Real-time Simulation of 2D Cable Joints with Pinched and Sliding Joints using Velocity Constraints
2025 (English)Independent thesis Advanced level (professional degree), 20 credits / 30 HE credits
Student thesis
Abstract [en]
Background: Cable simulations and the like, have useful applications in manywidely different fields. One of these are usage in real-time interactive applicationssuch as video games, training applications, virtual reality (VR) and augmented re-ality (AR). A lot of previous work exists describing novel and sophisticated cablesimulation methods. Some difficulties arise from real-time applications as most cablemodels tend to scale poorly and are difficult to implement without sacrificing com-putational performance. There exists computationally light models as well that showmuch better potential for this field. However, these usually compromise greatly oncertain behaviours expected from cable simulations. This thesis endeavored to takeone of these performance effective models and extend it to correctly handle pinchedcables. Lacking pinched cable behaviours was deemed the most major deficiency ofthe previous model. Implementing them would create a much less limited model thatwas well suited for specifically intractable 2D virtual environments.
Objectives: The thesis endeavored to extend a previously developed cable simu-lation model to handle cables pinched between bodies. The implementation neededto both remain computationally efficient and the simulation needed to be robust ifit was to be fit for usage in interactive environments. The work was limited to 2Denvironments and all implementation and testing was only made for circular bodies.
Methods: Implementation was utilized to develop a novel and simple formulationfor handling pinched cable dynamics. Experimentation was later used to stress testand measure the computational performance of the extended model compared tothe previous. Finally a user study was utilized to confirm the extended cable modelyielded desired visual results. A Two Alternative Forced Choice (2AFC) test wasused where participants were prompted to choose the simulation method that ap-peared most realistic.
Results: The implemented cable simulation model introduced some performancecosts as compared to the previous model. The added costs are proportional to thenew features introduced and should be performant enough for many real-time ap-plications. The user study had less participation than desired, yet overall there is apreference for the extended model.
Conclusions: The extension of the pinched cable behaviour helped greatly in re-moving usage limitations of the original model that makes it far more applicablein interactive environments. The computational performance costs are higher butstill well fitting for real-time applications. This new model should warrant furtherdevelopment and a widening of possibilities in interactive environments.
Abstract [sv]
Bakgrund: Kabel simulering och liknande har användbara tillämpningar inommånga vitt skilda områden. Ett av dessa är användning i interaktiva realtidsapplika-tioner som videospel, träningsapplikationer, virtuell verklighet (VR) och förstärktverklighet (AR). Mycket arbete finns som beskriver nya och sofistikerade kabelsimu-leringsmetoder. Vissa svårigheter uppstår i realtidsapplikationer eftersom de flestakabelmodeller tenderar att skala dåligt med komplexitet och är svåra att imple-mentera utan att offra datorprestanda. Det finns lätta modeller som visar mycketbättre potential för detta område. Medföljer däremot vanligtvis kompromisser ikablarnas beteenden. Denna avhandling tar en av dessa mer effektiva modeller och utökar den för att korrekt hantera klämda kablar. Avsaknaden av klämda kablaransågs vara den största bristen hos den tidigare modellen. Att implementera demskulle skapa en mycket mindre begränsad modell som var väl lämpad för specifiktrealtida virtuella 2D-miljöer.
Syfte: Avhandlingen syftar till att utöka en tidigare utvecklad kabelsimuleringsmod-ell att kunna hantera kablar som klämts mellan kroppar. Implementeringen behövdebåde förbli effektiv och simuleringen behövde vara robust för att vara lämplig föranvändning i interaktiva miljöer. Arbetet var begränsat till 2D- miljöer och all im-plementation och testning utfördes endast för cirkulära kroppar.
Metod: Implementation användes för att utveckla en ny och elegant metod föratt hantera dynamiken hos klämda kablar. Experimentering användes sedan föratt stresstesta och mäta datorprestanda för den utökade modellen jämfört med dentidigare. Slutligen användes en användarstudie för att bekräfta att den utökadekabelmodellen gav önskade visuella resultat. Ett så kallat Two Alternative ForcedChoice (2AFC) test användes där deltagarna ombads att välja den simuleringsmodellsom verkade mest realistisk.
Resultat: Den implementerade kabelsimuleringsmodellen medförde vissa prestandakostnader jämfört med den tidigare modellen. De extra kostnaderna är proportionellamot de nya funktionerna som introducerats och borde vara tillräckligt effektiva förmånga realtidsapplikationer. Användarstudien hade mindre deltagande än önskat,men överlag finns det en preferens för den utökade modellen.
Slutsatser: Den utökade metoden hjälpte avsevärt till att ta bort användningsbe-gränsningar från den ursprungliga modellen, vilket gjorde den mycket mer tillämpbari interaktiva miljöer. Prestanda kostnaderna är högre men fortfarande väl lämpadeför realtidsapplikationer. Denna nya modell bör motivera ytterligare utveckling ochkan leda till utökade möjligheter inom interaktiva miljöer.
Place, publisher, year, edition, pages
2025. , p. 40
Keywords [en]
2D Cable Simulation, Real-Time Simulation, Multi-Body Dynamics
National Category
Computer graphics and computer vision
Identifiers
URN: urn:nbn:se:bth-27842OAI: oai:DiVA.org:bth-27842DiVA, id: diva2:1957835
Subject / course
Degree Project in Master of Science in Engineering 30,0 hp
Educational program
PAASP Master of Science in Engineering: Game and Software Engineering
Supervisors
Examiners
2025-06-162025-05-122025-09-30Bibliographically approved