Simulação eficiente de cortes em objetos deformáveis baseados em partículas

Abstract

A simulação de cortes em corpos deformáveis tem sido estudada em computação gráfica há mais de duas décadas. Existem muitas soluções satisfatórias, no entanto, muitas de suas aplicações, como a simulação cirúrgica, exigem um alto grau de realismo e desempenho para serem eficazes. Trabalhos prévios baseados em FEM e massa-mola não são escaláveis a cenários cirúrgicos complexos. Neste contexto, o uso da técnica de Position Based Dynamics (PBD) tem se mostrado praticável, entretanto, a sua manipulação tem levantado novos desafios para essa aplicação. Neste trabalho serão apresentados novos métodos que permitem, pela primeira vez, o uso de PBD para a simulação de cortes livres de malha em cenários complexos. As soluções propostas incluem um método para efetuar eficientemente o feedback de força durante os cortes, um modelo de fluxo de calor igualmente eficiente para simulação de eletrocauterização e um novo esquema adaptativo de skinning baseado em partículas orientadas. Com base nessas novas soluções, criamos cenários cirúrgicos que demonstram a alta escalabilidade da abordagem e sua versatilidade para simular sólidos e líquidos de diferentes tipos dentro de um solucionador unificado.

The cutting simulation on deformable bodies has been studied in computer graphics for more than two decades. There are many satisfactory solutions, however, many of its applications, such as surgical simulation, require a high degree of realism and performance to be effective. Previous works based on FEM and mass-spring are not scalable to complex surgical scenarios. In this context, the use of the Position Based Dynamics (PBD) technique has been shown to be feasible, however, its handling has raised new challenges for this application. In this work, we are going to show you new methods that allow, for the first time, the use of PBD for the simulation of free mesh cuts in complex scenarios. The proposed solutions include a method to efficiently effect force feedback during cutting, an equally efficient heat flow model for electrocautery simulation, and a new skin-based adaptive scheme based on targeted particles. Based on these new solutions, we have created surgical scenarios that demonstrate the high scalability of the approach and its versatility to simulate solids and liquids of different types within a unified solver.