Appearance Modeling of Living Human Tissues

This is the peer reviewed version of the following article: Nunes, A.L.P., Maciel, A., Meyer, G.W., John, N.W., Baranoski, G.V.G., & Walter, M. (2019). Appearance Modeling of Living Human Tissues, Computer Graphics Forum, which has been published in final form at https://doi.org/10.1111/cgf.13604. This article may be used for non-commercial purposes in accordance with Wiley Terms and Conditions for Self-ArchivingThe visual fidelity of realistic renderings in Computer Graphics depends fundamentally upon how we model the appearance of objects resulting from the interaction between light and matter reaching the eye. In this paper, we survey the research addressing appearance modeling of living human tissue. Among the many classes of natural materials already researched in Computer Graphics, living human tissues such as blood and skin have recently seen an increase in attention from graphics research. There is already an incipient but substantial body of literature on this topic, but we also lack a structured review as presented here. We introduce a classification for the approaches using the four types of human tissues as classifiers. We show a growing trend of solutions that use first principles from Physics and Biology as fundamental knowledge upon which the models are built. The organic quality of visual results provided by these Biophysical approaches is mainly determined by the optical properties of biophysical components interacting with light. Beyond just picture making, these models can be used in predictive simulations, with the potential for impact in many other areas

Modelagem de aparência baseada em biofísica para tecidos do fígado humano

A representação gráfica de tecidos humanos é uma importante demanda para aplicações de áreas como ensino, entretenimento e treinamento médico. Frequentemente, a simulação de tais materiais envolve considerar características dinâmicas vinculadas as suas funções no corpo humano e que influenciam diretamente também em sua aparência. O fígado humano, apesar de um órgão interno, portanto, de difícil acesso, possui diferentes modelos de representação apresentados na literatura da Computação Gráfica (CG). Entretanto, tais modelos desconsideram as influências das propriedades ópticas dos elementos biofísicos que compõem os tecidos hepáticos, fornecendo assim, aproximações cuja parametrização controla apenas um estado específico do material orgânico, em geral, avaliando visualmente o resultado. O presente trabalho apresenta a modelagem dos tecidos do fígado humano através da descrição dos elementos biofísicos que compõem suas camadas estruturais: o parênquima e a cápsula de Glisson. Além disso, tal modelo implementa a interação luz-matéria em termos de eventos como a absorção, dispersão, reflexão e transmissão de luz, como processos biológicos que produzem a coloração específica do material, ou seja, sua resposta espectral. A abordagem matemática do modelo é definida como numérica e estocástica, para a qual é apresentada uma solução para garantir sua convergência. Reunindo recentes descrições sobre a estrutura dos tecidos hepáticos e sua interação com a luz apresentadas na literatura biomédica, o modelo desenvolvido representa a primeira solução baseada em biofísica para um órgão interno do corpo humano. Os resultados de imagens geradas através do modelo são apresentados junto a fotografias de tecidos análogos, assim como, curvas de respostas espectrais e espaciais disponíveis na literatura biomédica são comparadas com as produzidas pelo modelo desenvolvido, evidenciando a capacidade deste na representação gráfica do tecido hepático