Echtzeitfähige Festkörpermodellierung und Visualisierung

Klassische geometrische Modellierungssysteme welche auf Constructive Solid Geometry (CSG) bzw. Boundary Representation (B-rep) basieren, sind hinsichtlich der Anforderungen an den Entwurfsprozess von virtuellen Produkten optimiert. Für den Einsatz im Bereich echtzeitfähiger Simulationen, wie zum Beispiel bei Materialabtragsimulationen von zerspanenden Prozessen, erfüllen die Modellierungsoperationen dieser Systeme die Anforderungen hinsichtlich Determinismus und Geschwindigkeit nur unzulänglich. Ziel dieses Vorhabens ist daher die Umsetzung eines Solid Modeling Systems, welches durch Verwendung einer effizienten geometrischen Repräsentierung und unter Ausnutzung der Parallelisierung von Algorithmen auf modernen Hardware-Architekturen deterministische und schnelle Modellierungsoperationen für den Einsatz unter Echtzeitbedingungen gewährleistet. Dabei soll die geometrische Modellgenauigkeit den Ansprüchen industrieller Anwendungen genügen. Für die an das Verfahren gestellten Anforderungen eignen sich implizite Repräsentierungen am besten, da bei diesen die expliziten Verschneidungen von geometrischen Objekten bei der mengentheoretischen Modellierung nicht explizit berechnet werden müssen. Eine hierarchische Raumpartitionierung speichert auf feinster Zellebene eine lokale Approximation einer Oberfläche mittels einer vorzeichenbehafteten Distanzfunktion. Während der mengentheoretischen Modellierung wird durch Anwendung einer Eliminationsstrategie eine effiziente Modellierung auch nach einer hohen Anzahl an Modellierungsoperationen sichergestellt. Für eine effiziente Visualisierung auf Basis der neu entwickelten Modellrepräsentierung wird ein an Sphere-Tracing bzw. Ray-Casting angelehntes Verfahren implementiert, welches durch die Implementierung paralleler Algorithmen für moderne Hardware Architekturen eine interaktive Visualisierung bei hohen Bildschirmauflösungen ermöglicht. Basierend auf dem Determinismus und Geschwindigkeit sowohl der Modellierung als auch der Visualisierung, kann das entwickelte Verfahren als Grundlage für geometrische Simulationssysteme im Echtzeitbetrieb dienen. Basierend auf den Ergebnissen können auch weiterführenden Themen wie Kollisionserkennung oder Hüllvolumenberechnung auf der impliziten Repräsentierung aufbauen.

Dieses Projekt wird aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung und des Landes OÖ kofinanziert (IWB2020).