Kaleidoscopic imaging

Kaleidoscopes have a great potential in computational photography as a tool for redistributing light rays. In time-of-flight imaging the concept of the kaleidoscope is also useful when dealing with the reconstruction of the geometry that causes multiple reflections. This work is a step towards opening new possibilities for the use of mirror systems as well as towards making their use more practical. The focus of this work is the analysis of planar kaleidoscope systems to enable their practical applicability in 3D imaging tasks. We analyse important practical properties of mirror systems and develop a theoretical toolbox for dealing with planar kaleidoscopes. Based on this theoretical toolbox we explore the use of planar kaleidoscopes for multi-view imaging and for the acquisition of 3D objects. The knowledge of the mirrors positions is crucial for these multi-view applications. On the other hand, the reconstruction of the geometry of a mirror room from time-of-flight measurements is also an important problem. We therefore employ the developed tools for solving this problem using multiple observations of a single scene point.Kaleidoskope haben in der rechnergestützten Fotografie ein großes Anwendungspotenzial, da sie flexibel zur Umverteilung von Lichtstrahlen genutzt werden können. Diese Arbeit ist ein Schritt auf dem Weg zu neuen Einsatzmöglichkeiten von Spiegelsystemen und zu ihrer praktischen Anwendung. Das Hauptaugenmerk der Arbeit liegt dabei auf der Analyse planarer Spiegelsysteme mit dem Ziel, sie für Aufgaben in der 3D-Bilderzeugung praktisch nutzbar zu machen. Auch für die Time-of-flight-Technologie ist das Konzept des Kaleidoskops, wie in der Arbeit gezeigt wird, bei der Rekonstruktion von Mehrfachreflektionen erzeugender Geometrie von Nutzen. In der Arbeit wird ein theoretischer Ansatz entwickelt der die Analyse planarer Kaleidoskope stark vereinfacht. Mithilfe dieses Ansatzes wird der Einsatz planarer Spiegelsysteme im Multiview Imaging und bei der Erfassung von 3-D-Objekten untersucht. Das Wissen um die Spiegelpositionen innerhalb des Systems ist für diese Anwendungen entscheidend und erfordert die Entwicklung geeigneter Methoden zur Kalibrierung dieser Positionen. Ein ähnliches Problem tritt in Time-of-Flight Anwendungen bei der, oft unerwünschten, Aufnahme von Mehrfachreflektionen auf. Beide Problemstellungen lassen sich auf die Rekonstruktion der Geometrie eines Spiegelraums zurückführen, das mit Hilfe des entwickelten Ansatzes in allgemeinererWeise als bisher gelöst werden kann

Single view reflectance capture using multiplexed scattering and time-of-flight imaging

This paper introduces the concept of time-of-flight reflectance estimation, and demonstrates a new technique that allows a camera to rapidly acquire reflectance properties of objects from a single view-point, over relatively long distances and without encircling equipment. We measure material properties by indirectly illuminating an object by a laser source, and observing its reflected light indirectly using a time-of-flight camera. The configuration collectively acquires dense angular, but low spatial sampling, within a limited solid angle range - all from a single viewpoint. Our ultra-fast imaging approach captures space-time "streak images" that can separate out different bounces of light based on path length. Entanglements arise in the streak images mixing signals from multiple paths if they have the same total path length. We show how reflectances can be recovered by solving for a linear system of equations and assuming parametric material models; fitting to lower dimensional reflectance models enables us to disentangle measurements. We demonstrate proof-of-concept results of parametric reflectance models for homogeneous and discretized heterogeneous patches, both using simulation and experimental hardware. As compared to lengthy or highly calibrated BRDF acquisition techniques, we demonstrate a device that can rapidly, on the order of seconds, capture meaningful reflectance information. We expect hardware advances to improve the portability and speed of this device.National Science Foundation (U.S.) (Award CCF-0644175)National Science Foundation (U.S.) (Award CCF-0811680)National Science Foundation (U.S.) (Award IIS-1011919)Intel Corporation (PhD Fellowship)Alfred P. Sloan Foundation (Research Fellowship

Realistic Visualization of Animated Virtual Cloth

Photo-realistic rendering of real-world objects is a broad research area with applications in various different areas, such as computer generated films, entertainment, e-commerce and so on. Within photo-realistic rendering, the rendering of cloth is a subarea which involves many important aspects, ranging from material surface reflection properties and macroscopic self-shadowing to animation sequence generation and compression. In this thesis, besides an introduction to the topic plus a broad overview of related work, different methods to handle major aspects of cloth rendering are described. Material surface reflection properties play an important part to reproduce the look & feel of materials, that is, to identify a material only by looking at it. The BTF (bidirectional texture function), as a function of viewing and illumination direction, is an appropriate representation of reflection properties. It captures effects caused by the mesostructure of a surface, like roughness, self-shadowing, occlusion, inter-reflections, subsurface scattering and color bleeding. Unfortunately a BTF data set of a material consists of hundreds to thousands of images, which exceeds current memory size of personal computers by far. This work describes the first usable method to efficiently compress and decompress a BTF data for rendering at interactive to real-time frame rates. It is based on PCA (principal component analysis) of the BTF data set. While preserving the important visual aspects of the BTF, the achieved compression rates allow the storage of several different data sets in main memory of consumer hardware, while maintaining a high rendering quality. Correct handling of complex illumination conditions plays another key role for the realistic appearance of cloth. Therefore, an upgrade of the BTF compression and rendering algorithm is described, which allows the support of distant direct HDR (high-dynamic-range) illumination stored in environment maps. To further enhance the appearance, macroscopic self-shadowing has to be taken into account. For the visualization of folds and the life-like 3D impression, these kind of shadows are absolutely necessary. This work describes two methods to compute these shadows. The first is seamlessly integrated into the illumination part of the rendering algorithm and optimized for static meshes. Furthermore, another method is proposed, which allows the handling of dynamic objects. It uses hardware-accelerated occlusion queries for the visibility determination. In contrast to other algorithms, the presented algorithm, despite its simplicity, is fast and produces less artifacts than other methods. As a plus, it incorporates changeable distant direct high-dynamic-range illumination. The human perception system is the main target of any computer graphics application and can also be treated as part of the rendering pipeline. Therefore, optimization of the rendering itself can be achieved by analyzing human perception of certain visual aspects in the image. As a part of this thesis, an experiment is introduced that evaluates human shadow perception to speedup shadow rendering and provides optimization approaches. Another subarea of cloth visualization in computer graphics is the animation of the cloth and avatars for presentations. This work also describes two new methods for automatic generation and compression of animation sequences. The first method to generate completely new, customizable animation sequences, is based on the concept of finding similarities in animation frames of a given basis sequence. Identifying these similarities allows jumps within the basis sequence to generate endless new sequences. Transmission of any animated 3D data over bandwidth-limited channels, like extended networks or to less powerful clients requires efficient compression schemes. The second method included in this thesis in the animation field is a geometry data compression scheme. Similar to the BTF compression, it uses PCA in combination with clustering algorithms to segment similar moving parts of the animated objects to achieve high compression rates in combination with a very exact reconstruction quality.Realistische Visualisierung von animierter virtueller Kleidung Das photorealistisches Rendering realer Gegenstände ist ein weites Forschungsfeld und hat Anwendungen in vielen Bereichen. Dazu zählen Computer generierte Filme (CGI), die Unterhaltungsindustrie und E-Commerce. Innerhalb dieses Forschungsbereiches ist das Rendern von photorealistischer Kleidung ein wichtiger Bestandteil. Hier reichen die wichtigen Aspekte, die es zu berücksichtigen gilt, von optischen Materialeigenschaften über makroskopische Selbstabschattung bis zur Animationsgenerierung und -kompression. In dieser Arbeit wird, neben der Einführung in das Thema, ein weiter Überblick über ähnlich gelagerte Arbeiten gegeben. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf den wichtigen Aspekten der virtuellen Kleidungsvisualisierung, die oben beschrieben wurden. Die optischen Reflektionseigenschaften von Materialoberflächen spielen eine wichtige Rolle, um das so genannte look & feel von Materialien zu charakterisieren. Hierbei kann ein Material vom Nutzer identifiziert werden, ohne dass er es direkt anfassen muss. Die BTF (bidirektionale Texturfunktion)ist eine Funktion die abhängig von der Blick- und Beleuchtungsrichtung ist. Daher ist sie eine angemessene Repräsentation von Reflektionseigenschaften. Sie enthält Effekte wie Rauheit, Selbstabschattungen, Verdeckungen, Interreflektionen, Streuung und Farbbluten, die durch die Mesostruktur der Oberfläche hervorgerufen werden. Leider besteht ein BTF Datensatz eines Materials aus hunderten oder tausenden von Bildern und sprengt damit herkömmliche Hauptspeicher in Computern bei weitem. Diese Arbeit beschreibt die erste praktikable Methode, um BTF Daten effizient zu komprimieren, zu speichern und für Echtzeitanwendungen zum Visualisieren wieder zu dekomprimieren. Die Methode basiert auf der Principal Component Analysis (PCA), die Daten nach Signifikanz ordnet. Während die PCA die entscheidenen visuellen Aspekte der BTF erhält, können mit ihrer Hilfe Kompressionsraten erzielt werden, die es erlauben mehrere BTF Materialien im Hauptspeicher eines Consumer PC zu verwalten. Dies erlaubt ein High-Quality Rendering. Korrektes Verwenden von komplexen Beleuchtungssituationen spielt eine weitere, wichtige Rolle, um Kleidung realistisch erscheinen zu lassen. Daher wird zudem eine Erweiterung des BTF Kompressions- und Renderingalgorithmuses erläutert, die den Einsatz von High-Dynamic Range (HDR) Beleuchtung erlaubt, die in environment maps gespeichert wird. Um die realistische Erscheinung der Kleidung weiter zu unterstützen, muss die makroskopische Selbstabschattung integriert werden. Für die Visualisierung von Falten und den lebensechten 3D Eindruck ist diese Art von Schatten absolut notwendig. Diese Arbeit beschreibt daher auch zwei Methoden, diese Schatten schnell und effizient zu berechnen. Die erste ist nahtlos in den Beleuchtungspart des obigen BTF Renderingalgorithmuses integriert und für statische Geometrien optimiert. Die zweite Methode behandelt dynamische Objekte. Dazu werden hardwarebeschleunigte Occlusion Queries verwendet, um die Sichtbarkeitsberechnung durchzuführen. Diese Methode ist einerseits simpel und leicht zu implementieren, anderseits ist sie schnell und produziert weniger Artefakte, als vergleichbare Methoden. Zusätzlich ist die Verwendung von veränderbarer, entfernter HDR Beleuchtung integriert. Das menschliche Wahrnehmungssystem ist das eigentliche Ziel jeglicher Anwendung in der Computergrafik und kann daher selbst als Teil einer erweiterten Rendering Pipeline gesehen werden. Daher kann das Rendering selbst optimiert werden, wenn man die menschliche Wahrnehmung verschiedener visueller Aspekte der berechneten Bilder analysiert. Teil der vorliegenden Arbeit ist die Beschreibung eines Experimentes, das menschliche Schattenwahrnehmung untersucht, um das Rendern der Schatten zu beschleunigen. Ein weiteres Teilgebiet der Kleidungsvisualisierung in der Computergrafik ist die Animation der Kleidung und von Avataren für Präsentationen. Diese Arbeit beschreibt zwei neue Methoden auf diesem Teilgebiet. Einmal ein Algorithmus, der für die automatische Generierung neuer Animationssequenzen verwendet werden kann und zum anderen einen Kompressionsalgorithmus für eben diese Sequenzen. Die automatische Generierung von völlig neuen, anpassbaren Animationen basiert auf dem Konzept der Ähnlichkeitssuche. Hierbei werden die einzelnen Schritte von gegebenen Basisanimationen auf Ähnlichkeiten hin untersucht, die zum Beispiel die Geschwindigkeiten einzelner Objektteile sein können. Die Identifizierung dieser Ähnlichkeiten erlaubt dann Sprünge innerhalb der Basissequenz, die dazu benutzt werden können, endlose, neue Sequenzen zu erzeugen. Die Übertragung von animierten 3D Daten über bandbreitenlimitierte Kanäle wie ausgedehnte Netzwerke, Mobilfunk oder zu sogenannten thin clients erfordert eine effiziente Komprimierung. Die zweite, in dieser Arbeit vorgestellte Methode, ist ein Kompressionsschema für Geometriedaten. Ähnlich wie bei der Kompression von BTF Daten wird die PCA in Verbindung mit Clustering benutzt, um die animierte Geometrie zu analysieren und in sich ähnlich bewegende Teile zu segmentieren. Diese erkannten Segmente lassen sich dann hoch komprimieren. Der Algorithmus arbeitet automatisch und erlaubt zudem eine sehr exakte Rekonstruktionsqualität nach der Dekomprimierung

Illuminators’ Materials and Techniques in Fourteenth-century English Manuscripts

English illumination reached new levels of sophistication during the 1300s. Anatomically accurate depictions of the human body, evocative portrayals of emotions and draperies modelled so as to simulate palpable volume and texture are prominent among the numerous accomplishments of fourteenth-century English illuminators, but we know little about the painting materials and techniques with which they created such effects. Except for occasional acts of censorship and common issues, such as the corrosion of verdigris, the discolouration of glazes or the darkening of silver, red lead and occasionally vermilion, most manuscripts – unlike the few extant easel and wall paintings or polychrome sculptures – are in good condition and have suffered no modern intervention. This makes them the most extensive and reliable corpus for the study of medieval English painting. Fourteenth-century manuscripts (and later ones) have not yet benefited from the amount of scientific analyses undertaken on earlier material from England and Ireland, but recent studies are beginning to fill the lacuna. Since 2012, the MINIARE project has analysed over 200 manuscripts dating from the tenth to the sixteenth century and originating from Italy, Central Europe, France, Flanders and England. This paper shares the preliminary findings on twelve fourteenth-century English manuscripts

Acquisition and modeling of material appearance

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2006.Includes bibliographical references (p. 131-143).In computer graphics, the realistic rendering of synthetic scenes requires a precise description of surface geometry, lighting, and material appearance. While 3D geometry scanning and modeling have advanced significantly in recent years, measurement and modeling of accurate material appearance have remained critical challenges. Analytical models are the main tools to describe material appearance in most current applications. They provide compact and smooth approximations to real materials but lack the expressiveness to represent complex materials. Data-driven approaches based on exhaustive measurements are fully general but the measurement process is difficult and the storage requirement is very high. In this thesis, we propose the use of hybrid representations that are more compact and easier to acquire than exhaustive measurement, while preserving much generality of a data-driven approach. To represent complex bidirectional reflectance distribution functions (BRDFs), we present a new method to estimate a general microfacet distribution from measured data. We show that this representation is able to reproduce complex materials that are impossible to model with purely analytical models.(cont.) We also propose a new method that significantly reduces measurement cost and time of the bidirectional texture function (BTF) through a statistical characterization of texture appearance. Our reconstruction method combines naturally aligned images and alignment-insensitive statistics to produce visually plausible results. We demonstrate our acquisition system which is able to capture intricate materials like fabrics in less than ten minutes with commodity equipments. In addition, we present a method to facilitate effective user design in the space of material appearance. We introduce a metric in the space of reflectance which corresponds roughly to perceptual measures. The main idea of our approach is to evaluate reflectance differences in terms of their induced rendered images, instead of the reflectance function itself defined in the angular domains. With rendered images, we show that even a simple computational metric can provide good perceptual spacing and enable intuitive navigation of the reflectance space.by Wai Kit Addy Ngan.Ph.D

Developments in dynamic field gradient focusing: microfluidics and integration

Advances in modern science require the development of more robust and improved systems for electroseparations in chromatography. In response, the progress of a new analytical platform is discussed. DFGF (Dynamic Field Gradient Focusing) is a separation technique, first described in 1998, which exploits the differences in electrophoretic mobility and hydrodynamic area of analytes to result in separation. This is achieved by taking a channel and applying a hydrodynamic flow in one direction and a counteracting electric field gradient acting in the opposite direction, resulting in analytes reaching a focal point according to their electrophoretic mobility. Work through this project has seen innovations to improve existing DFGF devices, including the design and manufacture of a novel packing material, while developing the latest DFGF system. This incorporates a microfluidic separation channel, eliminating the need for packing material or monolith. The new microfluidic device also features whole-on-column UV detection. Improvements through the developments of this device are discussed, most notably the utilisation of a new rapid prototyping technique. Examples of applications undertaken with the new device are demonstrated including novel samples and integration with mass spectrometry and 2D-HPLC