Physikalisch-basierte Animation von Schnitten, Rissen und Brüchen in der Computergraphik

• Antragsteller: Professor Dr. Jan Stephen Bender
• Fachliche Zuordnung: Bild- und Sprachverarbeitung, Computergraphik und Visualisierung, Human Computer Interaction, Ubiquitous und Wearable Computing
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 411281008

In der Computergraphik haben physikalisch-basierte Animationsverfahren für starre und deformierbare Festkörper viele Anwendungsbereiche, die von Spezialeffekten in Spielen und Filmen bis hin zu interaktiven Trainingssimulatoren reichen. Bei einigen Anwendungen spielt das Zerbrechen oder das Schneiden von Objekten eine wichtige Rolle, z.B. in medizinischen Simulationen oder bei Zerstörung in Spezialeffekten. Daher sollen in diesem Projekt neue Verfahren für die physikalisch-basierte Animation von Schnitten, Rissen und Brüchen in deformierbaren Festkörpern entwickelt werden. In bisherigen Ansätzen in der Computergraphik ist die Geometrie des Simulationsobjektes stark mit der Diskretisierung, die für die Lösung der Bewegungsgleichung benötigt wird, gekoppelt. Die Diskretisierung erfolgt meistens durch ein an die Geometrie angenähertes Tetraeder- oder Hexaedernetz. Ein Schnitt oder Bruch wird in diesen Ansätzen explizit repräsentiert. Beim Schneiden oder Brechen muss daher die Diskretisierung ständig angepasst werden. Die meisten bisherigen Ansätze basieren auf Neuvernetzung oder Voxelisierung. Bei der Neuvernetzung wird die Diskretisierung ständig so angepasst, dass die Geometrie von Objekten und Schnitten möglichst exakt erfasst wird. Dadurch können genaue Ergebnisse erzielt werden. Allerdings ist die Neuvernetzung aufwendig, schlecht geformte Elemente können zu Instabilitäten führen und eine Parallelisierung ist nicht trivial. Bei der Voxelisierung wird die Geometrie durch ein reguläres Hexaedergitter diskretisiert. Dadurch behalten Elemente eine gute Form, der Einsatz von adaptiven Verfahren ist einfach und Code-Parallelisierungen sind leicht umsetzbar. Allerdings muss auch hier die Diskretisierung ständig angepasst werden, die Geometrie wird darüber hinaus nur näherungsweise erfasst und es werden sehr viele Elemente benötigt, um einen Schnitt gut abzubilden.In diesem Projekt soll ein anderer Ansatz verfolgt werden. Die Geometrie von Simulationsobjekten und Schnitten bzw. Brüchen soll vollständig von der Diskretisierung entkoppelt werden. Dies soll mit einer erweiterten Finite-Elemente-Methode (XFEM) realisiert werden, bei der die Geometrie implizit repräsentiert wird. Durch die Entkoppelung können reguläre Hexaedernetze für die Diskretisierung verwendet werden, wodurch die Qualität der Elemente gewährleistet und der Einsatz von adaptiven Verfahren und Parallelisierung vereinfacht wird. Beim Schneiden/Brechen muss die Diskretisierung im Gegensatz zu bisherigen Ansätzen dank der impliziten Repräsentation nicht angepasst werden und die Anzahl der Elemente bleibt konstant. Trotzdem werden sehr genaue Ergebnisse erzielt, da auch teilgefüllte Elemente entsprechend berücksichtigt werden. In diesem Projekt soll zunächst die beschriebene Entkoppelung entwickelt und dann das Verfahren für komplexe progressive Schnitte mit Verzweigungen erweitert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen