contains a discontinuity that disrupts the connectivity between the DoFs, the underlying mesh structure has to be reconfigured in order to handle the newly introduced discontinuity correctly. This reconfiguration for mesh-based techniques is typically called dynamic remeshing, and most of the time it causes the performance bottleneck in the simulation. In this dissertation, the efficiency of point-based meshless methods is investigated for both constitutive modeling of elastic soft tissues and visualization of simulation objects, where arbitrary discontinuities/cuts are applied to the objects in the context of surgical simulation. The point-based deformable object modeling problem is examined in three functional aspects: modeling continuous elastic deformations with, handling discontinuities in, and visualizing a point-based object. Algorithmic and implementation details of the presented techniques are discussed in the dissertation. The presented point-based techniques are implemented as separate components and integrated into the open-source software framework SOFA. The presented meshless continuum mechanics model of elastic tissue were verified by comparing it to the Hertzian non-adhesive frictionless contact theory. Virtual experiments were setup with a point-based deformable block and a rigid indenter, and force-displacement curves obtained from the virtual experiments were compared to the theoretical solutions. The meshless mechanics model of soft tissue and the integrated novel discontinuity treatment technique discussed in this dissertation allows handling cuts of arbitrary shape. The implemented enrichment technique not only modifies the internal mechanics of the soft tissue model, but also updates the point-based visual representation in an efficient way preventing the use of costly dynamic remeshing operations

Methods for 3D Geometry Processing in the Cultural Heritage Domain

This thesis presents methods for 3D geometry processing under the aspects of cultural heritage applications. After a short overview over the relevant basics in 3D geometry processing, the present thesis investigates the digital acquisition of 3D models. A particular challenge in this context are on the one hand difficult surface or material properties of the model to be captured. On the other hand, the fully automatic reconstruction of models even with suitable surface properties that can be captured with Laser range scanners is not yet completely solved. This thesis presents two approaches to tackle these challenges. One exploits a thorough capture of the object’s appearance and a coarse reconstruction for a concise and realistic object representation even for objects with problematic surface properties like reflectivity and transparency. The other method concentrates on digitisation via Laser-range scanners and exploits 2D colour images that are typically recorded with the range images for a fully automatic registration technique. After reconstruction, the captured models are often still incomplete, exhibit holes and/or regions of insufficient sampling. In addition to that, holes are often deliberately introduced into a registered model to remove some undesired or defective surface part. In order to produce a visually appealing model, for instance for visualisation purposes, for prototype or replica production, these holes have to be detected and filled. Although completion is a well-established research field in 2D image processing and many approaches do exist for image completion, surface completion in 3D is a fairly new field of research. This thesis presents a hierarchical completion approach that employs and extends successful exemplar-based 2D image processing approaches to 3D and fills in detail-equipped surface patches into missing surface regions. In order to identify and construct suitable surface patches, selfsimilarity and coherence properties of the surface context of the hole are exploited. In addition to the reconstruction and repair, the present thesis also investigates methods for a modification of captured models via interactive modelling. In this context, modelling is regarded as a creative process, for instance for animation purposes. On the other hand, it is also demonstrated how this creative process can be used to introduce human expertise into the otherwise automatic completion process. This way, reconstructions are feasible even of objects where already the data source, the object itself, is incomplete due to corrosion, demolition, or decay.Methoden zur 3D-Geometrieverarbeitung im Kulturerbesektor In dieser Arbeit werden Methoden zur Bearbeitung von digitaler 3D-Geometrie unter besonderer Berücksichtigung des Anwendungsbereichs im Kulturerbesektor vorgestellt. Nach einem kurzen Überblick über die relevanten Grundlagen der dreidimensionalen Geometriebehandlung wird zunächst die digitale Akquise von dreidimensionalen Objekten untersucht. Eine besondere Herausforderung stellen bei der Erfassung einerseits ungünstige Oberflächen- oder Materialeigenschaften der Objekte dar (wie z.B. Reflexivität oder Transparenz), andererseits ist auch die vollautomatische Rekonstruktion von solchen Modellen, die sich verhältnismäßig problemlos mit Laser-Range Scannern erfassen lassen, immer noch nicht vollständig gelöst. Daher bilden zwei neuartige Verfahren, die diesen Herausforderungen begegnen, den Anfang. Auch nach der Registrierung sind die erfassten Datensätze in vielen Fällen unvollständig, weisen Löcher oder nicht ausreichend abgetastete Regionen auf. Darüber hinaus werden in vielen Anwendungen auch, z.B. durch Entfernen unerwünschter Oberflächenregionen, Löcher gewollt hinzugefügt. Für eine optisch ansprechende Rekonstruktion, vor allem zu Visualisierungszwecken, im Bildungs- oder Unterhaltungssektor oder zur Prototyp- und Replik-Erzeugung müssen diese Löcher zunächst automatisch detektiert und anschließend geschlossen werden. Obwohl dies im zweidimensionalen Fall der Bildbearbeitung bereits ein gut untersuchtes Forschungsfeld darstellt und vielfältige Ansätze zur automatischen Bildvervollständigung existieren, ist die Lage im dreidimensionalen Fall anders, und die Übertragung von zweidimensionalen Ansätzen in den 3D stellt vielfach eine große Herausforderung dar, die bislang keine zufriedenstellenden Lösungen erlaubt hat. Nichtsdestoweniger wird in dieser Arbeit ein hierarchisches Verfahren vorgestellt, das beispielbasierte Konzepte aus dem 2D aufgreift und Löcher in Oberflächen im 3D unter Ausnutzung von Selbstähnlichkeiten und Kohärenzeigenschaften des Oberflächenkontextes schließt. Um plausible Oberflächen zu erzeugen werden die Löcher dabei nicht nur glatt gefüllt, sondern auch feinere Details aus dem Kontext rekonstruiert. Abschließend untersucht die vorliegende Arbeit noch die Modifikation der vervollständigten Objekte durch Freiformmodellierung. Dies wird dabei zum einen als kreativer Prozess z.B. zu Animationszwecken betrachtet. Zum anderen wird aber auch untersucht, wie dieser kreative Prozess benutzt werden kann, um etwaig vorhandenes Expertenwissen in die ansonsten automatische Vervollständigung mit einfließen zu lassen. Auf diese Weise werden auch Rekonstruktionen ermöglicht von Objekten, bei denen schon die Datenquelle, also das Objekt selbst z.B. durch Korrosion oder mutwillige Zerstörung unvollständig ist

A Revisit of Shape Editing Techniques: from the Geometric to the Neural Viewpoint

3D shape editing is widely used in a range of applications such as movie production, computer games and computer aided design. It is also a popular research topic in computer graphics and computer vision. In past decades, researchers have developed a series of editing methods to make the editing process faster, more robust, and more reliable. Traditionally, the deformed shape is determined by the optimal transformation and weights for an energy term. With increasing availability of 3D shapes on the Internet, data-driven methods were proposed to improve the editing results. More recently as the deep neural networks became popular, many deep learning based editing methods have been developed in this field, which is naturally data-driven. We mainly survey recent research works from the geometric viewpoint to those emerging neural deformation techniques and categorize them into organic shape editing methods and man-made model editing methods. Both traditional methods and recent neural network based methods are reviewed

Data-driven approaches for interactive appearance editing

This thesis proposes several techniques for interactive editing of digital content and fast rendering of virtual 3D scenes. Editing of digital content - such as images or 3D scenes - is difficult, requires artistic talent and technical expertise. To alleviate these difficulties, we exploit data-driven approaches that use the easily accessible Internet data (e. g., images, videos, materials) to develop new tools for digital content manipulation. Our proposed techniques allow casual users to achieve high-quality editing by interactively exploring the manipulations without the need to understand the underlying physical models of appearance. First, the thesis presents a fast algorithm for realistic image synthesis of virtual 3D scenes. This serves as the core framework for a new method that allows artists to fine tune the appearance of a rendered 3D scene. Here, artists directly paint the final appearance and the system automatically solves for the material parameters that best match the desired look. Along this line, an example-based material assignment approach is proposed, where the 3D models of a virtual scene can be "materialized" simply by giving a guidance source (image/video). Next, the thesis proposes shape and color subspaces of an object that are learned from a collection of exemplar images. These subspaces can be used to constrain image manipulations to valid shapes and colors, or provide suggestions for manipulations. Finally, data-driven color manifolds which contain colors of a specific context are proposed. Such color manifolds can be used to improve color picking performance, color stylization, compression or white balancing.Diese Dissertation stellt Techniken zum interaktiven Editieren von digitalen Inhalten und zum schnellen Rendering von virtuellen 3D Szenen vor. Digitales Editieren - seien es Bilder oder dreidimensionale Szenen - ist kompliziert, benötigt künstlerisches Talent und technische Expertise. Um diese Schwierigkeiten zu relativieren, nutzen wir datengesteuerte Ansätze, die einfach zugängliche Internetdaten, wie Bilder, Videos und Materialeigenschaften, nutzen um neue Werkzeuge zur Manipulation von digitalen Inhalten zu entwickeln. Die von uns vorgestellten Techniken erlauben Gelegenheitsnutzern das Editieren in hoher Qualität, indem Manipulationsmöglichkeiten interaktiv exploriert werden können ohne die zugrundeliegenden physikalischen Modelle der Bildentstehung verstehen zu müssen. Zunächst stellen wir einen effizienten Algorithmus zur realistischen Bildsynthese von virtuellen 3D Szenen vor. Dieser dient als Kerngerüst einer Methode, die Nutzern die Feinabstimmung des finalen Aussehens einer gerenderten dreidimensionalen Szene erlaubt. Hierbei malt der Künstler direkt das beabsichtigte Aussehen und das System errechnet automatisch die zugrundeliegenden Materialeigenschaften, die den beabsichtigten Eigenschaften am nahesten kommen. Zu diesem Zweck wird ein auf Beispielen basierender Materialzuordnungsansatz vorgestellt, für den das 3D Model einer virtuellen Szene durch das simple Anführen einer Leitquelle (Bild, Video) in Materialien aufgeteilt werden kann. Als Nächstes schlagen wir Form- und Farbunterräume von Objektklassen vor, die aus einer Sammlung von Beispielbildern gelernt werden. Diese Unterräume können genutzt werden um Bildmanipulationen auf valide Formen und Farben einzuschränken oder Manipulationsvorschläge zu liefern. Schließlich werden datenbasierte Farbmannigfaltigkeiten vorgestellt, die Farben eines spezifischen Kontexts enthalten. Diese Mannigfaltigkeiten ermöglichen eine Leistungssteigerung bei Farbauswahl, Farbstilisierung, Komprimierung und Weißabgleich

Sketch-a-Net: A Deep Neural Network that Beats Humans

This Project received support from the European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation Programme under Grant Agreement #640891, and the Royal Society and Natural Science Foundation of China (NSFC) Joint Grant #IE141387 and #61511130081. We gratefully acknowledge the support of NVIDIA Corporation for the donation of the GPUs used for this research

Data-driven methods for interactive visual content creation and manipulation

Software tools for creating and manipulating visual content --- be they for images, video or 3D models --- are often difficult to use and involve a lot of manual interaction at several stages of the process. Coupled with long processing and acquisition times, content production is rather costly and poses a potential barrier to many applications. Although cameras now allow anyone to easily capture photos and video, tools for manipulating such media demand both artistic talent and technical expertise. However, at the same time, vast corpuses with existing visual content such as Flickr, YouTube or Google 3D Warehouse are now available and easily accessible. This thesis proposes a data-driven approach to tackle the above mentioned problems encountered in content generation. To this end, statistical models trained on semantic knowledge harvested from existing visual content corpuses are created. Using these models, we then develop tools which are easy to learn and use, even by novice users, but still produce high-quality content. These tools have intuitive interfaces, and enable the user to have precise and flexible control. Specifically, we apply our models to create tools to simplify the tasks of video manipulation, 3D modeling and material assignment to 3D objects.Softwarewerkzeuge zum Erstellen und Bearbeiten von visuellen Inhalten --- seien es Bilder, Videos oder 3D-Modelle --- sind häufig schwierig zu bedienen und erfordern viel manuelle Interaktion an verschiedenen Stellen des Verfahrens. In Verbindung mit langen Bearbeitungs- und Erfassungszeiten ist die Erzeugung von Inhalten eher aufwendig und stellt ein potentielles Hindernis für viele Anwendungen dar. Obwohl heute Kameras jedem Anwender auf einfache Art und Weise erlauben Bilder und Videos aufzunehmen, erfordern Werkzeuge zur Bearbeitung dieser sowohl künstlerisches Talent, als auch technische Kompetenz. Gleichzeitig sind riesige Korpora mit bereits vorhandenen visuellen Inhalten, wie zum Beispiel Flickr, Youtube oder Google 3D Warehouse, verfügbar und leicht zugänglich. Diese Arbeit stellt einen datengetriebenen Ansatz vor, der die erwähnten Probleme der Inhaltserzeugung behandelt. Zu diesem Zweck werden statistische Modelle erzeugt, die auf semantischem Wissen trainiert worden sind, welches aus bestehenden Korpora von visuellen Inhalten gesammelt worden ist. Durch die Verwendung dieser Modelle ist es möglich Werkzeuge zu entwickeln, die sogar von unerfahrenen Anwendern einfach zu erlernen und zu benutzen sind, aber dennoch qualitativ hochwertige Inhalte produzieren. Diese Werkzeuge haben intuitive Benutzeroberflächen und geben dem Benutzer eine präzise und flexible Kontrolle. Insbesondere werden die Modelle eingesetzt, um Werkzeuge zu erzeugen, die Aufgaben Videobearbeitung, 3D-Modellerstellung und Materialzuweisung zu 3D-Modellen vereinfachen

Data-driven methods for interactive visual content creation and manipulation

Software tools for creating and manipulating visual content --- be they for images, video or 3D models --- are often difficult to use and involve a lot of manual interaction at several stages of the process. Coupled with long processing and acquisition times, content production is rather costly and poses a potential barrier to many applications. Although cameras now allow anyone to easily capture photos and video, tools for manipulating such media demand both artistic talent and technical expertise. However, at the same time, vast corpuses with existing visual content such as Flickr, YouTube or Google 3D Warehouse are now available and easily accessible. This thesis proposes a data-driven approach to tackle the above mentioned problems encountered in content generation. To this end, statistical models trained on semantic knowledge harvested from existing visual content corpuses are created. Using these models, we then develop tools which are easy to learn and use, even by novice users, but still produce high-quality content. These tools have intuitive interfaces, and enable the user to have precise and flexible control. Specifically, we apply our models to create tools to simplify the tasks of video manipulation, 3D modeling and material assignment to 3D objects.Softwarewerkzeuge zum Erstellen und Bearbeiten von visuellen Inhalten --- seien es Bilder, Videos oder 3D-Modelle --- sind häufig schwierig zu bedienen und erfordern viel manuelle Interaktion an verschiedenen Stellen des Verfahrens. In Verbindung mit langen Bearbeitungs- und Erfassungszeiten ist die Erzeugung von Inhalten eher aufwendig und stellt ein potentielles Hindernis für viele Anwendungen dar. Obwohl heute Kameras jedem Anwender auf einfache Art und Weise erlauben Bilder und Videos aufzunehmen, erfordern Werkzeuge zur Bearbeitung dieser sowohl künstlerisches Talent, als auch technische Kompetenz. Gleichzeitig sind riesige Korpora mit bereits vorhandenen visuellen Inhalten, wie zum Beispiel Flickr, Youtube oder Google 3D Warehouse, verfügbar und leicht zugänglich. Diese Arbeit stellt einen datengetriebenen Ansatz vor, der die erwähnten Probleme der Inhaltserzeugung behandelt. Zu diesem Zweck werden statistische Modelle erzeugt, die auf semantischem Wissen trainiert worden sind, welches aus bestehenden Korpora von visuellen Inhalten gesammelt worden ist. Durch die Verwendung dieser Modelle ist es möglich Werkzeuge zu entwickeln, die sogar von unerfahrenen Anwendern einfach zu erlernen und zu benutzen sind, aber dennoch qualitativ hochwertige Inhalte produzieren. Diese Werkzeuge haben intuitive Benutzeroberflächen und geben dem Benutzer eine präzise und flexible Kontrolle. Insbesondere werden die Modelle eingesetzt, um Werkzeuge zu erzeugen, die Aufgaben Videobearbeitung, 3D-Modellerstellung und Materialzuweisung zu 3D-Modellen vereinfachen

Visual Techniques for Geological Fieldwork Using Mobile Devices

Visual techniques in general and 3D visualisation in particular have seen considerable adoption within the last 30 years in the geosciences and geology. Techniques such as volume visualisation, for analysing subsurface processes, and photo-coloured LiDAR point-based rendering, to digitally explore rock exposures at the earth’s surface, were applied within geology as one of the first adopting branches of science. A large amount of digital, geological surface- and volume data is nowadays available to desktop-based workflows for geological applications such as hydrocarbon reservoir exploration, groundwater modelling, CO2 sequestration and, in the future, geothermal energy planning. On the other hand, the analysis and data collection during fieldwork has yet to embrace this ”digital revolution”: sedimentary logs, geological maps and stratigraphic sketches are still captured in each geologist’s individual fieldbook, and physical rocks samples are still transported to the lab for subsequent analysis. Is this still necessary, or are there extended digital means of data collection and exploration in the field ? Are modern digital interpretation techniques accurate and intuitive enough to relevantly support fieldwork in geology and other geoscience disciplines ? This dissertation aims to address these questions and, by doing so, close the technological gap between geological fieldwork and office workflows in geology. The emergence of mobile devices and their vast array of physical sensors, combined with touch-based user interfaces, high-resolution screens and digital cameras provide a possible digital platform that can be used by field geologists. Their ubiquitous availability increases the chances to adopt digital workflows in the field without additional, expensive equipment. The use of 3D data on mobile devices in the field is furthered by the availability of 3D digital outcrop models and the increasing ease of their acquisition. This dissertation assesses the prospects of adopting 3D visual techniques and mobile devices within field geology. The research of this dissertation uses previously acquired and processed digital outcrop models in the form of textured surfaces from optical remote sensing and photogrammetry. The scientific papers in this thesis present visual techniques and algorithms to map outcrop photographs in the field directly onto the surface models. Automatic mapping allows the projection of photo interpretations of stratigraphy and sedimentary facies on the 3D textured surface while providing the domain expert with simple-touse, intuitive tools for the photo interpretation itself. The developed visual approach, combining insight from all across the computer sciences dealing with visual information, merits into the mobile device Geological Registration and Interpretation Toolset (GRIT) app, which is assessed on an outcrop analogue study of the Saltwick Formation exposed at Whitby, North Yorkshire, UK. Although being applicable to a diversity of study scenarios within petroleum geology and the geosciences, the particular target application of the visual techniques is to easily provide field-based outcrop interpretations for subsequent construction of training images for multiple point statistics reservoir modelling, as envisaged within the VOM2MPS project. Despite the success and applicability of the visual approach, numerous drawbacks and probable future extensions are discussed in the thesis based on the conducted studies. Apart from elaborating on more obvious limitations originating from the use of mobile devices and their limited computing capabilities and sensor accuracies, a major contribution of this thesis is the careful analysis of conceptual drawbacks of established procedures in modelling, representing, constructing and disseminating the available surface geometry. A more mathematically-accurate geometric description of the underlying algebraic surfaces yields improvements and future applications unaddressed within the literature of geology and the computational geosciences to this date. Also, future extensions to the visual techniques proposed in this thesis allow for expanded analysis, 3D exploration and improved geological subsurface modelling in general.publishedVersio

Reconstructing plant architecture from 3D laser scanner data

En infographie, les modèles virtuels de plantes sont de plus en plus réalistes visuellement. Cependant, dans le contexte de la biologie et l'agronomie, l'acquisition de modèles précis de plantes réelles reste un problème majeur pour la construction de modèles quantitatifs du développement des plantes. Récemment, des scanners laser 3D permettent d'acquérir des images 3D avec pour chaque pixel une profondeur correspondant à la distance entre le scanner et la surface de l'objet visé. Cependant, une plante est généralement un ensemble important de petites surfaces sur lesquelles les méthodes classiques de reconstruction échouent. Dans cette thèse, nous présentons une méthode pour reconstruire des modèles virtuels de plantes à partir de scans laser. Mesurer des plantes avec un scanner laser produit des données avec différents niveaux de précision. Les scans sont généralement denses sur la surface des branches principales mais recouvrent avec peu de points les branches fines. Le cur de notre méthode est de créer itérativement un squelette de la structure de la plante en fonction de la densité locale de points. Pour cela, une méthode localement adaptative a été développée qui combine une phase de contraction et un algorithme de suivi de points. Nous présentons également une procédure d'évaluation quantitative pour comparer nos reconstructions avec des structures reconstruites par des experts de plantes réelles. Pour cela, nous explorons d'abord l'utilisation d'une distance d'édition entre arborescence. Finalement, nous formalisons la comparaison sous forme d'un problème d'assignation pour trouver le meilleur appariement entre deux structures et quantifier leurs différences. (Résumé d'auteur