Echtzeitsimulation flexibler Materialien durch Einsatz programmierbarer Hardware

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Wolfgang Straßer (†)
• Fachliche Zuordnung: Bild- und Sprachverarbeitung, Computergraphik und Visualisierung, Human Computer Interaction, Ubiquitous und Wearable Computing
• Förderung: Förderung von 2004 bis 2011
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5433620

Das Forschungsvorhaben des WSI/GRIS im Rahmen dieses Antrages hat die hardwareunterstützte, physikalisch basierte Simulation von flexiblen Objekten, speziell Textilien und z.B. menschlichen Organen, zum Inhalt. Die Simulation deformierbarer Materialien benötigt sehr viel Rechenleistung und Rechenzeit. Durch die Unterstützung der Simulationen mittels eines programmierbaren FPGA Chips auf einer handelsüblichen PCI-Steckkarte werden besonders zeitkritische Teile in den Simulationen beschleunigt. Aktuelle Rechner bieten zwar durch die hohe Taktfrequenz ihrer Prozessoren eine beachtliche Rechenleistung, haben aber gerade im Bereich von aufwendigen Berechnungen Defizite durch die geringe Anzahl (parallel) zur Verfügung stehender Recheneinheiten. Auf einem FPGA-Baustein lässt sich hingegen eine wesentlich größere Anzahl der für eine spezielle Aufgabe benötigten Recheneinheiten unterbringen, woraus eine deutlich höhere Rechenleistung für eine spezielle Anwendung resultiert. Da derzeit interaktive Anwendungen im Bereich der deformierbaren Materialien nur mit Einschränkungen, etwa in der Genauigkeit oder durch Vorberechnungen der Lösungen, möglich sind, verspricht die Entwicklung eines Hardwarebeschleunigers einen deutlichen Fortschritt in der Beschleunigung von Simulationen. Damit rücken viele interaktive Anwendungen aus der Textilsimulation, oder die Simulation ganzer Körperregionen mit real aufgenommenen Materialparametern, in greifbare Nähe. Denn es sind gerade die interaktiven Anwendungen, die zum Beispiel für die Textilsimulation von großer Bedeutung sind. Dazu gehören etwa virtuelle Boutiquen von Versandhäusern oder Anwendungen aus der Unterhaltungsindustrie. Ein anderes Beispiel ist die Simulation von Weichgeweben als integraler Bestandteil eines Chirurgietrainers. Diese spielen eine zunehmend wichtige Rolle in der Ausbildung, vor allem im Bereich der minimal invasiven Chirurgie. Um dies zu ermöglichen, gilt es zu untersuchen, wie sich die bestehenden Algorithmen von Simulationen besonders gut und effizient auf der FPGA Hardware abbilden lassen. Durch die hardwarebeschleunigten Applikationen eröffnen sich neue Anwendungsgebiete und das Verhalten von Simulationen kann besser untersucht werden. Daher ist das Ziel des Forschungsvorhabens, einen effizienten Hardwarealgorithmus für die Beschleunigung von Simulationen deformierbarer Modelle zu entwerfen und auf einem flexibel konfigurierbaren FPGA-Baustein zu realisieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Professor Dr. Andreas Schilling