Aceleração da deformação interativa de corpos sólidos usando GPU

Abstract

Aplicativos que visam simular o comportamento físico de corpos deformáveis são importantes ferramentas científicas, também exploradas em jogos e animações computacionais. O primeiro passo para fazer uma simulação é modelar o corpo que se deseja simular, e quanto mais preciso o modelo, maior será o conjunto de dados gerados. Para gerar gráficos com movimentos suaves é necessário que sejam gerados pelo menos 30 quadros por segundo. Se, no entanto, se deseja gerar gráficos interativos e essa interação inclui produzir resposta háptica – como retorno de força, por exemplo – o desempenho requerido se eleva a cerca de 1000 quadros por segundo para produzir transições suaves. Para atingir esse desempenho existem alternativas como CPUs rápidas com vários núcleos, clusters de processadores com uma rede de interconexão veloz e, recentemente, o uso do co-processador gráfico (GPU) que, além de eficiente é a alternativa mais barata. A possibilidade oferecida pelas atuais placas gráficas, de operar paralelamente sob vários dados, revigora os esforços voltados à simulação física. Assim, este trabalho se dedica a explorar a utilização do paradigma massivamente paralelo, popularizado pelas GPUs, na aceleração dos cálculos envolvidos nas iterações de um sistema de simulação de corpos deformáveis. Um esquema para simulação baseada em física de corpos deformáveis foi implementado em duas versões, uma na CPU e outra na GPU. Para medir e comparar seu desempenho, foi desenvolvida uma aplicação gráfica interativa que permite a interação háptica com retorno de força de uma ferramenta virtual com corpos deformáveis. Os resultados obtidos ajudam a ilustrar as vantagens e desvantagens introduzidas pelo uso desses dispositivos.

Applications which intend to simulate the physical behavior of deformable bodies are important scientific tools, also used in games and computer animation. The first step to make a physical simulation is to model the body which will be simulated. An accurate model will generate a large data set. At least 30 frames per second are necessary to generate graphics with smooth movements. However, if the goal is to generate interactive graphics and such interaction includes the rendering of haptic response – as force feedback, for example – the performance requirement grows up to around 1000 frames per second to obtain smooth transitions. There is a number of alternative ways to achieve such performance, like fast CPUs with multi cores, CPU clusters with an ultra fast network and, lately, the use of the graphics processing unit (GPU), an efficient and non-expensive alternative. The state-of-the-art graphics cards offer the possibility of many cores operating in parallel over a huge amount of data, and this brings a new impulse to the physical simulation efforts. Thus, this work explores the use of the GPU’s massively parallel paradigm to accelerate the simulation of deformable bodies. A schema for physics-based simulation of deformable bodies has been implemented in two versions, one targeted to the CPU and the other to the GPU. An interactive graphics application has also been developed to measure and compare the performance of the two implementations. Such application also provides haptic interaction with force feedback. The results obtained help in illustrating advantages and disadvantages in the use of such devices as the GPU in general purpose computation.