Rigid body dynamics and Kalman filtering

X-ray computed log tomography has always been applied for qualitative reconstructions. In most cases, a series of consecutive slices of the timber are scanned to estimate the 3D image reconstruction of the entire log. However, the unexpected movement of the timber under study influences the quality of image reconstruction since the position and orientation of some scanned slices can be incorrectly estimated. In addition, the reconstruction time remains a significant challenge for practical applications. The present study investigates the possibility to employ modern physics engines for the problem of estimating the position of a moving rigid body and its scanned slices which are subject to X-ray computed tomography. The current work includes implementations of the extended Kalman filter and an algebraic reconstruction method for fan-bean computer tomography. In addition, modern techniques such as NVidia PhysX and CUDA are used in current study. As the result, it is numerically shown that it is possible to apply the extended Kalman filter together with a real-time physics engine, known as PhysX, in order to determine the position of a moving object. It is shown that the position of the rigid body can be determined based only on reconstructions of its slices. However, the simulation of the body movement sometimes is subject to an error during Kalman filter employment as PhysX is not always able to continue simulating the movement properly because of incorrect state estimation.

Reconstruction of 3D Planar Objects with Partial Occlusion

Kolmiulotteisten kappaleiden rekonstruktio on yksi konenäön haastavimmista ongelmista, koska kappaleiden kolmiulotteisia etäisyyksiä ei voida selvittää yhdestä kaksiulotteisesta kuvasta. Ongelma voidaan ratkaista stereonäön avulla, jossa näkymän kolmiulotteinen rakenne päätellään usean kuvan perusteella. Tämä lähestymistapa mahdollistaa kuitenkin vain rekonstruktion niille kappaleiden osille, jotka näkyvät vähintään kahdessa kuvassa. Piilossa olevien osien rekonstruktio ei ole mahdollista pelkästään stereonäön avulla. Tässä työssä on kehitetty uusi menetelmä osittain piilossa olevien kolmiulotteisten tasomaisten kappaleiden rekonstruktioon. Menetelmän avulla voidaan selvittää hyvällä tarkkuudella tasomaisista pinnoista koostuvan kappaleen muoto ja paikka käyttäen kahta kuvaa kappaleesta. Menetelmä perustuu epipolaarigeometriaan, jonka avulla selvitetään molemmissa kuvissa näkyvät kappaleiden osat. Osittain piilossa olevien piirteiden rekonstruointi suoritetaan käyttämäen stereonäköä sekä tietoa kappaleen rakenteesta. Esitettyä ratkaisua voitaisiin käyttää esimerkiksi kolmiulotteisten kappaleiden visualisointiin, robotin navigointiin tai esineentunnistukseen.

3D Surface Modeling From Point Clouds

The goal of this thesis is to implement software for creating 3D models from point clouds. Point clouds are acquired with stereo cameras, monocular systems or laser scanners. The created 3D models are triangular models or NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) models. Triangular models are constructed from selected areas from the point clouds and resulted triangular models are translated into a set of quads. The quads are further translated into an estimated grid structure and used for NURBS surface approximation. Finally, we have a set of NURBS surfaces which represent the whole model. The problem wasn’t so easy to solve. The selected triangular surface reconstruction algorithm did not deal well with noise in point clouds. To handle this problem, a clustering method is introduced for simplificating the model and removing noise. As we had better results with the smaller point clouds produced by clustering, we used points in clusters to better estimate the grids for NURBS models. The overall results were good when the point cloud did not have much noise. The point clouds with small amount of error had good results as the triangular model was solid. NURBS surface reconstruction performed well on solid models.

3D-partikkelit aloittelijoille : tarkastelussa 3D-Kalevala-projekti

Opinnäytteeni teososana on 3D-Kalevala projektinimellä tunnetun animaation partikkeliefektit. Tarkastelen tarkemmin elokuvan Lumi-, Kylä-, Paja- ja Luola-kohtauksia. 3D-Kalevala on tietokoneella tehty animaatio, joka kertoo Suomen kansalliseepoksen Kalevalan päähenkilöstä Väinämöisestä. Elokuvassa vanha Väinämöinen muistelee nuoruutensa tapahtumia. 3D-Kalevala-projekti käynnistettiin vuonna 2003, mutta sen alkuperäiset tekijät eivät saaneet sitä valmiiksi, ja projektin teko keskeytettiin vuonna 2005. Vuoden 2006 keväällä projektiin perustettiin uusi kahden verkkoviestinnän opiskelijan projektiryhmä, jonka tehtävänä oli saada elokuva valmiiksi vuoden 2007 kevääseen mennessä. Kun aloitimme projektin tekemisen, olin kolmiulotteisessa mallinnuksessa aloittelija. Tästä johtuen opinnäytteen kirjallinen osa on opas aloittelijoille partikkelien maailmaan. Selvitän raportissani miten elokuvan partikkeliefektit rakennettiin, mitä niiden tekeminen minulta vaati ja miten ne loppujen lopuksi mielestäni onnistuivat. Elokuvan efektit tehtiin 3D Studio Max-ohjelman versiolla 6.0, ja tämän takia kirjoitankin efektien rakentamisesta kyseisen ohjelman keinoin. Projektin suuruuden vuoksi molemmat tekijät pääsivät tekemään monenlaisia töitä, mutta päävastuualueet olivat selvät. Minun osani oli tehdä elokuvaan efektejä. Partikkeliefektit ovat proseduraalisia efektejä, joiden avulla on mahdollista tehdä aidon näköisiä luonnonilmiöitä, kuten tulta, savua, kipinöitä ja veden roiskeita. Koska partikkeliefektit mallintavat reaalimaailman ilmiöitä, on tekijän hyvä olla kiinnostunut selvittämään ilmiöiden käyttäytymistä luonnossa. Raportoin myös projektin aikana huomaamistani hyvistä tavoista opiskella itsenäisesti partikkelien rakentamiseen käytettyjä tekniikoita. On hyvä lukea 3D Studio Maxin tasokasta käyttöohjesovellusta, tutustua Internetissä löytyviin 3D-aiheisiin foorumeihin, käydä aiheesta tutoriaaleja läpi sekä tutustua ohjelman ominaisuuksiin kokeilemalla ja tutkimalla itsenäisesti. Elokuvan efektit onnistuivat mielestäni kiitettävästi ottaen huomioon lähtötasoni. Löysin tapoja kehittää itseäni ja helppoja keinoja toteuttaa realistista jälkeä efektien rakentamisessa. Toivon, että raportistani olisi jollekin 3D-partikkeliefekteistä kiinnostuneelle hyötyä.

Keskeytyneen uusmediatuotannon jatkaminen : kohteena 3D-Kalevala

Opinnäytetyöni aiheena on keskeytyneen uusmediatuotannon jatkaminen. Monimuototyön työosana toteutettiin 7-minuuttinen 3D animaatio, joka kertoo Suomen kansalliseepoksen Kalevalan taruhahmosta Väinämöisestä, muistelemassa menneitä. Projekti käynnistettiin alun perin vuonna 2003, mutta resurssien vähetessä se keskeytyi vuoden 2005 loppupuolella. Keväällä 2006 projekti käynnistettiin uuden projektiryhmän voimin, jossa olin itse mukana vastaten muun muassa tuotannonohjauksesta ja hahmoanimoinneista. Uusi projektiryhmä oli henkilöstöresursseiltaan pieni, joten vastuualueet olivat monipuolisia. Keskeytyneen projektin jatkamisen ja haltuunoton haasteellisuus sai minut kiinnostumaan tutkia aihetta tarkemmin. Tuotannonohjaajana vastasin hyvin pitkälle tuotannon uudesta käynnistämisestä ja projektin saattamisesta vihdoin loppuun. Keskeytyneen projektin haltuunotto oli tilanteena kaikille uusi, mikä heijastui vaikeuksina uudelleen käynnistettyyn tuotantoon. Raportin tarkoituksena ei ole olla projektinhallinnallinen käsikirja, sillä käsittelen vain tämän projektin jatkolle oleellisina pidettyjä asioita. Projekti toivottavasti kuitenkin antaa kuvan huolellisen projektinhallinnan ja onnistuneen tuotannonohjauksen tärkeydestä. Jokainen keskeytynyt projekti ei ole aina välttämättä elvytettävissä - ainakaan alkuperäisessä muodossaan. Projektin jatkamista tulisi katsoa aina tapauskohtaisesti. Keskeytymiseen on useimmiten syynsä, joten ongelmien selvittäminen ja niihin puuttuminen on tärkeää ennen jatkopäätöksen tekemistä. Myös projektityöskentelytavat kehittyvät ja pohdin työssäni uusien projektinhallintatapojen, kuten wikien käyttöä projektinhallinnan työkaluna ja projektiyhteisön välistä viestintää edistävänä työkaluna.

A simple device for sampling of volumetric forest soil cores

Summary

The reconstruction of social meaning in the space of flows

Artikkeli on alunperin julkaistu teoksessa: The informational city (1989) / Manuel Castells

Development of Craniofacial Bone Defect Reconstruction Implant Based on Fibre-Reinforced Composite with Photopolymerisable Resin Systems. Experimental studies in vitro and in vivo.

Reconstruction of defects in the craniomaxillofacial (CMF) area has mainly been based on bone grafts or metallic fixing plates and screws. Particularly in the case of large calvarial and/or craniofacial defects caused by trauma, tumours or congenital malformations, there is a need for reliable reconstruction biomaterials, because bone grafts or metallic fixing systems do not completely fulfill the criteria for the best possible reconstruction methods in these complicated cases. In this series of studies, the usability of fibre-reinforced composite (FRC) was studied as a biostable, nonmetallic alternative material for reconstructing artificially created bone defects in frontal and calvarial areas of rabbits. The experimental part of this work describes the different stages of the product development process from the first in vitro tests with resin-impregnated fibrereinforced composites to the in vivo animal studies, in which this FRC was tested as an implant material for reconstructing different size bone defects in rabbit frontal and calvarial areas. In the first in vitro study, the FRC was polymerised in contact with bone or blood in the laboratory. The polymerised FRC samples were then incubated in water, which was analysed for residual monomer content by using high performance liquid chromatography (HPLC). It was found that this in vitro polymerisation in contact with bone and blood did not markedly increase the residual monomer leaching from the FRC. In the second in vitro study, different adhesive systems were tested in fixing the implant to bone surface. This was done to find an alternative implant fixing system to screws and pins. On the basis of this study, it was found that the surface of the calvarial bone needed both mechanical and chemical treatments before the resinimpregnated FRC could be properly fixed onto it. In three animal studies performed with rabbit frontal bone defects and critical size calvarial bone defect models, biological responses to the FRC implants were evaluated. On the basis of theseevaluations, it can be concluded that the FRC, based on E-glass (electrical glass) fibres forming a porous fibre veil enables the ingrowth of connective tissues to the inner structures of the material, as well as the bone formation and mineralization inside the fibre veil. Bone formation could be enhanced by using bioactive glass granules fixed to the FRC implants. FRC-implanted bone defects healed partly; no total healing of defects was achieved. Biological responses during the follow-up time, at a maximum of 12 weeks, to resin-impregnated composite implant seemed to depend on the polymerization time of the resin matrix of the FRC. Both of the studied resin systems used in the FRC were photopolymerised and the heat-induced postpolymerisation was used additionally.

Performance analysis of software run-time behaviour using 3D-visualisation

Monimutkaisen tietokonejärjestelmän suorituskykyoptimointi edellyttää järjestelmän ajonaikaisen käyttäytymisen ymmärtämistä. Ohjelmiston koon ja monimutkaisuuden kasvun myötä suorituskykyoptimointi tulee yhä tärkeämmäksi osaksi tuotekehitysprosessia. Tehokkaampien prosessorien käytön myötä myös energiankulutus ja lämmöntuotto ovat nousseet yhä suuremmiksi ongelmiksi, erityisesti pienissä, kannettavissa laitteissa. Lämpö- ja energiaongelmien rajoittamiseksi on kehitetty suorituskyvyn skaalausmenetelmiä, jotka edelleen lisäävät järjestelmän kompleksisuutta ja suorituskykyoptimoinnin tarvetta. Tässä työssä kehitettiin visualisointi- ja analysointityökalu ajonaikaisen käyttäytymisen ymmärtämisen helpottamiseksi. Lisäksi kehitettiin suorituskyvyn mitta, joka mahdollistaa erilaisten skaalausmenetelmien vertailun ja arvioimisen suoritusympäristöstä riippumatta, perustuen joko suoritustallenteen tai teoreettiseen analyysiin. Työkalu esittää ajonaikaisesti kerätyn tallenteen helposti ymmärrettävällä tavalla. Se näyttää mm. prosessit, prosessorikuorman, skaalausmenetelmien toiminnan sekä energiankulutuksen kolmiulotteista grafiikkaa käyttäen. Työkalu tuottaa myös käyttäjän valitsemasta osasta suorituskuvaa numeerista tietoa, joka sisältää useita oleellisia suorituskykyarvoja ja tilastotietoa. Työkalun sovellettavuutta tarkasteltiin todellisesta laitteesta saatua suoritustallennetta sekä suorituskyvyn skaalauksen simulointia analysoimalla. Skaalausmekanismin parametrien vaikutus simuloidun laitteen suorituskykyyn analysoitiin.

3D-muodot tuoliaihion muotopuristuksessa

Diplomityössä tutkittiin muotopuristeissa käytettävien viilujen soveltuvuutta yhteistyöyrityksen, VK Valmiskaluste Oy:n, valmistaman lepotuolin materiaaliksi. Tuoliaihion muoto edellytti viilun taivuttamista kahteen suuntaan, eli kyseessä oli ns. 3D-muoto. Muotopuristeita valmistavissa yrityksissä tehtyjen haastattelujen perusteella valittiin viilumateriaalit ja mitattiin niiden murtovenymä. Materiaaleja testattiin puristamalla tuoliaihioita. Aihionmuoto edellytti viilulta vähintään 3,3 %:n venyvyyttä. Koepuristuksetvahvistivat murtovenymätestauksen tulokset, eli tutkitun aihion pintarakenne säilyi ehjänä käyttämällä paperitaustaista viilua tai 3D-muotoihin tarkoitettua 3D-viilua. Kirjallisuusosiossa on selvitetty taivutettavuuteen vaikuttavia tekijöitä ja viilun rakenteen muokkausta taivutettavuuden parantamiseksi .

Prosessilaitosten asennusjärjestyksen simulointi 3D-malleilla

Työn tavoitteena on haihduttamon asennusjärjestyksen havainnollistaminen 3D animaatiota hyväksikäyttäen, sekä sen hyödyntäminen niin myynti- kuin asennusneuvotteluissa. Kirjallinen osio perustuu tehtyyn 3D-animaatioon, joka onjaettu kolmeen pääalueeseen. Ensimmäisessä vaiheessa kerrotaan lyhyesti Andritz Oy:n liiketoiminnasta sekä selvitetään haihduttamoprosessin toimintaperiaatteet. Toinen alue käsittää toimintaprojektin, jossa tuotettu 3D-animaatio linkitetään sen käyttöympäristöön. Kolmannessa alueessa käydään läpi 3D-animaation tekoon liittyvät asiat. Lopuksi ennen yhteenvetoa käydään vielä läpi käyttäjien kommentit tehdystä animaatiosta.

3D-robottipoimintajärjestelmän kehittäminen

Lasertekniikkaa hyödyntävä 3D-kuvaustekniikka tuo uusia mahdollisuuksia robotilla suoritettavaan kasastapoimintaan. Kasasta otetun syvyyskuvan avulla tuotteista voidaan määrittää perinteisen XY-paikkatiedon lisäksi tuotteen korkeus- ja asentotieto. Näitä uusia ominaisuuksia hyödyntämällä robotilla voidaan suorittaa yksittäisen tuotteen poiminta kasasta eri korkeuksilta ja eri asennoista. Diplomityö kuuluu osana Master Automation Groupin ensimmäiseen 3D-tekniikkaan perustuvaan MAG PixCell 3D -robosoituun kappaleenkäsittelysoluun. Työn tavoitteena on kehittääsyvyyskuvan käsittelyyn algoritmeja, joiden avulla robotilla voidaan poimia yksitellen kasassa olevia metallisia saksen teriä. Algoritmien tarkoituksena on varmistaa kasasta löydettyjen terien poimittavuus sekä määrittää poimittavien terien korkeudet ja asennot. Tarkastusten jälkeen robotille välitetään terien XYZ-koordinaatti- ja asentotiedot.

3D-suunnittelujärjestelmän ja tuotetiedonhallintajärjestelmän integrointi

3D-suunnittelujärjestelmät ovat tärkeitä työkaluja tuotetiedon luomista ja muokkaamista varten, joten niiden tehokas toiminta yhdessä tuotetiedonhallintajärjestelmien kanssa on erittäin tärkeää. 3D-suunnittelujärjestelmien kehityksen seurauksena 3D-malleihin voidaan sisällyttää entistä enemmän tuotetietoa, jolloin tehokas tiedon tallentaminen ja sen hallinta kasvattaa merkitystään. 3D-malleihin sisältyvää tietoa, kuten esimerkiksi kappaleen painoa tai geometriaa, halutaan myös tarkastella ilman tiettyä 3D-järjestelmää. Tuotetiedon hallinta on ollut jo pitkään tärkeä osa tuotteen suunnitteluprosessia. Tuotetiedon hallintaan sisältyy tiedon luomista, keräämistä ja muokkaamista koko tuotteen eliniän ajan. Näitä tietoja voivat olla esimerkiksi piirustukset, 3D-mallit, mittauspöytäkirjat, kokouspöytäkirjat, mallistoluettelot, lujuuslaskelmat, huoltoraportit jne. Tuotetiedonhallintajärjestelmä pitää huolta kaikesta tästä tiedosta ja sen kautta tuotteisiin liittyvää tietoa voidaan myös muokata ja jakaa tehokkaasti. Tässä diplomityössä tutkittiin näiden kahden järjestelmän integraation toteutusta erilaisilla menetelmillä. Työn tarkoituksena oli valita Valtra Oy:n tarkoituksiin parhaiten sopiva menetelmä tuotetiedon siirtämiseksi järjestelmien välillä tehokkaasti. Työn tuloksena annetaan suositus käytettävistä menetelmistä ja työkaluista.

Tuotteen suunnitteluketjun tehostaminen 3D-ympäristössä

Tämä diplomityö on tehty Andritz Oy:lle Washers & Filters tuoteryhmään. Työ on osa 3D-suunnittelujärjestelmän käyttöönottoprojektia. Tavoitteena on arvioida uuden laitesuunnittelujärjestelmän vaikutuksia yrityksen tietojärjestelmiin ja toimintatapoihin sekä etsiä potentiaalisia tulevaisuuden kehityskohteita. Suunnittelutietoa hyödyntäviä sidosryhmien edustajia haastattelemalla selvitettiin järjestelmille ja ohjelmistoille asetettavia vaatimuksia. Ohjelmistoihin tutustumalla saatiin käsitys niiden nykytilasta ja kehityssuunnista. 3D-geometrian hyödyntämiseen perustuvilla järjestelmillä voidaan poistaa päällekäistä työtä sekä lyhentää läpimenoaikoja suunnittelussa ja valmistuksessa sijoittamalla työvaiheita rinnakkain. Suurimmat 3D-suunnittelun edut saavutetaan tuotekehitysvaiheessa, tuotemuutoksia tehtäessä sekä valmistusprosesseja suunniteltaessa. Ongelmallisimmat osa-alueet tietojärjestelmien kehittämisessä ovat ensi-sijaisesti tiedonsiirto ohjelmistojen välillä, työntekijöiden muutosvastarinta sekä laadukkaiden järjestelmien korkea hinta. Laajojen tietojärjestelmä-projektien läpivienti on hyvin haastavaa ja onnistuminen vaatii kaikkien sidosryhmien mukana olemista ja tarkkaa projektin koordinointia.

3D-tuoteyhdistelmämallien ja mittakuvien tuottaminen PDM-järjestelmästä

Tämä diplomityö on selvitystyö mittakuvien ja kolmiulotteisten CAD-mallien tuottamisesta. Mittakuvat ja 3D-CAD-mallit halutaan Neles-tuotemerkin omaaville tuotteille. Olennaisena osana työssä on tuotetiedonhallintajärjestelmä AtonPDM, koska mittakuvia ja malleja toivottaisiin hallittavan AtonPDM-järjestelmällä. Työ tehdään Metso Automationin (MA) Flow Control (FC) –liiketoimintalinjalle. Nykyiset mittakuvat aiheuttavat ongelmia sekä MA:ssa että asiakkaille. MA:ssa mittakuvien tekeminen kestää kauemmin kuin asiakas toivoisi. Nykyisen mittakuvaohjelmiston riittämättömät ominaisuudet aiheuttavat lisätyötä mittakuvien valmistuksessa. Asiakkaille mittakuvien viivästyminen on suunnittelua hidastava tekijä. Mittakuvissa olevat virheet ja puutteet vaikeuttavat asiakkaan suunnittelutyötä ja saattavat päästä läpi tarkatuksien myös loppusuunnitelmiin, jolloin seurauksena voi olla rahallisia menetyksiä. Tämän päivän putkistosuunnittelu hoidetaan suurimmaksi osaksi 3D-CADohjelmistoilla. Suunnittelua helpotetaan ja nopeutetaan valmiilla komponenttien 3Dmalleilla, joihin on liitetty tuotetietoa. Työssä on haastateltu MA:n henkilökuntaa, CAD-järjestelmien toimittajia ja asiakkaita. Haastattelut ovat työn tärkein tiedonlähde. Teoriatietoa on selvitetty kirjoista, lehdistä ja internetistä. Teoriaosiossa käydään läpi tuotetiedonhallinta (Product Data Management, PDM), tietokanta ja parametrinen mallintaminen. Työn lopputuloksena on pyritty saamaan kuvaus siitä miten tuotetaan 3D-CAD-mallit ja mittakuvat Neles-tuotteista käyttäen tiedonlähteenä AtonPDM:ää ja millaisia 3Dmallien ja mittakuvien tulee olla. Malleja ja mittakuvia tuottavaan järjestelmään on etsitty ratkaisuja CAD-ohjelmistoista. Ratkaisuja on verrattu keskenään ominaisuuksien, joustavuuden ja AtonPDM yhteensopivuuden perusteella.