Real-time multiresolution animation of deformable objects Application to surgery simulation
Animation multirésolution d'objets déformables en temps-réel. Application à la simulation chirurgicale
Résumé
Animating virtual scenes in Computer Graphics is a mastered technique, widely used for special effects and video games. It is although usually restricted to the manual animation of a rigid object. This thesis will try to automatically generate the deformations of a soft object, furthermore in real-time. The goal application is the creation of a surgical simulator for minimally invasive operations aimed at surgeons training. Current methods do not allow at the same time a satisfactory visual realism and a real-time animation. In order to achieve this goal, we have used the linear elasticity laws which guarantee the realism of the simulation and ensure that the behavior of the object will be the same, whatever the discretization that we use. We propose a multiresolution simulation method which automatically adapts according to the simulation and in each region of the object the precision of the computations to obtain a trade-off between a coarse and fast simulation and on the contrary a more precise animation using more sample points. The part of the organ which is close to the tool manipulated by the user will hence be animated with a good precision, whereas distant regions, visually less important will use a coarser simulation. This research resulted in the creation of a surgical simulator prototype with a real-time animation thanks to the use of multiresolution. The realism is improved by the use of a force feedback device which simulates the organ's resistance to deformation, computed from the internal physical model.
L'animation de scènes virtuelles en synthèse d'images est une technique maîtrisée, largement utilisée pour les effets spéciaux cinématographiques et les jeux vidéos. Elle se limite toutefois la plupart du temps à l'animation manuelle d'objets rigides. Cette thèse se propose de chercher à générer automatiquement les déformations d'un objet mou, qui plus est en temps-réel. L'application visée est la création d'un simulateur chirurgical d'opérations minimalement invasives destiné à terme à la formation des chirurgiens. Les méthodes actuelles ne permettent pas d'obtenir à la fois un réalisme visuel satisfaisant et une animation en temps-réel. Pour y parvenir nous avons utilisé les lois de l'élasticité linéaire qui garantissent le réalisme de l'animation et assurent qu'un même comportement de l'objet sera approché, quelle que soit la finesse de la discrétisation. Nous proposons alors une méthode de simulation multirésolution, qui adapte automatiquement en fonction de la simulation, pour chaque zone de l'objet, la précision des calculs pour obtenir un compromis entre une simulation grossière et très rapide ou au contraire une animation plus précise utilisant davantage de points. La partie de l'organe proche de l'outil manipulé par l'utilisateur sera ainsi animée avec une grande précision, qui diminuera dans les régions lointaines, moins importantes visuellement. Ces travaux ont abouti à la réalisation d'un prototype de simulateur chirurgical offrant une animation en temps-réel grâce à l'utilisation de la multirésolution. Le réalisme est accru par l'utilisation d'un dispositif à retour d'effort simulant la résistance de l'organe à la déformation, calculée grâce au modèle physique interne.
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