Improving real-time simulation of soft tissues using eXtended Position Based Dynamics with GPU

Soft tissues simulation is a challenging research field for many medical applications. By being able to accurately model soft tissues, applications such as medical training simulations, image-guided surgical operations and injury analysis are able to effectively reproduce the behavior of complex human body structures. This facilitates more effective study and interaction with anatomical models. While many models have been proposed to simulate soft bodies, a major bottleneck has always been the heavy computational workload required to correctly model and reproduce complex elastic and mechanical interactions between structures in the human body. The aim of this work is to develop an effective application to simulate soft tissues in real time leveraging the computational power offered by graphics processing units(GPUs), implementing a parallel version of the Extended Position Based Dynamics framework, characterized by high accuracy and real time feasibility. Furthermore, we provide an easy and portable way to simulate and visualize soft bodies, building a simple graphics renderer using Vulkan API. The effectiveness of the developed system is evaluated through a series of tests aimed at assessing its accuracy and performance, with a focus on providing realistic visual representation alongside computational efficiency.

La simulazione dei tessuti molli è un campo di ricerca complesso con numerose applicazioni mediche. La modellazione accurata dei tessuti molli consente progressi in svariate applicazioni, ad esempio simulazioni per la formazione medica, procedure chirurgiche guidate da immagini e analisi di lesioni e infortuni, riproducendo in modo realistico il comportamento di strutture anatomiche complesse. Ciò facilita lo studio e l'osservazione dei modelli anatomici. Nonostante lo sviluppo di varie metodologie di simulazione dei corpi deformabili, una delle principali sfide rimane l'elevato carico computazionale necessario per modellare e riprodurre accuratamente le complesse interazioni elastiche e meccaniche dei tessuti molli. Questa tesi si propone di sviluppare un'efficiente simulazione dei tessuti molli in tempo reale, sfruttando la potenza di calcolo delle unità di elaborazione grafica (GPU) e implementando una versione parallela del modello Extended Position Based Dynamics (XPBD), caratterizzato da un'elevata accuratezza unita alla possibilità di essere eseguito in tempo reale. Inoltre, l'implementazione è progettata per essere portabile e accessibile attraverso le API Vulkan, utilizzate anche per la resa grafica dei modelli simulati. L'efficacia del sistema proposto viene valutata attraverso una serie di test finalizzati a misurarne accuratezza e prestazioni, con un'attenzione particolare alla resa visiva realistica e all'efficienza computazionale.