Inverse rendering for scene reconstruction in general environments

Demand for high-quality 3D content has been exploding recently, owing to the advances in 3D displays and 3D printing. However, due to insufficient 3D content, the potential of 3D display and printing technology has not been realized to its full extent. Techniques for capturing the real world, which are able to generate 3D models from captured images or videos, are a hot research topic in computer graphics and computer vision. Despite significant progress, many methods are still highly constrained and require lots of prerequisites to succeed. Marker-less performance capture is one such dynamic scene reconstruction technique that is still confined to studio environments. The requirements involved, such as the need for a multi-view camera setup, specially engineered lighting or green-screen backgrounds, prevent these methods from being widely used by the film industry or even by ordinary consumers. In the area of scene reconstruction from images or videos, this thesis proposes new techniques that succeed in general environments, even using as few as two cameras. Contributions are made in terms of reducing the constraints of marker-less performance capture on lighting, background and the required number of cameras. The primary theoretical contribution lies in the investigation of light transport mechanisms for high-quality 3D reconstruction in general environments. Several steps are taken to approach the goal of scene reconstruction in general environments. At first, the concept of employing inverse rendering for scene reconstruction is demonstrated on static scenes, where a high-quality multi-view 3D reconstruction method under general unknown illumination is developed. Then, this concept is extended to dynamic scene reconstruction from multi-view video, where detailed 3D models of dynamic scenes can be captured under general and even varying lighting, and in front of a general scene background without a green screen. Finally, efforts are made to reduce the number of cameras employed. New performance capture methods using as few as two cameras are proposed to capture high-quality 3D geometry in general environments, even outdoors.Die Nachfrage nach qualitativ hochwertigen 3D Modellen ist in letzter Zeit, bedingt durch den technologischen Fortschritt bei 3D-Wieder-gabegeräten und -Druckern, stark angestiegen. Allerdings konnten diese Technologien wegen mangelnder Inhalte nicht ihr volles Potential entwickeln. Methoden zur Erfassung der realen Welt, welche 3D-Modelle aus Bildern oder Videos generieren, sind daher ein brandaktuelles Forschungsthema im Bereich Computergrafik und Bildverstehen. Trotz erheblichen Fortschritts in dieser Richtung sind viele Methoden noch stark eingeschränkt und benötigen viele Voraussetzungen um erfolgreich zu sein. Markerloses Performance Capturing ist ein solches Verfahren, das dynamische Szenen rekonstruiert, aber noch auf Studio-Umgebungen beschränkt ist. Die spezifischen Anforderung solcher Verfahren, wie zum Beispiel einen Mehrkameraaufbau, maßgeschneiderte, kontrollierte Beleuchtung oder Greenscreen-Hintergründe verhindern die Verbreitung dieser Verfahren in der Filmindustrie und besonders bei Endbenutzern. Im Bereich der Szenenrekonstruktion aus Bildern oder Videos schlägt diese Dissertation neue Methoden vor, welche in beliebigen Umgebungen und auch mit nur wenigen (zwei) Kameras funktionieren. Dazu werden Schritte unternommen, um die Einschränkungen bisheriger Verfahren des markerlosen Performance Capturings im Hinblick auf Beleuchtung, Hintergründe und die erforderliche Anzahl von Kameras zu verringern. Der wichtigste theoretische Beitrag liegt in der Untersuchung von Licht-Transportmechanismen für hochwertige 3D-Rekonstruktionen in beliebigen Umgebungen. Dabei werden mehrere Schritte unternommen, um das Ziel der Szenenrekonstruktion in beliebigen Umgebungen anzugehen. Zunächst wird die Anwendung von inversem Rendering auf die Rekonstruktion von statischen Szenen dargelegt, indem ein hochwertiges 3D-Rekonstruktionsverfahren aus Mehransichtsaufnahmen unter beliebiger, unbekannter Beleuchtung entwickelt wird. Dann wird dieses Konzept auf die dynamische Szenenrekonstruktion basierend auf Mehransichtsvideos erweitert, wobei detaillierte 3D-Modelle von dynamischen Szenen unter beliebiger und auch veränderlicher Beleuchtung vor einem allgemeinen Hintergrund ohne Greenscreen erfasst werden. Schließlich werden Anstrengungen unternommen die Anzahl der eingesetzten Kameras zu reduzieren. Dazu werden neue Verfahren des Performance Capturings, unter Verwendung von lediglich zwei Kameras vorgeschlagen, um hochwertige 3D-Geometrie im beliebigen Umgebungen, sowie im Freien, zu erfassen

High-quality face capture, animation and editing from monocular video

Digitization of virtual faces in movies requires complex capture setups and extensive manual work to produce superb animations and video-realistic editing. This thesis pushes the boundaries of the digitization pipeline by proposing automatic algorithms for high-quality 3D face capture and animation, as well as photo-realistic face editing. These algorithms reconstruct and modify faces in 2D videos recorded in uncontrolled scenarios and illumination. In particular, advances in three main areas offer solutions for the lack of depth and overall uncertainty in video recordings. First, contributions in capture include model-based reconstruction of detailed, dynamic 3D geometry that exploits optical and shading cues, multilayer parametric reconstruction of accurate 3D models in unconstrained setups based on inverse rendering, and regression-based 3D lip shape enhancement from high-quality data. Second, advances in animation are video-based face reenactment based on robust appearance metrics and temporal clustering, performance-driven retargeting of detailed facial models in sync with audio, and the automatic creation of personalized controllable 3D rigs. Finally, advances in plausible photo-realistic editing are dense face albedo capture and mouth interior synthesis using image warping and 3D teeth proxies. High-quality results attained on challenging application scenarios confirm the contributions and show great potential for the automatic creation of photo-realistic 3D faces.Die Digitalisierung von Gesichtern zum Einsatz in der Filmindustrie erfordert komplizierte Aufnahmevorrichtungen und die manuelle Nachbearbeitung von Rekonstruktionen, um perfekte Animationen und realistische Videobearbeitung zu erzielen. Diese Dissertation erweitert vorhandene Digitalisierungsverfahren durch die Erforschung von automatischen Verfahren zur qualitativ hochwertigen 3D Rekonstruktion, Animation und Modifikation von Gesichtern. Diese Algorithmen erlauben es, Gesichter in 2D Videos, die unter allgemeinen Bedingungen und unbekannten Beleuchtungsverhältnissen aufgenommen wurden, zu rekonstruieren und zu modifizieren. Vor allem Fortschritte in den folgenden drei Hauptbereichen tragen zur Kompensation von fehlender Tiefeninformation und der allgemeinen Mehrdeutigkeit von 2D Videoaufnahmen bei. Erstens, Beiträge zur modellbasierten Rekonstruktion von detaillierter und dynamischer 3D Geometrie durch optische Merkmale und die Shading-Eigenschaften des Gesichts, mehrschichtige parametrische Rekonstruktion von exakten 3D Modellen mittels inversen Renderings in allgemeinen Szenen und regressionsbasierter 3D Lippenformverfeinerung mittels qualitativ hochwertigen Daten. Zweitens, Fortschritte im Bereich der Computeranimation durch videobasierte Gesichtsausdrucksübertragung und temporaler Clusterbildung, Übertragung von detaillierten Gesichtsmodellen, deren Mundbewegung mit Ton synchronisiert ist, und die automatische Erstellung von personalisierten "3D Face Rigs". Schließlich werden Fortschritte im Bereich der realistischen Videobearbeitung vorgestellt, welche auf der dichten Rekonstruktion von Hautreflektionseigenschaften und der Mundinnenraumsynthese mittels bildbasierten und geometriebasierten Verfahren aufbauen. Qualitativ hochwertige Ergebnisse in anspruchsvollen Anwendungen untermauern die Wichtigkeit der geleisteten Beiträgen und zeigen das große Potential der automatischen Erstellung von realistischen digitalen 3D Gesichtern auf

Multi-Scale Surface Reconstruction from Images

Many surface reconstruction algorithms have been developed to process point data originating from laser scans. Because laser scanning is a very expensive technique and not available to everyone, 3D reconstruction from images (using, e.g., multi-view stereo) is a promising alternative. In recent years a lot of progress has been made in the computer vision domain and nowadays algorithms are capable of reconstructing large 3D scenes from consumer photographs. Whereas laser scans are very controlled and typically only a few scans are taken, images may be subject to more uncontrolled variations. Standard multi-view stereo algorithms give rise to multi-scale data points due to different camera resolutions, focal lengths, or various distances to the object. When reconstructing a surface from this data, the multi-scale property has to be taken into account because the assumption that the points are samples from the true surface might be violated. This thesis presents two surface reconstruction algorithms that take resolution and scale differences into account. In the first approach we model the uncertainty of each sample point according to its footprint, the surface area that was taken into account during multi-view stereo. With an adaptive volumetric resolution, also steered by the footprints of the sample points, we achieve detailed reconstructions even for large-scale scenes. Then, a general wavelet-based surface reconstruction framework is presented. The multi-scale sample points are characterized by a convolution kernel and the points are fused in frequency space while preserving locality. We suggest a specific implementation for 2.5D surfaces that incorporates our theoretic findings about sample points originating from multi-view stereo and shows promising results on real-world data sets. The other part of the thesis analyzes the scale characteristics of patch-based depth reconstruction as used in many (multi-view) stereo techniques. It is driven by the question how the reconstruction preserves surface details or high frequencies. We introduce an intuitive model for the reconstruction process, prove that it yields a linear system and determine the modulation transfer function. This allows us to predict the amplitude loss of high frequencies in connection with the used patch-size and the internal and external camera parameters. Experiments on synthetic and real-world data demonstrate the accuracy of our model but also show the limitations. Finally, we propose a generalization of the model allowing for weighted patch fitting. The reconstructed points can then be described by a convolution of the original surface and we show how weighting the pixels during photo-consistency optimization affects the smoothing kernel. In this way we are able to connect a standard notion of smoothing to multi-view stereo reconstruction. In summary, this thesis provides a profound analysis of patch-based (multi-view) stereo reconstruction and introduces new concepts for surface reconstruction from the resulting multi-scale sample points