Design of decorative 3D models: from geodesic ornaments to tangible assemblies

L'obiettivo di questa tesi è sviluppare strumenti utili per creare opere d'arte decorative digitali in 3D. Uno dei processi decorativi più comunemente usati prevede la creazione di pattern decorativi, al fine di abbellire gli oggetti. Questi pattern possono essere dipinti sull'oggetto di base o realizzati con l'applicazione di piccoli elementi decorativi. Tuttavia, la loro realizzazione nei media digitali non è banale. Da un lato, gli utenti esperti possono eseguire manualmente la pittura delle texture o scolpire ogni decorazione, ma questo processo può richiedere ore per produrre un singolo pezzo e deve essere ripetuto da zero per ogni modello da decorare. D'altra parte, gli approcci automatici allo stato dell'arte si basano sull'approssimazione di questi processi con texturing basato su esempi o texturing procedurale, o con sistemi di riproiezione 3D. Tuttavia, questi approcci possono introdurre importanti limiti nei modelli utilizzabili e nella qualità dei risultati. Il nostro lavoro sfrutta invece i recenti progressi e miglioramenti delle prestazioni nel campo dell'elaborazione geometrica per creare modelli decorativi direttamente sulle superfici. Presentiamo una pipeline per i pattern 2D e una per quelli 3D, e dimostriamo come ognuna di esse possa ricreare una vasta gamma di risultati con minime modifiche dei parametri. Inoltre, studiamo la possibilità di creare modelli decorativi tangibili. I pattern 3D generati possono essere stampati in 3D e applicati a oggetti realmente esistenti precedentemente scansionati. Discutiamo anche la creazione di modelli con mattoncini da costruzione, e la possibilità di mescolare mattoncini standard e mattoncini custom stampati in 3D. Ciò consente una rappresentazione precisa indipendentemente da quanto la voxelizzazione sia approssimativa. I principali contributi di questa tesi sono l'implementazione di due diverse pipeline decorative, un approccio euristico alla costruzione con mattoncini e un dataset per testare quest'ultimo.The aim of this thesis is to develop effective tools to create digital decorative 3D artworks. Real-world art often involves the use of decorative patterns to enrich objects. These patterns can be painted on the base or might be realized with the application of small decorative elements. However, their creation in digital media is not trivial. On the one hand, users can manually perform texture paint or sculpt each decoration, in a process that can take hours to produce a single piece and needs to be repeated from the ground up for every model that needs to be decorated. On the other hand, automatic approaches in state of the art rely on approximating these processes with procedural or by-example texturing or with 3D reprojection. However, these approaches can introduce significant limitations in the models that can be used and in the quality of the results. Instead, our work exploits the recent advances and performance improvements in the geometry processing field to create decorative patterns directly on surfaces. We present a pipeline for 2D and one for 3D patterns and demonstrate how each of them can recreate a variety of results with minimal tweaking of the parameters. Furthermore, we investigate the possibility of creating decorative tangible models. The 3D patterns we generate can be 3D printed and applied to previously scanned real-world objects. We also discuss the creation of models with standard building bricks and the possibility of mixing standard and custom 3D-printed bricks. This allows for a precise representation regardless of the coarseness of the voxelization. The main contributions of this thesis are the implementation of two different decorative pipelines, a heuristic approach to brick construction, and a dataset to test the latter

A Multi-Phase Search Approach to the LEGO Construction Problem

The task of determining which LEGO bricks to use to construct a volume is known as the LEGO Construction Problem. This is a challenging problem because even small volumes can be constructed in a tremendously large number of ways. As a result, an exhaustive search is impractical, and more nuanced search strategies must be employed to find a good, though not necessarily optimal, solution. This paper describes a multi-phase search approach to the LEGO Construction Problem. Our first search phase uses heuristics to identify a moderate number of candidates for each layer in the model. This is followed by two different search strategies which identify alternative brick arrangements that reduce the number of connected components, undesirable edges, and bricks in the model. A final highly localized search is applied to bricks at the boundaries between the model's connected components if the previous search processes fail to reduce the model to a single connected component. Applying this four-phase search strategy to a diverse selection of models has demonstrated that it normally finds a result that consists of a single connected component when such a solution exists, and that the models are structurally sound when built