Artistic Path Space Editing of Physically Based Light Transport

Die Erzeugung realistischer Bilder ist ein wichtiges Ziel der Computergrafik, mit Anwendungen u.a. in der Spielfilmindustrie, Architektur und Medizin. Die physikalisch basierte Bildsynthese, welche in letzter Zeit anwendungsübergreifend weiten Anklang findet, bedient sich der numerischen Simulation des Lichttransports entlang durch die geometrische Optik vorgegebener Ausbreitungspfade; ein Modell, welches für übliche Szenen ausreicht, Photorealismus zu erzielen. Insgesamt gesehen ist heute das computergestützte Verfassen von Bildern und Animationen mit wohlgestalteter und theoretisch fundierter Schattierung stark vereinfacht. Allerdings ist bei der praktischen Umsetzung auch die Rücksichtnahme auf Details wie die Struktur des Ausgabegeräts wichtig und z.B. das Teilproblem der effizienten physikalisch basierten Bildsynthese in partizipierenden Medien ist noch weit davon entfernt, als gelöst zu gelten. Weiterhin ist die Bildsynthese als Teil eines weiteren Kontextes zu sehen: der effektiven Kommunikation von Ideen und Informationen. Seien es nun Form und Funktion eines Gebäudes, die medizinische Visualisierung einer Computertomografie oder aber die Stimmung einer Filmsequenz -- Botschaften in Form digitaler Bilder sind heutzutage omnipräsent. Leider hat die Verbreitung der -- auf Simulation ausgelegten -- Methodik der physikalisch basierten Bildsynthese generell zu einem Verlust intuitiver, feingestalteter und lokaler künstlerischer Kontrolle des finalen Bildinhalts geführt, welche in vorherigen, weniger strikten Paradigmen vorhanden war. Die Beiträge dieser Dissertation decken unterschiedliche Aspekte der Bildsynthese ab. Dies sind zunächst einmal die grundlegende Subpixel-Bildsynthese sowie effiziente Bildsyntheseverfahren für partizipierende Medien. Im Mittelpunkt der Arbeit stehen jedoch Ansätze zum effektiven visuellen Verständnis der Lichtausbreitung, die eine lokale künstlerische Einflussnahme ermöglichen und gleichzeitig auf globaler Ebene konsistente und glaubwürdige Ergebnisse erzielen. Hierbei ist die Kernidee, Visualisierung und Bearbeitung des Lichts direkt im alle möglichen Lichtpfade einschließenden "Pfadraum" durchzuführen. Dies steht im Gegensatz zu Verfahren nach Stand der Forschung, die entweder im Bildraum arbeiten oder auf bestimmte, isolierte Beleuchtungseffekte wie perfekte Spiegelungen, Schatten oder Kaustiken zugeschnitten sind. Die Erprobung der vorgestellten Verfahren hat gezeigt, dass mit ihnen real existierende Probleme der Bilderzeugung für Filmproduktionen gelöst werden können

Made by motion: A conceptual framework for abstracted animation derived from motion-captured movements

Despite an increasing number of acclaimed abstract animations being created through the application of motion capture technologies there has been little detailed documentation and analysis of this approach for abstract animation production. More specifically, it is unclear what the key considerations are, and what issues practitioners might face, when integrating motion capture movement data into their practice. In response to this issue this study explored and documented the practice of generating abstract visual and temporal artefacts from motion captured dance movements that compose abstract animated short films. The study has resulted in a possible framework for this form of practice and outlines five key considerations which should be taken into account by practitioners who use motion capture in the production of abstract animated short films

Interfaces for human-centered production and use of computer graphics assets

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

Drawing from motion capture : developing visual languages of animation

The work presented in this thesis aims to explore novel approaches of combining motion capture with drawing and 3D animation. As the art form of animation matures, possibilities of hybrid techniques become more feasible, and crosses between traditional and digital media provide new opportunities for artistic expression. 3D computer animation is used for its keyframing and rendering advancements, that result in complex pipelines where different areas of technical and artistic specialists contribute to the end result. Motion capture is mostly used for realistic animation, more often than not for live-action filmmaking, as a visual effect. Realistic animated films depend on retargeting techniques, designed to preserve actors performances with a high degree of accuracy. In this thesis, we investigate alternative production methods that do not depend on retargeting, and provide animators with greater options for experimentation and expressivity. As motion capture data is a great source for naturalistic movements, we aim to combine it with interactive methods such as digital sculpting and 3D drawing. As drawing is predominately used in preproduction, in both the case of realistic animation and visual effects, we embed it instead to alternative production methods, where artists can benefit from improvisation and expression, while emerging in a three-dimensional environment. Additionally, we apply these alternative methods for the visual development of animation, where they become relevant for the creation of specific visual languages that can be used to articulate concrete ideas for storytelling in animation

Analysis and synthesis of bipedal humanoid movement : a physical simulation approach

textAdvances in graphics and robotics have increased the importance of tools for synthesizing humanoid movements to control animated characters and physical robots. There is also an increasing need for analyzing human movements for clinical diagnosis and rehabilitation. Existing tools can be expensive, inefficient, or difficult to use. Using simulated physics and motion capture to develop an interactive virtual reality environment, we capture natural human movements in response to controlled stimuli. This research then applies insights into the mathematics underlying physics simulation to adapt the physics solver to support many important tasks involved in analyzing and synthesizing humanoid movement. These tasks include fitting an articulated physical model to motion capture data, modifying the model pose to achieve a desired configuration (inverse kinematics), inferring internal torques consistent with changing pose data (inverse dynamics), and transferring a movement from one model to another model (retargeting). The result is a powerful and intuitive process for analyzing and synthesizing movement in a single unified framework.Computer Science

Advancing proxy-based haptic feedback in virtual reality

This thesis advances haptic feedback for Virtual Reality (VR). Our work is guided by Sutherland's 1965 vision of the ultimate display, which calls for VR systems to control the existence of matter. To push towards this vision, we build upon proxy-based haptic feedback, a technique characterized by the use of passive tangible props. The goal of this thesis is to tackle the central drawback of this approach, namely, its inflexibility, which yet hinders it to fulfill the vision of the ultimate display. Guided by four research questions, we first showcase the applicability of proxy-based VR haptics by employing the technique for data exploration. We then extend the VR system's control over users' haptic impressions in three steps. First, we contribute the class of Dynamic Passive Haptic Feedback (DPHF) alongside two novel concepts for conveying kinesthetic properties, like virtual weight and shape, through weight-shifting and drag-changing proxies. Conceptually orthogonal to this, we study how visual-haptic illusions can be leveraged to unnoticeably redirect the user's hand when reaching towards props. Here, we contribute a novel perception-inspired algorithm for Body Warping-based Hand Redirection (HR), an open-source framework for HR, and psychophysical insights. The thesis concludes by proving that the combination of DPHF and HR can outperform the individual techniques in terms of the achievable flexibility of the proxy-based haptic feedback.Diese Arbeit widmet sich haptischem Feedback für Virtual Reality (VR) und ist inspiriert von Sutherlands Vision des ultimativen Displays, welche VR-Systemen die Fähigkeit zuschreibt, Materie kontrollieren zu können. Um dieser Vision näher zu kommen, baut die Arbeit auf dem Konzept proxy-basierter Haptik auf, bei der haptische Eindrücke durch anfassbare Requisiten vermittelt werden. Ziel ist es, diesem Ansatz die für die Realisierung eines ultimativen Displays nötige Flexibilität zu verleihen. Dazu bearbeiten wir vier Forschungsfragen und zeigen zunächst die Anwendbarkeit proxy-basierter Haptik durch den Einsatz der Technik zur Datenexploration. Anschließend untersuchen wir in drei Schritten, wie VR-Systeme mehr Kontrolle über haptische Eindrücke von Nutzern erhalten können. Hierzu stellen wir Dynamic Passive Haptic Feedback (DPHF) vor, sowie zwei Verfahren, die kinästhetische Eindrücke wie virtuelles Gewicht und Form durch Gewichtsverlagerung und Veränderung des Luftwiderstandes von Requisiten vermitteln. Zusätzlich untersuchen wir, wie visuell-haptische Illusionen die Hand des Nutzers beim Greifen nach Requisiten unbemerkt umlenken können. Dabei stellen wir einen neuen Algorithmus zur Body Warping-based Hand Redirection (HR), ein Open-Source-Framework, sowie psychophysische Erkenntnisse vor. Abschließend zeigen wir, dass die Kombination von DPHF und HR proxy-basierte Haptik noch flexibler machen kann, als es die einzelnen Techniken alleine können

Examining the sense of agency in human-computer interaction

Humans are agents, we feel that we control the course of events on our everyday life. This refers to the Sense of Agency (SoA). This experience is not only crucial in our daily life, but also in our interaction with technology. When we manipulate a user interface (e.g., computer, smartphone, etc.), we expect that the system responds to our input commands with feedback, as we desire to feel that we are in charge of the interaction. If this interplay elicits a SoA, then the user will perceive an instinctive feeling of “I am controlling this”. Although research in Human-Computer Interaction (HCI) pursuits the design of intuitive and responsive systems, most of the current studies have been focussed mainly on interaction techniques (e.g., software-hardware) and User Experience (UX) (e.g., comfort, usability, etc.), and very little has been investigated in terms of the SoA i.e., the conscious experience of being in control regarding the interaction. In this thesis, we present an experimental exploration of the role of the SoA in interaction paradigms typical of HCI. After two chapters of introduction and related work, we describe a series of studies that explore agency implication in interaction with systems through human senses such as vision, audio, touch and smell. Chapter 3 explores the SoA in mid-air haptic interaction through touchless actions. Then, Chapter 4 examines agency modulation through smell and its application for olfactory interfaces. Chapter 5 describes two novel timing techniques based on auditory and haptic cues that provide alternative timing methods to the traditional Libet clock. Finally, we conclude with a discussion chapter that highlights the importance of our SoA during interactions with technology as well as the implications of the results found, in the design of user interfaces