Methoden zur intuitiven Modifikation und interaktiven Darstellung von großen Finite-Element-Modellen

Abstract

Die Entwicklung neuer Fahrzeugtypen im Automobilbau unterliegt zunehmend einem steigenden wirtschaftlichen und damit zeitlichem Druck. Um diesem Druck entgegenzuwirken, wurde unter anderem mit der Entwicklung und Einführung virtueller Simulationstechniken vor einigen Jahren ein wesentlicher Schritt hin zu kürzeren Evolutionszyklen getätigt. Um die dabei eingesetzten Daten - in der Regel Finite-Element (FE)-Modelle - visualisieren und bearbeiten zu können, wurden von verschiedenen Anbietern teilweise spezialisierte Werkzeuge erstellt. Allerdings wurde beim Entwurf der meisten dieser Werkzeuge lediglich auf die reine Funktionalität geachtet, so dass eine intuitive und somit schnell zu erlernende, einfache Bedienbarkeit dieser Anwendungen in der Regel nicht gegeben ist. Zudem werden im Allgemeinen die Möglichkeiten moderner Graphikhardware überhaupt nicht oder nur in geringem Maße ausgenutzt, so dass aufgrund der konventionellen Darstellungsmethoden ein interaktives Arbeiten mit großen Modellen nicht durchführbar ist bzw. mit einer Performanz erfolgt, die hinter aktuellen Möglichkeiten zurückbleibt.

Die Dissertation befasst sich daher sowohl mit Methoden zur Optimierung der Qualität als auch der Steigerung der Interaktionsrate bei der Modelldarstellung. Dazu wurden Verfahren entwickelt, welche durch speicherfreundliches Ablegen von Oberflächeninformationen in Texturen auf der Graphikkarte den Einsatz beliebiger Beleuchtungsmodelle und eine pixelexakte Auswertung derselben erlauben. Da bei technischen Komponenten Knicke in der Struktur sich entscheidend auf die Stabilität eines Fahrzeugs auswirken können, werden solche Merkmale gesondert behandelt und hervorgehoben. Bei den im weiteren Verlauf präsentierten Simplifizierungsverfahren zur Performanzsteigerung bei der interaktiven Visualisierung großer FE-Modelle werden spezialisierte Methoden vorgestellt, welche hohe Simplifizierungsraten mit dem Erhalt dieser Merkmale verbinden. Dabei tragen neue Graphiktechnologien und darauf zugeschnittene Algorithmen dazu bei, auch feine Details konservieren zu können - wie z.B. die Anzeige der Umrandung der einzelnen finiten Elemente. Somit ist zwischen Original und simplifiziertem Modell kein visueller Unterschied erkennbar.

Diese interaktiven Visualisierungstechniken bilden die Grundlage für intuitive Modifikationsmechanismen, welche es erlauben, benutzerfreundlich und innerhalb kürzester Zeit Standardaufgaben durchzuführen. Dazu zählen die schnelle und bequeme Definition von Bauteilverbindungen und das Erzeugen virtueller Sensorpunkte, welche zur Überprüfung auftretender Kräfte in der experimentellen Simulation unerlässlich sind. Neben diesen vor allem für strukturmechanische Untersuchungen wichtigen Themen wurden Methoden zur interaktiven Verformung bestehender Modellgeometrie entwickelt. Dabei wurde besonderen Wert auf die Flexibilität der Deformationsoperationen unter Anwendung einer intuitiv zu bedienenden Steuerung gelegt. Während der Interaktion ständig durchgeführte Kontrollen der Netzqualität und entsprechende visuelle Rückkopplungsmechanismen sowie auf die Bedürfnisse von FE-Netzen zugeschnittene Optimierungsalgorithmen zur automatischen Behebung der dabei ggf. entstehenden FE-Vernetzungsfehler unterstützen den Anwender bei der Durchführung dieser Aufgaben. Um ein optimales Verständnis zu garantieren, wurden zudem spezielle dreidimensionale Glyphen erstellt, welche die Bearbeitung der erläuterten Aufgaben sinnvoll ergänzen und erleichtern.

Räumliche Darstellungs- und Interaktionstechniken können dabei das Verständnis und den Umgang mit einem dreidimensionalen Modell erheblich verbessern. Deshalb wurde der im Laufe der Arbeiten entstandene, mittlerweile kommerziell vertriebene Prototyp um verschiedene Ein- und Ausgabemöglichkeiten erweitert, welche die Einbindung in eine arbeitsplatzbasierte, virtuelle Umgebung ermöglichen. Neuartige Hardware erlaubt zu diesem Zweck sowohl autostereoskopische Visualisierungen als auch haptisch unterstützte Eingabe. Im Hinblick auf die im vorangegangenen Abschnitt vorgestellten Methoden ergeben sich in solch einer immersiven Arbeitsplatzumgebung neue Anforderungen und neue Möglichkeiten, welche entsprechend untersucht und eingebunden wurden. Im Vergleich zu konventionellen bzw. verbreiteten FE-Werkzeugen erlauben die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Verfahren somit ein intuitiveres, angenehmeres, direkteres und damit schnelleres bzw. effektiveres Arbeiten im Umgang mit dreidimensionalen Modellen.

The development of new automotive prototypes is increasingly subject to economic and temporal pressure. To counteract this pressure, simulation methods have been developed and introduced into the early design process for several years now, leading to considerably shorter evolution cycles. Various software providers developed specialized tools to visualize and handle the data necessary for such simulations. For structural analysis, such simulation data usually consists of finite element (FE) models. However, most of the commercially available software packages only provide bare functionality, and no intuitive and easy-to-learn handling of the variety of finite element components. In general, the capabilities of modern graphics hardware is hardly exploited. Therefore, interactive work on large models is limited or not possible at all. This is due to the application of conventional rendering methods, with a performance that falls short of today's possibilities.

This PhD thesis addresses methods for both the optimization of the visualization quality and the improvement of the interaction rate for the rendering of large finite element models. For this purpose, various algorithms have been developed, which enable the adoption of arbitrary illumination models combined with pixel-exact evaluation of their lighting terms and a memory-efficient storage of the required surface information in textures. Because of the severe impact of sharp bends and corrugations on the stability of structural components, such features are separately examined and accentuated in the graphical representation. A simplification approach tailored for finite element models and for the preservation of detailed features is presented. These methods offer high simplification ratios for large FE models and make interactive visualization with high quality possible. Techniques employing modern graphics technologies contribute to this rise in quality and special algorithms are able to reproduce fine details, e.g. the rendering of the wire frame lines of finite elements, out of a small footprint of allocated texture memory. No visual distinction between the original and the simplified, highly interactive version of a model is possible, and the latter often appears superior due to the improved lighting calculation.

These interactive visualization techniques establish the foundation for intuitive modification mechanisms which permit to accomplish standard tasks in a user-friendly way and in short time. Subtasks include the comfortable definition of component assembly and the creation of virtual sensor points, which are essential for the verification of forces and accelerations occuring in experimental simulations. Besides these processes - which are vital for modern structural analysis - several methods for interactive deformation of the geometry of existing models have been developed and evaluated. Attention has been paid to the flexibility of the deformation operations while the user takes advantage of an intuitive control system. When performing an editing task the user is supported by concurrent monitoring of quality attributes of the finite element mesh and by appropriate feedback. Additional optimization algorithms assist the user in repairing or removing erroneous elements manually, semi-automatically, or completely autonomously. Special three-dimensional glyphs and widgets ensure optimal comprehension of the modifications and facilitate the appropriate handling of the tasks described above.

The understanding of the topology and the handling of three-dimensional models can definitely be enhanced by introducing stereographic display and spatial interaction techniques. Therefore, the prototype developed in the course of this PhD thesis - which is marketed commercially in the meantime – has been extended by various input and output facilities. These permit the finite element tool to be integrated into a virtual environment located at the work place. For this purpose, novel hardware contributes autostereoscopic visualization as well as haptically supported input. Particularly with regard to the methods mentioned in the preceding paragraph, new possibilities and also challenges arise within an immersive work place environment. These new immersive techniques have been evaluated and integrated into the prototypical tool. In contrast to conventional and widespread FE tools the techniques developed within this research project offer a more intuitive, more pleasant, and more direct way of working, and therefore permit a faster and more effective way of handling three-dimensional models.