Interaktiva 3D deformerbara kroppars design

Forskningsprojekt, 2016 – 2018

Interaktiva deformerbara kroppars dynamik är ett väl studerat ämne inom datorgrafik som möjligör efterliknanden av rörelser och egenskaper av mjuka kroppar så som kläder, tyger, hår och skinn etc. Detta är extremt användbart i en lång rad av områden ifrån CAD-industrin (prototypskapande och visualisering), media och underhållningsbranschen (datorspel), utbildningsverktyg (t.ex. simulering av medicinska operationer) och visuell feedback inom teknik och vetenskap.
Realtidsanimeringar av mjuka kroppar är komplicerade då de är uppbyggda av komplexa fysiska och matematiska modeller som måste lösas på några få millisekunder för att möjliggöra interaktion av användaren i realtid. En typisk interaktiv applikation uppdateras åtminstone 60 gånger per sekund, vilket medför att resultaten av simuleringen måste tillhandahållas på tid mycket mindre än 15 millisekunder. Aktuella offline-tekniker, bland annat använda i 3D-animerade filmer (där varje bild i animationen kan räknas ut under än längre tid, upp till flera timmar och dagar), är för komplexa och inte applicerbara i realtid, även med hjälp av snabbare och kraftfullare hårdvara. Nu för tiden använder realtidsmetoder för mjuka kroppar ungefärliga modeller som är snabbare att räkna ut men som ofta kräver föruträknad data (som offrar generalitet), lider av borttappad noggranhet som behövs av designers, och som kan behöva justeras manuellt för att uppnå godtagbart resultat. Ett exempel är huvuddelen av de fasta möblerna i IKEA-katalogen som är datorgenerade och digitalt ljussatta för att spara kostnader för uppsättning av fotostudio samt extra personalkostnader. Det finns dock fortfarande ingen likande teknologi för deformerbara object (tjocka tyger, kuddar, täcken, etc.).
Detta projekt går ut på att ta fram nya datastrukturer och algoritmer för att uppnå noggrannare realtidsanimeringar av mjuka kroppar. Detta görs genom att utnyttja beräkningskapaciteten hos grafikkort (GPU:er) på datorer i konsumentklassen. Sådana enheter är designade för att hantera miljontals pixlar parallellt, men har nyligen modifierats för att även kunna räkna ut generella beräkningar och har nått hastigheter 10x-100x snabbare än moderna CPU:er.
Jag har redan byggt ett testsystem med kapacitet att hantera miljontals av deformerbara kroppar i realtid som har publicerats på topklassiga vetenskapliga konferenser inom datorgrafik (t.ex. Eurographics) och har överlägsen prestanda jämfört med industristandarden, däribland Nvidia PhysX som används i hög grad inom AAA-spel. Det är dock en tidig forskningsprototyp som behöver utökas för att förbättra noggranheten, implementera kollisionshantering samt stöd för förstörbara objekt och vätskor. Jag har visat upp prototypen för flera svenska företag, framför andra IKEA Communication AB, Electronic Arts Ghost AB och Semcon Sweden AB, som har gått med på ett samarbete genom att tillhandahålla användarfall, indata och testning av resultaten. Om dessa resultat är så bra som förväntat kommer projektet att få stor inverkan på datorgrafik som akademiskt foskningsfält och jag kommer att fortsätta sikta på topnivåer så som SIGGRAPH-konferensen. Jag kommer även att släppa ett utbyggbart open source ramverk baserat på de utvecklade metoderna, som kommer att främja samarbeten med internationella forskningsinstitut, företag och möjligöra ytterligare extern finansiering (t.ex. från EU Horizon2020).