High quality dynamic reflectance and surface reconstruction from video

The creation of high quality animations of real-world human actors has long been a challenging problem in computer graphics. It involves the modeling of the shape of the virtual actors, creating their motion, and the reproduction of very fine dynamic details. In order to render the actor under arbitrary lighting, it is required that reflectance properties are modeled for each point on the surface. These steps, that are usually performed manually by professional modelers, are time consuming and cumbersome. In this thesis, we show that algorithmic solutions for some of the problems that arise in the creation of high quality animation of real-world people are possible using multi-view video data. First, we present a novel spatio-temporal approach to create a personalized avatar from multi-view video data of a moving person. Thereafter, we propose two enhancements to a method that captures human shape, motion and reflectance properties of amoving human using eightmulti-view video streams. Afterwards we extend this work, and in order to add very fine dynamic details to the geometric models, such as wrinkles and folds in the clothing, we make use of the multi-view video recordings and present a statistical method that can passively capture the fine-grain details of time-varying scene geometry. Finally, in order to reconstruct structured shape and animation of the subject from video, we present a dense 3D correspondence finding method that enables spatiotemporally coherent reconstruction of surface animations directly frommulti-view video data. These algorithmic solutions can be combined to constitute a complete animation pipeline for acquisition, reconstruction and rendering of high quality virtual actors from multi-view video data. They can also be used individually in a system that require the solution of a specific algorithmic sub-problem. The results demonstrate that using multi-view video data it is possible to find the model description that enables realistic appearance of animated virtual actors under different lighting conditions and exhibits high quality dynamic details in the geometry.Die Entwicklung hochqualitativer Animationen von menschlichen Schauspielern ist seit langem ein schwieriges Problem in der Computergrafik. Es beinhaltet das Modellieren einer dreidimensionaler Abbildung des Akteurs, seiner Bewegung und die Wiedergabe sehr feiner dynamischer Details. Um den Schauspieler unter einer beliebigen Beleuchtung zu rendern, müssen auch die Reflektionseigenschaften jedes einzelnen Punktes modelliert werden. Diese Schritte, die gewöhnlich manuell von Berufsmodellierern durchgeführt werden, sind zeitaufwendig und beschwerlich. In dieser These schlagen wir algorithmische Lösungen für einige der Probleme vor, die in der Entwicklung solch hochqualitativen Animationen entstehen. Erstens präsentieren wir einen neuartigen, räumlich-zeitlichen Ansatz um einen Avatar von Mehransicht-Videodaten einer bewegenden Person zu schaffen. Danach beschreiben wir einen videobasierten Modelierungsansatz mit Hilfe einer animierten Schablone eines menschlichen Körpers. Unter Zuhilfenahme einer handvoll synchronisierter Videoaufnahmen berechnen wir die dreidimensionale Abbildung, seine Bewegung und Reflektionseigenschaften der Oberfläche. Um sehr feine dynamische Details, wie Runzeln und Falten in der Kleidung zu den geometrischen Modellen hinzuzufügen, zeigen wir eine statistische Methode, die feinen Details der zeitlich variierenden Szenegeometrie passiv erfassen kann. Und schließlich zeigen wir eine Methode, die dichte 3D Korrespondenzen findet, um die strukturierte Abbildung und die zugehörige Bewegung aus einem Video zu extrahieren. Dies ermöglicht eine räumlich-zeitlich zusammenhängende Rekonstruktion von Oberflächenanimationen direkt aus Mehransicht-Videodaten. Diese algorithmischen Lösungen können kombiniert eingesetzt werden, um eine Animationspipeline für die Erfassung, die Rekonstruktion und das Rendering von Animationen hoher Qualität aus Mehransicht-Videodaten zu ermöglichen. Sie können auch einzeln in einem System verwendet werden, das nach einer Lösung eines spezifischen algorithmischen Teilproblems verlangt. Das Ergebnis ist eine Modelbeschreibung, das realistisches Erscheinen von animierten virtuellen Schauspielern mit dynamischen Details von hoher Qualität unter verschiedenen Lichtverhältnissen ermöglicht

Intrinsic Textures for Relightable Free-Viewpoint Video

This paper presents an approach to estimate the intrinsic texture properties (albedo, shading, normal) of scenes from multiple view acquisition under unknown illumination conditions. We introduce the concept of intrinsic textures, which are pixel-resolution surface textures representing the intrinsic appearance parameters of a scene. Unlike previous video relighting methods, the approach does not assume regions of uniform albedo, which makes it applicable to richly textured scenes. We show that intrinsic image methods can be used to refine an initial, low-frequency shading estimate based on a global lighting reconstruction from an original texture and coarse scene geometry in order to resolve the inherent global ambiguity in shading. The method is applied to relighting of free-viewpoint rendering from multiple view video capture. This demonstrates relighting with reproduction of fine surface detail. Quantitative evaluation on synthetic models with textured appearance shows accurate estimation of intrinsic surface reflectance properties. © 2014 Springer International Publishing

From Image-based Motion Analysis to Free-Viewpoint Video

The problems of capturing real-world scenes with cameras and automatically analyzing the visible motion have traditionally been in the focus of computer vision research. The photo-realistic rendition of dynamic real-world scenes, on the other hand, is a problem that has been investigated in the field of computer graphics. In this thesis, we demonstrate that the joint solution to all three of these problems enables the creation of powerful new tools that are benecial for both research disciplines. Analysis and rendition of real-world scenes with human actors are amongst the most challenging problems. In this thesis we present new algorithmic recipes to attack them. The dissertation consists of three parts: In part I, we present novel solutions to two fundamental problems of human motion analysis. Firstly, we demonstrate a novel hybrid approach for markerfree human motion capture from multiple video streams. Thereafter, a new algorithm for automatic non-intrusive estimation of kinematic body models of arbitrary moving subjects from video is detailed. In part II of the thesis, we demonstrate that a marker-free motion capture approach makes possible the model-based reconstruction of free-viewpoint videos of human actors from only a handful of video streams. The estimated 3D videos enable the photo-realistic real-time rendition of a dynamic scene from arbitrary novel viewpoints. Texture information from video is not only applied to generate a realistic surface appearance, but also to improve the precision of the motion estimation scheme. The commitment to a generic body model also allows us to reconstruct a time-varying reflectance description of an actor`s body surface which allows us to realistically render the free-viewpoint videos under arbitrary lighting conditions. A novel method to capture high-speed large scale motion using regular still cameras and the principle of multi-exposure photography is described in part III. The fundamental principles underlying the methods in this thesis are not only applicable to humans but to a much larger class of subjects. It is demonstrated that, in conjunction, our proposed algorithmic recipes serve as building blocks for the next generation of immersive 3D visual media.Die Entwicklung neuer Algorithmen zur optischen Erfassung und Analyse der Bewegung in dynamischen Szenen ist einer der Forschungsschwerpunkte in der computergestützten Bildverarbeitung. Während im maschinellen Bildverstehen das Augenmerk auf der Extraktion von Informationen liegt, konzentriert sich die Computergrafik auf das inverse Problem, die fotorealistische Darstellung bewegter Szenen. In jüngster Vergangenheit haben sich die beiden Disziplinen kontinuierlich angenähert, da es eine Vielzahl an herausfordernden wissenschaftlichen Fragestellungen gibt, die eine gemeinsame Lösung des Bilderfassungs-, des Bildanalyse- und des Bildsyntheseproblems verlangen. Zwei der schwierigsten Probleme, welche für Forscher aus beiden Disziplinen eine große Relevanz besitzen, sind die Analyse und die Synthese von dynamischen Szenen, in denen Menschen im Mittelpunkt stehen. Im Rahmen dieser Dissertation werden Verfahren vorgestellt, welche die optische Erfassung dieser Art von Szenen, die automatische Analyse der Bewegungen und die realistische neue Darstellung im Computer erlauben. Es wid deutlich werden, dass eine Integration von Algorithmen zur Lösung dieser drei Probleme in ein Gesamtsystem die Erzeugung völlig neuartiger dreidimensionaler Darstellungen von Menschen in Bewegung ermöglicht. Die Dissertation ist in drei Teile gegliedert: Teil I beginnt mit der Beschreibung des Entwurfs und des Baus eines Studios zur zeitsynchronen Erfassung mehrerer Videobildströme. Die im Studio aufgezeichneten Multivideosequenzen dienen als Eingabedaten für die im Rahmen dieser Dissertation entwickelten videogestützten Bewegunsanalyseverfahren und die Algorithmen zur Erzeugung dreidimensionaler Videos. Im Anschluß daran werden zwei neu entwickelte Verfahren vorgestellt, die Antworten auf zwei fundamentale Fragen in der optischen Erfassung menschlicher Bewegung geben, die Messung von Bewegungsparametern und die Erzeugung von kinematischen Skelettmodellen. Das erste Verfahren ist ein hybrider Algorithmus zur markierungslosen optischen Messung von Bewegunsgparametern aus Multivideodaten. Der Verzicht auf optische Markierungen wird dadurch ermöglicht, dass zur Bewegungsanalyse sowohl aus den Bilddaten rekonstruierte Volumenmodelle als auch leicht zu erfassende Körpermerkmale verwendet werden. Das zweite Verfahren dient der automatischen Rekonstruktion eines kinematischen Skelettmodells anhand von Multivideodaten. Der Algorithmus benötigt weder optischen Markierungen in der Szene noch a priori Informationen über die Körperstruktur, und ist in gleicher Form auf Menschen, Tiere und Objekte anwendbar. Das Thema das zweiten Teils dieser Arbeit ist ein modellbasiertes Verfahrenzur Rekonstruktion dreidimensionaler Videos von Menschen in Bewegung aus nur wenigen zeitsynchronen Videoströmen. Der Betrachter kann die errechneten 3D Videos auf einem Computer in Echtzeit abspielen und dabei interaktiv einen beliebigen virtuellen Blickpunkt auf die Geschehnisse einnehmen. Im Zentrum unseres Ansatzes steht ein silhouettenbasierter Analyse-durch-Synthese Algorithmus, der es ermöglicht, ohne optische Markierungen sowohl die Form als auch die Bewegung eines Menschen zu erfassen. Durch die Berechnung zeitveränderlicher Oberächentexturen aus den Videodaten ist gewährleistet, dass eine Person aus jedem beliebigen Blickwinkel ein fotorealistisches Erscheinungsbild besitzt. In einer ersten algorithmischen Erweiterung wird gezeigt, dass die Texturinformation auch zur Verbesserung der Genauigkeit der Bewegunsgssch ätzung eingesetzt werden kann. Zudem ist es durch die Verwendung eines generischen Körpermodells möglich, nicht nur dynamische Texturen sondern sogar dynamische Reektionseigenschaften der Körperoberäche zu messen. Unser Reektionsmodell besteht aus einer parametrischen BRDF für jeden Texel und einer dynamischen Normalenkarte für die gesamte Körperoberäche. Auf diese Weise können 3D Videos auch unter völlig neuen simulierten Beleuchtungsbedingungen realistisch wiedergegeben werden. Teil III dieser Arbeit beschreibt ein neuartiges Verfahren zur optischen Messung sehr schneller Bewegungen. Bisher erforderten optische Aufnahmen von Hochgeschwindigkeitsbewegungen sehr teure Spezialkameras mit hohen Bildraten. Im Gegensatz dazu verwendet die hier beschriebene Methode einfache Digitalfotokameras und das Prinzip der Multiblitzfotograe. Es wird gezeigt, dass mit Hilfe dieses Verfahrens sowohl die sehr schnelle artikulierte Handbewegung des Werfers als auch die Flugparameter des Balls während eines Baseballpitches gemessen werden können. Die hochgenau erfaßten Parameter ermöglichen es, die gemessene Bewegung in völlig neuer Weise im Computer zu visualisieren. Obgleich die in dieser Dissertation vorgestellten Verfahren vornehmlich der Analyse und Darstellung menschlicher Bewegungen dienen, sind die grundlegenden Prinzipien auch auf viele anderen Szenen anwendbar. Jeder der beschriebenen Algorithmen löst zwar in erster Linie ein bestimmtes Teilproblem, aber in Ihrer Gesamtheit können die Verfahren als Bausteine verstanden werden, welche die nächste Generation interaktiver dreidimensionaler Medien ermöglichen werden

SPA: Sparse Photorealistic Animation using a single RGB-D camera

Photorealistic animation is a desirable technique for computer games and movie production. We propose a new method to synthesize plausible videos of human actors with new motions using a single cheap RGB-D camera. A small database is captured in a usual office environment, which happens only once for synthesizing different motions. We propose a markerless performance capture method using sparse deformation to obtain the geometry and pose of the actor for each time instance in the database. Then, we synthesize an animation video of the actor performing the new motion that is defined by the user. An adaptive model-guided texture synthesis method based on weighted low-rank matrix completion is proposed to be less sensitive to noise and outliers, which enables us to easily create photorealistic animation videos with new motions that are different from the motions in the database. Experimental results on the public dataset and our captured dataset have verified the effectiveness of the proposed method

Non-Rigid Neural Radiance Fields: Reconstruction and Novel View Synthesis of a Deforming Scene from Monocular Video

In this tech report, we present the current state of our ongoing work on reconstructing Neural Radiance Fields (NERF) of general non-rigid scenes via ray bending. Non-rigid NeRF (NR-NeRF) takes RGB images of a deforming object (e.g., from a monocular video) as input and then learns a geometry and appearance representation that not only allows to reconstruct the input sequence but also to re-render any time step into novel camera views with high fidelity. In particular, we show that a consumer-grade camera is sufficient to synthesize convincing bullet-time videos of short and simple scenes. In addition, the resulting representation enables correspondence estimation across views and time, and provides rigidity scores for each point in the scene. We urge the reader to watch the supplemental videos for qualitative results. We will release our code

Towards spatial and temporal analysis of facial expressions in 3D data

Facial expressions are one of the most important means for communication of emotions and meaning. They are used to clarify and give emphasis, to express intentions, and form a crucial part of any human interaction. The ability to automatically recognise and analyse expressions could therefore prove to be vital in human behaviour understanding, which has applications in a number of areas such as psychology, medicine and security. 3D and 4D (3D+time) facial expression analysis is an expanding field, providing the ability to deal with problems inherent to 2D images, such as out-of-plane motion, head pose, and lighting and illumination issues. Analysis of data of this kind requires extending successful approaches applied to the 2D problem, as well as the development of new techniques. The introduction of recent new databases containing appropriate expression data, recorded in 3D or 4D, has allowed research into this exciting area for the first time. This thesis develops a number of techniques, both in 2D and 3D, that build towards a complete system for analysis of 4D expressions. Suitable feature types, designed by employing binary pattern methods, are developed for analysis of 3D facial geometry data. The full dynamics of 4D expressions are modelled, through a system reliant on motion-based features, to demonstrate how the different components of the expression (neutral-onset-apex-offset) can be distinguished and harnessed. Further, the spatial structure of expressions is harnessed to improve expression component intensity estimation in 2D videos. Finally, it is discussed how this latter step could be extended to 3D facial expression analysis, and also combined with temporal analysis. Thus, it is demonstrated that both spatial and temporal information, when combined with appropriate 3D features, is critical in analysis of 4D expression data.Open Acces

Advanced methods for relightable scene representations in image space

The realistic reproduction of visual appearance of real-world objects requires accurate computer graphics models that describe the optical interaction of a scene with its surroundings. Data-driven approaches that model the scene globally as a reflectance field function in eight parameters deliver high quality and work for most material combinations, but are costly to acquire and store. Image-space relighting, which constrains the application to create photos with a virtual, fix camera in freely chosen illumination, requires only a 4D data structure to provide full fidelity. This thesis contributes to image-space relighting on four accounts: (1) We investigate the acquisition of 4D reflectance fields in the context of sampling and propose a practical setup for pre-filtering of reflectance data during recording, and apply it in an adaptive sampling scheme. (2) We introduce a feature-driven image synthesis algorithm for the interpolation of coarsely sampled reflectance data in software to achieve highly realistic images. (3) We propose an implicit reflectance data representation, which uses a Bayesian approach to relight complex scenes from the example of much simpler reference objects. (4) Finally, we construct novel, passive devices out of optical components that render reflectance field data in real-time, shaping the incident illumination into the desired imageDie realistische Wiedergabe der visuellen Erscheinung einer realen Szene setzt genaue Modelle aus der Computergraphik für die Interaktion der Szene mit ihrer Umgebung voraus. Globale Ansätze, die das Verhalten der Szene insgesamt als Reflektanzfeldfunktion in acht Parametern modellieren, liefern hohe Qualität für viele Materialtypen, sind aber teuer aufzuzeichnen und zu speichern. Verfahren zur Neubeleuchtung im Bildraum schränken die Anwendbarkeit auf fest gewählte Kameras ein, ermöglichen aber die freie Wahl der Beleuchtung, und erfordern dadurch lediglich eine 4D - Datenstruktur für volle Wiedergabetreue. Diese Arbeit enthält vier Beiträge zu diesem Thema: (1) wir untersuchen die Aufzeichnung von 4D Reflektanzfeldern im Kontext der Abtasttheorie und schlagen einen praktischen Aufbau vor, der Reflektanzdaten bereits während der Messung vorfiltert. Wir verwenden ihn in einem adaptiven Abtastschema. (2) Wir führen einen merkmalgesteuerten Bildsynthesealgorithmus für die Interpolation von grob abgetasteten Reflektanzdaten ein. (3) Wir schlagen eine implizite Beschreibung von Reflektanzdaten vor, die mit einem Bayesschen Ansatz komplexe Szenen anhand des Beispiels eines viel einfacheren Referenzobjektes neu beleuchtet. (4) Unter der Verwendung optischer Komponenten schaffen wir passive Aufbauten zur Darstellung von Reflektanzfeldern in Echtzeit, indem wir einfallende Beleuchtung direkt in das gewünschte Bild umwandeln