Massively Parallel Editing and Post-Processing of Unstructured Tetrahedral Meshes for Virtual Prototyping
Creators: name: Ströter, Daniel
name: :Unav
Publisher: name: Fraunhofer-Gesellschaft
Year: 2024
Subjects: Branche: Automotive Industry
Research Lines: Computer graphics (CG)
(Interactive) simulation (SIM)
LTA: Generation, capture, processing, and output of images and 3D models
Mesh-based modeling
Mesh simplification
GPU ray casting
GPU computing
FEM Simulation

description: Today, many tasks in industrial product development rely on virtual prototyping to reduce development time and resource costs. Although virtual prototyping provides significant simplification of product development through the use of computer-aided design and computer-aided engineering, it remains a laborious and time consuming process that involves a number of complex steps. Typically, product development teams optimize their prototypes for many design goals, e.g., economical use of material and stability under forces, which demands many iterations of virtual prototyping. Therefore, methods for the acceleration and shortening of virtual prototyping processes are important technological advances. This thesis presents massively parallel algorithms that exploit the impressive aggregated processing power of present-day general purpose graphics processing units to accelerate and shorten virtual prototyping. As virtual prototyping oftentimes involves the generation, optimization and adaptation of high-resolution volumetric meshes for numerical simulation, this thesis focuses on efficient processing of volumetric meshes. Unstructured tetrahedral meshes are a commonly used type of volumetric meshes, because they provide robust meshing and tetrahedra allow for good discretized approximation of surface features. Therefore, this thesis narrows its scope to unstructured tetrahedral meshes. In virtual prototyping, a number of properties of the tetrahedral mesh concerns the success of a numerical simulation. Important properties are the resolution of the mesh and the shape quality of the tetrahedral elements. Consequently, the optimization and re-meshing of tetrahedral meshes are common tasks in virtual prototyping. This thesis investigates parallelization strategies for tetrahedral mesh editing operations that are fundamental for mesh optimization and re-meshing. In addition, the robustness of the presented methods is a research objective, because successful acceleration of virtual prototyping is only achieved, if the presented methods function properly and produce meshes that are suitable for downstream numerical simulation. One of the primary overheads in virtual prototyping is that new prototype designs demand new discretization of boundary representations to a volumetric mesh. For this reason, virtual prototyping processes can be significantly shortened by methods for avoiding the repeated modeling of the prototype's boundary representations and subsequent mesh generation. In order to extend the facilities of shorter virtual prototyping iterations, this thesis explores user-interactive methods for directly editing the tetrahedral mesh without adjusting the boundary representations in a computer-aided design environment. The fast run time performance of massively parallel processing provides promising potential to achieve editing of high-resolution meshes at interactive rates. Every virtual prototyping process requires a method that allows the development team the visual analysis of the simulation results. In the visual analysis step, the development team typically applies post-processing to the mesh and its annotated simulation results. Since accurate numerical simulations might require high-resolution meshes, the use of graphics processing units is common for post-processing. For post-processing volumetric meshes, it is important to visualize the inner structures of the mesh to enable a complete analysis of the prototype. A common method for post-processing volumetric meshes is direct volume rendering. The direct volume rendering of high-resolution meshes requires comprehensive acceleration data structures for fast spatial search of mesh elements, which can lead to large memory consumption. Therefore, this thesis investigates memory-efficient post-processing of unstructured tetrahedral meshes for better management of the available memory capacity. This thesis presents a multitude of contributions for faster virtual prototyping. It presents conflict detection methods to determine dense sub-meshes for massively parallel edge/face flips and re-meshing. In addition, this thesis contributes a robust massively parallel method to relocate mesh vertices for first-order optimization methods. With the use of the presented methods, optimization and re-meshing of unstructured tetrahedral meshes can be accelerated by one or two orders of magnitude. For shortening virtual prototyping, this thesis presents user-interactive editing by user-selected face groups as well as deformation control to edit unstructured tetrahedral meshes. Due to massively parallel processing, these methods enable interactive mesh editing. The mesh editing includes measures for producing tetrahedral meshes of sufficient quality for downstream numerical simulations. For post-processing of unstructured tetrahedral meshes, this thesis presents a memory-efficient spatial data structure along with a method to coarsen meshes for direct volume rendering. The spatial data structure enables control over memory consumption by a tuning parameter. The coarsening can reduce high-resolution tetrahedral meshes to a quarter of the initial size while well-preserving most visual features.
description: In der industriellen Produktentwicklung wird heutzutage häufig auf virtuelles Prototyping zurückgegriffen, um Entwicklungszeit und Materialkosten zu sparen. Obwohl virtuelles Prototyping durch computergestütztes Design und computergestützter Simulation signifikante Einsparungen von Entwicklungszeit und Materialkosten ermöglicht, beinhaltet es mehrere aufwendige und komplexe Zwischenschritte. Üblicherweise optimieren professionelle Teams während der Produktentwicklung einen Prototypen auf eine Vielzahl an Zielsetzungen wie z. B. sparsamer Gebrauch von Ressourcen und Stabilität unter Einwirkung bestimmter physischer Belastungen. Dies erfordert in der Regel ein mehrmaliges Durchführen von virtuellem Prototyping. Deswegen sind Methoden für das Beschleunigen und das Verkürzen des Ablaufs von virtuellem Prototyping ein wichtiges Forschungsziel. Diese Dissertation beschäftigt sich mit massiv parallelen Algorithmen, welche die faszinierende gebündelte Rechenleistung von modernen Grafikkarten ausnutzen, um virtuelles Prototyping zu beschleunigen und dessen Ablauf um einige aufwendige Zwischenschritte zu verkürzen. Das virtuelle Prototyping involviert häufig die Erstellung, Optimierung und Anpassung hochauflösender volumetrischer Netze zum Zweck einer numerischen Simulation, weswegen die vorliegende Dissertation ihren Fokus auf die effiziente Verarbeitung volumetrischer Netze legt. Eine zur numerischen Simulation häufig eingesetzte Art von volumetrischen Netzen sind unstrukturierte Tetraedernetze, weil sie eine robuste Netzgenerierung bieten und die Geometrie eines Tetraeders eine feine Diskretisierung zur Approximation einer Oberfläche ermöglicht. Aufgrund dieser Vorteile konzentriert sich die vorliegende Dissertation auf unstrukturierte Tetraedernetze. Für das virtuelle Prototyping gilt es allerdings eine Vielzahl an Kriterien für eine erfolgreiche sowie genaue numerische Simulation zu beachten. Besonders maßgebliche Kriterien bestehen in der Auflösung des Netzes und der Qualität der geometrischen Form der Tetraederelemente. Daher finden Optimierung sowie lokale Neuvernetzung des Tetraedernetzes häufig Anwendung im virtuellem Prototyping. Um eine Beschleunigung der entsprechenden Verfahren zu erwirken, beschäftigt sich die vorliegende Dissertation mit Strategien zur massiven Parallelisierung grundlegender Operationen, welche Bestandteil von Verfahren zur Netzoptimierung und lokaler Neuvernetzung sind. Darüber hinaus ist die Robustheit der parallelen Algorithmen ein Forschungsschwerpunkt, weil Algorithmen nur dann erfolgreich in dem virtuellem Prototyping eingesetzt werden können, wenn die resultierenden Netze die Kriterien der nachfolgenden numerischen Simulation erfüllen. Einer der zeit intensivsten Aufwendungen beim virtuellen Prototyping besteht darin, dass die Anpassung eines Prototypentwurfes eine Änderung der mittels computergestütztem Designs erzeugten Freiformflächen und eine erneute Diskretisierung in ein volumetrisches Netz erfordert. Folglich können virtuelle Prototyping-Prozesse durch Methoden zur Vermeidung der wiederholten Anpassung der Freiformflächen des Prototyps und der anschließenden Netzgenerierung erheblich verkürzt werden. Um die Möglichkeiten zur Verkürzung virtueller Prototyping-Iterationen zu erweitern, werden in dieser Dissertation interaktive Methoden zur direkten Bearbeitung der Tetraedernetze ohne direkte Anpassung der Freiformflächen untersucht. Die schnelle Rechenleistung von massiv-parallelen Grafikkarten hat das Potenzial die Anpassung von hochauflösenden Tetraedernetzen auf interaktive Weise zu realisieren. Jeder Durchlauf eines virtuellen Prototyping-Prozesses benötigt eine Methode, um die Simulationsergebnisse visuell zu analysieren. Bei der visuellen Analyse wendet das Produktionsteam in der Regel Post-Processing an, welches das Tetraedernetz und die zugehörigen Simulationsergebnisse visualisiert. Für das Post-Processing volumetrischer Netze ist es oft entscheidend auch die inneren Strukturen des Volumens zu visualisieren. Eine häufig angewendete Methode zur Visualisierung volumetrischer Netze ist das sogenannte direkte Rendering von Volumen. Das direkte Rendering von hochauflösenden Netzen benötigt feingranulare räumliche Datenstrukturen, welche den Raum fein aufteilen, damit die räumliche Suche nach Elementen des Netzes effektiv beschleunigt wird. Dementsprechend kann eine räumliche Datenstruktur einen beträchtlichen Anteil des auf einer Grafikkarte verfügbaren Speichers belegen. Daher wird in dieser Dissertation speicher-effizientes Post-Processing von unstrukturierten Tetraedernetzen angestrebt. Die vorliegende Dissertation beinhaltet eine Vielfalt an Methoden für schnelleres virtuelles Prototyping. Sie präsentiert Verfahren zur Berechnung voneinander unabhängiger Teilnetze eines volumetrischen Netzes, welche das konfliktfreie Ausführen von lokaler Neuvernetzung der Teilnetze auf Grafikkarten ermöglicht. Des Weiteren beinhaltet die vorliegende Dissertation eine robuste sowie massiv parallele Methode zur Optimierung der Knotenpositionen basierend auf dem Verfahren des steilsten Abstiegs. Durch das Anwenden dieser Methoden kann die Optimierung und die Neuvernetzung von unstrukturierten Tetraedernetzen um ein bis zwei Größenordnungen beschleunigt werden. Um den Aufwand virtueller Prototyping-Prozesse zu reduzieren, präsentiert die vorliegende Dissertation Methoden, welche es einem Nutzer auf Basis von semantischen Flächengruppen oder Kontroll-Käfigen ermöglichen ein unstrukturiertes Tetraedernetz zu editieren. Aufgrund von geschickter Ausnutzung massive paralleler Grafikkarten, kann ein interaktives Editieren der Netze realisiert werden. Bei der Gestaltung dieser Methoden zur Netzeditierung wurden Maßnahmen ergriffen, um eine Tetraedernetze zu erzeugen, welche die Kriterien von numerischen Simulationen erfüllen. Darüber hinaus stellt die vorliegende Dissertation eine speicher-effiziente räumliche Datenstruktur vor, welche es mittels parametrisierter Konstruktion dem Nutzer ermöglicht den Speicherverbrauch zu steuern. Außerdem beschreibt die vorliegende Dissertation eine Methode zur Vereinfachung von unstrukturierten Tetradernetzen, welche die Anzahl der Tetraeder in einem Netz um drei Viertel reduzieren kann, ohne dass die Wahrheitsgetreue des Post-Processings signifikant beeinträchtigt wird.