Simulation und Visualisierung von Muskeln, Sehnen und Bändern

  • Die Darstellung photorealistischer Szenen durch Computer hat in Folge der Entwicklung immer effizienterer Algorithmen und leistungsfähigerer Hardware in den vergangenen Jahren gewaltige Fortschritte gemacht. Täuschend echt simulierte Spezialeffekte sind aus kaum einem Hollywood-Spielfilm mehr wegzudenken und sind zum Teil nur sehr schwierig als computergenerierte Bilder zu erkennen. Aufgrund der Komplexität von lebenden Organismen gibt es allerdings noch kein einwandfreies Verfahren, welches ein komplettes Lebewesen realistisch, sei es statisch oder in Bewegung, mit dem Computer simulieren kann. Im Bereich der Animation sind wirkungsvolle Resultate zu verzeichnen, da das Skelett eines Menschen oder Wirbeltieres durch geeignete Methoden simuliert und Bewegungen damit täuschend echt mit dem Computer nachgebildet werden können. Die Schwierigkeit, eine komplett realistische Visualisierung eines Lebewesens zu erreichen, liegt allerdings in der Darstellung weiterer Strukturen eines Organismus, die zwar nicht direkt sichtbar sind aber dennoch Einfluss auf die sichtbaren Bereiche haben. Bei diesen Strukturen handelt es sich um Muskel- und Fettgewebeschichten. Die Oberfläche von Figuren wird durch Muskeln sowohl in der Bewegung als auch in statischen Positionen deutlich sichtbar verändert. Dieser Effekt wird bisher bei der Visualisierung von Lebewesen nur unzureichend beachtet, was zu den aufgeführten nicht vollständig realistisch wirkenden Ergebnissen führt. Bei der Simulation von Muskeln wurden bis heute verschiedene Muskelmodelle entwickelt, die einen Muskel als Gesamtheit in Hinblick auf seine grundsätzlichen physikalischen Eigenschaften, wie z. B. Kraftentwicklung oder Kontraktionsgeschwindigkeit, sehr gut beschreiben. Viele Effekte des Muskels, die sich hauptsächlich auf einer tiefer liegenden Ebene abspielen, sind bis heute noch nicht erforscht, was folglich auch keine entsprechende Simulation auf dem Computer zulässt. Beschrieben werden die verschiedenen Muskeltypen (Skelett-, glatte und Herzmuskulatur) und Muskelformen (spindelförmige, einfach/doppelt gefiedert, etc.). Des weiteren wird auf die unterschiedlichen Muskelfasertypen (FTO, STO, usw.) mit ihren Eigenschaften und Funktionen eingegangen. Weitere Themen sind der strukturelle Aufbau eines Skelettmuskels, der Kontraktionsmechanismus und die Ansteuerung durch Nervenreize. Im Bereich Biomechanik, also der Forschung nach den physikalischen Vorgängen im Muskel, führte die Komplexität der Struktur und Funktionsweise eines Muskels zu einer ausgedehnten Vielfalt an Forschungsarbeiten. Zahlreiche Effekte, die bei einem arbeitenden Muskel beobachtet werden können, konnten bis heute noch nicht erklärt werden. Die Erkenntnisse, die für diese Arbeit relevant sind, sind jedoch in einem ausreichenden Maße erforscht und durch entsprechende mathematische Modelle repräsentierbar. Die Mechanik, die einem Muskel zugrunde liegt, wird auf diesen Modelle aufbauend beschrieben. Neben den Größen, die im später vorgestellten Modell verwendet worden sind, wird auch auf sonstige für biomechanische Untersuchungen relevante Eigenschaften eingegangen. Weiterhin wird dargestellt, wie verschiedene Kontraktionen (Einzelzuckung, Tetanus) mechanisch funktionieren. Für Muskelarbeit und Muskelleistung werden verschiedene Diagramme vorgestellt, welche die Zusammenhänge zwischen den physikalischen Größen Kraft, Geschwindigkeit, Arbeit und Leistung zeigen. Nach Vorstellung der ISOFIT-Methode zur Bestimmung von Muskel-Sehnen-Eigenschaften werden mathematische Formeln und Gleichungen zur Beschreibung von Kraft-Geschwindigkeits- und Kraft-Längen-Verhältnissen sowie der serienelastischen Komponente und der Muskelaktivierung, die zur Bewegungsgleichung führen, angegeben. Es folgen weitere mathematische Funktionen, welche die Aktivierungsvorgänge unterschiedlicher Muskelkontraktionen beschreiben, sowie das Muskelmodell nach Hill, welches seit vielen Jahren eine geeignete Basis für Forschungen im Bereich der Biomechanik darstellt. Bezüglich der Computergraphik wird ein kurzer Abriss gegeben, wie künstliche Menschen modelliert und animiert werden. Eine Übersicht über verschiedene Methoden zur Repräsentation der Oberfläche von Körpern, sowie deren Deformation unter Berücksichtigung der Einwirkung von Muskeln gibt die State-of-the-Art-Recherche. Neben den Oberflächenmodellen (Starrkörperdeformation, lokale Oberflächen-Operatoren, Skinning, Konturverformung, Deformation durch Keyshapes) werden auch Volumen- (Körperrepräsentation durch Primitive, Iso-Flächen) und Multi-Layer-Modelle (3-Layer-Modell, 4-Layer-Modell) vorgestellt und deren Vor- und Nachteile herausgearbeitet. Eine geeignete Repräsentation der Oberfläche, die Verformungen durch Muskelaktivität einbezieht, wurde durch die Benutzung von Pneus gekoppelt mit der Quaoaring-Technik gefunden. Dieses Verfahren, das auf Beobachtungen aus der Biologie basiert und zur Darstellung von organischen Körpern benutzt wird, ist ausgesprochen passend, um einen Muskel-Sehnen-Apparat graphisch darzustellen, handelt es sich doch hierbei auch um eine organische Struktur. Um die beiden Teilmodelle Simulation und Visualisierung zu verbinden, bietet sich die aus der Biomechanik bekannte Actionline an, die eine imaginäre Kraftlinie im Muskel und der Sehne darstellt. Die bei der Quaoaring-Methode verwendete Centerline, welches die Basis zur Modellierung des volumenkonstanten Körpers ist, kann durch die Kopplung an die physikalischen Vorgänge zu einer solchen Actionline erweitert werden. Veränderungen in der Länge und des Verlaufs der Actionline z. B. durch Muskelkontraktion wirken sich dadurch direkt auf die Form des Muskels aus und die Verbindung zur Visualisierung ist hergestellt.
  • The representation of photoreakistic scenes on a computer made huge progress in the past few years due to the development of efficient and powerful algorhitms. Most of the current Hollywood motion pictures are full off deceitful real simulated special effects which are hard to identify as computer generated pictures. Because of the complexitiy of living organisms there is no acceptable system to simulate a complete creature realisticly, be it static or in motion. In the range of animation there are effective results because the sceleton of a human or vertebrate can be simulated by appropriate methods and movements look decitful real. The hassle of getting a complete realisitc visualisation of a creature is found in the representation of further structures of an organism, which are not directly visible but are influencing the visible parts. Theses structures are muscle and fat tissues. The surface of models is being modified during motion as well as in static positions in a noticable visible way. This effect was attended only insufficiently which leads to the mentioned not completely realistic results. For the simulation of muscles several models were developed which describe very well the physical properties like development of force and contraction speed. A lots of muscle effects, to happen on a much underlying level, are not explored yet that does not allow an appropriate simulation on the computer. The various muscle types are being specified (skeletal muscle, smooth muscle, cardiac muscle) and muscle forms (fusiform, single/double feathered, ect.). Furthermore the different muscle fibre types (FTO, STO and so on) are discussed together with their properties and functions. Additional subjects are the structural organisation of a skeletal muscle, the contraction mechanism and the activation by nervous stimulus. Regarding biomechanics, the research of physical activities inside a muscle, the complexity of the structure and functionality of a muscle leads to an extensive variety of research work. Several effects, observed at a working muscle, could not be explained. However the explanations which are important for this work are investigated on a sufficient degree and representable by appropriate mathematical models. The mechanics that underlie a muscle is described by these models. Beside the items that are used by the model which is presented later, it will be dwelled on some other biomechanic properties as well. Furthermore it is shown how different types of contraction (single convulsion, tetanus) work mechanically. Regarding muscle work and muscle capacitiy several diagrams are presented which show the correlation between the physical values force, velocity, work and power. After introducing the ISOFIT-method to determine the muscle-tendon-relation, mathematical formulas and equations of force-velocity-relations and force-length-relations are specified. Additional mathematical functions which describe the activation process of varying muscle contractions as well as the muscle model by Hill, that forms a suitable base for research in biomechanics since years. In respect of computer graphics a short summary how artificial humans are modelled and animated is given. An overview of different approaches to represent the surface of a body as well as their deformation in consideration of the influence of muscles is shown by the state-of-the-art-research. Beside the surface models (rigid body deformation, local surface operators, skinning, contour deformation, deformation by keyframes), volume models (body represation by primitives, iso surfaces) and multi-layer-models (3-layer-model, 4-layer-model) as well as their advantages and disadvantages are presented. An appropriate representation of a surface which takes muscle activity into account is found by using pneus coupled with the Quaoaring technique. This system which is based on studies in biology and is used to represent organic bodies fits markedly to represent the muscle tendon apparatus graphically as well, as this is also an organic structure. To connect simulation and visualisation, biomechanics give the action line, an imaginary force line inside a muscle and tendon. The center line which is used by the Quaoaring technique to model a volume constant body can be expanded to an action line by linking it to the physical processes in a muscle. Modifications to the length and course of an action line, e.g. by muscle contraction, therefore influence the form of a muscle and the connection to visualisation is granted.

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Metadaten
Author:Armin Burger
URN:urn:nbn:de:hebis:30-27922
Referee:Detlef KrömkerGND
Document Type:diplomthesis
Language:German
Year of Completion:2004
Year of first Publication:2004
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Release Date:2006/06/16
Last Page:108
Note:
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HeBIS-PPN:185529240
Institutes:Informatik und Mathematik / Informatik
Dewey Decimal Classification:0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 004 Datenverarbeitung; Informatik
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