A unified framework for rigid body dynamics

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A Unified Framework for Rigid Body Dynamics
MAGISTERARBEIT
zur Erlangung des akademischen Grades

DIPLOMINGENIEUR
im Magisterstudium

INFORMATIK
Angefertigt am Institut für Graphische und Parallele Datenverarbeitung

Eingereicht von: Helmut Garstenauer Betreuung: o. Univ.-Prof. Dr. Jens Volkert Mitbetreuung: Dipl.-Ing. Dr. Gerhard Kurka

Linz, März 2006

Abstract
Modern 3dapplications convince through models with high polygon counts, detailed textures, and advanced lighting techniques. The results are closer to photographic realism than ever before. But so often this illusion of a virtual world is lost as soon as objects start to move and interact. One method to improve the believability of moving, interacting objects is simulation of physics. Idealization of real worldobjects helps to simplify and speed up the simulation. One important idealization is a rigid body – a body that never changes its shape. The majority of objects in interactive 3d applications can be treated as rigid bodies or systems of connected rigid bodies. Examples are barrels, bricks, rocks, cupboards with movable doors, and even humans and animals with movable limbs. These rigid bodies cancollide with each other and are subject to forces, like gravity and friction, and constraints. Constraints are conditions that restrict the movement of bodies. For example, a joint constraint connects two bodies. This thesis summarizes the fundamentals of mechanics that are necessary to build a simulation of rigid body dynamics. A modular overview of the simulation process is given, and the stateof the art simulation methods will be examined. With this knowledge a framework for the simulation of rigid body dynamics in interactive 3d applications is presented. The designed framework is independent of special simulation methods and allows incorporating all examined simulation methods and physical effects.

Kurzfassung
Moderne 3D-Anwendungen überzeugen durch Modelle mit hohenPolygonzahlen, detaillierten Texturen und fortgeschrittenen Beleuchtungstechniken. Die Ergebnisse sind fotorealistischer als jemals zuvor. Doch oft geht die Illusion einer virtuellen Welt verloren, sobald Objekte anfangen sich zu bewegen und zu interagieren. Eine Methode, um die Glaubwürdigkeit von sich bewegenden, interagierenden Objekten zu verbessern, ist die Simulation von Physik. Die Idealisierung vonObjekten der realen Welt hilft die Simulation zu vereinfachen und zu beschleunigen. Eine wichtige Idealisierung ist ein Starrkörper – ein Körper, der seine Gestalt niemals verändert. Die Mehrheit der Objekte in interaktiven 3D-Anwendungen lassen sich als Starrkörper oder Systeme von verbundenen Starrkörpern beschreiben. Beispiele sind Fässer, Ziegel, Steine, Kästen mit beweglichen Türen, sogarMenschen und Tiere mit beweglichen Gliedern. Diese Starrkörper können miteinander kollidieren und werden von Kräften, wie Schwerkraft und Reibung, und Zwangsbedingungen beeinflusst. Zwangsbedingungen sind Bedingungen, die die Bewegung von Körper einschränken. Ein Beispiel ist ein Gelenk, das zwei Körper miteinander verbindet. Diese Magisterarbeit fasst die Grundlagen der Mechanik zusammen, dienotwendig sind um eine Simulation von Starrkörpern zu realisieren. Sie gibt einen modularen Überblick über den Simulationsprozess und untersucht die aktuellen Simulationsmethoden. Basierend auf diesem Wissen wird ein Framework für die Simulation von Starrkörper-Dynamik in interaktiven 3D-Anwendungen entwickelt. Das Framework vereinheitlicht bestehende Simulationsmethoden und ermöglicht die Verwendungaller untersuchten Simulationsverfahren und physikalischen Effekte.

Acknowledgments
I want to thank those individuals that have made my studies and this work possible through their technical, financial or personal support. Special thanks deserve those two beloved persons who have supported me for my whole live – my parents Stefanie and Konrad Garstenauer. Most of all I want to thank my twin...
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