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Real time simulation and visualization of deformable objects [Elektronische Ressource] / Joachim Georgii

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Published 01 January 2007
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Language English
Document size 90 MB

Institutfur¨ Informatik
TechnischeUniversitat¨ Munchen¨
Real Time
SimulationandVisualization
ofDeformableObjects
JoachimGeorgii
Vollstandiger¨ AbdruckdervonderFakultat¨ fur¨ InformatikderTechnischenUniversitat¨
Munchen¨ zurErlangungdesakademischenGradeseines
DoktorsderNaturwissenschaften(Dr. rer. nat.)
genehmigtenDissertation.
Vorsitzender: Univ. Prof. Dr. Hans JoachimBungartz
Prufer¨ derDissertation: 1. Univ. Prof. Dr. R udiger¨ Westermann
2. Hon. Prof. Hans ChristianHege,ZuseInstituteBerlin
DieDissertationwurdeam19.09.2007beiderTechnischenUniversitat¨ Munchen¨
eingereichtunddurchdieFakultat¨ fur¨ Informatikam06.12.2007angenommen.Tomywife,mychildren,myfamily,andmyfriendsAbstract
In this thesis, I present a framework for physical simulation and visualization of de
formablevolumetricbodiesinrealtime. Basedontheimplicitfiniteelementmethoda
multigrid approach for the efficient numerical simulation of elastic materials has been
developed. Due to the optimized implementation of the multigrid scheme, 200,000 el
ements can be simulated at a rate of 10 time steps per second. The approach enables
realisticandnumericallystablesimulationofbodiesthataredescribedbytetrahedralor
hexahedralgrids. Itcanefficientlysimulateheterogeneousbodies—i.e.,bodiesthatare
composedofmaterialwithvaryingstiffness—andincludeslinearaswellasnon linear
materiallaws.
To visualize deformable bodies, a novel rendering method has been developed on
programmablegraphicshardware. Itincludestheefficientrenderingofsurfacesaswell
as interior volumetric structures. Both the physical simulation framework and the ren
deringapproachhavebeenintegratedintoasinglesupportsystem. Thereby,
available communication bandwidths have been efficiently exploited. To enable the
useofthesysteminpracticalapplications,anovelapproachforcollisiondetectionhas
been included. This approach allows one to handle geometries that are deformed or
evencreatedonthegraphicalsubsystem.
iZusammenfassung
In dieser Arbeit prasentiere¨ ich ein Framework fur¨ die physikalische Simulation und
VisualisierungvondeformierbarenvolumetrischenKorpern¨ inEchtzeit. Basierendauf
der Methode der impliziten finiten Elemente wurde ein Mehrgitteransatz zur effizien
ten numerischen Simulation elastischer Materialien entwickelt. Durch die optimierte
Implementierung des Mehrgitterverfahrens konnen¨ 200.000 Elemente mit einer Rate
von 10 Zeitschritten pro Sekunden simuliert werden. Der Ansatz ermoglicht¨ die re
alistische und numerisch stabile Simulation von Korpern,¨ die durch Tetraeder- oder
Hexaedergitter beschrieben sind. Er kann heterogene Korper¨ – das heißt Korper¨ , die
ausunterschiedlichsteifemMaterialbestehen–effizientsimulierenundberucksichtigt¨
linearesowienicht lineareMaterialgesetze.
Zur Visualisierung deformierbarer Korper¨ wurde eine neuartige Renderingmetho
de auf programmierbarer Graphikhardware entwickelt. Sie beinhaltet sowohl das ef
fiziente Rendering von Oberflachen¨ als auch von internen volumetrischen Strukturen.
Das Simulationsframework und die Renderingmethode wurden in ein eigenstandiges¨
Simulationssystem integriert. Dabei wurden die verfugbaren¨ Kommunikationsband
breiteneffizientausgenutzt. UmdenEinsatzdesSystemsinpraktischenAnwendungen
¨zu ermoglichen, wurde ein neuer Ansatz zur Kollisionserkennung integriert. Dieser
Ansatz ermoglicht¨ die Handhabung von Gittern, die auf dem graphischen Subsystem
deformiertodersogarerstkonstruiertwerden.
iiiAcknowledgements
I want to thank all persons that helped to make this work possible. First of all, I really
havetothankallmycolleagues,KaiBur¨ ger,ChristianDick,StefanHertel,PolinaKon
dratieva, Dr. Martin Kraus, Dr. Jens Kruger¨ , Thomas Schiwietz, and Jens Schneider.
Not only did they support me in proof reading this thesis but also provided me with
ideasanddiscussionsoverthewholeperiodofthelastyears.
Atthispoint,Ihavetoincludemypreviouscolleagues,namelyKonstantinosPana
giotou and Dr. Peter Kipfer. Particularly, I want to thank my students Florian Echtler,
Benjamin Herrmann, Stefan Plafka, Jochen Strunck, Michael Henze, Matthias Wag
ner, and Alexandru Duliu, who worked on several parts of the overall system. Special
thanks go to Gerhard Schillhuber, who supported me in including the interface for the
PHANTOM®hapticdevice, andDr.MarioBotsch, whoassistedmewiththecompar-
isontotheCholeskysolver. Furthermore,IwanttothankthephysiciansIhaveworked
with,namelyDr. MaximilianEder,Dr. LaszloKovaczandProf. Dr. HubertusFeußner.
Last but not least I want to thank my advisor, Prof. Dr. Rudiger¨ Westermann, who
all the time had an open office and ear. This thesis would certainly not have been
possible without his inspiration. He really taught me a lot during my time at his chair,
andatthispointIjustcansay: Thankyou!
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