Simulação computacional de ambientes cirúrgicos têm sido amplamente utilizados, normalmente para treinamentos, ajudando no desenvolvimento de habilidades essenciais e minimizando erros em procedimentos cirúrgicos. Para estes ambientes, é essencial a obtenção de um comportamento mais realista, sendo importante o uso de técnicas com alta precisão, além de uma simulação em tempo real. A fim de melhor controlar este trade-off entre eficiência e eficácia, apresentamos um ambiente híbrido e adaptativo que combina um conjunto de métodos para alcançar uma boa precisão e desempenho na simulação. Nosso sistema mescla métodos físicos de deformação (Método de Elementos Finitos e Mass-Mola) com um método não-físico que aproxima o comportamento dos primeiros (Green Coordinates), sendo capaz de utilizar o método apropriado dependendo da situação. Para melhor simular um ambiente cirúrgico completo, foram implementadas ferramentas adicionais para interação, permitindo pegar e manipular, queimar, e sentir os objetos do cenário. Nosso sistema proporciona grande imersão ao usuário, consumindo menos recursos computacionais e aumentando as taxas de atualização da simulação. / Computational simulation of surgical environments have been widely used usually for trainings, improving essential skills and minimizing errors in surgical procedures. As these environments are always looking for a more realistic behavior, it is important to use high-precision techniques while ensuring a real-time simulation. In order to better manage this trade-off between efficiency and effectiveness, we present a hybrid and adaptive environment that combines a set of methods to achieve good accuracy and performance for a simulation. Our system merges physically deformation methods (Finite Elements Method and Mass Spring Damper) with a non-physical method that approximates the formers behavior (Green Coordinates), being able to use the appropriate method depending on the situation. To simulate an approximation of a complete surgical environment, we also implement interaction tools, such as picking, burning, and haptic feedback. Our system provides great immersion for the user, consuming less computational resources and increasing update rates.

Métodos tradicionais de animação de fluidos têm dificuldade em resolver escoamentos que envolvem aberturas estreitas e geometrias finas. Abordagens anteriores artificialmente inflaram ou voxelizaram geometrias de objetos finos, sacrificando a geometria e topologias corretas do domínio de simulação, impedindo que o escoamento interaja corretamente com regiões estreitas. No trabalho desenvolvido, apresentamos uma técnica de simulação de fluidos que respeita geometrias complexas de maneira precisa e supera obstáculos comuns em ambientes com aberturas estreitas e geometrias finas. A nossa solução baseia-se no recorte preciso de células do grid regular, gerando uma malha conformal à geometria e topologicamente correta. Nós utilizamos uma abordagem de bordas incorporadas (cut-cells): em cada passo do tempo, a malha de triângulos representando a superfície sólida de um objeto no domínio de simulação é recortada pelas células que intercepta, potencialmente gerando múltiplas sub-células distintas. A malha resultante é conformal ao objeto incorporado e se reduz ao grid regular em regiões que não estão em contato com a superfície. Nós estendemos as abordagens tradicionais de advecção de velocidade e projeção da pressão para dar suporte a essa estrutura de malha aprimorada. Em geral, nossa abordagem é capaz de representar melhor detalhes de geometrias que são menores que uma célula do grid, corretamente recuperando condições de contorno no-slip e free-slip, enquanto mantém uma convergência para a solução da pressão de segunda ordem no espaço. Para melhorar a advecção em regiões próximas às bordas irregulares, introduzimos um método de interpolação que funciona em células poliédricas arbitrárias, utilizando-se do método de interpolação spherical barycentric coordinates (SBC). Essa abordagem possibilita que as linhas características do escoamento respeitem a geometria sem penetrá-la, em contraste com métodos tradicionais de interpolação lineares ou cúbicos. Finalmente, nós melhoramos os métodos de advecção com um método FLIP modificado. Nosso método resolve uma dificuldade inerente a advecção Semi-Lagrangiana no contexto de geometrias deslocando-se através do domínio de simulação: as células que são varridas por sólidos em locomoção perdem sua informação de velocidade e tem de ser preenchidas com velocidades extrapoladas de células vizinhas. Nosso esquema FLIP garante que a informação de velocidade viaje corretamente com as superfícies, não necessitando de nenhum método de extrapolação. / Fluid animation methods based on Eulerian grids have long struggled to resolve flows involving narrow gaps and thin solid features. Past approaches have artificially inflated or voxelized boundaries, although this sacrifices the correct geometry and topology of the fluid domain and prevents flow through narrow regions. We present a boundary-respecting fluid simulator that overcomes these challenges. Our solution is to intersect the solid boundary geometry with the cells of a background regular grid to generate a topologically correct, boundary-conforming cut-cell mesh. We extend both pressure projection and velocity advection to support this enhanced grid structure. For pressure projection, we introduce a general graph-based scheme that properly preserves discrete incompressibility even in thin and topologically complex flow regions, while nevertheless yielding symmetric positive definite linear systems. For advection, we exploit polyhedral interpolation to improve the degree to which the flow conforms to irregular and possibly non-convex cell boundaries, and propose a modified PIC/FLIP advection scheme to eliminate the need to inaccurately reinitialize invalid cells that are swept over by moving boundaries. The method naturally extends the standard Eulerian fluid simulation framework, and while we focus on thin boundaries, our contributions are beneficial for volumetric solids as well. Our results demonstrate successful one-way fluid-solid coupling in the presence of thin objects and narrow flow regions even on very coarse grids.

Métodos tradicionais de animação de fluidos têm dificuldade em resolver escoamentos que envolvem aberturas estreitas e geometrias finas. Abordagens anteriores artificialmente inflaram ou voxelizaram geometrias de objetos finos, sacrificando a geometria e topologias corretas do domínio de simulação, impedindo que o escoamento interaja corretamente com regiões estreitas. No trabalho desenvolvido, apresentamos uma técnica de simulação de fluidos que respeita geometrias complexas de maneira precisa e supera obstáculos comuns em ambientes com aberturas estreitas e geometrias finas. A nossa solução baseia-se no recorte preciso de células do grid regular, gerando uma malha conformal à geometria e topologicamente correta. Nós utilizamos uma abordagem de bordas incorporadas (cut-cells): em cada passo do tempo, a malha de triângulos representando a superfície sólida de um objeto no domínio de simulação é recortada pelas células que intercepta, potencialmente gerando múltiplas sub-células distintas. A malha resultante é conformal ao objeto incorporado e se reduz ao grid regular em regiões que não estão em contato com a superfície. Nós estendemos as abordagens tradicionais de advecção de velocidade e projeção da pressão para dar suporte a essa estrutura de malha aprimorada. Em geral, nossa abordagem é capaz de representar melhor detalhes de geometrias que são menores que uma célula do grid, corretamente recuperando condições de contorno no-slip e free-slip, enquanto mantém uma convergência para a solução da pressão de segunda ordem no espaço. Para melhorar a advecção em regiões próximas às bordas irregulares, introduzimos um método de interpolação que funciona em células poliédricas arbitrárias, utilizando-se do método de interpolação spherical barycentric coordinates (SBC). Essa abordagem possibilita que as linhas características do escoamento respeitem a geometria sem penetrá-la, em contraste com métodos tradicionais de interpolação lineares ou cúbicos. Finalmente, nós melhoramos os métodos de advecção com um método FLIP modificado. Nosso método resolve uma dificuldade inerente a advecção Semi-Lagrangiana no contexto de geometrias deslocando-se através do domínio de simulação: as células que são varridas por sólidos em locomoção perdem sua informação de velocidade e tem de ser preenchidas com velocidades extrapoladas de células vizinhas. Nosso esquema FLIP garante que a informação de velocidade viaje corretamente com as superfícies, não necessitando de nenhum método de extrapolação. / Fluid animation methods based on Eulerian grids have long struggled to resolve flows involving narrow gaps and thin solid features. Past approaches have artificially inflated or voxelized boundaries, although this sacrifices the correct geometry and topology of the fluid domain and prevents flow through narrow regions. We present a boundary-respecting fluid simulator that overcomes these challenges. Our solution is to intersect the solid boundary geometry with the cells of a background regular grid to generate a topologically correct, boundary-conforming cut-cell mesh. We extend both pressure projection and velocity advection to support this enhanced grid structure. For pressure projection, we introduce a general graph-based scheme that properly preserves discrete incompressibility even in thin and topologically complex flow regions, while nevertheless yielding symmetric positive definite linear systems. For advection, we exploit polyhedral interpolation to improve the degree to which the flow conforms to irregular and possibly non-convex cell boundaries, and propose a modified PIC/FLIP advection scheme to eliminate the need to inaccurately reinitialize invalid cells that are swept over by moving boundaries. The method naturally extends the standard Eulerian fluid simulation framework, and while we focus on thin boundaries, our contributions are beneficial for volumetric solids as well. Our results demonstrate successful one-way fluid-solid coupling in the presence of thin objects and narrow flow regions even on very coarse grids.

Simulação computacional de ambientes cirúrgicos têm sido amplamente utilizados, normalmente para treinamentos, ajudando no desenvolvimento de habilidades essenciais e minimizando erros em procedimentos cirúrgicos. Para estes ambientes, é essencial a obtenção de um comportamento mais realista, sendo importante o uso de técnicas com alta precisão, além de uma simulação em tempo real. A fim de melhor controlar este trade-off entre eficiência e eficácia, apresentamos um ambiente híbrido e adaptativo que combina um conjunto de métodos para alcançar uma boa precisão e desempenho na simulação. Nosso sistema mescla métodos físicos de deformação (Método de Elementos Finitos e Mass-Mola) com um método não-físico que aproxima o comportamento dos primeiros (Green Coordinates), sendo capaz de utilizar o método apropriado dependendo da situação. Para melhor simular um ambiente cirúrgico completo, foram implementadas ferramentas adicionais para interação, permitindo pegar e manipular, queimar, e sentir os objetos do cenário. Nosso sistema proporciona grande imersão ao usuário, consumindo menos recursos computacionais e aumentando as taxas de atualização da simulação. / Computational simulation of surgical environments have been widely used usually for trainings, improving essential skills and minimizing errors in surgical procedures. As these environments are always looking for a more realistic behavior, it is important to use high-precision techniques while ensuring a real-time simulation. In order to better manage this trade-off between efficiency and effectiveness, we present a hybrid and adaptive environment that combines a set of methods to achieve good accuracy and performance for a simulation. Our system merges physically deformation methods (Finite Elements Method and Mass Spring Damper) with a non-physical method that approximates the formers behavior (Green Coordinates), being able to use the appropriate method depending on the situation. To simulate an approximation of a complete surgical environment, we also implement interaction tools, such as picking, burning, and haptic feedback. Our system provides great immersion for the user, consuming less computational resources and increasing update rates.

FundaÃÃo Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Cientifico e TecnolÃgico / Neste trabalho à apresentado um sistema de controle baseado em fÃsica para personagens bÃpedes, em um ambiente simulado, utilizando movimentos de referÃncia. O controle consiste em dois componentes: o controle Derivativo-Proporcional para imitar as caracterÃsticas angulares das juntas e o controle de equilÃbrio atrÃves da Jacobiana Transposta composta pelo momento angular e linear no centro de massa do personagem, utilizando todas as partes do seu corpo. O sistema à simples de implementar e todas as constantes sÃo determinadas pelo usuÃrio. Um modelo de contado aplicado a um modelo simplificado de pà confere ao controlador a capacidade de fazer com que o personagem siga movimentos de locomoÃÃo ou modifique sua postura parada, em ambos os casos, adaptando-se a perturbaÃÃes externas. A robustez do controlador à demonstrada atravÃs de uma diversidade de movimentos tais como: caminhar para frente e para trÃs, agachar e levantar, dar socos e chutes, e jogar capoeira. Todos esses movimentos apresentam uma dinÃmica natural. / This work presents a physics-based controlling system for bipeds Characters in a simulated environment, using reference motions. It consists of two components: Proportional- Derivative Control to mimic angular joints characteristics and balance control through the Transpose Jacobian composing for angular and linear momentum in the center of mass from caracter, using all parts of its body. The system is simple to implement and all the constants are determined by the user. The contact model aplied to the simplified foot model, confers to controller the ability to make the character follow locomotion movements or modify their stop posture, in both cases, adapting to external perturbations. The robustness of the controller is shown through a variety of movements such as walking front and back, squatting and raising, bowing, kicking and dancing capoeira. All these movements have a natural dynamics.

Simulação computacional de ambientes cirúrgicos têm sido amplamente utilizados, normalmente para treinamentos, ajudando no desenvolvimento de habilidades essenciais e minimizando erros em procedimentos cirúrgicos. Para estes ambientes, é essencial a obtenção de um comportamento mais realista, sendo importante o uso de técnicas com alta precisão, além de uma simulação em tempo real. A fim de melhor controlar este trade-off entre eficiência e eficácia, apresentamos um ambiente híbrido e adaptativo que combina um conjunto de métodos para alcançar uma boa precisão e desempenho na simulação. Nosso sistema mescla métodos físicos de deformação (Método de Elementos Finitos e Mass-Mola) com um método não-físico que aproxima o comportamento dos primeiros (Green Coordinates), sendo capaz de utilizar o método apropriado dependendo da situação. Para melhor simular um ambiente cirúrgico completo, foram implementadas ferramentas adicionais para interação, permitindo pegar e manipular, queimar, e sentir os objetos do cenário. Nosso sistema proporciona grande imersão ao usuário, consumindo menos recursos computacionais e aumentando as taxas de atualização da simulação. / Computational simulation of surgical environments have been widely used usually for trainings, improving essential skills and minimizing errors in surgical procedures. As these environments are always looking for a more realistic behavior, it is important to use high-precision techniques while ensuring a real-time simulation. In order to better manage this trade-off between efficiency and effectiveness, we present a hybrid and adaptive environment that combines a set of methods to achieve good accuracy and performance for a simulation. Our system merges physically deformation methods (Finite Elements Method and Mass Spring Damper) with a non-physical method that approximates the formers behavior (Green Coordinates), being able to use the appropriate method depending on the situation. To simulate an approximation of a complete surgical environment, we also implement interaction tools, such as picking, burning, and haptic feedback. Our system provides great immersion for the user, consuming less computational resources and increasing update rates.

This thesis is concerned with  procedural generation in a genre of games where it is not very common; 2D  physics-based  puzzle  games.  I  will  explore which  different  methods  of  procedural  generation that  will  work  with  this  kind  of  game,  if  any.  If there  is  an  easy  way  to  implement  procedural generation  it  could cut down on the game designers work  load  significantly,  which  would  allow  more content to be produced at a higher pace.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(エネルギー科学) / 甲第21193号 / エネ博第367号 / 新制||エネ||72(附属図書館) / 京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー基礎科学専攻 / (主査)教授 木下 正弘, 教授 森井 孝, 教授 片平 正人 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Energy Science / Kyoto University / DFAM

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<p>The seismic risks to a structure or a set of structures in a region are usually determined by generating fragility curves that provide the probability of a building responding in a certain manner for a given level of ground motion intensity. Developing fragility curves, however, is challenging as it involves the computationally expensive task of obtaining the maximum response of the selected structures to a suite of ground motions representing the seismic hazard of the region selected. </p><p>This study presents a methodology to develop surrogate models for the prediction of the maximum responses of buildings to ground motion excitation. Data-driven surrogate models using simple machine learning techniques and physics-based surrogate models using the space mapping technique to map the low-fidelity responses obtained using a multi-degree of freedom shear building model to the high-fidelity values are developed for the prediction of the maximum roof drift ratio and the maximum story drift ratio of a chosen 15-story steel moment-resisting frame building with varying structural properties in California. The predictions of each of these surrogate models are analyzed to assess and compare the performance, capabilities, and limitations of these models. Best practices for developing surrogate models for the prediction of maximum responses of structures to ground motion are recommended.</p><p>The results from the development of data-driven surrogate models show that the spectral displacement is the best intensity measure to condition the maximum roof drift ratio, and the spectral velocity is the best intensity measure to condition the maximum story drift ratio. Fragility analysis of the structure is thus conducted using maximum story drift as the engineering demand parameter and spectral velocity as the intensity measure. Monte Carlo simulation is conducted using the physics-based surrogate model to estimate the maximum story drifts for ground motions that are incrementally scaled to different intensity levels. Maximum likelihood estimates are used to obtain the parameters for a lognormal distribution and the 95% confidence intervals are obtained using the Wald confidence interval to plot the fragility curves.</p><p>Fragility curves are plotted both with and without variations in the structural properties of the building, and it is found that the effects of variability in ground motions on the fragility are far higher than the effects of the randomness of structural properties. Finally, it is found that about 65 ground motion records are needed for convergence of the parameters of the lognormal distribution for plotting fragility curves by using Monte Carlo simulation.</p>