[論文レビュー] VIPER: Volume Invariant Position-based Elastic Rods

Baptiste Angles, Daniel Rebain+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2019

3D Shape Modeling and Analysis参考文献 54被引用数 4

ひとこと要約

VIPERは、各頂点における等方的スケーリングを自由度として追加することで体積保存を実現する位置ベースの弾性ロッドモデルを導入し、筋肉に類似した体積変形をリアルisticallyシミュレート可能にする。この手法はGPU上で140 Hz（26,000自由度）のリアルタイム性能を達成し、リアルタイムキャラクタ変形における四面体メッシュやキャージベースの手法の代替としてコン pact かつ効率的な手法を提供する。

ABSTRACT

We extend the formulation of position-based rods to include elastic volumetric deformations. We achieve this by introducing an additional degree of freedom per vertex -- isotropic scale (and its velocity). Including scale enriches the space of possible deformations, allowing the simulation of volumetric effects, such as a reduction in cross-sectional area when a rod is stretched. We rigorously derive the continuous formulation of its elastic energy potentials, and hence its associated position-based dynamics (PBD) updates to realize this model, enabling the simulation of up to 26000 DOFs at 140 Hz in our GPU implementation. We further show how rods can provide a compact alternative to tetrahedral meshes for the representation of complex muscle deformations, as well as providing a convenient representation for collision detection. This is achieved by modeling a muscle as a bundle of rods, for which we also introduce a technique to automatically convert a muscle surface mesh into a rods-bundle. Finally, we show how rods and/or bundles can be skinned to a surface mesh to drive its deformation, resulting in an alternative to cages for real-time volumetric deformation.

研究の動機と目的

• 筋肉のような解剖学的構造を対象として、体積保存を保ちながらリアルタイムでソフト tissue 変形をモデル化すること。
• 既存の位置ベースロッドの限界、すなわち変形時に体積を保存しないことの課題を克服すること。
• リアルタイムキャラクタアニメーションにおける四面体メッシュやキャージベース変形の代替として、コン pact かつ効率的な手法を提供すること。
• 表面に描画された筋肉メッシュを自動的にロッドバンドに変換し、リアルなシミュレーションを可能にすること。
• 表面メッシュをロッドにスキンニングすることで体積変形を実現し、従来のキャージベース手法の直接的な代替を可能にすること。

提案手法

• 引き伸ばしや圧縮時の断面積変化をモデル化するため、各頂点に等方的スケーリングを追加の自由度として導入する。
• 体積保存を保証する連続的弾性エネルギーポテンシャルを導出し、体積保存を満たす位置ベースダイナミクス（PBD）更新を可能にする。
• 表面表現をハイブリッド的に使用：頂点は位置とスケールで明示的にパラメータ化されるが、ロッド表面は暗黙的（implicit）に定義される。
• 形状一致制約を用いてロッドバンドのリスタートポーズ構造を維持し、筋肉に類似した挙動を実現する。
• 線形ブレンドスキンニング（LBS）を適用してロッド変形を表面メッシュに伝達し、皮膚のスライドや二次的運動効果を実現する。
• フレーム開始時にボーン変換を活用して粒子の初期変位を初期化し、高速な運動時のソルバ収束を加速する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 位置ベースロッドモデルを、変形時における体積保存を保ちつつリアルタイムシミュレーションに適した形に拡張できるか？
• RQ2 形状と体積変化の両方を捉えるロッドを用いて、コン pact かつ物理的に妥当な筋肉表現を構築できるか？
• RQ3 最小限のユーザー入力で表面筋肉メッシュからロッドバンドを自動生成できるか？
• RQ4 ロッドを四面体メッシュやキャージの直接的な代替として、キャラクタ皮膚のリアルタイム体積変形に使用できるか？
• RQ5 マルチスケールおよび幾何学的 multigrid 技術を用いて、複雑な解剖学的構造のシミュレーションを高速化・インタラクティブ化できるか？

主な発見

• GPUアクセラレーションを活用した実装により、VIPERは最大26,000自由度で140 Hzのリアルタイムシミュレーションを達成した。
• 頂点ごとの等方的スケーリングの追加により、引張りによる細断（薄くなる現象）などの断面積変化を正確にモデル化できた。
• 内部力や繊維の短縮によって、膨張や収縮効果を含むリアルな筋肉変形をシミュレートできた。
• 表面筋肉メッシュをロッドバンドに変換する自動アルゴリズムにより、最小限のユーザーインタラクションで迅速なセットアップが可能になった。
• 表面メッシュをロッドにスキンニングすることで、皮膚のスライドなど現実的な二次的運動が得られ、四面体メッシュやキャージベース手法の代替として有効であることが示された。
• ロッド同士、および筋肉同士の衝突検出と解決を効率的に行えるため、複雑な解剖的相互作用を実現できた。