Signal-Specialized Parameterization

To reduce memory requirements for texture mapping a model, we build a surface parametrization specialized to its signal (such as color or normal). Intuitively, we want to allocate more texture samples in regions with greater signal detail. Our approach is to minimize signal approximation error --- the difference between the original surface signal and its reconstruction from the sampled texture. Specifically, our signal-stretch parametrization metric is derived from a Taylor expansion of signal error. For fast evaluation, this metric is pre-integrated over the surface as a metric tensor. We minimize this nonlinear metric using a novel coarse-to-fine hierarchical solver, further accelerated with a fine-to-coarse propagation of the integrated metric tensor. Use of metric tensors permits anisotropic squashing of the parametrization along directions of low signal gradient. Texture area can often be reduced by a factor of 4 for a desired signal accuracy compared to non-specialized parametrizations.Engineering and Applied Science

Sampling and Reconstruction of Sparse Signals on Circulant Graphs - An Introduction to Graph-FRI

With the objective of employing graphs toward a more generalized theory of signal processing, we present a novel sampling framework for (wavelet-)sparse signals defined on circulant graphs which extends basic properties of Finite Rate of Innovation (FRI) theory to the graph domain, and can be applied to arbitrary graphs via suitable approximation schemes. At its core, the introduced Graph-FRI-framework states that any K-sparse signal on the vertices of a circulant graph can be perfectly reconstructed from its dimensionality-reduced representation in the graph spectral domain, the Graph Fourier Transform (GFT), of minimum size 2K. By leveraging the recently developed theory of e-splines and e-spline wavelets on graphs, one can decompose this graph spectral transformation into the multiresolution low-pass filtering operation with a graph e-spline filter, and subsequent transformation to the spectral graph domain; this allows to infer a distinct sampling pattern, and, ultimately, the structure of an associated coarsened graph, which preserves essential properties of the original, including circularity and, where applicable, the graph generating set.Comment: To appear in Appl. Comput. Harmon. Anal. (2017

Occlusion-based computational periscopy with consumer cameras

The ability to form images of scenes hidden from direct view would be advantageous in many applications – from improved motion planning and collision avoidance in autonomous navigation to enhanced danger anticipation for first-responders in search-and-rescue missions. Recent techniques for imaging around corners have mostly relied on time-of-flight measurements of light propagation, necessitating the use of expensive, specialized optical systems. In this work, we demonstrate how to form images of hidden scenes from intensity-only measurements of the light reaching a visible surface from the hidden scene. Our approach exploits the penumbra cast by an opaque occluding object onto a visible surface. Specifically, we present a physical model that relates the measured photograph to the radiosity of the hidden scene and the visibility function due to the opaque occluder. For a given scene–occluder setup, we characterize the parts of the hidden region for which the physical model is well-conditioned for inversion – i.e., the computational field of view (CFOV) of the imaging system. This concept of CFOV is further verified through the Cram´er–Rao bound of the hidden-scene estimation problem. Finally, we present a two-step computational method for recovering the occluder and the scene behind it. We demonstrate the effectiveness of the proposed method using both synthetic and experimentally measured data.Accepted manuscrip

Surface Deformation Potentials on Meshes for Computer Graphics and Visualization

Shape deformation models have been used in computer graphics primarily to describe the dynamics of physical deformations like cloth draping, collisions of elastic bodies, fracture, or animation of hair. Less frequent is their application to problems not directly related to a physical process. In this thesis we apply deformations to three problems in computer graphics that do not correspond to physical deformations. To this end, we generalize the physical model by modifying the energy potential. Originally, the energy potential amounts to the physical work needed to deform a body from its rest state into a given configuration and relates material strain to internal restoring forces that act to restore the original shape. For each of the three problems considered, this potential is adapted to reflect an application specific notion of shape. Under the influence of further constraints, our generalized deformation results in shapes that balance preservation of certain shape properties and application specific objectives similar to physical equilibrium states. The applications discussed in this thesis are surface parameterization, interactive shape editing and automatic design of panorama maps. For surface parameterization, we interpret parameterizations over a planar domain as deformations from a flat initial configuration onto a given surface. In this setting, we review existing parameterization methods by analyzing properties of their potential functions and derive potentials accounting for distortion of geometric properties. Interactive shape editing allows an untrained user to modify complex surfaces, be simply grabbing and moving parts of interest. A deformation model interactively extrapolates the transformation from those parts to the rest of the surface. This thesis proposes a differential shape representation for triangle meshes leading to a potential that can be optimized interactively with a simple, tailored algorithm. Although the potential is not physically accurate, it results in intuitive deformation behavior and can be parameterized to account for different material properties. Panorama maps are blends between landscape illustrations and geographic maps that are traditionally painted by an artist to convey geographic surveyknowledge on public places like ski resorts or national parks. While panorama maps are not drawn to scale, the shown landscape remains recognizable and the observer can easily recover details necessary for self location and orientation. At the same time, important features as trails or ski slopes appear not occluded and well visible. This thesis proposes the first automatic panorama generation method. Its basis is again a surface deformation, that establishes the necessary compromise between shape preservation and feature visibility.Potentiale zur Flächendeformation auf Dreiecksnetzen für Anwendungen in der Computergrafik und Visualisierung Deformationsmodelle werden in der Computergrafik bislang hauptsächlich eingesetzt, um die Dynamik physikalischer Deformationsprozesse zu modellieren. Gängige Beispiele sind Bekleidungssimulationen, Kollisionen elastischer Körper oder Animation von Haaren und Frisuren. Deutlich seltener ist ihre Anwendung auf Probleme, die nicht direkt physikalischen Prozessen entsprechen. In der vorliegenden Arbeit werden Deformationsmodelle auf drei Probleme der Computergrafik angewandt, die nicht unmittelbar einem physikalischen Deformationsprozess entsprechen. Zu diesem Zweck wird das physikalische Modell durch eine passende Änderung der potentiellen Energie verallgemeinert. Die potentielle Energie entspricht normalerweise der physikalischen Arbeit, die aufgewendet werden muss, um einen Körper aus dem Ruhezustand in eine bestimmte Konfiguration zu verformen. Darüber hinaus setzt sie die aktuelle Verformung in Beziehung zu internen Spannungskräften, die wirken um die ursprüngliche Form wiederherzustellen. In dieser Arbeit passen wir für jedes der drei betrachteten Problemfelder die potentielle Energie jeweils so an, dass sie eine anwendungsspezifische Definition von Form widerspiegelt. Unter dem Einfluss weiterer Randbedingungen führt die so verallgemeinerte Deformation zu einer Fläche, die eine Balance zwischen der Erhaltung gewisser Formeigenschaften und Zielvorgaben der Anwendung findet. Diese Balance entspricht dem Equilibrium einer physikalischen Deformation. Die drei in dieser Arbeit diskutierten Anwendungen sind Oberflächenparameterisierung, interaktives Bearbeiten von Flächen und das vollautomatische Erzeugen von Panoramakarten im Stile von Heinrich Berann. Zur Oberflächenparameterisierung interpretieren wir Parameterisierungen über einem flachen Parametergebiet als Deformationen, die ein ursprünglich ebenes Flächenstück in eine gegebene Oberfläche verformen. Innerhalb dieses Szenarios vergleichen wir dann existierende Methoden zur planaren Parameterisierung, indem wir die resultierenden potentiellen Energien analysieren, und leiten weitere Potentiale her, die die Störung geometrischer Eigenschaften wie Fläche und Winkel erfassen. Verfahren zur interaktiven Flächenbearbeitung ermöglichen schnelle und intuitive Änderungen an einer komplexen Oberfläche. Dazu wählt der Benutzer Teile der Fläche und bewegt diese durch den Raum. Ein Deformationsmodell extrapoliert interaktiv die Transformation der gewählten Teile auf die restliche Fläche. Diese Arbeit stellt eine neue differentielle Flächenrepräsentation für diskrete Flächen vor, die zu einem einfach und interaktiv zu optimierendem Potential führt. Obwohl das vorgeschlagene Potential nicht physikalisch korrekt ist, sind die resultierenden Deformationen intuitiv. Mittels eines Parameters lassen sich außerdem bestimmte Materialeigenschaften einstellen. Panoramakarten im Stile von Heinrich Berann sind eine Verschmelzung von Landschaftsillustration und geographischer Karte. Traditionell werden sie so von Hand gezeichnet, dass bestimmt Merkmale wie beispielsweise Skipisten oder Wanderwege in einem Gebiet unverdeckt und gut sichtbar bleiben, was große Kunstfertigkeit verlangt. Obwohl diese Art der Darstellung nicht maßstabsgetreu ist, sind Abweichungen auf den ersten Blick meistens nicht zu erkennen. Dadurch kann der Betrachter markante Details schnell wiederfinden und sich so innerhalb des Gebietes orientieren. Diese Arbeit stellt das erste, vollautomatische Verfahren zur Erzeugung von Panoramakarten vor. Grundlage ist wiederum eine verallgemeinerte Oberflächendeformation, die sowohl auf Formerhaltung als auch auf die Sichtbarkeit vorgegebener geographischer Merkmale abzielt