KR101350732B1 - Multi-Resolution Meshless Method for Real-Time Simulation of Deformable Objects - Google Patents

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Abstract

본 발명은 시뮬레이션 대상 변형체의 기하학적 정보가 주어졌을 때 변형의 정확도가 떨어져도 시뮬레이션에 영향을 크게 주지 않는 변형체 내부의 변형은 저해상도의 절점으로 계산한 후, 이를 고려하여 정확한 변형의 계산을 필요로 하는 표면에서는 고해상도의 절점을 이용하여 계산하는 다해상도 무요소법을 이용한 변형체 시뮬레이션 방법에 관한 것이다.According to the present invention, when the geometric information of the object to be simulated is given, the deformation inside the deformation body that does not significantly affect the simulation even when the accuracy of the deformation decreases is calculated as a low resolution node, and the surface requiring accurate calculation is considered in consideration of this. This paper deals with the deformation simulation method using the multi-resolution elementless method, which is calculated using high resolution nodes.

Description

변형체의 실시간 시뮬레이션을 위한 다해상도 무요소법{Multi-Resolution Meshless Method for Real-Time Simulation of Deformable Objects}Multi-Resolution Meshless Method for Real-Time Simulation of Deformable Objects

본 발명은 변형체의 시뮬레이션 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 변형하고자 하는 변형체의 기하학적 정보가 주어졌을 때 물체 내부에 균일하게 절점을 생성하는 방법과, 이러한 방법에 의해 생성된 절점을 이용하여 변형체의 거동을 실시간으로 시뮬레이션 하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for simulating a deformable body, and more particularly, a method of uniformly generating nodes inside an object when given geometric information of a deformable body to be deformed, and using a node generated by the method. It is about how to simulate the behavior in real time.

더욱 상세하게는 변형의 정확도가 떨어져도 시뮬레이션에 영향을 크게 주지 않는 변형체 내부의 변형은 저해상도의 절점으로 계산한 후, 이를 고려하여 정확한 변형의 계산을 필요로 하는 표면에서의 변형은 고해상도의 절점으로 계산하는 다해상도 무요소법을 이용한 변형체 시뮬레이션 방법에 관한 것이다.More specifically, the deformation inside the deformable body, which does not significantly affect the simulation even if the deformation accuracy is inferior, is calculated as the low resolution node, and the deformation at the surface requiring accurate calculation of the deformation is considered as the high resolution node. The present invention relates to a deformation simulation method using a multi-resolution elementless method.

복잡한 문제를 해석하기 위해서는 문제의 대상과 동일 또는 유사한 대상을 만들고 만들어진 대상에 문제가 되는 상황을 연출하여 가상 실험을 함으로써 문제의 해결에 보다 쉽게 접근할 수 있다. 이렇게 문제가 되는 실험, 또는 사회현상 등을 해결하기 위해 모의적(模擬的)으로 상황을 재연을 반복하여 대상의 특성을 파악하는 것이 시뮬레이션(Simulation)이다. 시뮬레이션은 사회현상을 분석하는 사회과학은 물론 의료분야에서도 많이 사용되고 있다. In order to solve a complex problem, it is easier to approach the solution of the problem by creating an object that is the same as or similar to the object in question and creating a situation that causes the problem. In order to solve such problem experiments or social phenomena, simulation is to repeatedly simulate the situation and grasp the characteristics of the object. Simulation is widely used in the medical field as well as in the social sciences to analyze social phenomena.

의료 시뮬레이션은 실제 의료 현장에서 발생할 수 있는 여러 상황들을 실제와 유사하게 재연하고 이러한 시뮬레이션 환경에서 피교육자들이 실습하고 훈련할 수 있도록 하는 것을 말한다. 이러한 시뮬레이션 환경에서는 실제 환자의 건강을 해칠 위험이 없고, 다양한 사례를 가상으로 만들 수 있어 체계적이고 표준화된 교육 커리큘럼을 만들 수 있다. 또한 피교육자는 직접적으로 환자를 다루어야 하는 부담이 없는 상태에서 술기를 충분히 익힐 때 까지 얼마든지 반복적으로 훈련을 할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 의료시뮬레이션을 구현하기 위한 핵심기술 중의 하나가 변형체의 거동을 시뮬레이션 하는 기술이다. 시뮬레이션 중 훈련자의 조작에 따라 변형되는 장기의 거동을 시뮬레이션 하는 것은 의료시뮬레이션에서 가장 중요한 부분 중의 하나이다. Medical simulations refer to realistic situations that can occur in real medical settings and allow trainees to practice and train in this simulation environment. In this simulation environment, there is no risk of harming the actual patient's health, and various cases can be simulated to create a systematic and standardized education curriculum. In addition, the trainee can train as many times as necessary until the skill is fully learned without the burden of dealing with the patient directly. One of the key technologies for implementing such a medical simulation is a technique for simulating the behavior of the deformable body. Simulating the behavior of organs deformed by the trainee's operation during the simulation is one of the most important parts of the medical simulation.

이러한 변형체 시뮬레이션의 중요한 점은 사용자의 입력에 대한 모델의 반응이 실시간으로 이루어져야 하고, 눈으로 보기에 그럴듯한 정도의 계산의 정확성이 보장되어야 한다는 것이다. 의료 시뮬레이션에서 훈련자에게 전달되는 정보는 장기의 변형과 반력을 실시간으로 인식할 수 있을 만큼 빠르고 정확하게 전달되어야 하고, 장기는 사용자의 입력에 대하여 정확하게 반응하여야 한다. 이를 위하여 변형체의 물리적 특성, 경계조건, 외부에서 작용하는 힘 등을 고려한 모델을 주로 이용되고 있고, 시뮬레이션 방법으로는 경계요소법, 유한요소법 등이 사용되고 있다. An important aspect of this variant simulation is that the model's response to the user's input must be in real time, and the accuracy of the calculations that are visually reasonable must be guaranteed. In medical simulations, the information delivered to the trainer must be delivered quickly and accurately enough to recognize the deformation and reaction forces of the organs in real time, and the organs must respond accurately to user input. To this end, a model that considers the physical properties of the deformable body, boundary conditions, external forces, etc. is mainly used, and the boundary element method, finite element method, etc. are used as a simulation method.

이러한 변형체 시뮬레이션 방법으로는 비특허문헌 1 내지 7이 있고, 특허문헌 1 및 2등이 있다. 이들은 요소기반의 시뮬레이션 방법으로, 변형체의 거동을 비교적 정확하고 안정적으로 시뮬레이션할 수 있다는 장점이 있지만, 변형을 구현하고자 하는 물체에 대해서 균일한 요소를 생성해야 한다는 단점이 있다. 임의의 형상을 갖는 변형체에 대해서 균일한 요소를 생성하는 작업은 많은 계산 시간을 필요로 하고, 물체의 형상이 복잡할 경우에는 자동으로 생성이 불가능한 어려운 작업이다. 또한, 시뮬레이션 중 물체가 파단이 되거나 절개가 되는 경우에는 요소를 새로 생성해야 하는 문제가 있어서 다양한 분야에 적용하는데 문제가 있었다. Non-patent literatures 1-7 are mentioned as such a deformation | transformation simulation method, and patent documents 1, 2, etc. are mentioned. They are an element-based simulation method, which has the advantage of simulating the behavior of the deformable body relatively accurately and stably, but has the disadvantage of generating a uniform element for the object to be deformed. Creating a uniform element for a deformable body having an arbitrary shape requires a lot of computation time and is a difficult task that cannot be automatically generated when the shape of an object is complicated. In addition, when an object is broken or cut during the simulation, there is a problem in that a new element needs to be created, which causes problems in various fields.

이러한 요소를 사용하는 방법의 문제점을 개선하기 위해서 요소를 사용하지 않고 변형체의 거동을 시뮬레이션하는 무요소법이 개발되었고, 그 일례로 비특허문헌 6 및 7등이 있다. 무요소법은 요소를 필요로 하지 않기 때문에 시뮬레이션 대상 변형체의 기하학적인 정보만 있으면 비교적 손쉽게 변형을 시뮬레이션 할 수 있지만, 변형을 시뮬레이션 하는데 소요되는 계산 량이 많아서 실시간 시뮬레이션이 어렵다는 문제점이 있었다.In order to improve the problem of the method of using such an element, the elementless method of simulating the behavior of the deformable body without using the element has been developed, and examples thereof include non-patent documents 6 and 7. Since the element-free method does not require elements, it is relatively easy to simulate deformations only with the geometric information of the object to be simulated, but there is a problem that real-time simulation is difficult due to the large amount of computation required to simulate deformations.

1. 대한민국 특허등록 제1085174호1. Republic of Korea Patent Registration No. 1085174 2. 대한민국 특허등록 제1030732호2. Korea Patent Registration No. 1030732

1. 전성기 외, 대학기계학회 2004년도 춘계학술대회 논문 pp.557-562, 2004.Jeon, Seong-ki et al., The Korean Society for Mechanical Engineering 2004 Spring Conference pp.557-562, 2004. 2. Bro-Nielsen, Morten, Finite Element Modeling in Surgery Simulation, Proceeding of Medicine Meets Virtual Reality 5 (MMVR-5 '97), 1997. Bro-Nielsen, Morten, Finite Element Modeling in Surgery Simulation, Proceeding of Medicine Meets Virtual Reality 5 (MMVR-5 '97), 1997. 3. DOUG L. JAMES, et al., "Multiresolution Green''s Function Methods for Interactive Simulation of Large-Scale Elastostatic Objects", ACM Transactions on Graphics, Vol. 22, No. 1, Pages 47-82, January 2003.3. DOUG L. JAMES, et al., "Multiresolution Green ''s Function Methods for Interactive Simulation of Large-Scale Elastostatic Objects", ACM Transactions on Graphics, Vol. 22, no. 1, Pages 47-82, January 2003. 4. M. Muller, et al., "Point Based Animation of Elastic, Plastic and Melting Objects", Eurographics/ACM SIGGRAPH Symposium on Computer Animation, 2004.M. Muller, et al., "Point Based Animation of Elastic, Plastic and Melting Objects", Eurographics / ACM SIGGRAPH Symposium on Computer Animation, 2004. 5. Markus Becker, et al., "Corotated SPH for deformable solids", Eurographics Workshop on Natural Phenomena, 2009.5. Markus Becker, et al., "Corotated SPH for deformable solids", Eurographics Workshop on Natural Phenomena, 2009. 6. FRIES T.-P., et al., "Classification and Overview of Meshfree Methods" Tech. rep., TU Brunswick, Germany Nr. March, 2003.6. FRIES T.-P., et al., "Classification and Overview of Meshfree Methods" Tech. rep., TU Brunswick, Germany Nr. March, 2003. 7. Lim, Y.J., et al., "On the use of meshfree methods and a geometry based surgical cutting in multimodal medical simulations." HAPTICS, pp. 295-301. IEEE Computer Society, 20047. Lim, Y.J., et al., "On the use of meshfree methods and a geometry based surgical cutting in multimodal medical simulations." HAPTICS, pp. 295-301. IEEE Computer Society, 2004

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로서, 요소를 사용하지 않는 무요소법을 이용한 변형체 모델 생성방법 및 이를 이용한 시뮬레이션 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention was developed to solve the problems of the prior art as described above, and an object of the present invention is to provide a method for generating a deformable body using the elementless method and a simulation method using the same.

특히, 본 발명은 무요소법을 이용하여 변형체의 거동을 실시간으로 시뮬레이션 할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In particular, it is an object of the present invention to provide a method capable of simulating the behavior of a deformable body in real time using the elementless method.

더욱 상세하게 본 발명은 시뮬레이션 대상 변형체의 기하학적 정보가 주어졌을 때 변형체 내부에 균일하게 절점을 생성할 수 있도록 하는 방법과, 변형의 정확도가 떨어져도 시뮬레이션에 영향을 크게 주지 않는 변형체 내부의 변형은 저해상도의 절점으로 계산하고 정확한 변형의 계산을 필요로 하는 표면에서는 고해상도의 절점으로 계산하는 다해상도 무요소법을 이용한 변형체 시뮬레이션 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. In more detail, the present invention provides a method for uniformly generating nodes inside a deformation body given the geometric information of the deformation object to be simulated, and the deformation inside the deformation body that does not significantly affect the simulation even if the deformation accuracy is low. It is an object of the present invention to provide a deformation simulation method using a multi-resolution elementless method that calculates a node with a high resolution node.

상기의 해결하려는 과제를 위한 본 발명에 의한 시뮬레이션을 위한 변형체의 절점 생성 방법은 주어진 변형체의 기하학적 형상 정보로부터 변형체를 감싸는 바운딩 박스(bounding box)를 생성하는 단계; 생성된 바운딩 박스의 x, y, z 방향의 세 변 중에서 어느 하나의 기준 변을 사용자가 지정한 해상도로 분할하는 단계; 기준 변을 분할한 해상도를 기준으로 나머지 변을 분할하는 단계; 분할된 각 영역의 중심점에 절점을 생성하는 단계; 및 생성된 절점들 중 변형체의 외부에 있는 절점들을 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.The method for generating nodes of a deformable body for simulation according to the present invention for solving the above problem comprises the steps of: generating a bounding box surrounding the deformable body from the geometric shape information of a given deformable body; Dividing any one of three reference sides of the generated bounding box in x, y, and z directions at a resolution specified by a user; Dividing the remaining sides based on the resolution obtained by dividing the reference sides; Creating a node at a center point of each divided region; And removing nodes outside the deformed body among the generated nodes.

바람직한 기준 변은 세 변 중 가장 짧을 변인 것이다. The preferred reference side is the shortest of the three sides.

다른 일 양상에 따른 다해상도 무요소법을 이용한 변형체의 시뮬레이션 방법은 상대적으로 저해상도인 최소한 하나의 저해상도 절점배열과, 상대적으로 고해상도인 최소한 하나의 고해상도 절점배열에서의 변위로부터 변형체의 변형을 시뮬레이션 하는 것을 특징으로 한다. According to another aspect, a simulation method of a deformation body using the multiresolution elementless method is characterized by simulating deformation of a deformation body from displacement in at least one low resolution node array having a relatively low resolution and at least one high resolution node array having a relatively high resolution. It is done.

이러한 다해상도 무요소법을 이용한 변형체의 시뮬레이션 방법에 있어서, 절점을 생성하는 방법은 주어진 변형체의 기하학적 형상 정보로부터 변형체를 감싸는 바운딩 박스(bounding box)를 생성하는 단계; 생성된 바운딩 박스의 x, y, z 방향의 세 변 중에서 어느 한 변을 기준 변을 사용자가 지정한 해상도로 분할하는 단계; 기준 변을 분할한 해상도를 기준으로 나머지 변을 분할하는 단계; 분할된 각 영역의 중심점에 절점을 생성하는 단계; 및 생성된 절점들 중 변형체의 외부에 있는 절점들을 제거하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. A method for simulating a deformable body using such a multi-resolution elementless method, the method of generating a node comprising: generating a bounding box surrounding a deformable body from geometric shape information of a given deformable body; Dividing any one of three sides of the generated bounding box in the x, y, and z directions by a user-specified resolution; Dividing the remaining sides based on the resolution obtained by dividing the reference sides; Creating a node at a center point of each divided region; And removing nodes that are outside of the deformable body among the generated nodes.

또한, 절점의 변위를 계산하는 과정에서 저해상도 절점은 그대로 사용하고, 고해상도 절점은 변형체의 표면 근처의 액티브 절점(active node)과 변형체 내부의 패시브 절점(passive node)으로 구분하며, 저해상도 절점에서의 변형을 이용하여 고해상도 패시브 절점의 변위를 계산하고, 고해상도 절점의 액티브 절점의 변위를 계산하는 것이 바람직하다.In the process of calculating the displacement of the node, the low resolution node is used as it is, and the high resolution node is divided into an active node near the surface of the deformable body and a passive node inside the deformable object. It is preferable to calculate the displacement of the high resolution passive node by using and to calculate the displacement of the active node of the high resolution node.

저해상도 절점에서의 변위 U s

Figure 112012044570928-pat00001
에 의해 구해지고, 고해상도 절점 중 패시브 절점에서의 변위 U p
Figure 112012044570928-pat00002
에 의해 구해지며, 고해상도 절점 중 액티브 절점에서의 변위 U h
Figure 112012044570928-pat00003
에 의해 구해질 수 있다. Displacement U s at low resolution node is
Figure 112012044570928-pat00001
Determined by, the displacement U p at the passive node
Figure 112012044570928-pat00002
Obtained by, the displacement U h of the active node
Figure 112012044570928-pat00003
Can be obtained by

또한, 기준 변을 지정한 해상도로 분할하는 단계에서 기준 변은 세 변 중 가장 짧을 변을 선택하는 것이 바람직하다. In addition, in the step of dividing the reference side to a specified resolution, it is preferable to select the side that is the shortest among the three sides.

본 발명은 요소를 사용하지 않음으로 요소를 생성하는데 소요되는 시간을 줄일 수 있고, 시뮬레이션 중 변형체가 파단 되거나 절개가 되어도 쉽게 시뮬레이션을 할 수 있는 효과가 있다.The present invention can reduce the time required to generate the element by not using the element, and there is an effect that can be easily simulated even if the deformed body is broken or cut during the simulation.

변형의 정확도가 떨어져도 시뮬레이션에 영향을 크게 주지 않는 변형체 내부의 변형은 저해상도의 절점으로 계산하고 정확한 변형의 계산을 필요로 하는 표면에서는 고해상도의 절점으로 계산하여 시뮬레이션에 소요되는 시간을 절감할 수 있으며, 시뮬레이션 중 변형체에 파단이 발생하여도 쉽게 새로운 시뮬레이션이 가능하게 할 수 있는 효과가 있는 것이다. Deformation inside the deformable body, which does not significantly affect the simulation even when the accuracy of deformation is poor, can be calculated with low resolution nodes and high resolution nodes on surfaces that require accurate deformation calculations to reduce the simulation time. Even if a fracture occurs in the deformable body during the simulation, there is an effect that can easily enable a new simulation.

도 1은 본 발명에 따른 시뮬레이션을 위한 변형체의 절점 생성과정에서 바운딩 박스를 형성한 단계의 사시도
도 2는 본 발명에 따른 시뮬레이션을 위한 변형체의 절점 생성 과정도,
도 3은 본 발명에 따른 시뮬레이션 방법에서 사용되는 절점들의 위치도,
도 4는 본 발명에 따른 시뮬레이션 방법에서 다해상도 무요소 변형 모델의 예시도
1 is a perspective view of a step of forming a bounding box in the node generation process of the deformable body for simulation according to the present invention
2 is a node generation process diagram of the deformable body for simulation according to the present invention;
3 is a position diagram of nodes used in the simulation method according to the present invention;
Figure 4 is an illustration of a multiresolution elemental deformation model in the simulation method according to the present invention

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 본 발명의 각 도면에 있어서, 구조물들의 사이즈나 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나 축소하여 도시한 것이고, 특징적 구성이 드러나도록 공지의 구성들은 생략하여 도시하였으므로 도면으로 한정하지는 아니한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings of the present invention, the sizes and dimensions of the structures are enlarged or reduced from the actual size in order to clarify the present invention, and the known structures are omitted so as to reveal the characteristic features, and the present invention is not limited to the drawings . DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail to avoid obscuring the subject matter of the present invention.

본 발명은 요소를 사용하지 않고 변형체의 변형을 시뮬레이션 할 수 있게 함으로서 요소기반의 시뮬레이션 방법에서 발생하는 요소 생성과정에서의 문제와 변형체의 파단에 따른 문제를 해결하여 더욱 쉽게 변형체의 변형을 시뮬레이션 할 수 있게 한 것으로서, 시뮬레이션에서 변형체의 변형을 계산하기 위해 필요한 절점을 생성하는 방법과 생성된 절점으로부터 변형체의 변형을 시뮬레이션 하는 방법으로 구분할 수 있으며, 먼저, 절점을 생성 방법을 설명한다. According to the present invention, it is possible to simulate deformation of a deformable body by solving the problem of the element generation process and the breakage of the deformable body that occur in the element-based simulation method by using the element. As a result, the method can be divided into a method for generating a node necessary for calculating the deformation of the deformation in the simulation and a method for simulating the deformation of the deformation from the generated node. First, a method for generating the node is described.

본 발명에 따른 시뮬레이션을 위한 변형체의 절점 생성 방법은 변형체를 인지하기 위한 틀을 형성하는 바운딩 박스 형성단계, 원하는 해상도로 변형체를 분할하는 단계, 분할된 영역 내부의 어느 한 점을 절점으로 형성하는 단계, 변형체 외부의 절점을 제거하는 단계로 이루어진다. In the method for generating a node of a deformable body for simulation according to the present invention, a step of forming a bounding box for forming a frame for recognizing the deformable body, dividing the deformable body to a desired resolution, and forming one of the points inside the divided region as a node And removing the nodes outside the deformable body.

바운딩 박스는 도 1에 도시한 바와 같이, 주어진 변형체의 기하학적 형상 정보로부터 변형체를 감싸는 정보의 영역에 설정될 수 있고, 가능한 변형체에 인접한 부분에 설정하는 것이 바람직하다.The bounding box can be set in the region of information surrounding the deformable body from geometrical shape information of a given deformable body, as shown in FIG.

변형체를 분할하는 단계는 생성된 바운딩 박스의 x, y, z 방향의 세 변 중에서 어느 하나의 기준 변을 사용자가 지정한 해상도로 분할한 후, 기준 변을 분할한 해상도를 기준으로 나머지 변을 분할하는 방법에 의해 이루어질 수 있다. The dividing of the deformable body may be performed by dividing one reference side of three sides in the x, y, and z directions of the generated bounding box to a resolution specified by a user, and then dividing the remaining sides based on the resolution obtained by dividing the reference side. It can be made by the method.

원하는 해상도로 분할하는 단계에서 기준 변은 세 변 중 가장 짧을 변(도면상 x변)을 기준 변으로 설정하는 것이 바람직하다. 만약 바운딩 박스 중 가장 긴 변을 기준 변으로 설정하여 해상도를 지정할 경우 짧은 변을 분할할 때 분할되는 수가 적어져 충분한 해상도를 얻을 수 없으므로 이와 같이 가장 짧은 변을 분할한 후 이 해상도에 맞추어 나머지 변을 분할하는 것이 바람직하다.In the step of dividing into the desired resolution, the reference side is preferably set to the reference side, which is the shortest of the three sides (x side on the drawing). If you specify the resolution by setting the longest side of the bounding box as the reference side, you will not get enough resolution when dividing the shorter side, so you will not get enough resolution. It is preferable to divide.

분할된 영역의 내부에 절점을 설정하는 방법은 영역 내부의 어느 한 점이면 족하지만 분할된 영역에 설정된 절점의 위치가 서로 다를 경우 이웃하는 절절들 사이의 간격이 일정하지 못하여 정확한 시뮬레이션이 이루어질 수 없으므로 절점의 위치는 각 분할된 영역의 일정한 한 점으로 설정하는 것이 바람직하고, 더욱 쉽게 절점의 위치를 설정하기 위해서는 분할된 영역의 중심점을 절점으로 설정하는 것이다. (도 2 (d) 참조)The method of setting the node inside the divided region is sufficient for any one point inside the region, but if the nodes set in the divided region are different from each other, the distance between neighboring nodes is not constant and accurate simulation cannot be achieved. It is preferable to set the position of the node to a constant point of each divided area, and to set the location of the node more easily, the center point of the divided area is set to the node. (See Figure 2 (d))

절점을 설정한 후에는 도 2 (e)에 도시한 바와 같이 변형체를 벗어난 부분에 위치한 절점은 제거한다.After the node is set, the node located at the part out of the deformable body is removed as shown in FIG.

본 발명에 따른 변형체의 변형을 시뮬레이션 하는 방법은 서로 다른 해상도의 절점으로부터 얻어진 정보의 조합에 의해 이루어진다. The method of simulating deformation of a deformable body according to the invention is made by a combination of information obtained from nodes of different resolutions.

즉, 상대적으로 저해상도인 최소한 하나의 저해상도 절점배열과, 상대적으로 고해상도인 최소한 하나의 고해상도 절점배열에서의 변위로부터 변형체의 변형을 시뮬레이션 하는 것이다. That is, the deformation of the deformable body is simulated from displacements in at least one low resolution node array having a relatively low resolution and at least one high resolution node array having a relatively high resolution.

절점을 생성하는 방법은 위에서 이미 설명하였으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. Since the method for creating the node has already been described above, a detailed description thereof will be omitted.

변형체의 외부에서 외력이 가해졌을 때 각 절점에서의 변위는 다음과 같은 미분방정식을 풀어서 구할 수 있다. When an external force is applied outside the deformable body, the displacement at each node can be obtained by solving the differential equation

Figure 112012044570928-pat00004
(1)
Figure 112012044570928-pat00004
(One)

위의 식(1)에서 M

Figure 112012044570928-pat00005
질량행렬을 나타내고, n은 변형체 내부의 절점의 수를 나타낸다. C
Figure 112012044570928-pat00006
댐핑행렬, K
Figure 112012044570928-pat00007
강성행렬을 나타낸다. 그리고 u 는 각 절점에서의 변위를 나타내는
Figure 112012044570928-pat00008
변위벡터이며, f 는 각 절점에서의 힘을 나타내는
Figure 112012044570928-pat00009
힘벡터이다. 변형체의 시뮬레이션에서는 식 (1)을 풀어서 매 스텝마다 변위를 업데이트함으로써 연속적으로 변형되는 모습을 구현하게 된다. In Equation (1) above, M is
Figure 112012044570928-pat00005
The mass matrix is shown, and n is the number of nodes inside the deformable body. C is
Figure 112012044570928-pat00006
Damping matrix, K is
Figure 112012044570928-pat00007
It shows the stiffness matrix. And u represents the displacement at each node
Figure 112012044570928-pat00008
Displacement vector, f is the force at each node
Figure 112012044570928-pat00009
Power vector. In the simulation of the deformable body, equation (1) is solved and the displacement is updated at every step to realize the continuous deforming mode.

위에서 설명한 바와 같은 방식으로 변형체 내부에 절점을 생성하면 변형체의 표면뿐만 아니라 변형체의 내부에도 균일한 분포의 절점들이 생성되며, 시뮬레이션에 필요한 계산 량이 필요 이상으로 증가하여서 시뮬레이션의 계산 효율성이 떨어지게 된다. 변형체의 실시간 시뮬레이션에서는 변형체 표면에서의 변형에만 관심이 있기 때문에 변형체 표면 근처에서는 조밀한 분포의 절점만이 유효하며, 변형체 내부는 조밀한 절점들이 필요 없다. 따라서, 본 발명에서는 절점의 수가 많아짐에 따른 시뮬레이션의 계산 량이 증가하는 것을 개선하기 위하여 시뮬레이션의 계산 량을 줄이는 다해상도 절점을 이용하는 무요소법 기반의 변형체 시뮬레이션 방법을 개발하였다.When nodes are created inside the deformable body in the same manner as described above, nodes of uniform distribution are created not only on the surface of the deformable body but also inside the deformable body. Since the real-time simulation of the deformable body only concerns the deformation at the deformable surface, only the nodes of the densely distributed distribution are effective near the deformable surface, and the debris inside the deformable body do not need dense nodes. Therefore, in the present invention, in order to improve the increase in the calculation amount of the simulation as the number of nodes is increased, a deformation-free simulation method based on the elementless method using multiresolution nodes which reduces the calculation amount of the simulation is developed.

본 발명의 무요소법 기반의 변형체 시뮬레이션 방법은 정확한 계산이 필요 없는 변형체 내부의 변형계산은 저해상도 절점들을 이용하여 빠르게 계산을 하고, 정확한 계산이 필요한 표면 근처에서의 계산은 고해상도 절점들을 이용하여 정확하게 하는 것이다. 이러한 방식으로 변형을 계산함으로써, 표면 근처에서 변형의 정확도는 유지하면서, 전체적인 계산 량은 줄일 수 있다. In the elementless method-based deformation simulation method of the present invention, the deformation calculation inside the deformation that does not require accurate calculation is performed quickly using low resolution nodes, and the calculation near the surface requiring accurate calculation is accurate using high resolution nodes. . By calculating the strain in this way, the overall calculation can be reduced while maintaining the accuracy of the strain near the surface.

이렇게 정확한 계산을 요구하는 부분과 개략적인 계산을 요구하는 부분을 구분하기 위해 변형체의 표면으로부터 일정 거리에 있는 영역을 표면레이어로 정의하였다. 정의되는 표면레이어는 변형체의 종류에 따라 달라질 수 있다. In order to distinguish between the part requiring accurate calculation and the part requiring rough calculation, an area at a distance from the surface of the deformable body was defined as the surface layer. The surface layer to be defined may vary depending on the type of deformation.

표면레이어를 정의한 후, 표면레이어에서의 변위는 고해상도 절점들을 이용하여 계산하고, 표면레이어 이외의 영역에서의 변위는 저해상도 절점들을 이용하여서 계산한다. 이와 같이 변형체를 두 영역으로 나누어서 각 영역에서의 변위를 계산하기 위해서 도 4에 도시한 바와 같이, 고해상도 절점을 속하는 영역에 따라서 두 가지로 분류하였다. 먼저, 표면레이어 영역에 속하는 절점들을 액티브 절점, 표면레이어 이외의 영역에 속하는 절점들을 패시브 절점으로 정의하였다. After defining the surface layer, displacements in the surface layer are calculated using high resolution nodes, and displacements in areas other than the surface layer are calculated using low resolution nodes. Thus, in order to calculate the displacement in each area by dividing the deformable body into two areas, as shown in FIG. First, nodes belonging to the surface layer region were defined as active nodes and nodes belonging to regions other than the surface layer as passive nodes.

액티브 절점에서의 변위는 실제 변형체의 물리적 특성을 반영하는 식 (1)의 방정식을 풀어서 정확히 계산을 하고, 패시브 절점에서의 변위는 저해상도 절점에서 계산된 변위를 근사하여 빠르게 계산을 한다.The displacement at the active node is accurately calculated by solving the equation of Eq. (1) that reflects the physical properties of the actual deformation, and the displacement at the passive node is quickly calculated by approximating the displacement calculated at the low resolution node.

저해상도 절점에서 물체의 변위 U s 는 아래의 미분방정식에 의해 구해질 수 있다. The displacement U s of an object at low resolution nodes can be obtained by the differential equation below.

Figure 112012044570928-pat00010
(2)
Figure 112012044570928-pat00010
(2)

여기서, M s 는 저해상도 절점의 질량행렬, C s 는 저해상도 절점의 댐핑행렬, K s 는 저해상도 절점의 강성행렬이고, 각각은

Figure 112012044570928-pat00011
행렬이다. N s 은 저해상도 절점의 수, f s 는 저해상도 절점에서의 힘을 나타내는
Figure 112012044570928-pat00012
벡터이다. 위의 식 (2)를 계산하여 구한 저해상도 절점에서의 변위 U s 는 고해상도 절점 중 패시브 절점에서의 변위를 계산할 때 사용된다.Where M s is the mass matrix of the low resolution nodes, C s is the damping matrix of the low resolution nodes, and K s is the stiffness matrix of the low resolution nodes,
Figure 112012044570928-pat00011
It is a matrix. N s is the number of low resolution nodes, f s is the force at the low resolution nodes
Figure 112012044570928-pat00012
It is a vector. The displacement U s at the low resolution node obtained by calculating Equation (2) above is used to calculate the displacement at the passive node among the high resolution nodes.

다음으로, 고해상도 절점 중 패시브 절점에서의 변위를 계산한다. 패시브 절점에서의 변위는 저해상도 절점의 변위를 근사하여 계산한다. 즉, 저해상도 절점에서의 변위를 계산하였으므로 패시브 절점에서의 변위는 각 패시브 절점 주변에 있는 저해상도 절점의 변위를 보간하여 빠르게 계산할 수 있다.Next, the displacement at the passive node among the high resolution nodes is calculated. The displacement at the passive node is calculated by approximating the displacement of the low resolution node. That is, since the displacement at the low resolution node is calculated, the displacement at the passive node can be quickly calculated by interpolating the displacement of the low resolution node around each passive node.

패시브 절점에서의 변위는 아래의 식 (3)을 이용하여 계산할 수 있다.The displacement at the passive node can be calculated using Equation (3) below.

Figure 112012044570928-pat00013
(3)
Figure 112012044570928-pat00013
(3)

위의 식 (3)에서 U s 는 저해상도 절점에서의 변위를 나타내는

Figure 112012044570928-pat00014
백터, U p 는 패시브 절점에서의 변위를 나타내는
Figure 112012044570928-pat00015
벡터이다. 여기서 n s , n p 는 각각 저해상도 절점과 패시브 절점의 수를 나타낸다. T
Figure 112012044570928-pat00016
행렬이고, 저해상도 절점의 변위로부터 패시브 절점의 변위를 계산하는 맵핑행렬을 나타낸다.In Equation (3) above, U s represents the displacement at the low resolution node.
Figure 112012044570928-pat00014
Vector, U p represents the displacement at the passive node
Figure 112012044570928-pat00015
It is a vector. Where n s and n p represent the number of low resolution nodes and passive nodes, respectively. T is
Figure 112012044570928-pat00016
It is a matrix and represents a mapping matrix for calculating the displacement of the passive node from the displacement of the low resolution node.

다음 단계는 고해상도 절점 중 액티브 절점에서의 변위를 계산하는 것이다. 전체 고해상도 절점에서의 변위를 계산하기 위한 미분방정식은 다음과 같다. The next step is to calculate the displacement at the active node among the high resolution nodes. The differential equation for calculating the displacement at the full high resolution node is

Figure 112012044570928-pat00017
(4)
Figure 112012044570928-pat00017
(4)

위의 식 (4)에서 M h 는 고해상도 절점의 질량을 나타내는

Figure 112012044570928-pat00018
질량행렬, C h 는 고해상도 절점의 댐핑을 나타내는
Figure 112012044570928-pat00019
뎀핑행렬, K h 는 고해상도 절점의 강성을 나타내는
Figure 112012044570928-pat00020
강성행렬로 n h 는 전체 고해상도 절점의 수를 나타내고, f h 는 고해상도 절점에서의 힘을 나타내는
Figure 112012044570928-pat00021
힘 벡터이다. 앞에서 고해상도 절점을 패시브 절점과 액티브 절점으로 구분하였는데 식 (4) 역시 절점의 종류에 따라서 아래의 수식 (5)와 같이 분리될 수 있다.In equation (4) above, M h represents the mass of the high resolution node.
Figure 112012044570928-pat00018
Mass matrix, C h , represents damping of high resolution nodes
Figure 112012044570928-pat00019
The damping matrix, K h , represents the stiffness of the high resolution node
Figure 112012044570928-pat00020
In the stiffness matrix, n h represents the total number of high resolution nodes and f h represents the force at the high resolution nodes.
Figure 112012044570928-pat00021
Force vector. The high resolution nodes are divided into passive nodes and active nodes. Equation (4) may be separated according to the type of nodes as shown in Equation (5) below.

Figure 112012044570928-pat00022
(5)
Figure 112012044570928-pat00022
(5)

위의 식 (5)는 식 (4)를 액티브 절점과 패시브 절점에 해당하는 부분으로 분리하여 표현한 것이다. 식 (5)에서 u a 는 액티브 절점에서의 변위를 나타내는

Figure 112012044570928-pat00023
벡터, f a 는 액티브 절점에서의 힘 벡터를 나타내는
Figure 112012044570928-pat00024
벡터이다. 여기서 n a 는 액티브 절점의 수를 나타낸다. 액티브 절점에서의 변위는 식 (5) 전체를 풀어서 계산하는 것이 아니라 액티브 절점에 해당하는 부분만 독립적으로 풀어서 계산할 수 있다. 패시브 절점에서의 변위 (u p )를 계산하였으므로, 액티브 절점에서의 변위 u a 는 식 (5)에서 액티브 절점에 해당하는 부분만 풀어서 계산할 수 있다. Equation (5) is expressed by dividing equation (4) into parts corresponding to active nodes and passive nodes. In equation (5) u a represents the displacement at the active node
Figure 112012044570928-pat00023
Vector, f a represents the force vector at the active node
Figure 112012044570928-pat00024
It is a vector. Where n a represents the number of active nodes. The displacement at the active node can be calculated by solving only the part corresponding to the active node independently, rather than solving the entire equation (5). Since the displacement u p at the passive node is calculated, the displacement u a at the active node can be calculated by solving only the portion corresponding to the active node in equation (5).

위와 같은 과정에 의해 이루어지는 본 발명에 의한 다해상도 무요소법을 이용한 변형체의 시뮬레이션 방법은 변형의 정확도가 떨어져도 시뮬레이션에 영향을 크게 주지 않는 물체 내부의 변형은 저해상도의 절점으로 계산하고 정확한 변형의 계산을 필요로 하는 표면에서는 고해상도의 절점으로 계산하여 시뮬레이션에 소요되는 시간을 절감할 수 있다.In the simulation method of the deformable body using the multi-resolution elementless method according to the present invention by the above process, the deformation inside the object that does not significantly affect the simulation even if the accuracy of the deformation is inferior, it is necessary to calculate the low-definition node and calculate the accurate deformation. On the surface, we can calculate the high resolution nodes and reduce the simulation time.

Claims (11)

주어진 변형체의 기하학적 형상 정보로부터 변형체를 감싸는 바운딩 박스(bounding box)를 생성하는 단계;
상기 바운딩 박스를 일정한 간격으로 분할하는 단계;
분할된 각 영역 내의 한 점에 절점을 생성하는 단계; 및
생성된 절점들 중 변형체의 외부에 있는 절점들을 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 변형체 시뮬레이션을 위한 절점 생성 방법
Generating a bounding box surrounding the deformable body from the geometric shape information of the given deformable body;
Dividing the bounding box at regular intervals;
Creating a node at a point in each divided region; And
Node generation method for the deformation simulation, characterized in that it comprises the step of removing the nodes outside of the deformation of the generated nodes
제1항에 있어서,
상기 바운딩 박스를 분할하는 단계는
생성된 바운딩 박스의 x, y, z 방향의 세 변 중에서 어느 하나의 기준 변을 사용자가 지정한 해상도로 분할한 후, 기준 변을 분할한 해상도를 기준으로 나머지 변을 분할하는 것을 특징으로 하는 변형체 시뮬레이션을 위한 절점 생성 방법
The method of claim 1,
Splitting the bounding box
Deformation simulation, characterized in that any one of the three sides in the x, y, z direction of the generated bounding box is divided at a resolution specified by the user, and then the remaining sides are divided based on the resolution at which the reference side is divided. Node creation method
제2항에 있어서,
상기 기준 변을 지정한 해상도로 분할하는 단계에서 기준 변은 세 변 중 가장 짧은 변인 것을 특징으로 하는 변형체 시뮬레이션을 위한 절점 생성 방법
3. The method of claim 2,
In the step of dividing the reference side to a specified resolution, the reference side is the node generation method for the deformation simulation, characterized in that the shortest side of the three sides
제1항에 있어서,
상기 절점은 분할된 각 영역 내의 중심점인 것을 특징으로 하는 변형체 시뮬레이션을 위한 절점 생성 방법
The method of claim 1,
The node is a node generation method for the deformation simulation, characterized in that the center point in each divided region
변형체의 시뮬레이션 방법에 있어서,
변형체 내부는 상대적으로 저해상도인 적어도 하나의 저해상도 절점 배열로 계산하고,
변형체 표면은 상대적으로 고해상도인 적어도 하나의 고해상도 절점 배열로 계산한 변위로부터 변형체의 변형을 시뮬레이션 하는 것을 특징으로 하는 다해상도 무요소법을 이용한 변형체의 시뮬레이션 방법
In the simulation method of the deformed body,
The interior of the variant is calculated as an array of at least one low resolution node that is relatively low resolution,
Deformation method of the deformable body using the multi-resolution elementless method, characterized in that the surface of the deformable body simulates the deformation of the deformable body from the displacement calculated with at least one high-resolution node arrangement.
제5항에 있어서,
절점을 생성하는 방법은
주어진 변형체의 기하학적 형상 정보로부터 변형체를 감싸는 바운딩 박스(bounding box)를 생성하는 단계;
생성된 상기 바운딩 박스의 x, y, z 방향의 세 변 중에서 어느 한 변을 기준 변을 사용자가 지정한 해상도로 분할하는 단계;
상기 기준 변을 분할한 해상도를 기준으로 나머지 변을 분할하는 단계;
분할된 각 영역의 중심점에 절점을 생성하는 단계; 및
생성된 절점들 중 변형체의 외부에 있는 절점들을 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다해상도 무요소법을 이용한 변형체의 시뮬레이션 방법
The method of claim 5,
How to create a node
Generating a bounding box surrounding the deformable body from the geometric shape information of the given deformable body;
Dividing any one of three sides of the generated bounding box in x, y, and z directions by a user-specified resolution;
Dividing the remaining sides based on the resolution obtained by dividing the reference sides;
Creating a node at a center point of each divided region; And
Simulation method of the deformable body using the multi-resolution elementless method characterized in that it comprises the step of removing the nodes that are outside of the deformity among the generated nodes
제5항에 있어서,
상기 저해상도 절점은 그대로 사용하고,
상기 고해상도 절점은 변형체의 표면 근처의 액티브 절점(active node)과 변형체 내부의 패시브 절점(passive node)으로 구분하고,
상기 저해상도 절점에서의 변형을 이용하여 고해상도 패시브 절점의 변위를 계산하고,
상기 고해상도 절점의 액티브 절점의 변위를 계산하는 것을 특징으로 하는 다해상도 무요소법을 이용한 변형체의 시뮬레이션 방법
The method of claim 5,
The low resolution node is used as it is,
The high resolution node is divided into an active node near the surface of the deformable body and a passive node inside the deformable body,
Using the deformation at the low resolution node to calculate the displacement of the high resolution passive node,
Simulation method of the deformable body using the multi-resolution elementless method characterized in that the displacement of the active node of the high resolution node
제7항에 있어서,
상기 저해상도 절점에서의 변위(u s )는
Figure 112012044570928-pat00025
에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 다해상도 무요소법을 이용한 변형체의 시뮬레이션 방법
(여기서, M s 는 저해상도 절점의 질량행렬, C h 는 저해상도 절점의 댐핑행렬, K h 는 저해상도 절점의 강성행렬이고, 각각은
Figure 112012044570928-pat00026
행렬이며, n s 은 저해상도 절점의 수, f s 는 저해상도 절점에서의 힘벡터)
The method of claim 7, wherein
The displacement u s at the low resolution node is
Figure 112012044570928-pat00025
Simulation method of the deformable body using the multi-resolution elementless method characterized in that obtained by
Where M s is the mass matrix of the low resolution node, C h Is the damping matrix of the low resolution nodes, K h is the stiffness matrix of the low resolution nodes, and
Figure 112012044570928-pat00026
Where n s is the number of low resolution nodes, f s is the force vector at the low resolution nodes)
제7항에 있어서,
상기 고해상도 절점 중 패시브 절점에서의 변위(u p )는
Figure 112012044570928-pat00027
에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 다해상도 무요소법을 이용한 변형체의 시뮬레이션 방법
(여기서, u s 는 저해상도 절점에서의 변위, u p 는 패시브 절점에서의 변위, u s
Figure 112012044570928-pat00028
벡터, u p
Figure 112012044570928-pat00029
벡터, n s 는 저해상도 절점의 수, n p 는 패시브 절점의 수, T
Figure 112012044570928-pat00030
맵핑행렬)
The method of claim 7, wherein
The displacement u p at the passive node among the high resolution nodes is
Figure 112012044570928-pat00027
Simulation method of the deformable body using the multi-resolution elementless method characterized in that obtained by
(Where u s is the displacement at low resolution nodes, u p is the displacement at passive nodes, u s is
Figure 112012044570928-pat00028
Vector u p The
Figure 112012044570928-pat00029
Vector, n s is the number of low resolution nodes, n p is the number of passive nodes, T is
Figure 112012044570928-pat00030
Mapping matrix)
제7항에 있어서,
상기 고해상도 절점 중 액티브 절점에서의 변위 u h 는 미분방정식
Figure 112012044570928-pat00031
으로 구해지는 것을 특징으로 하는 다해상도 무요소법을 이용한 변형체의 시뮬레이션 방법
(여기서, M h 는 고해상도 절점의 질량행렬, C h 는 고해상도 절점의 댐핑행렬, K h 는 고해상도 절점의 강성행렬, 각각은
Figure 112012044570928-pat00032
행렬이며, n h 는 전체 고해상도 절점의 수, f h 는 고해상도 절점에서의 힘벡터)
The method of claim 7, wherein
The displacement u h at the active node among the high resolution nodes is a differential equation
Figure 112012044570928-pat00031
Simulation method of the deformable body using the multi-resolution elementless method characterized in that
Where M h is the mass matrix of the high resolution node, C h is the damping matrix of the high resolution node, and K h is the stiffness matrix of the high resolution node,
Figure 112012044570928-pat00032
Where n h is the total number of high resolution nodes and f h is the force vector at the high resolution nodes)
제6항에 있어서,
해상도 분할 단계에서 상기 기준 변은 세 변 중 가장 짧은 변인 것을 특징으로 하는 다해상도 무요소법을 이용한 변형체의 시뮬레이션 방법
The method according to claim 6,
In the resolution division step, the reference side is the shortest of the three sides, and the simulation method of the deformable body using the multi-resolution elementless method
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