Algorithms and Methods Allowing Real-time Deformable Objects Simulations

Mgr. Jiří Filipovič, Ph.D.

Advanced ('rigorózní') thesis

Abstract:

Počítačová simulace různých fizikálních procesů je v centru pozornost od doby prvních počítačů. Umužňuje nám modelovat fyzikální děje in silico, tedy bez časově náročných, nákladných nebo nebezpečných experimentů. S tím, jak rostla poslední desetiletí výkonnost počítačů, bylo možné simulovat složitější fyzikální vlastnosti, rozsáhlejší fyzikální systémy nebo delší vývoj systému. Navíc, je-li k dispozici počítačový systém schopný přepočítávat simulaci na dostatečné frekvenci, je možná i simulace v reálném čase umožňující uživateli přímou interakci s modelovaným systémem. Několik lidských smyslů může interagovat se simulací s rozdílným dopadem na požadovanou frekcenci jejího přepočítávání. Pokud je simulace graficky vizualizována, je k navození plynulého dojmu zapotřebí okolo 25Hz. Na druhou stranu, požadujeme-li vizualizaci haptickou, je zapotřebí okolo 1kHz, což vyžaduje v principu více výpočetního výkonu. V navrhovaných tezích se zaměřujeme na simulaci interkace s měkkými tkáněmi použitelné pro chirurgické simulátory. Simulace deformací je velmi výpočetně náročná, uvažujeme-li realistické fyzikální vlastnosti modelovaného deformovatelného objektu. Společně s požadavkem na obnovovací frekvenci pro haptiku je daná úloha extrémně náročná i pro současné počítače. Proto se plánujeme zaměřit na výpočetní aspekty simulace měkkých tkání. Detailněji, (i) vylepšili jsme model publikovaný Peterlíkem a Matyskou založený na předpočítávání, který umožňuje provézt nejnáročnější části simulace před jejím započetím a (ii) představili jsme GPU akceleraci nejnáročnější části naší simulace. Dále plánujeme zobecnit GPU akceleraci tak, aby byla použitelná pro širokou škálu modelů a vyvinout automatický nástroj asistující při hledání efektivní GPU implementace.

Abstract:

The computer simulation of different physical processes is in center of interest since the first computers has been constructed. It allows to model many physical processes in silico, i.e. without need of many time-consuming, expensive or dangerous experiments. With growing computational power in recent decades, simulations of more complex physical properties, larger physical systems or longer evolution of the system becomes to be possible. Moreover, the real time simulation allowing direct interaction with the user is possible if the computer system capable to run simulation in sufficient rate is available. Several human senses can interact with the simulation yielding different needs of simulation refresh rate. When the simulation is visualized using some graphic display, about 25Hz can be sufficient to smooth perception. On the other hand, the haptic visualization needs about 1kHz to achieve smooth haptic perception needing in principle much more computational power. In proposed PhD thesis, we focus on haptic simulation of interaction with soft tissues usable for surgical simulations. The simulation of deformation is very computationally demanding when realistic physical properties of modeled deformable object are considered. Together with need of haptic refresh rate, it introduces an extreme performance requirements even for todays computers. We plan to improve computational aspects of soft tissues simulations. More precisely, we (i) have evolved the precomputation scheme introduced by Peterlik and Matyska allowing to perform most demanding computations before it is used in the simulation, and, (ii) we have introduce the GPU acceleration of most demanding part of the simulation. We plan to generalize the GPU acceleration to be useful in many other simulations using different models and develop authomatic tool assisting with search for efficient GPU implementation.

Keywords

GPU acceleration, kernels fusion, automatic optimizations, medium-granularity, FEM, soft tissue modeling, on-line precomputation

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 26. 10. 2010

Thesis defence

• Date of defence: 12. 1. 2011
• Reader: prof. Ing. Jiří Sochor, CSc., prof. Ing. Jiří Žára, CSc.

Masaryk University

Faculty of Informatics

Advanced ('rigorózní řízení') programme / field:
Applied Informatics / Applied Informatics