메타볼로 표현된 물체의 충돌탐지와 변형

정연철 전남대학교 대학원 1999 국내박사

애니메이션에서 충돌탐지와 변형은 필수적이다. 그래픽스에서는 물체를 표현하기 위해 다각형 프리미티브를 사용하거나 음함수 곡면(implicit surface)을 사용한다. 물체가 다각형으로 표현된 경우 충돌탐지는 계산 복잡도(computational complexity)가 커진다. 이는 바운딩 볼륨(bounding volume) 교차영역에서 다각형 교차문제로 계산되기 때문이다. 이에 반해 음함수 곡면으로 표현된 물체는 충돌 탐지가 상대적으로 쉬워진다. 또한 좀더 복잡한 형태의 물체(multi-body)의 충돌 탐지도 쉬워진다. 지금까지 사용되는 구(spheres)와 변형가능한(deformable) superqudrics와 같은 음함수 곡면의 충돌탐지는 내부/외부(inside/outside) 함수를 이용하여 표현된다. 그러나 이러한 방법은 바운딩 볼륨의 교차 영역에서 추출된 샘플포인트를 이용하여 표현되기 때문에 샘플 포인트의 정확도에 따라 충돌탐지 결과가 달라진다. 그러나 음함수 곡면를 표현하기 위해 사용되는 필드함수와 같이 특별한 형태를 갖는 함수의 연관성을 이용하면 물체와 물체의 충돌탐지를 좀더 쉽게 계산 할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 메타볼(metaball)을 표현하기 위한 6차 필드함수를 이용하여 서로 인접한 볼들과의 충돌탐지를 정형화된 함수로 표현할 수 있음을 보여 준다. 일반적으로 물체의 변형은 물체를 구성하는 점들의 위치(postion)를 이동하여 새로운 점들로 물체를 표현한다. 이때 물리적 현상을 반영하기 위해 물체의 이동을 속도와 힘을 이용한다. 음함수 곡면으로 표현된 물체가 서로 충돌했을 때 변형은 충돌 때 상호간에 가해진 힘에 의해 표현된다. 따라서 변형은 두 물체가 서로 영향을 미치는 영역을 변형구간으로 선택하게 되는데 변형구간의 선택과 변형을 표현하는 함수에 따라 변형의 모양이 결정된다. 그러나 음함수 곡면은 중심에서 감소하는 필드함수로 표현되는데 이 함수를 이용하여 변형을 표현할 수 있다. 본 논문에서는 변형 구간을 메타볼의 필드함수를 이용하여 필드값의 영향력이 미치는 구간을 변형구간으로 표현한다. 또한 필드값의 영향력을 이용하여 변형 모양을 거리에 관한 함수로 표현하여 정형화된 형태의 변형함수를 제시한다. 제안된 변형은 메타볼의 필드함수를 사용하기 때문에 변형을 표현하기 위해 임의의 함수를 선택할 필요가 없다. 그리고 메타볼의 영향력을 사용하여 좀 더 쉬운 충돌탐지를 계산할 수 있다. 메타볼의 필드 참의 영향력을 이용하여 생성된 충돌탐지와 변형함수는 새로운 변수(factor)를 사용하지 않고 필드함수만으로 충돌과 변형을 표현할 수 있다. 또한 물질의 재질에 따라 물체의 변형을 표현하였다. 이때의 변형도 마찬가지로 주어진 함수를 이용할 수 있다. 논문에서는 이러한 방법을 사용하여 표현되는 물체의 변형을 이미지로 생성하여 포함하였다. Collision detection and deformation is necessary in animations. In graphics, we use polygon primitives or implicit surfaces to represent an object. When an object is represented as polygons, collision detection has large computational complexity. This is caused by being computed as polygon culling problems in the culling region of a bounding volume. On the other hand, the collision detection of an object represented by implicit surfaces is easily appied to a relatively complicated multi-body. However, the previous collision detection of implicit surfaces such as spheres or deformable superqudrics was represented using inside/outside functions. In this method, it is represented using the sample points extracted in the culling region of a bounding volume, so the results of collision detection vary according to the accuracy of sample points. We can compute an object and its collision detection more easily, if we use relationships between special-formed functions such as field functions used to represent implicit surface. Therefore, in this thesis, we present that we can represent collision detection between abutted metaballs as formalized functions by using six-degree field functions to represent metaballs. In general, deformation of an object is accomplished by moving points comprised by an object and representing an object with newly-made points. To consider physical phenomena, we use the moving speed of an object and its applied force. When objects represented as implicit surfaces crash each other, deformation is represented as the force which is applied to both objects while crashing. Therefore, deformation selects the area, which two objects influence each other, as a deformation range and so the shape of deformation depends on both the selection of a deformation depends on both the selection of a deformation range and the function which represent deformation. Implicit surfaces are represented as the function which decreases from center and we can represent deformation range as the range which field values influence by using field functions. Also, we present a formalized deformation function which represents the shape of deformation as the function related to distance by using the influence of field values. Proposed deformation does not have to select an arbitrary function to represent deformation because we use the field functions of metaballs. And, we can compute collision detection more easily by using the influence of metaballs. The collision detection and deformation function generated by using the influence of field values of metaballs can represent collision and deformation not by using new factors but by using only field functions. Also, we represent the deformation of and object according to the quality of matters, At this time, we can use given functions for deformation, too.

볼륨데이타의 메타볼 자동생성을 위한 효율적인 알고리즘

박승기 전남대학교 대학원 1997 국내석사

볼륨 데이타는 많은 경우 복잡하고 다양한 물체들을 포함하고 있어서 모델링하기가 쉽지 않다. 메타볼 모델은 서로 잘 겹쳐지므로 적은 수로 복잡한 물체를 표현할 수 있어서 볼륨 데이타의 모델링을 위한 좋은 프리미티브로 사용될 수 있다. 그러나 볼륨을 잘 나타내는 형태가 되도록 메타볼을 배열하는데는 많은 어려움이 있다. 본 논문에서는 볼륨 데이타에 근사한 적은 수의 메타볼을 자동으로 생성하는 알고리즘을 제안한다. 메탈볼은 volume의 안쪽에서 Tree를 사용하여 얻을 수 있는 seed ball이라고하는 metaball의 이동, 확장으로 가장 크게 만들어진다. 이와 같은 과정을 여러개의 seed ball에 반복 적용하여 메타볼의 집합을 얻을 수 있다. 본 논문의 결과에서는 메타볼의 최적위치와 반지름 등을 찾기 위한 최적화를 하지 않아도 생성된 볼륨에 근사한 적은 수의 메타볼들을 생성할 수 있음을 보였다. Volume data can express complex and various objects. But modeling of volume data is hard to implement. Since metaball are blended with each other, it is possible to express complicated object with a small number of primitives. Hence metaball model can be used for modeling of volume data as a good primitive. But it is very difficult to arrange metaballs to fit well volume. This paper propose an algorithm for automatically generating small number of metaballs, well fitted to a given set of volume data. A metaball is maximized by expansion and movement of seed metaball, is found using Tree inside of volume. The set of metaballs is acquired by the above process repeatedly. This proposed algorithm shows that metaballs are well fitted without optimization problem which increase goodness of fit between a primitive and the volume data.

Sturm sequence를 이용한 메타볼 렌더링에 관한 연구

김은석 전남대학교 대학원 1997 국내석사

모델링 분야에서 물체를 표현하는 방법은 여러 가지가 있다. 메타볼 모델은 적은 양의 데이터로 물체를 잘 표현할 수 있는 장점을 가지고 있어 복잡한 곡면을 모델링하는데 있어 널리 사용된다. 메타볼의 모델링 성능은 필드함수에 의해 좌우되는데, 자연스러운 연결 형태를 표현하려면 고차 다항식의 필드함수를 사용하여야 한다. 그러나 5차 이상의 고차 다항식은 광선과 isosurface와의 교차검사에 있어서 분석적 방법을 쓸 수 없기 때문에, 정확하면서도 견고한 교차검사 방법을 필요로 한다. 본 논문에서는 물방울의 연결 형태와 같이 매우 자연스러워야 하는 물체를 표현하는데 좋은 성능을 갖는 6차의 다항식의 필드함수를 소개하고, 이 필드함수에 대해 Sturm sequence를 이용하여 교차 검사를 하는 방법을 제안한다. Sturm sequence 방법은 함수의 나눗셈과 evaluation을 포함하므로, 계산 오차는 필드함수의 계수들에 민감해진다. 대부분의 함수들이 ill-conditioned이므로 다항식의 모양을 안정화시키는 방법이 필요하다[4]. 본 논문에서는 이러한 필드함수의 모양을 안정화시키는 방법을 제안한다. 그리고 구간 내에서의 Min-Max test를 적용하여 광선추적알고리즘을 가속화시키는 방법도 소개한다. 이 방법을 이용하면 근이 존재하지 않는 구간을 빠르게 판별함으로써 광선과 isosurface사이의 교차 판별을 위한 불필요한 계산을 줄여 속도를 가속화시킬 수 있다. There are many methods of representing objects in the field of modeling. Metaball model is useful for modeling of complicated surfaces because it can well represent objects with a few. The modeling capability of metaballs depends on the field function, and the higher degree of functions can expect the smoother surfaces. However, the intersection between the ray and isosurfaces can't be solved analytically for the degree five or more polynomials. Therefore it is required the precise and robust method for the intersection test of ray/isosurface. In this paper, it is introduced the field function, the degree six polynomial that is suitable for representing the smooth surfaces, and proposed the method of ray/isosurface intersection test using Sturm sequence. The polynomials representing isosurface are frequently ill-conditioned to be adapted by Sturm sequence. This paper propose the method for generalizing the shape of polynomials, and apply the Min-Max test to raytracing algorithm for accelerating the speed. By employing Sturm sequence method and Min-Max test, ray/isosurface intersection can be solved very fast and precisely.

메타볼을 이용한 비투과성 물체의 교차검사와 변형

박상철 전남대학교 대학원 1998 국내석사

변형 가능한 물체를 나타내는 여러 방법들 중에서 음함수 곡면을 이용한 방법들이 최근에 많이 연구되고 있다. 특히 음함수곡면 중에서도 메타볼은 애니메이션이나 인체 등의 표현에 많이 사용된다. 더욱이 적은 수의 프리미티브만으로도 복잡한 곡면을 나타낼 수 있는 장점이 있다. 이러한 메타볼을 가지고 비투과성 물체에 대한 변형을 실시하고자 할때, 우선 물체들 사이에 교차가 있는가 하는 문제를 해결해야 한다. 기존의 샘플포인트를 이용하는 방법은 계산상의 오차가 발생할 뿐만 아니라 정확한 방법도 되지 못한다. 본 논문에서는 수치해석적으로 정확히 교차를 알아내는 기법을 제안한다. 또 그 정보를 가지고 변형 가능한 물체를 나타내고자 한다. 메타볼을 이용하는데 자연스러운 변형을 위해 6차필드 함수를 이용해서 변형표현이 가능함을 보인다. The method using metaballs to represent some deformable object recently has got a great interests in modeling. Metaball model of an implicit surface is used to represent various deformable objects or human body, etc. In addition, Metaball model is useful for modeling of complicated smooth surface only with a few number of metaballs. However, it is not easy to represent the shape of two metaball-modeled object when they are touching or meeting. It can occur in animation of moving objects. When two moving of non-penetrating objects are meeting previous, the collision should be detected first. The previous method using sampling points have big complicated errors. In this paper, a direct method for the collision detection is proposed, then the approach using the information of this method generate an non-penetrating flexible model. A polynomial of six degree is used for the natural deformation of the shape change.

스테레오 깊이 정보와 메타볼을 이용한 실시간 사람 움직임 추정 시스템

최유경 연세대학교 대학원 2008 국내석사

This paper introduces a novel human motion capture system. It is focused on the techniques which make a robot imitate human motions transferred from a remote space. Based on the markerless human motion capture method, we have developed a vision-based motion capture system with only a stereo camera.In particular, fast computation and high accuracy of captured motions are contradictory but important requirements of a motion capture system. Therefore, in this paper we propose following methods to attain the two ends at the same time: a meatball-based 3D body model of 26 degrees of freedom, a modified field function of metaball, downsampling point cloud data, and finally sequential model fitting.The system has been implemented and runs in at approximately 7~8Hz and works robustly in change of light conditions as well. Obtained motions are also compared to the reference motions for the accuracy test, and acceptable even for the complex human movements. 본 논문은 몸에 특별한 마커(Marker)를 부착하지 않고 한 대의 스테레오 카메라만을 사용하여 사람의 움직임 정보를 획득하는 마커리스 휴먼 모션 캡처(Makerless Human Motion Capture) 시스템을 제안한다.본 연구의 방향은 추정한 움직임 정보를 원격지 로봇에 전달하여 로봇이 사람의 동작을 모방(Motion Imitation)하는데 있으며, 이러한 응용을 위한 마커리스 모션 캡쳐 시스템은 특히 빠른 처리 속도와 정확한 동작 정보를 요구한다. 이러한 목표를 달성하기 위하여 본 연구의 핵심은 크게 두 가지로 요약 할 수 있다.첫째, 획득한 동작 정보의 정확성을 향상시키기 위해 메타볼(Metaball)을 이용하여 26자유도의 인체모델을 모델링 하였으며, 인체 모델과 3차원 데이터간의 정확하고 빠른 수렴을 위하여 기존 메타볼의 필드 함수(Field Function)를 변형하여 새로운 형태의 필드 함수를 제안 하였다.둘째, 사람의 움직임 정보를 빠르게 획득하기 위하여 스테레오 카메라로부터 얻은 3차원 상이도 영상 데이터(Disparity Image)를 샘플링(Sampling)하여 데이터 연산량을 축소하였으며, 인체모델의 각 부분을 3차원 데이터에 순차적으로 보간(Sequential Fitting)함으로써 연산처리 속도를 개선하였다.논문에서 제안한 시스템을 구현하고, 다양한 모델에 대하여 여러 가지 동작을 실험한 결과 유효한 움직임 정보를 얻을 수 있었다. 또한 실감만남공간과 같이 어두운 조명과 잦은 조명 변화라는 환경적 제약 조건을 갖은 공간에서도 7~8Hz라는 동작처리속도를 보였다. 알고리즘 수행 결과로 얻은 사람의 움직임 정보는 3차원 정보이며, 시스템의 성능은 로봇이 사람과 함께 상호작용하기에 충분히 정확하고 빠른 동작 속도를 보였다.

메타볼 모델에 대한 광선 추적법의 교점 판별 알고리즘

조청운 中央大學校 1994 국내석사

Non-native Metabolon-based Bioelectrocatalytic System Using Chimeric Invertase-Glucose Dehydrogenase

Yuna Bang 광주과학기술원 대학원 2024 국내석사

Enzymes are well recognized as very potent biocatalysts in the natural world, exerting a substantial influence on several metabolic processes. Enzymes often exist in a state that might potentially exhibit increased reaction efficiency inside the biological system via the formation of a multienzyme complex. In the present work, an in vitro system was developed by constructing a non-native metabolon by the deliberate conjugation of two enzymes originating from distinct sources. In this study, we have discovered the key parameters that have the potential to significantly impact the efficiency of the reaction. Glucose dehydrogenase (GDHαγ) was chosen as a representative enzyme due to its established credibility and extensively verified characteristics in prior studies. The coupling enzyme used for this study was invertase (INV), which has the ability to create glucose as an intermediate. In order to merge the two enzymes, a peptide spacer was used as a connecting element between GDHαγ and INV. The catalytic activity was significantly impacted by the expression order of GDHαγ and INV, and the catalytic activity exhibited notable variations based on the spacer sequence. The criticality of regulating the distance and orientation between the coupling enzymes in a cascade reaction has been identified.

고온용 볼 밸브의 형상 최적화

김남희 동아대학교 대학원 2016 국내석사

볼 밸브(ball valve)는 밸브의 개폐 부분에 구멍이 뚫린 구 모양의 밸브로써, 이것을 회전시킴에 의해 구멍을 막거나 열어, 밸브를 개폐시킨다. 본 연구에서는 플랜트장치용 고온용 볼 밸브(ball valve for high temperature)에 관한 것으로서, 기술 개발과 더불어 시장 진입의 주요 전제인 제품 신뢰성 확보를 위한 열-구조, 유동 해석기법을 적용하여 고온용 볼 밸브의 구조적 안전성(structural safety)을 검토하고자 하였다. 폴리테트라 플루오로에틸렌(polytetra fluoro ethylene) 재질의 시트(seat)의 형상을 변경하고 이에 최적설계 기법을 적용하여 구조적 안전성과 경량화 설계를 제시한 것이다. 시트의 최적화를 위해 2개의 형상설계 변수(design variable)를 선정하였고, 최적화 과정(optimization process) 중에 설계요구조건(design requirement)으로 시트의 길이와 두께에 관련하여 기준을 고려하였다. 최적화 기법으로서 크리깅 내삽법(kriging interpolation method)을 이용한 메타모델기반 최적화방법(metamodel based optimization)을 적용하였다. 그 결과 구조적 안전성을 만족하는 시트의 두께와 길이의 크기를 찾을 수 있었고, 이에 따른 밸브용량(constant value)값을 측정하여 볼 밸브의 성능을 평가하였다.