AUTOMATIC DESIGN OF ORIGAMIC ARCHITECTURE PAPER POP-UPS

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Texture Mapped Paper Pop-Ups

Origamic architecture (OA) merupakan papercraft yang dapat mereplika struktur arsitektural, pola geometri, dan objek tiga dimensi (3D) lainnya dalam bentuk pop-up hanya dengan melipat dan menggunting satu buah kertas. Rancangan image 2-dimensi yang dapat direalisasikan menjadi OA disebut OA plan. Pemberian texture pada OA plan dapat digunakan untuk menampilkan detail visual pada OA yang dihasilkan. Akan tetapi, desain OA plan cenderung memiliki bentuk geometri yang berbeda dengan objek aslinya sehingga texture objek asli tidak dapat dengan mudah diberikan kepada OA plan.Terdapat 2 metode untuk memberikan texture pada OA plan, yaitu 45o texture projection dan 90o texture projection. Metode dirancang agar dapat mencegah perembesan texture, meminimalisasi bagian OA plan yang belum mendapatkan texture (holes) dengan inpainting, dan meminimalisasi distorsi pada texture yang diberikan. Disediakan juga metode untuk memvisualisasikan OA plan yang diberi texture dalam 3-dimensi agar memudahkan pengguna dalam membayangkan hasil realisasi OA plan.Hasil pengujian menunjukkan bahwa texture yang diberikan sudah berhasil mencegah perembesan texture dan meminimalisasi holes. Metode 90o texture projection memberikan distorsi pada objek yang memiliki texture berstruktur. Metode visualisasi sudah dapat memvisualisasikan OA plan dengan baik

State of the Art on Stylized Fabrication

© 2018 The Authors Computer Graphics Forum © 2018 The Eurographics Association and John Wiley & Sons Ltd. Digital fabrication devices are powerful tools for creating tangible reproductions of 3D digital models. Most available printing technologies aim at producing an accurate copy of a tridimensional shape. However, fabrication technologies can also be used to create a stylistic representation of a digital shape. We refer to this class of methods as ‘stylized fabrication methods’. These methods abstract geometric and physical features of a given shape to create an unconventional representation, to produce an optical illusion or to devise a particular interaction with the fabricated model. In this state-of-the-art report, we classify and overview this broad and emerging class of approaches and also propose possible directions for future research

AUTOMATED PAPER POP-UP DESIGN: APPROXIMATING SHAPE AND MOTION

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

State of the art on stylized fabrication

© 2019 Copyright held by the owner/author(s). Digital fabrication devices are powerful tools for creating tangible reproductions of 3D digital models. Most available printing technologies aim at producing an accurate copy of a tridimensional shape. However, fabrication technologies can also be used to create a stylistic representation of a digital shape. We refer to this class of methods as stylized fabrication methods. These methods abstract geometric and physical features of a given shape to create an unconventional representation, to produce an optical illusion, or to devise a particular interaction with the fabricated model. In this course, we classify and overview this broad and emerging class of approaches and also propose possible directions for future research

Slice and Dice: A Physicalization Workflow for Anatomical Edutainment

During the last decades, anatomy has become an interesting topic in education---even for laymen or schoolchildren. As medical imaging techniques become increasingly sophisticated, virtual anatomical education applications have emerged. Still, anatomical models are often preferred, as they facilitate 3D localization of anatomical structures. Recently, data physicalizations (i.e., physical visualizations) have proven to be effective and engaging---sometimes, even more than their virtual counterparts. So far, medical data physicalizations involve mainly 3D printing, which is still expensive and cumbersome. We investigate alternative forms of physicalizations, which use readily available technologies (home printers) and inexpensive materials (paper or semi-transparent films) to generate crafts for anatomical edutainment. To the best of our knowledge, this is the first computer-generated crafting approach within an anatomical edutainment context. Our approach follows a cost-effective, simple, and easy-to-employ workflow, resulting in assemblable data sculptures (i.e., semi-transparent sliceforms). It primarily supports volumetric data (such as CT or MRI), but mesh data can also be imported. An octree slices the imported volume and an optimization step simplifies the slice configuration, proposing the optimal order for easy assembly. A packing algorithm places the resulting slices with their labels, annotations, and assembly instructions on a paper or transparent film of user-selected size, to be printed, assembled into a sliceform, and explored. We conducted two user studies to assess our approach, demonstrating that it is an initial positive step towards the successful creation of interactive and engaging anatomical physicalizations

Exploring the potential of physical visualizations

The goal of an external representation of abstract data is to provide insights and convey information about the structure of the underlying data, therefore helping people execute tasks and solve problems more effectively. Apart from the popular and well-studied digital visualization of abstract data there are other scarcely studied perceptual channels to represent data such as taste, sound or haptic. My thesis focuses on the latter and explores in which ways human knowledge and ability to sense and interact with the physical non-digital world can be used to enhance the way in which people analyze and explore abstract data. Emerging technological progress in digital fabrication allow an easy, fast and inexpensive production of physical objects. Machines such as laser cutters and 3D printers enable an accurate fabrication of physical visualizations with different form factors as well as materials. This creates, for the first time, the opportunity to study the potential of physical visualizations in a broad range. The thesis starts with the description of six prototypes of physical visualizations from static examples to digitally augmented variations to interactive artifacts. Based on these explorations, three promising areas of potential for physical visualizations were identified and investigated in more detail: perception & memorability, communication & collaboration, and motivation & self-reflection. The results of two studies in the area of information recall showed that participants who used a physical bar chart retained more information compared to the digital counterpart. Particularly facts about maximum and minimum values were be remembered more efficiently, when they were perceived from a physical visualization. Two explorative studies dealt with the potential of physical visualizations regarding communication and collaboration. The observations revealed the importance on the design and aesthetic of physical visualizations and indicated a great potential for their utilization by audiences with less interest in technology. The results also exposed the current limitations of physical visualizations, especially in contrast to their well-researched digital counterparts. In the area of motivation we present the design and evaluation of the Activity Sculptures project. We conducted a field study, in which we investigated physical visualizations of personal running activity. It was discovered that these sculptures generated curiosity and experimentation regarding the personal running behavior as well as evoked social dynamics such as discussions and competition. Based on the findings of the aforementioned studies this thesis concludes with two theoretical contributions on the design and potential of physical visualizations. On the one hand, it proposes a conceptual framework for material representations of personal data by describing a production and consumption lens. The goal is to encourage artists and designers working in the field of personal informatics to harness the interactive capabilities afforded by digital fabrication and the potential of material representations. On the other hand we give a first classification and performance rating of physical variables including 14 dimensions grouped into four categories. This complements the undertaking of providing researchers and designers with guidance and inspiration to uncover alternative strategies for representing data physically and building effective physical visualizations.Um aus abstrakten Daten konkrete Aussagen, komplexe Zusammenhänge oder überraschende Einsichten gewinnen zu können, müssen diese oftmals in eine, für den Menschen, anschauliche Form gebracht werden. Eine weitverbreitete und gut erforschte Möglichkeiten ist die Darstellung von Daten in visueller Form. Weniger erforschte Varianten sind das Verkörpern von Daten durch Geräusche, Gerüche oder physisch ertastbare Objekte und Formen. Diese Arbeit konzentriert sich auf die letztgenannte Variante und untersucht wie die menschlichen Fähigkeiten mit der physischenWelt zu interagieren dafür genutzt werden können, das Analysieren und Explorieren von Daten zu unterstützen. Der technische Fortschritt in der digitalen Fertigung vereinfacht und beschleunigt die Produktion von physischen Objekten und reduziert dabei deren Kosten. Lasercutter und 3D Drucker ermöglichen beispielsweise eine maßgerechte Fertigung physischer Visualisierungen verschiedenster Ausprägungen hinsichtlich Größe und Material. Dadurch ergibt sich zum ersten Mal die Gelegenheit, das Potenzial von physischen Visualisierungen in größerem Umfang zu erforschen. Der erste Teil der Arbeit skizziert insgesamt sechs Prototypen physischer Visualisierungen, wobei sowohl statische Beispiele beschrieben werden, als auch Exemplare die durch digital Inhalte erweitert werden oder dynamisch auf Interaktionen reagieren können. Basierend auf den Untersuchungen dieser Prototypen wurden drei vielversprechende Bereiche für das Potenzial physischer Visualisierungen ermittelt und genauer untersucht: Wahrnehmung & Einprägsamkeit, Kommunikation & Zusammenarbeit sowie Motivation & Selbstreflexion. Die Ergebnisse zweier Studien zur Wahrnehmung und Einprägsamkeit von Informationen zeigten, dass sich Teilnehmer mit einem physischen Balkendiagramm an deutlich mehr Informationen erinnern konnten, als Teilnehmer, die eine digitale Visualisierung nutzten. Insbesondere Fakten über Maximal- und Minimalwerte konnten besser im Gedächtnis behalten werden, wenn diese mit Hilfe einer physischen Visualisierung wahrgenommen wurden. Zwei explorative Studien untersuchten das Potenzial von physischen Visualisierungen im Bereich der Kommunikation mit Informationen sowie der Zusammenarbeit. Die Ergebnisse legten einerseits offen wie wichtig ein ausgereiftes Design und die Ästhetik von physischen Visualisierungen ist, deuteten anderseits aber auch darauf hin, dass Menschen mit geringem Interesse an neuen Technologien eine interessante Zielgruppe darstellen. Die Studien offenbarten allerdings auch die derzeitigen Grenzen von physischen Visualisierungen, insbesondere im Vergleich zu ihren gut erforschten digitalen Pendants. Im Bereich der Motivation und Selbstreflexion präsentieren wir die Entwicklung und Auswertung des Projekts Activity Sculptures. In einer Feldstudie über drei Wochen erforschten wir physische Visualisierungen, die persönliche Laufdaten repräsentieren. Unsere Beobachtungen und die Aussagen der Teilnehmer ließen darauf schließen, dass die Skulpturen Neugierde weckten und zum Experimentieren mit dem eigenen Laufverhalten einluden. Zudem konnten soziale Dynamiken entdeckt werden, die beispielsweise durch Diskussion aber auch Wettbewerbsgedanken zum Ausdruck kamen. Basierend auf den gewonnen Erkenntnissen durch die erwähnten Studien schließt diese Arbeit mit zwei theoretischen Beiträgen, hinsichtlich des Designs und des Potenzials von physischen Visualisierungen, ab. Zuerst wird ein konzeptionelles Framework vorgestellt, welches die Möglichkeiten und den Nutzen physischer Visualisierungen von persönlichen Daten veranschaulicht. Für Designer und Künstler kann dies zudem als Inspirationsquelle dienen, wie das Potenzial neuer Technologien, wie der digitalen Fabrikation, zur Darstellung persönlicher Daten in physischer Form genutzt werden kann. Des Weiteren wird eine initiale Klassifizierung von physischen Variablen vorgeschlagen mit insgesamt 14 Dimensionen, welche in vier Kategorien gruppiert sind. Damit vervollständigen wir unser Ziel, Forschern und Designern Inspiration und Orientierung zu bieten, um neuartige und effektvolle physische Visualisierungen zu erschaffen

Exploring the potential of physical visualizations

The goal of an external representation of abstract data is to provide insights and convey information about the structure of the underlying data, therefore helping people execute tasks and solve problems more effectively. Apart from the popular and well-studied digital visualization of abstract data there are other scarcely studied perceptual channels to represent data such as taste, sound or haptic. My thesis focuses on the latter and explores in which ways human knowledge and ability to sense and interact with the physical non-digital world can be used to enhance the way in which people analyze and explore abstract data. Emerging technological progress in digital fabrication allow an easy, fast and inexpensive production of physical objects. Machines such as laser cutters and 3D printers enable an accurate fabrication of physical visualizations with different form factors as well as materials. This creates, for the first time, the opportunity to study the potential of physical visualizations in a broad range. The thesis starts with the description of six prototypes of physical visualizations from static examples to digitally augmented variations to interactive artifacts. Based on these explorations, three promising areas of potential for physical visualizations were identified and investigated in more detail: perception & memorability, communication & collaboration, and motivation & self-reflection. The results of two studies in the area of information recall showed that participants who used a physical bar chart retained more information compared to the digital counterpart. Particularly facts about maximum and minimum values were be remembered more efficiently, when they were perceived from a physical visualization. Two explorative studies dealt with the potential of physical visualizations regarding communication and collaboration. The observations revealed the importance on the design and aesthetic of physical visualizations and indicated a great potential for their utilization by audiences with less interest in technology. The results also exposed the current limitations of physical visualizations, especially in contrast to their well-researched digital counterparts. In the area of motivation we present the design and evaluation of the Activity Sculptures project. We conducted a field study, in which we investigated physical visualizations of personal running activity. It was discovered that these sculptures generated curiosity and experimentation regarding the personal running behavior as well as evoked social dynamics such as discussions and competition. Based on the findings of the aforementioned studies this thesis concludes with two theoretical contributions on the design and potential of physical visualizations. On the one hand, it proposes a conceptual framework for material representations of personal data by describing a production and consumption lens. The goal is to encourage artists and designers working in the field of personal informatics to harness the interactive capabilities afforded by digital fabrication and the potential of material representations. On the other hand we give a first classification and performance rating of physical variables including 14 dimensions grouped into four categories. This complements the undertaking of providing researchers and designers with guidance and inspiration to uncover alternative strategies for representing data physically and building effective physical visualizations.Um aus abstrakten Daten konkrete Aussagen, komplexe Zusammenhänge oder überraschende Einsichten gewinnen zu können, müssen diese oftmals in eine, für den Menschen, anschauliche Form gebracht werden. Eine weitverbreitete und gut erforschte Möglichkeiten ist die Darstellung von Daten in visueller Form. Weniger erforschte Varianten sind das Verkörpern von Daten durch Geräusche, Gerüche oder physisch ertastbare Objekte und Formen. Diese Arbeit konzentriert sich auf die letztgenannte Variante und untersucht wie die menschlichen Fähigkeiten mit der physischenWelt zu interagieren dafür genutzt werden können, das Analysieren und Explorieren von Daten zu unterstützen. Der technische Fortschritt in der digitalen Fertigung vereinfacht und beschleunigt die Produktion von physischen Objekten und reduziert dabei deren Kosten. Lasercutter und 3D Drucker ermöglichen beispielsweise eine maßgerechte Fertigung physischer Visualisierungen verschiedenster Ausprägungen hinsichtlich Größe und Material. Dadurch ergibt sich zum ersten Mal die Gelegenheit, das Potenzial von physischen Visualisierungen in größerem Umfang zu erforschen. Der erste Teil der Arbeit skizziert insgesamt sechs Prototypen physischer Visualisierungen, wobei sowohl statische Beispiele beschrieben werden, als auch Exemplare die durch digital Inhalte erweitert werden oder dynamisch auf Interaktionen reagieren können. Basierend auf den Untersuchungen dieser Prototypen wurden drei vielversprechende Bereiche für das Potenzial physischer Visualisierungen ermittelt und genauer untersucht: Wahrnehmung & Einprägsamkeit, Kommunikation & Zusammenarbeit sowie Motivation & Selbstreflexion. Die Ergebnisse zweier Studien zur Wahrnehmung und Einprägsamkeit von Informationen zeigten, dass sich Teilnehmer mit einem physischen Balkendiagramm an deutlich mehr Informationen erinnern konnten, als Teilnehmer, die eine digitale Visualisierung nutzten. Insbesondere Fakten über Maximal- und Minimalwerte konnten besser im Gedächtnis behalten werden, wenn diese mit Hilfe einer physischen Visualisierung wahrgenommen wurden. Zwei explorative Studien untersuchten das Potenzial von physischen Visualisierungen im Bereich der Kommunikation mit Informationen sowie der Zusammenarbeit. Die Ergebnisse legten einerseits offen wie wichtig ein ausgereiftes Design und die Ästhetik von physischen Visualisierungen ist, deuteten anderseits aber auch darauf hin, dass Menschen mit geringem Interesse an neuen Technologien eine interessante Zielgruppe darstellen. Die Studien offenbarten allerdings auch die derzeitigen Grenzen von physischen Visualisierungen, insbesondere im Vergleich zu ihren gut erforschten digitalen Pendants. Im Bereich der Motivation und Selbstreflexion präsentieren wir die Entwicklung und Auswertung des Projekts Activity Sculptures. In einer Feldstudie über drei Wochen erforschten wir physische Visualisierungen, die persönliche Laufdaten repräsentieren. Unsere Beobachtungen und die Aussagen der Teilnehmer ließen darauf schließen, dass die Skulpturen Neugierde weckten und zum Experimentieren mit dem eigenen Laufverhalten einluden. Zudem konnten soziale Dynamiken entdeckt werden, die beispielsweise durch Diskussion aber auch Wettbewerbsgedanken zum Ausdruck kamen. Basierend auf den gewonnen Erkenntnissen durch die erwähnten Studien schließt diese Arbeit mit zwei theoretischen Beiträgen, hinsichtlich des Designs und des Potenzials von physischen Visualisierungen, ab. Zuerst wird ein konzeptionelles Framework vorgestellt, welches die Möglichkeiten und den Nutzen physischer Visualisierungen von persönlichen Daten veranschaulicht. Für Designer und Künstler kann dies zudem als Inspirationsquelle dienen, wie das Potenzial neuer Technologien, wie der digitalen Fabrikation, zur Darstellung persönlicher Daten in physischer Form genutzt werden kann. Des Weiteren wird eine initiale Klassifizierung von physischen Variablen vorgeschlagen mit insgesamt 14 Dimensionen, welche in vier Kategorien gruppiert sind. Damit vervollständigen wir unser Ziel, Forschern und Designern Inspiration und Orientierung zu bieten, um neuartige und effektvolle physische Visualisierungen zu erschaffen

Wholetoning: Synthesizing Abstract Black-and-White Illustrations

Black-and-white imagery is a popular and interesting depiction technique in the visual arts, in which varying tints and shades of a single colour are used. Within the realm of black-and-white images, there is a set of black-and-white illustrations that only depict salient features by ignoring details, and reduce colour to pure black and white, with no intermediate tones. These illustrations hold tremendous potential to enrich decoration, human communication and entertainment. Producing abstract black-and-white illustrations by hand relies on a time consuming and difficult process that requires both artistic talent and technical expertise. Previous work has not explored this style of illustration in much depth, and simple approaches such as thresholding are insufficient for stylization and artistic control. I use the word wholetoning to refer to illustrations that feature a high degree of shape and tone abstraction. In this thesis, I explore computer algorithms for generating wholetoned illustrations. First, I offer a general-purpose framework, “artistic thresholding”, to control the generation of wholetoned illustrations in an intuitive way. The basic artistic thresholding algorithm is an optimization framework based on simulated annealing to get the final bi-level result. I design an extensible objective function from our observations of a lot of wholetoned images. The objective function is a weighted sum over terms that encode features common to wholetoned illustrations. Based on the framework, I then explore two specific wholetoned styles: papercutting and representational calligraphy. I define a paper-cut design as a wholetoned image with connectivity constraints that ensure that it can be cut out from only one piece of paper. My computer generated papercutting technique can convert an original wholetoned image into a paper-cut design. It can also synthesize stylized and geometric patterns often found in traditional designs. Representational calligraphy is defined as a wholetoned image with the constraint that all depiction elements must be letters. The procedure of generating representational calligraphy designs is formalized as a “calligraphic packing” problem. I provide a semi-automatic technique that can warp a sequence of letters to fit a shape while preserving their readability

Surface and contour-preserving origamic architecture paper pop-ups

10.1109/TVCG.2013.108IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics202276-288ITVG