Vermessung, Modellierung und Verifizierung von Licht-Masse-Interaktions-Phänomenen

The photo-realistic rendering of scenes showing natural phenomena requires skilled graphic designers not only to produce a convincingly good-looking image but also to convey physical plausibility. This is especially important in industrial context, where a modelled scene showcasing a product has to approximate the actual environment of a product as closely as possible, e.g. in automotive industries. In this thesis, new techniques to measure natural phenomena are presented in order to provide new or verify existing models for rendering the physically plausible image. In contrast to other approaches, the measurement is performed using nonconventional methods: an ellipsometer is employed to capture the specular reflectance with respect to the polarisation behaviour, a transmissive screen attached to a glass tank is imaged to capture underwater reflectances, and the Microsoft Kinect, a motion capturing device, is used to detect the gas flows around objects. The results are the verification of existing, physically plausible models for commodity metals, an enhanced reflectance model for materials immersed in transparent media with known refractive index, and the reconstruction of two-phase gas flows around occluding objects.Das Erzeugen von Szenen mit natürlichen Phänomenen in fotorealistischer Qualität ist aufwändig, weil nicht nur ein realistisches Bild erstellt werden soll, sondern auch physikalische Plausibilität in Bezug auf das modellierte Phänomen verlangt wird. Besonders in der Industrie, z.B. in der Automobilindustrie, sollte die modellierte Szene, in der ein Produkt eingesetzt wird, der tatsächlichen Einsatzumgebung so naturgetreu wie möglich ähneln. In dieser Dissertation werden neue Ansätze zum Messen von natürlichen Phänomenen präsentiert, die es ermöglichen, für bestimmte Phänomene neue Modelle zu erstellen oder bestehende Modelle erschöpfender zu verifizieren, um damit physikalische Plausibilität für Szenen, die am Computer ereugt werden, zu gewährleisten. Im Unterschied zu anderen Verfahren, werden unkonventionelle Methoden zur Messung umgesetzt: Mit Hilfe eines Ellipsometers wird die Oberflächenreflektanz von Metallen so vermessen, dass auch Änderungen im Polarisationszustand des Lichtes erfasst werden. Unterwasserreflektanzen von Materialien werden mit Hilfe eines lichtdurchlässigen Diffusers abgebildet, der an einen Glasbecher angebracht wird, und der Bewegungssensor Kinect von Microsoft wird verwendet, um Gasströmungen um Objekte zu detektieren. Die Ergebnisse sind die Verifikation von bestehenden Modellen für handelsübliche Metallflächen, ein erweitertes Reflektanzmodell für Oberflächen, die in refraktive Medien eingetaucht werden und die Rekonstruktion von Gasströmungen um Objekte

Regularisierte Optimierungsverfahren für Rekonstruktion und Modellierung in der Computergraphik

The field of computer graphics deals with virtual representations of the real world. These can be obtained either through reconstruction of a model from measurements, or by directly modeling a virtual object, often on a real-world example. The former is often formalized as a regularized optimization problem, in which a data term ensures consistency between model and data and a regularization term promotes solutions that have high a priori probability. In this dissertation, different reconstruction problems in computer graphics are shown to be instances of a common class of optimization problems which can be solved using a uniform algorithmic framework. Moreover, it is shown that similar optimization methods can also be used to solve data-based modeling problems, where the amount of information that can be obtained from measurements is insufficient for accurate reconstruction. As real-world examples of reconstruction problems, sparsity and group sparsity methods are presented for radio interferometric image reconstruction in static and time-dependent settings. As a modeling example, analogous approaches are investigated to automatically create volumetric models of astronomical nebulae from single images based on symmetry assumptions.Das Feld der Computergraphik beschäftigt sich mit virtuellen Abbildern der realen Welt. Diese können erlangt werden durch Rekonstruktion eines Modells aus Messdaten, oder durch direkte Modellierung eines virtuellen Objekts, oft nach einem realen Vorbild. Ersteres wird oft als regularisiertes Optimierungsproblem dargestellt, in dem ein Datenterm die Konsistenz zwischen Modell und Daten sicherstellt, während ein Regularisierungsterm Lösungen fördert, die eine hohe A-priori-Wahrscheinlichkeit aufweisen. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass verschiedene Rekonstruktionsprobleme der Computergraphik Instanzen einer gemeinsamen Klasse von Optimierungsproblemen sind, die mit einem einheitlichen algorithmischen Framework gelöst werden können. Darüber hinaus wird gezeigt, dass vergleichbare Optimierungsverfahren auch genutzt werden können, um Probleme der datenbasierten Modellierung zu lösen, bei denen die aus Messungen verfügbaren Daten nicht für eine genaue Rekonstruktion ausreichen. Als praxisrelevante Beispiele für Rekonstruktionsprobleme werden Sparsity- und Group-Sparsity-Methoden für die radiointerferometrische Bildrekonstruktion im statischen und zeitabhängigen Fall vorgestellt. Als Beispiel für Modellierung werden analoge Verfahren untersucht, um basierend auf Symmetrieannahmen automatisch volumetrische Modelle astronomischer Nebel aus Einzelbildern zu erzeugen

Algorithms for Reconstruction of hidden 3D shapes using diffused reflections

Thesis (S.M.)--Massachusetts Institute of Technology, School of Architecture and Planning, Program in Media Arts and Sciences, 2012.Cataloged from PDF version of thesis.Includes bibliographical references (p. 85-89).This thesis aims at discovering algorithms to recover the geometry of hidden objects from tertiary diffuse scattering, given time of flight information. We focus on using ultra high speed capture of photons to accurately determine information about distance light travelled and using it to infer hidden geometry. We aim at investigating issues such as the feasibility, uniqueness(in solution domain) and invertibility of this problem. We also aim at formulating the forward and inverse theory of secondary and tertiary diffuse scattering using ideas from tomography. We aim at developing tomography based approaches and sparsity based methods to recover 3D shapes of objects "around the corner". We analyze multi-bounce propagation of light in an unknown hidden volume and demonstrate that the reflected light contains sufficient information to recover the 3D structure of the hidden scene. We formulate the forward and inverse theory of secondary and tertiary scattering reflection using ideas from energy front propagation and tomography. We show that using careful choice of approximations, such as Fresnel approximation, greatly simplifies this problem and the inversion can be achieved via a backpropagation process. We provide a theoretical analysis of the invertibility, uniqueness and choices of space-time-angle dimensions using synthetic examples. We show that a 2D streak camera can be used to discover and reconstruct hidden geometry. Using a 1D high speed time of flight camera, we show that our method can be used recover 3D shapes of objects "around the corner".by Otkrist Gupta.S.M

New Trends in 3D Printing

A quarter century period of the 3D printing technology development affords ground for speaking about new realities or the formation of a new technological system of digital manufacture and partnership. The up-to-date 3D printing is at the top of its own overrated expectations. So the development of scalable, high-speed methods of the material 3D printing aimed to increase the productivity and operating volume of the 3D printing machines requires new original decisions. It is necessary to study the 3D printing applicability for manufacturing of the materials with multilevel hierarchical functionality on nano-, micro- and meso-scales that can find applications for medical, aerospace and/or automotive industries. Some of the above-mentioned problems and new trends are considered in this book