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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-88000
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8800/


Schmedding, Rüdiger

Acquisition and simulation of deformable objects

Akquisition und Simulation verformbarer Objekte

Dokument1.pdf (7.702 KB) (md5sum: 7598f1a45b55398e7d8604c1ef0af9d6)

Kurzfassung in Englisch

Virtual environments and simulations became increasingly popular in a variety of applications during the last decades. Therefore, approaches for model acquisition and deformable modeling have been extensively researched. Among others, these topics include 3D range scans, robust registration techniques, mesh construction, parameter estimation, deformation models, and stability of simulation systems.

In this thesis, several contributions to the field of simulation of deformable objects are introduced. In the context of 3D data acquisition, a global registration approach is proposed which computes an initial alignment of surface scans independent from the relative positions. The approach is based on geometric surface features which are compared over different objects to find matching point pairs.

To obtain realistic deformation parameters, an estimation approach based on indentation tests is introduced. It measures the exerted force and employs it in a simulation environment. The deformed surface is scanned with a range scanner and is compared to the simulated surface using registration algorithms. The parameters are computed with a gradient descent scheme by minimizing the difference between the simulated and measured displacements.

For the simulation of deformable objects, two approaches are illustrated that improve the stability of simulation environments. In a widely used deformation model, the simulation can fail if elements of the object discretization are inverted. Thus, an approach for accurate inversion handling is proposed to account for this problem. It heuristically assumes that elements are "as uninverted as possible" to locate the most probable inversion direction which is used to resolve the inversion. Further, a velocity-dependent damping approach is proposed that reduces local oscillations and improves both visual appearance and stability of simulations. At the same time, it simplifies the parameter setting compared to existing methods. The approach can also be used for the propagation of external forces, which otherwise proceeds slowly due to the discrete time integration and causes an implausibly weak impression of simulated objects.

Finally, the application of deformable simulations in an approach for path planning in mobile robotics is illustrated. The planning approach considers environments containing deformable objects and uses the simulation environment for the precomputation of deformation energies. These can be incorporated into the planning process, which allows to compute a trade-off between deformation and travel cost. This avoids expensive detours or enables to plan paths in environments where rigid planning approaches fail. During path execution, a learned sensor model allows to distinguish between deformable and unforeseen rigid obstacles to avoid collisions.


Kurzfassung in Deutsch

Virtuelle Umgebungen und Simulationen werden seit einigen Jahrzehnten in einer wachsenden Zahl von Anwendungen verwendet. Ansätze zur Erstellung von dreidimensionalen Repräsentationen und Modelle für verformbare Objekte wurden deshalb intensiv untersucht. Dazu gehören unter anderem Methoden zur Erstellung von 3D Scans, robuste Registrierung, Netzgenerierung, Verformungsmodelle und Stabilität von Simulationsumgebungen.
In dieser Arbeit werden verschiedene Beiträge zur Simulation von verformbaren Objekten vorgestellt. Zur Registrierung von Oberflächenscans wird ein Algorithmus eingeführt, der unabhängig von der gegebenen relativen Lage der Scans eine passende Ausrichtung findet. Der Ansatz basiert auf geometrischen Oberflächenmerkmalen, die auf verschiedenen Objekten miteinander verglichen werden, um mögliche Korrespondenzen zu finden.
Um realistische Verformungsparameter zu erhalten, wird ein Ansatz zur Schätzung der Parameter vorgeschlagen, der auf gemessenen Kraft-Verformungs-Relationen beruht. Auf ein reelles Objekt werden Kräfte ausgeübt und gemessen, um sie in einer Simulationsumgebung auf ein entsprechendes Modell anwenden zu können. Die verformte Oberfläche wird mit Hilfe eines Tiefenscanners gemessen und mit der simulierten Verformung verglichen. Dafür wird ein Registrierungsverfahren verwendet. Die Parameter werden mit einem Gradientenverfahren berechnet, das die Differenz zwischen simulierter und gemessener Verformung minimiert.

Für die Simulation von verformbaren Objekten werden zwei Ansätze vorgestellt, die die Stabilität verbessern. In einem weit verbreiteten Verformungsmodell ergeben sich Probleme, wenn Elemente der Objektdiskretisierung invertiert sind, was zu einem Zusammenbruch der Simulation führt. Es wird ein Ansatz vorgestellt, der dieses Problem behebt. Dafür wird angenommen, dass Elemente stets "möglichst uninvertiert" sind, um die wahrscheinlichste Richtung herauszufinden, die zur Invertierung geführt hat. Entlang dieser Richtung soll die Invertierung aufgelöst werden. Weiterhin wird ein geschwindigkeitsabhängiger Dämpfungsansatz vorgestellt, der lokale Oszillationen verringert und dadurch sowohl das visuelle Erscheinungsbild als auch die Stabilität verbessert. Gleichzeitig vereinfacht der Ansatz die Wahl der Dämpfungsparameter im Vergleich zu existierenden Methoden. Der Ansatz kann auch zur Propagierung externer Kräfte verwendet werden, was ansonsten durch die diskrete Zeitintegration langsam geschieht und einen unglaubwürdig weichen Eindruck der simulierten Objekte erzeugt.

Schließlich wird die Anwendung von verformbaren Objekten in der Pfadplanung für autonome Roboter gezeigt. Der Planungsansatz erlaubt Umgebungen, die verformbare Objekte enthalten. In einem Vorverarbeitungsschritt werden Verformungsenergien berechnet, die in der Planung berücksichtigt werden. Dadurch kann ein Ausgleich zwischen Verformungs- und Pfadkosten erreicht werden, was lange Umwege vermeidet und Pfade in Umgebungen finden kann, in denen klassische Ansätze versagen. Während der Ausführung des Pfades wird aufgrund eines gelernten Sensormodells zwischen verformbaren und unvorhergesehenen Hindernissen unterschieden, um Kollisionen zu vermeiden.


SWD-Schlagwörter: Computergraphik , Computeranimation , Computersimulation
Freie Schlagwörter (deutsch): Physikalisch-basierte Modellierung , Parameterschätzung , Stabilität
Freie Schlagwörter (englisch): physically-based modeling , parameter estimation , stability
CCS Klassifikation I.3.5
Institut: Institut für Informatik
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Informatik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Teschner, Matthias (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 29.06.2012
Erstellungsjahr: 2012
Publikationsdatum: 14.11.2012
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