Game Engine Solutions

The rapid development of hardware and system platforms provides a favorable foundation for game development. A game engine overview is introduced first. Then, key features and available solutions of game engines are discussed. Typical products of game engines are shown and evaluated. Finally, we summarize our findings

Computational virtual measurement for trees

National forest inventory (NFI) is a systematic sampling method to collect forest information, including tree parameters, site conditions, and auxiliary data. The sample plot measurement is the key work in NFI. However, compared to the techniques 100 years ago, measuring methods and data-processing (modeling) approaches for NFI sample plots have been improved to a minor extent. The limit was that the newly-developed methods introduced additional validation workflows and would increase the workload in NFI. That was due to that these methods were usually developed based on species-specific and site-specific strategies. In order to overcome these obstacles, the integration of the novel measuring instruments is in urgent need, e.g., light detection and ranging (LiDAR) and the corresponding data processing methods with NFI. Given these situations, this thesis proposed a novel computational virtual measurement (CVM) method for the determination of tree parameters without the need for validation. Primarily, CVM is a physical simulation method and works as a virtual measuring instrument. CVM measures raw data, e.g., LiDAR point clouds and tree models, by the simulation of the physical mechanism of measuring instruments and natural phenomena. Based on the theory of CVM, this thesis is a systematic description of how to develop virtual measuring instruments. The first work is to introduce the CVM theory. CVM is a conceptual and general methodology, which is different from a specific measurement of tree parameters. Then, the feasibility of CVM was tested using a conceptual implementation, i.e., virtual ruler. The development of virtual ruler demonstrated the two key differences between CVM and conventional modeling methods. Firstly, the research focus of CVM is to build an appropriate physical scenario instead of finding a mathematical relationship between modeling results and true values. Secondly, the CVM outputs can approach true values, whereas the modeling results could not. Consequently, in a virtual space, tree parameters are determined by a measuring process without mathematical predictions. Accordingly, the result is free of validation and can be regarded as true values, at least in virtual spaces. With the knowledge from the virtual ruler development, two exceptional implementations are further developed. They are the virtual water displacement (VWD) method and sunlight analysis method. Both of them employ the same CVM workflow, which is firstly measured in reality and secondly measured in virtual space. The VWD aims to virtually measure the point clouds using the simulation of water displacement methods in reality. There are two stages in this method. The first stage is to apply the simulation of water displacement using massive virtual water molecules (VWMs). Some empirical regressions have to be employed in this stage, due to the limitation of computer performance. In the second stage, a single (or few) VWM (or VWMs) is developed to remove those empirical processes in VWD. Finally, VWD can function as a fully automatic method to measure point clouds.The sunlight analysis method aims to virtually measure the tree models using the simulation of solar illumination during daylight. There are also two stages in this method. The first stage is to develop sunlight analysis for a single tree. The second stage is to analyze the interference from neighboring trees. The results include default tree attributes, which can be collected in the future NFI. The successful developments of CVM, along with implementations of VWD and sunlight analysis methods, prove the initial assumptions in this thesis. It is the conversion of mathematical processing of data into virtual measurements. Accordingly, this is a different philosophy, i.e., the role of data is extended to the digital representative of trees. It opens an avenue of data processing using a more natural approach and is expected to be employed in the near future as a standard measuring instrument, such as a diameter tape, in NFI.Die Nationale Waldinventur (NFI) ist eine systematische Stichprobenmethode zur Erfassung von Waldinformationen, einschließlich Baumparameter, Standortbedingungen und Hilfsdaten. Die Messung von Stichprobenparzellen ist die Schlüsselarbeit der NFI. Im Vergleich zu den Techniken vor 100 Jahren wurden die Messmethoden und Datenverarbeitungsansätze (Modellierung) für NFI-Stichprobenparzellen jedoch in geringem Umfang verbessert. Die Grenze lag darin, dass die neu entwickelten Methoden zusätzliche Validierungsabläufe einführten und den Arbeitsaufwand in der NFI erhöhen würden. Dies war darauf zurückzuführen, dass diese Methoden in der Regel auf der Grundlage art- und standortspezifischer Strategien entwickelt wurden. Um diese Hindernisse zu überwinden, ist die Integration der neuartigen Messinstrumente dringend erforderlich, z.B. Light Detection and Ranging (LiDAR) und die entsprechenden Datenverarbeitungsmethoden mit NFI. Vor diesem Hintergrund wird in dieser Arbeit ein neuartiges rechnergestütztes virtuelles Messverfahren (CVM) zur Bestimmung von Baumparametern ohne Validierungsbedarf vorgeschlagen. CVM ist in erster Linie eine physikalische Simulationsmethode und arbeitet als virtuelles Messinstrument. CVM misst Rohdaten, z.B. LiDAR-Punktwolken und Baummodelle, durch die Simulation des physikalischen Mechanismus von Messinstrumenten und Naturphänomenen. Basierend auf der Theorie des CVM ist diese Arbeit eine systematische Beschreibung, wie virtuelle Messinstrumente entwickelt werden können. Die erste Arbeit dient der Einführung in die Theorie des CVM. CVM ist eine konzeptuelle und allgemeine Methodik, die sich von einer spezifischen Messung von Baumparametern unterscheidet. Anschliessend wird die Durchführbarkeit des CVM anhand einer konzeptuellen Implementierung, d.h. eines virtuellen Lineals, getestet. Die Entwicklung des virtuellen Lineals zeigte die beiden Hauptunterschiede zwischen CVM und konventionellen Modellierungsmethoden auf. Erstens besteht der Forschungsschwerpunkt von CVM darin, ein geeignetes physisches Szenario zu erstellen, anstatt eine mathematische Beziehung zwischen Modellierungsergebnissen und wahren Werten zu finden. Zweitens können sich die Ergebnisse des CVM den wahren Werten annähern, während die Modellierungsergebnisse dies nicht konnten. Folglich werden in einem virtuellen Raum die Baumparameter durch einen Messprozess ohne mathematische Vorhersagen bestimmt. Dementsprechend ist das Ergebnis frei von Validierung und kann, zumindest in virtuellen Räumen, als wahre Werte betrachtet werden. Mit dem Wissen aus der Entwicklung des virtuellen Lineals werden zwei aussergewöhnliche Implementierungen weiterentwickelt. Es handelt sich um die Methode der virtuellen Wasserverdrängung (VWD) und die Methode der Sonnenlichtanalyse. Beide verwenden den gleichen CVM-Workflow, der erstens in der Realität und zweitens im virtuellen Raum gemessen wird. Das VWD zielt darauf ab, die Punktwolken virtuell zu messen, wobei die Simulation von Wasserverdrängungsmethoden in der Realität verwendet wird. Diese Methode besteht aus zwei Stufen. Die erste Stufe besteht in der Anwendung der Simulation der Wasserverdrängung unter Verwendung massiver virtueller Wassermoleküle (VWMs). Aufgrund der begrenzten Computerleistung müssen in dieser Phase einige empirische Regressionen angewandt werden. In der zweiten Stufe wird ein einzelnes (oder wenige) VWM (oder VWMs) entwickelt, um diese empirischen Prozesse im VWD zu entfernen. Schließlich kann VWD als vollautomatische Methode zur Messung von Punktwolken fungieren. Die Methode der Sonnenlichtanalyse zielt darauf ab, die Baummodelle virtuell zu messen, indem die Simulation der Sonneneinstrahlung bei Tageslicht verwendet wird. Auch bei dieser Methode gibt es zwei Stufen. In der ersten Stufe wird die Sonnenlichtanalyse für einen einzelnen Baum entwickelt. Die zweite Stufe ist die Analyse der Interferenz von benachbarten Bäumen. Die Ergebnisse umfassen Standard-Baumattribute, die in der zukünftigen NFI gesammelt werden können. Die erfolgreichen Entwicklungen von CVM, zusammen mit Implementierungen von VWD- und Sonnenlichtanalysemethoden, beweisen die anfänglichen Annahmen in dieser Arbeit. Es handelt sich um die Umsetzung der mathematischen Verarbeitung von Daten in virtuelle Messungen. Dementsprechend handelt es sich um eine andere Philosophie, d.h. die Rolle der Daten wird auf die digitale Darstellung von Bäumen ausgedehnt. Sie eröffnet einen Weg der Datenverarbeitung unter Verwendung eines natürlicheren Ansatzes und wird voraussichtlich in naher Zukunft als Standard-Messinstrument, wie z.B. ein Durchmesser-Band, in der NFI eingesetzt werden

Research on real-time physics-based deformation for haptic-enabled medical simulation

This study developed a multiple effective visuo-haptic surgical engine to handle a variety of surgical manipulations in real-time. Soft tissue models are based on biomechanical experiment and continuum mechanics for greater accuracy. Such models will increase the realism of future training systems and the VR/AR/MR implementations for the operating room

Real-time simulation of surgery by Proper Generalized Decomposition techniques

La simulación quirúrgica por ordenador en tiempo real se ha convertido en una alternativa muy atractiva a los simuladores quirúrgicos tradicionales. Entre otras ventajas, los simuladores por ordenador consiguen ahorros importantes de tiempo y de costes de mantenimiento, y permiten que los estudiantes practiquen sus habilidades quirúrgicas en un entorno seguro tantas veces como sea necesario. Sin embargo, a pesar de las capacidades de los ordenadores actuales, la cirugía computacional sigue siendo un campo de investigación exigente. Uno de sus mayores retos es la alta velocidad a la que se tienen que resolver complejos problemas de mecánica de medios continuos para que los interfaces hápticos puedan proporcionar un sentido del tacto realista (en general, se necesitan velocidades de respuesta de 500-1000 Hz).Esta tesis presenta algunos métodos numéricos novedosos para la simulación interactiva de dos procedimientos quirúrgicos habituales: el corte y el rasgado (o desgarro) de tejidos blandos. El marco común de los métodos presentados es el uso de la Descomposición Propia Generalizada (PGD en inglés) para la generación de vademécums computacionales, esto es, metasoluciones generales de problemas paramétricos de altas dimensiones que se pueden evaluar a velocidades de respuesta compatibles con entornos hápticos.En el caso del corte, los vademécums computacionales se utilizan de forma conjunta con técnicas basadas en XFEM, mientras que la carga de cálculo se distribuye entre una etapa off-line (previa a la ejecución interactiva) y otra on-line (en tiempo de ejecución). Durante la fase off-line, para el órgano en cuestión se precalculan tanto un vademécum computacional para cualquier posición de una carga, como los desplazamientos producidos por un conjunto de cortes. Así, durante la etapa on-line, los resultados precalculados se combinan de la forma más adecuada para obtener en tiempo real la respuesta a las acciones dirigidas por el usuario. En cuanto al rasgado, a partir de una ecuación paramétrica basada en mecánica del daño continuo, se obtiene un vademécum computacional. La complejidad del modelo se reduce mediante técnicas de Descomposición Ortogonal Propia (POD en inglés), y el vademécum se incorpora a una formulación incremental explícita que se puede interpretar como una especie de integrador temporal.A modo de ejemplo, el método para el corte se aplica a la simulación de un procedimiento quirúrgico refractivo de la córnea conocido como queratotomía radial, mientras que el método para el rasgado se centra en la simulación de la colecistectomía laparoscópica (la extirpación de la vesícula biliar mediante laparoscopia). En ambos casos, los métodos implementados ofrecen excelentes resultados en términos de velocidades de respuesta y producen simulaciones muy realistas desde los puntos de vista visual y háptico.The real-time computer-based simulation of surgery has proven to be an appealing alternative to traditional surgical simulators. Amongst other advantages, computer-based simulators provide considerable savings on time and maintenance costs, and allow trainees to practice their surgical skills in a safe environment as often as necessary. However, in spite of the current computer capabilities, computational surgery continues to be a challenging field of research. One of its major issues is the high speed at which complex problems in continuum mechanics have to be solved so that haptic interfaces can render a realistic sense of touch (generally, feedback rates of 500–1 000 Hz are required). This thesis introduces some novel numerical methods for the interactive simulation of two usual surgical procedures: cutting and tearing of soft tissues. The common framework of the presented methods is the use of the Proper Generalised Decomposition (PGD) for the generation of computational vademecums, i. e. general meta-solutions of parametric high-dimensional problems that can be evaluated at feedback rates compatible with haptic environments. In the case of cutting, computational vademecums are used jointly with XFEM-based techniques, and the computing workload is distributed into an off-line and an on-line stage. During the off-line stage, both a computational vademecum for any position of a load and the displacements produced by a set of cuts are pre-computed for the organ under consideration. Thus, during the on-line stage, the pre-computed results are properly combined together to obtain in real-time the response to the actions driven by the user. Concerning tearing, a computational vademecum is obtained from a parametric equation based on continuum damage mechanics. The complexity of the model is reduced by Proper Orthogonal Decomposition (POD) techniques, and the vademecum is incorporated into an explicit incremental formulation that can be viewed as a sort of time integrator. By way of example, the cutting method is applied to the simulation of a corneal refractive surgical procedure known as radial keratotomy, whereas the tearing method focuses on the simulation of laparoscopic cholecystectomy (i. e. the removal of the gallbladder). In both cases, the implemented methods offer excellent performances in terms of feedback rates, and produce.<br /

Patient-specific simulation environment for surgical planning and preoperative rehearsal

Surgical simulation is common practice in the fields of surgical education and training. Numerous surgical simulators are available from commercial and academic organisations for the generic modelling of surgical tasks. However, a simulation platform is still yet to be found that fulfils the key requirements expected for patient-specific surgical simulation of soft tissue, with an effective translation into clinical practice. Patient-specific modelling is possible, but to date has been time-consuming, and consequently costly, because data preparation can be technically demanding. This motivated the research developed herein, which addresses the main challenges of biomechanical modelling for patient-specific surgical simulation. A novel implementation of soft tissue deformation and estimation of the patient-specific intraoperative environment is achieved using a position-based dynamics approach. This modelling approach overcomes the limitations derived from traditional physically-based approaches, by providing a simulation for patient-specific models with visual and physical accuracy, stability and real-time interaction. As a geometrically- based method, a calibration of the simulation parameters is performed and the simulation framework is successfully validated through experimental studies. The capabilities of the simulation platform are demonstrated by the integration of different surgical planning applications that are found relevant in the context of kidney cancer surgery. The simulation of pneumoperitoneum facilitates trocar placement planning and intraoperative surgical navigation. The implementation of deformable ultrasound simulation can assist surgeons in improving their scanning technique and definition of an optimal procedural strategy. Furthermore, the simulation framework has the potential to support the development and assessment of hypotheses that cannot be tested in vivo. Specifically, the evaluation of feedback modalities, as a response to user-model interaction, demonstrates improved performance and justifies the need to integrate a feedback framework in the robot-assisted surgical setting.Open Acces