Rekonstruktion, Analyse und Editierung dynamisch deformierter 3D-Oberflächen

Dynamically deforming 3D surfaces play a major role in computer graphics. However, producing time-varying dynamic geometry at ever increasing detail is a time-consuming and costly process, and so a recent trend is to capture geometry data directly from the real world. In the first part of this thesis, I propose novel approaches for this research area. These approaches capture dense dynamic 3D surfaces from multi-camera systems in a particularly robust and accurate way. This provides highly realistic dynamic surface models for phenomena like moving garments and bulging muscles. However, re-using, editing, or otherwise analyzing dynamic 3D surface data is not yet conveniently possible. To close this gap, the second part of this dissertation develops novel data-driven modeling and animation approaches. I first show a supervised data-driven approach for modeling human muscle deformations that scales to huge datasets and provides fine-scale, anatomically realistic deformations at high quality not attainable by previous methods. I then extend data-driven modeling to the unsupervised case, providing editing tools for a wider set of input data ranging from facial performance capture and full-body motion to muscle and cloth deformation. To this end, I introduce the concepts of sparsity and locality within a mathematical optimization framework. I also explore these concepts for constructing shape-aware functions that are useful for static geometry processing, registration, and localized editing.Dynamisch deformierbare 3D-Oberflächen spielen in der Computergrafik eine zentrale Rolle. Die Erstellung der für Computergrafik-Anwendungen benötigten, hochaufgelösten und zeitlich veränderlichen Oberflächengeometrien ist allerdings äußerst arbeitsintensiv. Aus dieser Problematik heraus hat sich der Trend entwickelt, Oberflächendaten direkt aus Aufnahmen der echten Welt zu erfassen. Dazu nötige 3D-Rekonstruktionsverfahren werden im ersten Teil der Arbeit entwickelt. Die vorgestellten, neuartigen Verfahren erlauben die Erfassung dynamischer 3D-Oberflächen aus Mehrkamera-Aufnahmen bei hoher Verlässlichkeit und Präzision. Auf diese Weise können detaillierte Oberflächenmodelle von Phänomenen wie in Bewegung befindliche Kleidung oder sich anspannende Muskeln erfasst werden. Aber auch die Wiederverwendung, Bearbeitung und Analyse derlei gewonnener 3D-Oberflächendaten ist aktuell noch nicht auf eine einfache Art und Weise möglich. Um diese Lücke zu schließen beschäftigt sich der zweite Teil der Arbeit mit der datengetriebenen Modellierung und Animation. Zunächst wird ein Ansatz für das überwachte Lernen menschlicher Muskel-Deformationen vorgestellt. Dieses neuartige Verfahren ermöglicht eine datengetriebene Modellierung mit besonders umfangreichen Datensätzen und liefert anatomisch-realistische Deformationseffekte. Es übertrifft damit die Genauigkeit früherer Methoden. Im nächsten Teil beschäftigt sich die Dissertation mit dem unüberwachten Lernen aus 3D-Oberflächendaten. Es werden neuartige Werkzeuge vorgestellt, die eine weitreichende Menge an Eingabedaten verarbeiten können, von aufgenommenen Gesichtsanimationen über Ganzkörperbewegungen bis hin zu Muskel- und Kleidungsdeformationen. Um diese Anwendungsbreite zu erreichen stützt sich die Arbeit auf die allgemeinen Konzepte der Spärlichkeit und Lokalität und bettet diese in einen mathematischen Optimierungsansatz ein. Abschließend zeigt die vorliegende Arbeit, wie diese Konzepte auch für die Konstruktion von oberflächen-adaptiven Basisfunktionen übertragen werden können. Dadurch können Anwendungen für die Verarbeitung, Registrierung und Bearbeitung statischer Oberflächenmodelle erschlossen werden