A Versatile Parameterization for Measured Material Manifolds

International audienceA popular approach for computing photorealistic images of virtual objects requires applying reflectance profiles measured from real surfaces, introducing several challenges: the memory needed to faithfully capture realistic material reflectance is large, the choice of materials is limited to the set of measurements, and image synthesis using the measured data is costly. Typically, this data is either compressed by projecting it onto a subset of its linear principal components or by applying non-linear methods. The former requires many components to faithfully represent the input reflectance, whereas the latter necessitates costly extrapolation algorithms. We learn an underlying, low-dimensional non-linear reflectance manifold amenable to rapid exploration and rendering of real-world materials. We can express interpolated materials as linear combinations of the measured data, despite them lying on an inherently non-linear manifold. This allows us to efficiently interpolate and extrapolate measured BRDFs, and to render directly from the manifold representation. We exploit properties of Gaussian process latent variable models and use our representation for high-performance and offline rendering with interpolated real-world materials

PhotoApp: Photorealistic Appearance Editing of Head Portraits

Photorealistic editing of portraits is a challenging task as humans are very sensitive to inconsistencies in faces. We present an approach for high-quality intuitive editing of the camera viewpoint and scene illumination in a portrait image. This requires our method to capture and control the full reflectance field of the person in the image. Most editing approaches rely on supervised learning using training data captured with setups such as light and camera stages. Such datasets are expensive to acquire, not readily available and do not capture all the rich variations of in-the-wild portrait images. In addition, most supervised approaches only focus on relighting, and do not allow camera viewpoint editing. Thus, they only capture and control a subset of the reflectance field. Recently, portrait editing has been demonstrated by operating in the generative model space of StyleGAN. While such approaches do not require direct supervision, there is a significant loss of quality when compared to the supervised approaches. In this paper, we present a method which learns from limited supervised training data. The training images only include people in a fixed neutral expression with eyes closed, without much hair or background variations. Each person is captured under 150 one-light-at-a-time conditions and under 8 camera poses. Instead of training directly in the image space, we design a supervised problem which learns transformations in the latent space of StyleGAN. This combines the best of supervised learning and generative adversarial modeling. We show that the StyleGAN prior allows for generalisation to different expressions, hairstyles and backgrounds. This produces high-quality photorealistic results for in-the-wild images and significantly outperforms existing methods. Our approach can edit the illumination and pose simultaneously, and runs at interactive rates.Comment: http://gvv.mpi-inf.mpg.de/projects/PhotoApp

Leaming Visual Appearance: Perception, Modeling and Editing.

La apariencia visual determina como entendemos un objecto o imagen, y, por tanto, es un aspecto fundamental en la creación de contenido digital. Es un término general, englobando otros como la apariencia de los materiales, definida como la impresión que tenemos de un material, y la cual supone una interacción física entre luz y materia, y como nuestro sistema visual es capaz de percibirla. Sin embargo, modelar computacionalmente el comportamiento de nuestro sistema visual es una tarea difícil, entre otros motivos porque no existe una teoría definitiva y unificada sobre la percepción visual humana. Además, aunque hemos desarrollado algoritmos capaces de modelar fehacientemente la interacción entre luz y materia, existe una desconexión entre los parámetros físicos que usan estos algoritmos, y los parámetros perceptuales que el sistema visual humano entiende. Esto hace que manipular estas representaciones físicas, y sus interacciones, sea una tarea tediosa y costosa, incluso para usuarios expertos. Esta tesis busca mejorar nuestra comprensión de la percepción de la apariencia de materiales y usar dicho conocimiento para mejorar los algoritmos existentes para la generación de contenido visual. Específicamente, la tesis tiene contribuciones en tres áreas: proponiendo nuevos modelos computacionales para medir la similitud de apariencia; investigando la interacción entre iluminación y geometría; y desarrollando aplicaciones intuitivas para la manipulación de apariencia, en concreto, para el re-iluminado de humanos y para editar la apariencia de materiales.Una primera parte de la tesis explora métodos para medir la similaridad de apariencia. Ser capaces de medir cómo de similares son dos materiales, o imágenes, es un problema clásico en campos de la computación visual como visión por computador o informática gráfica. Abordamos primero el problema de similaridad en la apariencia de materiales. Proponemos un método basado en deep learning que combina imágenes con juicios subjetivos sobre la similitud de materiales, recogidos mediante estudios de usuario. Por otro lado, se explora el problema de la similaridad entre iconos. En este segundo caso, se hace uso de redes neuronales siamesas, y el estilo y la identidad que dan los artistas juega un papel clave en dicha medida de similaridad. La segunda parte avanza en la comprensión de cómo los factores de confusión (confounding factors) afectan a nuestra percepción de la apariencia de los materiales. Dos factores de confusión claves son la geometría de los objetos y la iluminación de la escena. Comenzamos investigando el efecto de dichos factores a la hora de reconocer los materiales a través de diversos experimentos y estudios estadísticos. También investigamos el efecto del movimiento del objeto en la percepción de la apariencia de materiales.En la tercera parte exploramos aplicaciones intuitivas para la manipulación de la apariencia visual. Primero, abordamos el problema de la re-iluminación de humanos. Proponemos una nueva formulación del problema, y basándonos en ella, se diseña y entrena un modelo basado en redes neuronales profundas para re-iluminar una escena. Por último, abordamos el problema de la edición intuitiva de materiales. Para ello, recopilamos juicios humanos sobre la percepción de diferentes atributos y presentamos un modelo, basado en redes neuronales profundas, capaz de editar materiales de forma realista simplemente variando el valor de los atributos recogidos.<br /