실시간 인터랙션 지원을 위한 적응적 변형 모델링 및 충돌감지

Abstract

Real-time interaction with deformable objects plays a crucial role in many interactive virtual reality applications. A major component to affect the performance of the deformable simulation is the size of the model. That is, since the accuracy of the model and simulation is dependent on the number of nodes and springs, a realistic simulation usually requires a large model that imposes the substantial computational burden. Therefore, a realistic and interactive simulation using a large data set still poses a significant challenge. Another major computational bottleneck in the simulation of deformable objects is collision detection. The problem becomes even more complicated when simulated objects are non-convex and deform severely over time, because self-collisions inside an object may happen during the object deformation. This thesis presents an adaptive deformable model and an effective collision detection scheme using GPU(Graphics Processing Unit) in order to represent the deformation of non-rigid objects by an user interaction with accuracy and efficiency. The proposed adaptive deformable model is a multi-resolutional surface deformable model with a physical property adjustment scheme and shape-preserving springs to present surface deformable object efficiently and robustly. The proposed collision detection method effectively detects inter-object and self collisions inside a deformable object using programmable graphics processing units(GPUs). The proposed approaches have the following features. First, we present a multi-resolutional mass-spring model that is locally refined using the modified-butterfly subdivision scheme. In our approach, the part of the deformable object under external forces beyond a threshold or with large surface curvature variations is refined with a higher level of detail during the animation of deformable object, which improves the computational performance by reducing the number of mass nodes and springs for computation. Second, we present a new scheme for adjusting physical properties between different levels of details to preserve overall physical behavior. During the animation of deformable objects, the physical properties of nodes and springs in the locally refined area are adjusted in order to preserve the total mass and global behavior of the object. Third, for robust deformation, a shape-preserving spring, which helps to restore the model to the original shape, is proposed to reduce the animation instability. Volume and shape preservation is indirectly achieved by restoring the model to the original shape without computing the actual volume and associated forces at every iteration. Fourth, all pairwise inter-object between different objects and self-collisions between primitives in a deformable model are rapidly and simultaneously detected using the programmable SIMD(Single Instruction Multiple-Data) capability of GPU. Fifth, since pre-computed spatial structure such as bounding volume hierarchy is not used in our collision detection method, our method does not require expensive runtime updates to such complex structure as the underlying model deforms. Sixth, in order to overcome a potential bottleneck between CPU and GPU, we propose a hierarchical encoding/decoding scheme using multiple off-screen buffers and multi-pass rendering techniques, which reads only a region of interests in the resulting off-screen buffer.;변형 객체에 대한 실시간 상호작용은 가상현실기반 대화식 응용 시스템 개발에 있어서 중요한 기반 기술이다. 변형 모델에 대한 시뮬레이션에 있어서 실시간 처리를 어렵게 만드는 주요 요소로서 첫 번째로 구성 모델의 크기를 들 수 있다. 변형모델링의 정확성은 모델을 구성하는 노드의 수와 스프링의 수에 종속적이기 때문에 보다 사실적인 변형을 표현하기 위해서는 다수의 노드 및 스프링이 요구된다. 이는 실시간 상호작용을 어렵게 만드는 요소로 작용함으로, 노드 및 스프링 수가 많은 대형 모델에 대한 사용자 상호작용에 의한 물리기반 실시간 객체 변형은 아직까지도 해결하여야 할 많은 문제점을 포함하고 있다. 변형객체에 대한 시뮬레이션에 있어서 수행 효율성을 크게 저하시킬 수 있는 또 다른 주요 요소로서 변형 객체에 대한 충돌감지를 들 수 있다. 특히, 동일 변형객체 내부에서 발생할 수 있는 자체충돌 감지는 계산 병목현상의 주원인으로 지적되고 있다. 본 논문에서는 사용자 상호작용에 의한 비강체의 변형을 정확하고 효율적으로 표현하기 위한 변형 모델링 및 충돌감지 프레임워크를 제안한다. 우선, 기존의 표면 변형 모델링 기법에 다중해상도적 기법을 추가하여 지역적 해상도 변화를 지원하는 적응적 표면 변형 모델링 기법을 제안한다. 제안기법은 서로 다른 해상도간 물리적 특성 조절 기법을 함께 포함함으로써 서로 다른 해상도의 모델간 움직임의 일치성을 보장한다. 또한, 본 논문에서는 실시간 인터랙션 구현에 있어서 가장 주요한 계산 병목현상으로 지적되고 있는 충돌감지의 문제를 해결하기 위하여, 그래픽스 하드웨어(GPU)를 이용한 실시간 충돌감지 기법을 제안한다. 제안하는 변형 모델링 및 충돌감지 프레임워크는 다음과 같은 특성을 가진다. 첫째, 비강체에 대한 전체적인 변형 형태는 유지하면서, 계산 복잡도를 줄이기 위하여 공간 적응적 변형 모델링 기법을 적용한다. 이는 노드에 주어지는 외부힘과 속도변화의 크기, 표면곡률 크기를 기준으로 기준값 보다 큰 값을 가지는 노드의 주변 영역을 보간법 기반 표면 세분화(interpolatory subdivision)에 의하여 상세화시킴으로써, 힘이 주어지는 관심영역의 변형을 최대 상세레벨 수준으로 자세히 표현하면서도 적은 수의 노드 및 스프링의 수를 유지하여 수행 효율성을 높인다. 둘째, 서로 다른 표면 메쉬 해상도간 물리적 파라미터의 적응기법을 제안함으로써, 기존의 표면 세분화 기법과 접목된 물리기반 모델링 기법들이 간과하는 서로 다른 세분화 레벨간의 동적 변형의 일치성을 보장한다. 셋째, 체적정보가 주어지지 않는 표면 변형 모델에서 공간 및 물리 파라미터에 대한 적응 기법이 적용될 경우, 서로 다른 질량을 갖는 노드와 서로 다른 물리적 파라미터를 가지는 스프링들이 공존하게 되고, 이는 비정상적인 변형을 초래할 수 있다. 본 논문에서는 형태유지 스프링을 제안함으로써, 표면 변형 모델에 있어서 강한 외부힘에 대하여서도 정상적인 변형을 보장하고 초기 형상으로의 안정적 복원을 유도한다. 넷째, 삼각형 메쉬형태로 표현된 임의의 형태의 모델에 대하여 프로그래밍이 가능한 그래픽스 하드웨어(GPU)를 이용하여 모델을 구성하는 삼각형의 모든 쌍에 대하여 빠르고 정확하게 충돌감지를 수행함으로써, 객체간 충돌 뿐만 아니라 변형 객체내의 자체 충돌을 동시에 효율적으로 감지한다. 다섯째, 충돌감지 쿼리를 위하여 기존의 충돌 감지 알고리즘에서 일반적으로 사용하고 있는 바운딩 볼륨 계층구조와 같은 전처리를 요하는 기본 구조를 배제하고 있기 때문에, 모델 변형에 따른 기본 구조 변경에 대한 오버헤드를 최소화함으로써 변형객체에 적합한 효과적인 충돌감지를 지원한다. 여섯째, 그래픽스 하드웨어에 저장된 충돌감지의 결과를 효과적으로 조회하기 위하여 충돌결과에 대한 계층적 구조를 구축하고 이를 기반으로 충돌 부위에 대한 선택적 조회(read-back)를 수행한다. 이는 그래픽스 하드웨어 사용시 큰 병목 현상으로 지목되고 있는 GPU-CPU간 데이터 조회(read-back)의 한계를 극복하도록 한다. 제안된 적응적 표면 변형 모델링과 충돌감지 기법은 다양한 벤치마크 모델을 대상으로 성능 실험을 수행함으로써 정확성, 안정성과 향상된 수행 효율성을 보인다. 제안 기법은 실시간 처리를 요구하는 다양한 응용분야에 직접적으로 적용되어 어플리케이션의 효율성을 증대시킬 수 있을 것으로 기대된다.