Erfassung und Darstellung optischer Materialeigenschaften

Kurzbeschreibung

Das optische Reflexionsverhalten von Materialien und Oberflächen ist für die Wahrnehmung und Einschätzung einer Szene von großer Bedeutung. Der spezifische Glanz und die Textur einer Oberfläche bspw. können wichtige Anhaltspunkte darüber geben, woraus ein Objekt besteht. Die Modellierung dieses Verhaltens mittels eines parametrischen Modells ist oftmals schwierig oder gar unmöglich. Daher erforschen wir in unserer Arbeitsgruppe Techniken zur effizienten daten-getriebenen Darstellung von Materialien auf der Grundlage von bild-basierten Messungen.

In diesem Zusammenhang konzentrieren wir uns vor allem auf die Akquisition, Kompression, Bearbeitung und Darstellung von Bidirektionalen Texturfunktionen (BTF).  BTFs sind sechs-dimensionale Funktionen, die von Oberflächenposition sowie Beleuchtungs- und Blickrichtung abhängen. Daher sind diese in der Lage auch sehr komplexe Materialien mit starken Interreflexionen und Abschattungseffekten wiederzugeben. Momentan untersuchen wir die Übertragung unserer RGB-BTF-Techniken auf vollständig spektrale BTFs. Dies ermöglicht korrekte Farbreproduktion unter beliebiger Beleuchtung.

In unserer Arbeitsgruppe wurden mehrere Messaufbauten zur Akquisition von BTFs gebaut. Diese und eine Übersicht unserer wichtigsten Veröffentlichungen in diesem Zusammenhang findet sich auf folgender Projektseite.

Laufende Projekte

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In diesem Projekt geht es um die Analyse, Synthese und Resynthese optischer Materialeigenschaften von Stoffen. Domänenspezifische Parameter wie Webmuster oder Reflektionseigenschaften von Garnen werden aus Bildern geschätzt. Daraus erhalten wir ein Stoffmodell dessen optisches Erscheinungsbild sowohl realistisch resynthetisiert als auch intuitiv verändert werden kann. Wir entwickeln neue Techniken im Bereich des physikalisch basierten Renderings und in der bildbasierten Analyse von Stoffen.
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Die bildbasierte Erfassung der optischen Erscheinung von komplexen Materialien ist eines der zentralen Forschungsgebiete unserer Arbeitsgruppe. Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung neuer Techniken zur hochqualitativen und effizienten Erfassung von hoch-dimensionalen Materialrepräsentationen wie bspw. der Bidirektionalen Textur Funktion (BTF). Über die BTF Datenbank Bonn sind einige Beispieldatensätze des Projekts öffentlich zugänglich.
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In diesem Projekt arbeiten wir an der Entwicklung eines statistischen Modells für den Raum der durch eine Datenbank an gemessenen BTFs aufgespannt wird. Auf diese Weise soll eine Repräsentation für Materialien entwickeln werden, die viel allgemeingültiger ist als die heute verfügbaren. Das Ziel ist es, eine Reparametrisierung des hochdimensionalen Raumes der Materialien zu finden, die eine perzeptuell sinnvolle Interpolation zwischen den gemessenen Material ermöglicht, also neue Materialien zu finden, die die Eigenschaften mehrere Samples aus der Datenbank mischen.
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Eine korrekte Darstellung von Materialien unter beliebiger Beleuchtung erfordert einen komplett spektral berechneten Lichtaustausch in der virtuellen Szene, was in modernen Renderingsystemen auch schon implementiert ist. Für spezielle Materialienklasse werden die dazu benötigten spektralen Reflexionsdaten sehr grob, also mit wenigen Richtungen, mithilfe von Gonioreflektometern abgetastet. Dies ist unter gewissen Annahmen für das Anpassen von Reflexionsmodellen auch ausreichend, für nicht isotrope Materialien oder Materialien mit starkem winkel- oder flächenveränderlichen Reflexionsverhalten reichen solche Messungen jedoch nicht. Für diese gibt es derzeit keine geeigneten Möglichkeiten zum Erfassen der Daten, da ähnliche Meßsysteme, wie die mit RGB basierten Photokameras, für spektral aufgelöste Messungen sowohl aus Zeit- als auch aus Kostengründen nicht praktikabel sind. In diesem Projekt ist daher geplant, durch eine Kombination von spektralen mit den auf RGB CCD-Chips basierenden Messmethoden ein effizientes und praktikables Messverfahren für spektral aufgelöste Reflexionsdaten zu entwickeln. Darüber hinaus sollen Verfahren zur Analyse, Kompression und dem effizienten Rendering der RGB-spektral-kombinierten Daten erforscht werden.

Abgeschlossene Projekte

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Das EU-Projekt 3D-COFORM (3D-COllection-FORMation) beschäftigt sich unter anderem mit der Entwicklung neuer Techniken für das Digitalisieren von Objekten aus dem Bereich Kulturerbe. Das Ziel ist, solche Objekte deutlich effizienter und mit höherer Qualität zu digitalisieren als dies mit bisherigen Techniken möglich war. Nur so werden Museen in Zukunft in die Lage versetzt, ihre Sammlungen tatsächlich zu digitalisieren und damit letztendlich vor dem Verfall bzw. dem Verschwinden in den Archiven zu retten.
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Lacke und ganz besonders Metallic oder Perleffektlacke stellen immer noch eine Herausforderung für die Computergrafik dar. Das liegt an ihrer großen Dymanik, den hochfrequenten Änderungen der Reflectance sowohl in den räumlichen als auch in den Winkeldimensionen sowie ihren winkelabhängigen Farbänderungen. Besonders diese Farbänderungen werden von Standard-BRDF-Modellen der Computergrafik nicht erfasst. In diesem Projekt entwickeln wir Methoden zur Kompression, Rendering und Editing aller Arten von Lack.
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Das Ziel des Real-Reflect Projekts ist, Anwendungen der virtuellen Realität (VR) durch die Entwicklung und Integration physikalisch korrekte Visualisierungsmethoden in ein bestehendes VR System noch realistischer wirken zu lassen. Dabei sollten Phänomene wie Metamerie, Fluoreszens und Licht-Polarisation berücksichtigt werden. Die verbesserten Visualisierungsmethoden werden Benutzern aus verschiedenen Bereichen wie Automobilindustrie oder Architektur die Erstellung von VR Simulationen von Innenräumen ermöglichen. Dadurch wird die Notwendigkeit des Baus kostenintensiver, realer Prototypen vermieden werden, was zum einen die Entwicklungskosten der Endprodukte senken und den Entwicklungszeitraum (Time to Market) verkürzen wird.
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Ziel des Verbundvorhabens ist die Schaffung der technologischen Grundlagen für eine synergetische Verbindung des innovativen Service kundenindividueller Bekleidung (Maßkonfektion) mit dem Potential des Electronic Commerce unter Einsatz von VR-Methoden.

Ausgewählte Publikationen

 
In: IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics (2014), PP:99
 
 
In: Computer Graphics Forum (presented at EGSR 2013) (2013), 32(61-71)
 
B. Levy, X. Tong und K. Yin (Editoren)
In: Computer Graphics Forum (Proc. of Pacific Graphics) (Okt. 2013), 32:7(345-354)
 
R. Scopigno (Editoren)
In: Journal on Computing and Cultural Heritage (JOCCH) (Juli 2013), 6:3(11:1-11:21)
 
Holly Rushmeier und Reinhard Klein (Editoren)
In proceedings of Eurographics Workshop on Material Appearance Modeling: Issues and Acquisition, Zaragoza, Spain, pages 25-31, Eurographics Association, Juni 2013
 
In: Computer Graphics Forum (Proceedings of the Eurographics 2013) (Mai 2013), 32:2(361-370)
 
In proceedings of EVA 2012 Berlin, pages 50-57, Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e.V., Nov. 2012
 
Kai Schröder, Shuang Zhao und Arno Zinke
ACM SIGGRAPH Asia 2012: Course Notes, Nov. 2012
 
In: Computer Graphics Forum (Proc. of Eurographics) (Mai 2012), 31:2(315-324)
 
In proceedings of SIGGRAPH Asia 2011 Sketches, Hong Kong, China, pages 28:1-28:2, ACM, Dez. 2011
 
In proceedings of ACM SIGGRAPH ASIA 2011: Sketches, Hong Kong, China, Dez. 2011
 
In proceedings of The 12th International Symposium on Virtual Reality, Archeology and Cultural Heritage VAST 2011, Eurographics Association, Prato, Italy, pages 25-32, Eurographics Association, Okt. 2011
 
In proceedings of The 12th International Symposium on Virtual Reality, Archeology and Cultural Heritage VAST 2011, Eurographics Association, Prato, Italy, pages 113-120, Eurographics Association, Okt. 2011
 
University of Bonn, Technical Report number CG-2010-1, Dez. 2010
 
In proceedings of CGIV 2010, Society for Imaging Science and Technology, Joensuu, Finland, pages 326-330, Juni 2010
 
Jason Lawrence und Marc Stamminger (Editoren)
In: Computer Graphics Forum (Proc. of EGSR) (Juni 2010), 29:4(1421-1429)
 
In: Computer Graphics Forum (Proc. of EGSR) (Juli 2009), 28:4(1181-1188)
 
In: Computer Graphics Forum (Proc. of Eurographics) (Apr. 2009), 28:2(513-522)
 
In proceedings of Eurographics Symposium on Parallel Graphics and Visualization, pages 25-32, März 2009
 
R. Scopigno und E. Gröller (Editoren)
In: Computer Graphics Forum (Apr. 2008), 27:2(527-536)
 
J. Kautz und S. Pattanaik (Editoren)
In proceedings of Eurographics Symposium on Rendering 2007, The Eurographics Association, Juni 2007
 
Jan Meseth, Gero Müller, Reinhard Klein, Florian Röder und M. Arnold
In proceedings of The 3rd Symposium on Applied Perception in Graphics and Visualization, Juli 2006
 
In proceedings of The 6th International Symposium on Virtual Reality, Archaeology and Cultural Heritage (VAST), Eurographics Association, pages 13-20, Eurographics Association, Nov. 2005
 
In: Computer Graphics Forum (März 2005), 24:1(83-109)
 
In proceedings of Computer Graphics International 2004 (CGI 2004), pages 198-205, IEEE Computer Society, Juni 2004
 
T. Ertl, B. Girod, G. Greiner, H. Niemann, H.-P. Seidel, E. Steinbach und R. Westermann (Editoren)
In proceedings of Vision, Modeling and Visualisation 2003, pages 271-280, Akademische Verlagsgesellschaft Aka GmbH, Berlin, Nov. 2003
 
In proceedings of Eurographics Symposium on Rendering 2003, Juni 2003