Interactive project review of deformable parts through haptic interfaces in Virtual Reality

Physical prototypes are increasingly replaced by virtual prototypes in the industrial implementation of Product Lifecycle Management. The design evaluation of an industrial deformable mechanical part plays a crucial role in term of validating its functional properties. From the industrial point of view, a deformable model formu- lated by the Finite Element Method is normally employed. However, the employment of the model is not straightforward for real-time interactions, especially when haptic interfaces are introduced into these deformation evaluation applications. Recently, a pre-computation approach based on the model reduction method was commonly used to reduce the real-time computational loads. The main goal of this thesis is to extend the pre-computation approach toward the design validation of deformable mechanical parts to investigate the trade-off issue between the deformation accuracy and the interaction performance. The key idea is to conceive techniques treating the off-line pre-computations and the on-line haptic interactions. Particularly, we develop a real-time deformation simulation framework by proposing a two-stage method combining an off-line phase and an on-line phase. During the off-line phase, we compute deformation spaces based on the modal analy- sis. The off-line pre-computations contribute to the modelling of a costless real-time deformation model which is suitable for haptic interactions. Furthermore, we propose an off-line mesh analysis method to pre-compute modal deformation spaces regard- ing the anticipated deformation evaluation scenarios. A real-time switch among these different spaces is developed so that the on-line deformation computations can focus on degrees of freedom where are necessary. During the on-line phase, we divide the real-time deformation computation process into two separate modules which are im- plemented on different threads to ensure the real-time haptic interaction performance. One module is dedicated to the haptic update task, which is implemented by extracting a sub-matrix from the pre-computed modal matrix, while the other module is dedicated to the deformation computation and visualization task. To verify the proposed method in the thesis, we carry out interaction experiments by interacting with different models with an increasing complexity. Experimental re- sults show that our method can efficiently handle the trade-off issue, as the deformation modelling is formulated by the finite element method which guarantees the deformation accuracy. And moreover, the heavy computations of large elastic systems are occurred off-line which assure a costless deformation response model in real-timePrototypes physiques sont de plus en plus remplacé par des prototypes virtuels dans la mise en {\oe}uvre industrielle de Product Lifecycle Management. L'évaluation de la conception d'une pièce mécanique industrielle déformable joue un rôle important en terme de validation de ses propriétés fonctionnelles. Du point de vue industriel, un modèle déformable formulées par la méthode des éléments finis est habituellement employée. Toutefois, l'emploi du modèle n'est pas simple en temps réel interactions, en particulier lorsque les interfaces haptiques sont introduits dans ces déformation demandes d'évaluation. Récemment, une approche de pré-calcul basé sur la méthode de réduction de modèle a été largement utilisée pour réduire les charges de calcul en temps réel. L'objectif principal de cette thèse est d'étendre l'approche de pré-calcul vers la validation de la conception de pièces mécaniques déformables pour enquêter sur la question de compromis entre l'exactitude de déformation et de la performance interaction. L'idée principale est de concevoir des techniques de traitement hors-ligne de pré-calculs et les interactions en ligne haptique. En particulier, nous développons un système de déformation en temps réel de simulation en proposant une méthode en deux étapes, associant une phase hors-ligne et une phase en ligne. Au cours de la phase hors-ligne, nous calculons la déformation des espaces basée sur l'analyse modale. Le hors-ligne de pré-calculs contribuer à la modélisation d'un modèle de déformation en temps réel sans coût qui convient à des interactions haptiques. En outre, nous proposons une méthode de maillage hors-ligne analyse de pré-calculer les espaces déformation modale en ce qui concerne les scénarios prévus évaluation déformation. Un interrupteur en temps réel entre ces différents espaces est développé de telle sorte que les calculs de déformation en ligne peuvent se concentrer sur les degrés de liberté où sont nécessaires. Au cours de la phase en ligne, nous divisons le processus de déformation en temps réel de calcul en deux modules distincts qui sont mis en {\oe}uvre sur différents processus pour assurer l'exécution interaction en temps réel haptique. Un module est consacré à la tâche de mise haptique, qui est mis en {\oe}uvre par l'extraction d'une sous-matrice de la pré-calculées matrice modale, tout en l'autre module est consacré au calcul de déformation et de la tâche de visualisation. Pour vérifier la méthode proposée dans cette thèse, nous réalisons des expériences d'interaction en interagissant avec les différents modèles avec une complexité croissante. Les résultats expérimentaux montrent que notre méthode peut traiter efficacement la question de compromis, que la modélisation de la déformation est formulée par la méthode des éléments finis qui garantit la précision de déformation. Et d'ailleurs, les calculs lourds de grands systèmes élastiques sont survenus hors ligne qui assurent un modèle de déformation sans coûts d'intervention en temps réel