STC: 위치 기반 동역학을 위한 피부 인장 제약 모델
STC: A Skin Tension Constraint Model for Position-Based Dynamics
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초록
정밀하고 실시간성이 요구되는 연부 조직 시뮬레이션은 가상 외과 수술 훈련 시스템의 핵심 요소 중 하나이다. 본 연구에서는 피부의 방향성 인장 반응을 더욱 효과적으로 표현하기 위해, 위치 기반 동역학(Position-Based Dy namics, PBD) 체계에 피부 장력 제약(Skin Tension Constraint, STC)을 도입하였다. 기존 거리 및 부피 제약이 갖 는 표현상의 한계를 보완하기 위해, STC는 삼각형 면의 면적 변화와 법선 방향을 활용하여 피부 표면에서 발 생하는 장력 반응을 간접적으로 모사한다. 또한 CT 기반 밀도 정보를 바탕으로 피부 경계를 자동 추출하고, G PU 기반 병렬 처리가 가능하도록 기존 그룹핑 체계에 통합할 수 있는 형태로 STC 구조를 설계하였다. 정적 절 개 시나리오를 통해 STC 적용 여부에 따른 시뮬레이션 결과의 차이를 관찰한 결과, 피부의 변형 및 분리 거동 을 더욱 자연스럽게 표현할 가능성을 확인하였다. 본 연구는 PBD 기반 구조 내에서 피부 반응 표현의 확장 가능성을 제시한다.
Abstract
Accurate and real-time deformable tissue simulation is a key component of virtual surgical training systems. This study intro duces a Skin Tension Constraint (STC) into the Position-Based Dynamics (PBD) framework to more effectively model the d irectional tensile behavior of the skin. To complement the limitations of conventional distance and volume constraints, STC indirectly simulates tensile responses on the skin surface using area changes and normal directions of triangular mesh eleme nts. Additionally, the skin boundary is automatically extracted using CT-based density information, and the STC structure is designed to be compatible with existing grouping schemes for efficient GPU-based parallel processing. A static incision scen ario was used to observe the difference in simulation outcomes depending on the presence of STC, and the results suggest that the proposed method can more naturally represent skin deformation and separation. This study presents a potential exte nsion for modeling skin responses within the PBD framework.