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

Modeling and Simulation in Engineering

This book provides an open platform to establish and share knowledge developed by scholars, scientists, and engineers from all over the world, about various applications of the modeling and simulation in the design process of products, in various engineering fields. The book consists of 12 chapters arranged in two sections (3D Modeling and Virtual Prototyping), reflecting the multidimensionality of applications related to modeling and simulation. Some of the most recent modeling and simulation techniques, as well as some of the most accurate and sophisticated software in treating complex systems, are applied. All the original contributions in this book are jointed by the basic principle of a successful modeling and simulation process: as complex as necessary, and as simple as possible. The idea is to manipulate the simplifying assumptions in a way that reduces the complexity of the model (in order to make a real-time simulation), but without altering the precision of the results

Matrix-based Parameterizations of Skeletal Animated Appearance

Alors que le rendu réaliste gagne de l’ampleur dans l’industrie, les techniques à la fois photoréalistes et basées sur la physique, complexes en terme de temps de calcul, requièrent souvent une étape de précalcul hors-ligne. Les applications en temps réel, comme les jeux vidéo et la réalité virtuelle, se basent sur des techniques d’approximation et de précalcul pour atteindre des résultats réalistes. L’objectif de ce mémoire est l’investigation de différentes paramétrisations animées pour concevoir une technique d’approximation de rendu réaliste en temps réel. Notre investigation se concentre sur le rendu d’effets visuels appliqués à des personnages animés par modèle d’armature squelettique. Des paramétrisations combinant des données de mouvement et d’apparence nous permettent l’extraction de paramètres pour le processus en temps réel. Établir une dépendance linéaire entre le mouvement et l’apparence est ainsi au coeur de notre méthode. Nous nous concentrons sur l’occultation ambiante, où la simulation de l’occultation est causée par des objets à proximité bloquant la lumière environnante, jugée uniforme. L’occultation ambiante est une technique indépendante du point de vue, et elle est désormais essentielle pour le réalisme en temps réel. Nous examinons plusieurs paramétrisations qui traitent l’espace du maillage en fonction de l’information d’animation par squelette et/ou du maillage géométrique. Nous sommes capables d’approximer la réalité pour l’occultation ambiante avec une faible erreur. Notre technique pourrait également être étendue à d’autres effets visuels tels le rendu de la peau humaine (diffusion sous-surface), les changements de couleur dépendant du point de vue, les déformations musculaires, la fourrure ou encore les vêtements.While realistic rendering gains more popularity in industry, photorealistic and physically- based techniques often necessitate offline processing due to their computational complexity. Real-time applications, such as video games and virtual reality, rely mostly on approximation and precomputation techniques to achieve realistic results. The objective of this thesis is to investigate different animated parameterizations in order to devise a technique that can approximate realistic rendering results in real time. Our investigation focuses on rendering visual effects applied to skinned skeletonbased characters. Combined parameterizations of motion and appearance data are used to extract parameters that can be used in a real-time approximation. Trying to establish a linear dependency between motion and appearance is the basis of our method. We focus on ambient occlusion, a simulation of shadowing caused by objects that block ambient light. Ambient occlusion is a view-independent technique important for realism. We consider different parameterization techniques that treat the mesh space depending on skeletal animation information and/or mesh geometry. We are able to approximate ground-truth ambient occlusion with low error. Our technique can also be extended to different visual effects, such as rendering human skin (subsurface scattering), changes in color due to the view orientation, deformation of muscles, fur, or clothe

Lidar-based Gait Analysis and Activity Recognition in a 4D Surveillance System

This paper presents new approaches for gait and activity analysis based on data streams of a Rotating Multi Beam (RMB) Lidar sensor. The proposed algorithms are embedded into an integrated 4D vision and visualization system, which is able to analyze and interactively display real scenarios in natural outdoor environments with walking pedestrians. The main focus of the investigations are gait based person re-identification during tracking, and recognition of specific activity patterns such as bending, waving, making phone calls and checking the time looking at wristwatches. The descriptors for training and recognition are observed and extracted from realistic outdoor surveillance scenarios, where multiple pedestrians are walking in the field of interest following possibly intersecting trajectories, thus the observations might often be affected by occlusions or background noise. Since there is no public database available for such scenarios, we created and published a new Lidar-based outdoors gait and activity dataset on our website, that contains point cloud sequences of 28 different persons extracted and aggregated from 35 minutes-long measurements. The presented results confirm that both efficient gait-based identification and activity recognition is achievable in the sparse point clouds of a single RMB Lidar sensor. After extracting the people trajectories, we synthesized a free-viewpoint video, where moving avatar models follow the trajectories of the observed pedestrians in real time, ensuring that the leg movements of the animated avatars are synchronized with the real gait cycles observed in the Lidar stream

KOLAM : human computer interfaces fro visual analytics in big data imagery

In the present day, we are faced with a deluge of disparate and dynamic information from multiple heterogeneous sources. Among these are the big data imagery datasets that are rapidly being generated via mature acquisition methods in the geospatial, surveillance (specifically, Wide Area Motion Imagery or WAMI) and biomedical domains. The need to interactively visualize these imagery datasets by using multiple types of views (as needed) into the data is common to these domains. Furthermore, researchers in each domain have additional needs: users of WAMI datasets also need to interactively track objects of interest using algorithms of their choice, visualize the resulting object trajectories and interactively edit these results as needed. While software tools that fulfill each of these requirements individually are available and well-used at present, there is still a need for tools that can combine the desired aspects of visualization, human computer interaction (HCI), data analysis, data management, and (geo-)spatial and temporal data processing into a single flexible and extensible system. KOLAM is an open, cross-platform, interoperable, scalable and extensible framework for visualization and analysis that we have developed to fulfil the above needs. The novel contributions in this thesis are the following: 1) Spatio-temporal caching for animating both giga-pixel and Full Motion Video (FMV) imagery, 2) Human computer interfaces purposefully designed to accommodate big data visualization, 3) Human-in-the-loop interactive video object tracking - ground-truthing of moving objects in wide area imagery using algorithm assisted human-in-the-loop coupled tracking, 4) Coordinated visualization using stacked layers, side-by-side layers/video sub-windows and embedded imagery, 5) Efficient one-click manual tracking, editing and data management of trajectories, 6) Efficient labeling of image segmentation regions and passing these results to desired modules, 7) Visualization of image processing results generated by non-interactive operators using layers, 8) Extension of interactive imagery and trajectory visualization to multi-monitor wall display environments, 9) Geospatial applications: Providing rapid roam, zoom and hyper-jump spatial operations, interactive blending, colormap and histogram enhancement, spherical projection and terrain maps, 10) Biomedical applications: Visualization and target tracking of cell motility in time-lapse cell imagery, collecting ground-truth from experts on whole-slide imagery (WSI) for developing histopathology analytic algorithms and computer-aided diagnosis for cancer grading, and easy-to-use tissue annotation features.Includes bibliographical reference