Towards recovery of complex shapes in meshes using digital images for reverse engineering applications

When an object owns complex shapes, or when its outer surfaces are simply inaccessible, some of its parts may not be captured during its reverse engineering. These deficiencies in the point cloud result in a set of holes in the reconstructed mesh. This paper deals with the use of information extracted from digital images to recover missing areas of a physical object. The proposed algorithm fills in these holes by solving an optimization problem that combines two kinds of information: (1) the geometric information available on the surrounding of the holes, (2) the information contained in an image of the real object. The constraints come from the image irradiance equation, a first-order non-linear partial differential equation that links the position of the mesh vertices to the light intensity of the image pixels. The blending conditions are satisfied by using an objective function based on a mechanical model of bar network that simulates the curvature evolution over the mesh. The inherent shortcomings both to the current holefilling algorithms and the resolution of the image irradiance equations are overcom

Scalable Realtime Rendering and Interaction with Digital Surface Models of Landscapes and Cities

Interactive, realistic rendering of landscapes and cities differs substantially from classical terrain rendering. Due to the sheer size and detail of the data which need to be processed, realtime rendering (i.e. more than 25 images per second) is only feasible with level of detail (LOD) models. Even the design and implementation of efficient, automatic LOD generation is ambitious for such out-of-core datasets considering the large number of scales that are covered in a single view and the necessity to maintain screen-space accuracy for realistic representation. Moreover, users want to interact with the model based on semantic information which needs to be linked to the LOD model. In this thesis I present LOD schemes for the efficient rendering of 2.5d digital surface models (DSMs) and 3d point-clouds, a method for the automatic derivation of city models from raw DSMs, and an approach allowing semantic interaction with complex LOD models. The hierarchical LOD model for digital surface models is based on a quadtree of precomputed, simplified triangle mesh approximations. The rendering of the proposed model is proved to allow real-time rendering of very large and complex models with pixel-accurate details. Moreover, the necessary preprocessing is scalable and fast. For 3d point clouds, I introduce an LOD scheme based on an octree of hybrid plane-polygon representations. For each LOD, the algorithm detects planar regions in an adequately subsampled point cloud and models them as textured rectangles. The rendering of the resulting hybrid model is an order of magnitude faster than comparable point-based LOD schemes. To automatically derive a city model from a DSM, I propose a constrained mesh simplification. Apart from the geometric distance between simplified and original model, it evaluates constraints based on detected planar structures and their mutual topological relations. The resulting models are much less complex than the original DSM but still represent the characteristic building structures faithfully. Finally, I present a method to combine semantic information with complex geometric models. My approach links the semantic entities to the geometric entities on-the-fly via coarser proxy geometries which carry the semantic information. Thus, semantic information can be layered on top of complex LOD models without an explicit attribution step. All findings are supported by experimental results which demonstrate the practical applicability and efficiency of the methods

Human perception-oriented segmentation for triangle meshes

A segmentação de malhas é um tópico importante de investigação em computação gráfica, em particular em modelação geométrica. Isto deve-se ao facto de as técnicas de segmentaçãodemalhasteremváriasaplicações,nomeadamentenaproduçãodefilmes, animaçãoporcomputador, realidadevirtual, compressãodemalhas, assimcomoemjogosdigitais. Emconcreto, asmalhastriangularessãoamplamenteusadasemaplicações interativas, visto que sua segmentação em partes significativas (também designada por segmentação significativa, segmentação perceptiva ou segmentação perceptualmente significativa ) é muitas vezes vista como uma forma de acelerar a interação com o utilizador ou a deteção de colisões entre esses objetos 3D definidos por uma malha, bem como animar uma ou mais partes significativas (por exemplo, a cabeça de uma personagem) de um dado objeto, independentemente das restantes partes. Acontece que não se conhece nenhuma técnica capaz de segmentar correctamente malhas arbitrárias −ainda que restritas aos domínios de formas livres e não-livres− em partes significativas. Algumas técnicas são mais adequadas para objetos de forma não-livre (por exemplo, peças mecânicas definidas geometricamente por quádricas), enquanto outras são mais talhadas para o domínio dos objectos de forma livre. Só na literatura recente surgem umas poucas técnicas que se aplicam a todo o universo de objetos de forma livre e não-livre. Pior ainda é o facto de que a maioria das técnicas de segmentação não serem totalmente automáticas, no sentido de que quase todas elas exigem algum tipo de pré-requisitos e assistência do utilizador. Resumindo, estes três desafios relacionados com a proximidade perceptual, generalidade e automação estão no cerne do trabalho descrito nesta tese. Para enfrentar estes desafios, esta tese introduz o primeiro algoritmo de segmentação baseada nos contornos ou fronteiras dos segmentos, cuja técnica se inspira nas técnicas de segmentação baseada em arestas, tão comuns em análise e processamento de imagem,porcontraposiçãoàstécnicasesegmentaçãobaseadaemregiões. Aideiaprincipal é a de encontrar em primeiro lugar a fronteira de cada região para, em seguida, identificar e agrupar todos os seus triângulos internos. As regiões da malha encontradas correspondem a saliências e reentrâncias, que não precisam de ser estritamente convexas, nem estritamente côncavas, respectivamente. Estas regiões, designadas regiões relaxadamenteconvexas(ousaliências)eregiõesrelaxadamentecôncavas(oureentrâncias), produzem segmentações que são menos sensíveis ao ruído e, ao mesmo tempo, são mais intuitivas do ponto de vista da perceção humana; por isso, é designada por segmentação orientada à perceção humana (ou, human perception- oriented (HPO), do inglês). Além disso, e ao contrário do atual estado-da-arte da segmentação de malhas, a existência destas regiões relaxadas torna o algoritmo capaz de segmentar de maneira bastante plausível tanto objectos de forma não-livre como objectos de forma livre. Nesta tese, enfrentou-se também um quarto desafio, que está relacionado com a fusão de segmentação e multi-resolução de malhas. Em boa verdade, já existe na literatura uma variedade grande de técnicas de segmentação, bem como um número significativo de técnicas de multi-resolução, para malhas triangulares. No entanto, não é assim tão comum encontrar estruturas de dados e algoritmos que façam a fusão ou a simbiose destes dois conceitos, multi-resolução e segmentação, num único esquema multi-resolução que sirva os propósitos das aplicações que lidam com malhas simples e segmentadas, sendo que neste contexto se entende que uma malha simples é uma malha com um único segmento. Sendo assim, nesta tese descreve-se um novo esquema (entenda-seestruturasdedadosealgoritmos)demulti-resoluçãoesegmentação,designado por extended Ghost Cell (xGC). Este esquema preserva a forma das malhas, tanto em termos globais como locais, ou seja, os segmentos da malha e as suas fronteiras, bem como os seus vincos e ápices são preservados, não importa o nível de resolução que usamos durante a/o simplificação/refinamento da malha. Além disso, ao contrário de outros esquemas de segmentação, tornou-se possível ter segmentos adjacentes com dois ou mais níveis de resolução de diferença. Isto é particularmente útil em animação por computador, compressão e transmissão de malhas, operações de modelação geométrica, visualização científica e computação gráfica. Em suma, esta tese apresenta um esquema genérico, automático, e orientado à percepção humana, que torna possível a simbiose dos conceitos de segmentação e multiresolução de malhas trianguladas que sejam representativas de objectos 3D.The mesh segmentation is an important topic in computer graphics, in particular in geometric computing. This is so because mesh segmentation techniques find many applications in movies, computer animation, virtual reality, mesh compression, and games. Infact, trianglemeshesarewidelyusedininteractiveapplications, sothattheir segmentation in meaningful parts (i.e., human-perceptually segmentation, perceptive segmentationormeaningfulsegmentation)isoftenseenasawayofspeedinguptheuser interaction, detecting collisions between these mesh-covered objects in a 3D scene, as well as animating one or more meaningful parts (e.g., the head of a humanoid) independently of the other parts of a given object. It happens that there is no known technique capable of correctly segmenting any mesh into meaningful parts. Some techniques are more adequate for non-freeform objects (e.g., quadricmechanicalparts), whileothersperformbetterinthedomainoffreeform objects. Only recently, some techniques have been developed for the entire universe of objects and shapes. Even worse it is the fact that most segmentation techniques are not entirely automated in the sense that almost all techniques require some sort of pre-requisites and user assistance. Summing up, these three challenges related to perceptual proximity, generality and automation are at the core of the work described in this thesis. In order to face these challenges, we have developed the first contour-based mesh segmentation algorithm that we may find in the literature, which is inspired in the edgebased segmentation techniques used in image analysis, as opposite to region-based segmentation techniques. Its leading idea is to firstly find the contour of each region, and then to identify and collect all of its inner triangles. The encountered mesh regions correspond to ups and downs, which do not need to be strictly convex nor strictly concave, respectively. These regions, called relaxedly convex regions (or saliences) and relaxedly concave regions (or recesses), produce segmentations that are less-sensitive to noise and, at the same time, are more intuitive from the human point of view; hence it is called human perception- oriented (HPO) segmentation. Besides, and unlike the current state-of-the-art in mesh segmentation, the existence of these relaxed regions makes the algorithm suited to both non-freeform and freeform objects. In this thesis, we have also tackled a fourth challenge, which is related with the fusion of mesh segmentation and multi-resolution. Truly speaking, a plethora of segmentation techniques, as well as a number of multiresolution techniques, for triangle meshes already exist in the literature. However, it is not so common to find algorithms and data structures that fuse these two concepts, multiresolution and segmentation, into a symbiotic multi-resolution scheme for both plain and segmented meshes, in which a plainmeshisunderstoodasameshwithasinglesegment. So, weintroducesuchanovel multiresolution segmentation scheme, called extended Ghost Cell (xGC) scheme. This scheme preserves the shape of the meshes in both global and local terms, i.e., mesh segments and their boundaries, as well as creases and apices are preserved, no matter the level of resolution we use for simplification/refinement of the mesh. Moreover, unlike other segmentation schemes, it was made possible to have adjacent segments with two or more resolution levels of difference. This is particularly useful in computer animation, mesh compression and transmission, geometric computing, scientific visualization, and computer graphics. In short, this thesis presents a fully automatic, general, and human perception-oriented scheme that symbiotically integrates the concepts of mesh segmentation and multiresolution

Application-driven visual computing towards industry 4.0 2018

245 p.La Tesis recoge contribuciones en tres campos: 1. Agentes Virtuales Interactivos: autónomos, modulares, escalables, ubicuos y atractivos para el usuario. Estos IVA pueden interactuar con los usuarios de manera natural.2. Entornos de RV/RA Inmersivos: RV en la planificación de la producción, el diseño de producto, la simulación de procesos, pruebas y verificación. El Operario Virtual muestra cómo la RV y los Co-bots pueden trabajar en un entorno seguro. En el Operario Aumentado la RA muestra información relevante al trabajador de una manera no intrusiva. 3. Gestión Interactiva de Modelos 3D: gestión online y visualización de modelos CAD multimedia, mediante conversión automática de modelos CAD a la Web. La tecnología Web3D permite la visualización e interacción de estos modelos en dispositivos móviles de baja potencia.Además, estas contribuciones han permitido analizar los desafíos presentados por Industry 4.0. La tesis ha contribuido a proporcionar una prueba de concepto para algunos de esos desafíos: en factores humanos, simulación, visualización e integración de modelos

Algorithms for the reconstruction, analysis, repairing and enhancement of 3D urban models from multiple data sources

Over the last few years, there has been a notorious growth in the field of digitization of 3D buildings and urban environments. The substantial improvement of both scanning hardware and reconstruction algorithms has led to the development of representations of buildings and cities that can be remotely transmitted and inspected in real-time. Among the applications that implement these technologies are several GPS navigators and virtual globes such as Google Earth or the tools provided by the Institut Cartogràfic i Geològic de Catalunya. In particular, in this thesis, we conceptualize cities as a collection of individual buildings. Hence, we focus on the individual processing of one structure at a time, rather than on the larger-scale processing of urban environments. Nowadays, there is a wide diversity of digitization technologies, and the choice of the appropriate one is key for each particular application. Roughly, these techniques can be grouped around three main families: - Time-of-flight (terrestrial and aerial LiDAR). - Photogrammetry (street-level, satellite, and aerial imagery). - Human-edited vector data (cadastre and other map sources). Each of these has its advantages in terms of covered area, data quality, economic cost, and processing effort. Plane and car-mounted LiDAR devices are optimal for sweeping huge areas, but acquiring and calibrating such devices is not a trivial task. Moreover, the capturing process is done by scan lines, which need to be registered using GPS and inertial data. As an alternative, terrestrial LiDAR devices are more accessible but cover smaller areas, and their sampling strategy usually produces massive point clouds with over-represented plain regions. A more inexpensive option is street-level imagery. A dense set of images captured with a commodity camera can be fed to state-of-the-art multi-view stereo algorithms to produce realistic-enough reconstructions. One other advantage of this approach is capturing high-quality color data, whereas the geometric information is usually lacking. In this thesis, we analyze in-depth some of the shortcomings of these data-acquisition methods and propose new ways to overcome them. Mainly, we focus on the technologies that allow high-quality digitization of individual buildings. These are terrestrial LiDAR for geometric information and street-level imagery for color information. Our main goal is the processing and completion of detailed 3D urban representations. For this, we will work with multiple data sources and combine them when possible to produce models that can be inspected in real-time. Our research has focused on the following contributions: - Effective and feature-preserving simplification of massive point clouds. - Developing normal estimation algorithms explicitly designed for LiDAR data. - Low-stretch panoramic representation for point clouds. - Semantic analysis of street-level imagery for improved multi-view stereo reconstruction. - Color improvement through heuristic techniques and the registration of LiDAR and imagery data. - Efficient and faithful visualization of massive point clouds using image-based techniques.Durant els darrers anys, hi ha hagut un creixement notori en el camp de la digitalització d'edificis en 3D i entorns urbans. La millora substancial tant del maquinari d'escaneig com dels algorismes de reconstrucció ha portat al desenvolupament de representacions d'edificis i ciutats que es poden transmetre i inspeccionar remotament en temps real. Entre les aplicacions que implementen aquestes tecnologies hi ha diversos navegadors GPS i globus virtuals com Google Earth o les eines proporcionades per l'Institut Cartogràfic i Geològic de Catalunya. En particular, en aquesta tesi, conceptualitzem les ciutats com una col·lecció d'edificis individuals. Per tant, ens centrem en el processament individual d'una estructura a la vegada, en lloc del processament a gran escala d'entorns urbans. Avui en dia, hi ha una àmplia diversitat de tecnologies de digitalització i la selecció de l'adequada és clau per a cada aplicació particular. Aproximadament, aquestes tècniques es poden agrupar en tres famílies principals: - Temps de vol (LiDAR terrestre i aeri). - Fotogrametria (imatges a escala de carrer, de satèl·lit i aèries). - Dades vectorials editades per humans (cadastre i altres fonts de mapes). Cadascun d'ells presenta els seus avantatges en termes d'àrea coberta, qualitat de les dades, cost econòmic i esforç de processament. Els dispositius LiDAR muntats en avió i en cotxe són òptims per escombrar àrees enormes, però adquirir i calibrar aquests dispositius no és una tasca trivial. A més, el procés de captura es realitza mitjançant línies d'escaneig, que cal registrar mitjançant GPS i dades inercials. Com a alternativa, els dispositius terrestres de LiDAR són més accessibles, però cobreixen àrees més petites, i la seva estratègia de mostreig sol produir núvols de punts massius amb regions planes sobrerepresentades. Una opció més barata són les imatges a escala de carrer. Es pot fer servir un conjunt dens d'imatges capturades amb una càmera de qualitat mitjana per obtenir reconstruccions prou realistes mitjançant algorismes estèreo d'última generació per produir. Un altre avantatge d'aquest mètode és la captura de dades de color d'alta qualitat. Tanmateix, la informació geomètrica resultant sol ser de baixa qualitat. En aquesta tesi, analitzem en profunditat algunes de les mancances d'aquests mètodes d'adquisició de dades i proposem noves maneres de superar-les. Principalment, ens centrem en les tecnologies que permeten una digitalització d'alta qualitat d'edificis individuals. Es tracta de LiDAR terrestre per obtenir informació geomètrica i imatges a escala de carrer per obtenir informació sobre colors. El nostre objectiu principal és el processament i la millora de representacions urbanes 3D amb molt detall. Per a això, treballarem amb diverses fonts de dades i les combinarem quan sigui possible per produir models que es puguin inspeccionar en temps real. La nostra investigació s'ha centrat en les següents contribucions: - Simplificació eficaç de núvols de punts massius, preservant detalls d'alta resolució. - Desenvolupament d'algoritmes d'estimació normal dissenyats explícitament per a dades LiDAR. - Representació panoràmica de baixa distorsió per a núvols de punts. - Anàlisi semàntica d'imatges a escala de carrer per millorar la reconstrucció estèreo de façanes. - Millora del color mitjançant tècniques heurístiques i el registre de dades LiDAR i imatge. - Visualització eficient i fidel de núvols de punts massius mitjançant tècniques basades en imatges

One-shot Feature-Preserving Point Cloud Simplification with Gaussian Processes on Riemannian Manifolds

The processing, storage and transmission of large-scale point clouds is an ongoing challenge in the computer vision community which hinders progress in the application of 3D models to real-world settings, such as autonomous driving, virtual reality and remote sensing. We propose a novel, one-shot point cloud simplification method which preserves both the salient structural features and the overall shape of a point cloud without any prior surface reconstruction step. Our method employs Gaussian processes with kernels defined on Riemannian manifolds, allowing us to model the surface variation function across any given point cloud. A simplified version of the original cloud is obtained by sequentially selecting points using a greedy sparsification scheme. The selection criterion used for this scheme ensures that the simplified cloud best represents the surface variation of the original point cloud. We evaluate our method on several benchmark datasets, compare it to a range of existing methods and show that our method is competitive both in terms of empirical performance and computational efficiency.Comment: 10 pages, 5 figure

Spatio-temporal centroid based sign language facial expressions for animation synthesis in virtual environment

Orientador: Eduardo TodtTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Programa de Pós-Graduação em Informática. Defesa : Curitiba, 20/02/2019Inclui referências: p.86-97Área de concentração: Ciência da ComputaçãoResumo: Formalmente reconhecida como segunda lingua oficial brasileira, a BSL, ou Libras, conta hoje com muitas aplicacoes computacionais que integram a comunidade surda nas atividades cotidianas, oferecendo interpretes virtuais representados por avatares 3D construidos utilizando modelos formais que parametrizam as caracteristicas especificas das linguas de sinais. Estas aplicacoes, contudo, ainda consideram expressoes faciais como recurso de segundo plano em uma lingua primariamente gestual, ignorando a importancia que expressoes faciais e emocoes imprimem no contexto da mensagem transmitida. Neste trabalho, a fim de definir um modelo facial parametrizado para uso em linguas de sinais, um sistema de sintese de expressoes faciais atraves de um avatar 3D e proposto e um prototipo implementado. Neste sentido, um modelo de landmarks faciais separado por regioes e definido assim como uma modelagem de expressoes base utilizando as bases faciais AKDEF e JAFEE como referencia. Com este sistema e possivel representar expressoes complexas utilizando interpolacao dos valores de intensidade na animacao geometrica, de forma simplificada utilizando controle por centroides e deslocamento de regioes independentes no modelo 3D. E proposto ainda uma aplicacao de modelo espaco-temporal para os landmarks faciais, com o objetivo de observar o comportamento e relacao dos centroides na sintese das expressoes base definindo quais pontos geometricos sao relevantes no processo de interpolacao e animacao das expressoes. Um sistema de exportacao dos dados faciais seguindo o formato hierarquico utilizado na maioria dos avatares 3D interpretes de linguas de sinais e desenvolvido, incentivando a integracao em modelos formais computacionais ja existentes na literatura, permitindo ainda a adaptacao e alteracao de valores e intensidades na representacao das emocoes. Assim, os modelos e conceitos apresentados propoe a integracao de um modeo facial para representacao de expressoes na sintese de sinais oferecendo uma proposta simplificada e otimizada para aplicacao dos recursos em avatares 3D. Palavras-chave: Avatar 3D, Dados Espaco-Temporal, Libras, Lingua de sinais, Expressoes Faciais.Abstract: Formally recognized as the second official Brazilian language, BSL, or Libras, today has many computational applications that integrate the deaf community into daily activities, offering virtual interpreters represented by 3D avatars built using formal models that parameterize the specific characteristics of sign languages. These applications, however, still consider facial expressions as a background feature in a primarily gestural language, ignoring the importance that facial expressions and emotions imprint on the context of the transmitted message. In this work, in order to define a parametrized facial model for use in sign languages, a system of synthesis of facial expressions through a 3D avatar is proposed and a prototype implemented. In this way, a model of facial landmarks separated by regions is defined as a modeling of base expressions using the AKDEF and JAFEE facial bases as a reference. With this system it is possible to represent complex expressions using interpolation of the intensity values in the geometric animation, in a simplified way using control by centroids and displacement of independent regions in the 3D model. A spatial-temporal model is proposed for the facial landmarks, with the objective of define the behavior and relation of the centroids in the synthesis of the basic expressions, pointing out which geometric landmark are relevant in the process of interpolation and animation of the expressions. A system for exporting facial data following the hierarchical format used in most avatars 3D sign language interpreters is developed, encouraging the integration in formal computer models already existent in the literature, also allowing the adaptation and change of values and intensities in the representation of the emotions. Thus, the models and concepts presented propose the integration of a facial model to represent expressions in the synthesis of signals offering a simplified and optimized proposal for the application of the resources in 3D avatars. Keywords: 3D Avatar, Spatio-Temporal Data, BSL, Sign Language, Facial Expression