A computational appearance fabrication - ETH E

Diss. ETH No. 23031
A computational appearance
fabrication framework and
derived applications
A dissertation submitted to
ETH Zurich
for the Degree of
Doctor of Sciences
presented by
Marios Papas
MSc in Computer Science, UC San Diego, USA
born October 18, 1983
citizen of Cyprus
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Markus Gross, examiner
Prof. Dr. Wojciech Jarosz, co-examiner
Prof. Dr. Steve Marschner, co-examiner
2015
Abstract
Traditionally, control over the appearance of objects in the real world
was performed manually. Understanding how some physical property of an object would affect its appearance was achieved primarily
through trial and error. This procedure could be lengthy and cumbersome, depending on the complexity of the effect of physical properties
on appearance and the duration of each fabrication cycle. Precise
control of how light interacts with materials has many applications in
arts, architecture, industrial design, and engineering. With the recent
achievements in geometry retrieval and computational fabrication
we are now able to precisely control and replicate the geometry of
real-world objects. On the other hand, computational appearance
fabrication is still in its infancy. In this thesis we lay the foundation for
a general computational appearance fabrication framework, and we
demonstrate a range of applications that benefit from it. We present
various instances of our framework and detail the design of the corresponding components, such as: forward and backward appearance
models, measurement, and fabrication. These framework instances
help in understanding and controlling the appearance of three general
classes of materials: homogeneous participating media (such as wax
and milk), specular surfaces (such as lenses), and granular media
(such as sugar and snow). More specifically we show how we can
precisely measure, control, and fabricate the real-world appearance of
homogeneous translucent materials, how to computationally design
and fabricate steganographic lenses, and finally we present a fast appearance model for accurately simulating the appearance of granular
media.
iii
Zusammenfassung
Traditionell wurde Kontrolle über das Erscheinungsbild von Objekten
der realen Welt manuell ausgeübt. Das Verständnis darüber, auf welche Art und Weise die Veränderung physikalischer Eigenschaften das
Erscheinungsbild beeinflussen, wurde hauptsächlich durch systematisches Ausprobieren erlangt. Dieses Verfahren konnte jedoch langwierig und mühsam sein, abhängig von der Komplexität des Einflusses
der physikalischen Eigenschaften auf das Erscheinungsbild, und der
Dauer jedes Fertigungszykluses. Die präzise Steuerung von Lichtinteraktionen mit verschiedenen Materialien hat vielfältige Anwendungen
in der Kunst, Architektur, sowie im Industriedesign und Ingenieurswesen. Mit den jüngsten Errungenschaften in der Geometrierekonstruktion sowie der computergesteuerten Fabrikation sind wir in der
Lage, die Geometrie realer Objekte präzise zu steuern und zu replizieren. Andererseits steckt die computergesteuerte Herstellung von
spezifischen Erscheinungsbildern immer noch in den Kinderschuhen.
In dieser Dissertation legen wir die Grundlagen für ein Rahmenkonzept für allgemeine rechnergestütze Fabrikation von Erscheinungsbildern und zeigen eine Reihe von Anwendungen die davon profitieren.
Wir präsentieren verschiedene Variationen unseres Konzepts und geben Details über das Design der entsprechenden Komponenten, wie
etwa Forwärts- und Rückwärtserscheinungsmodelle, Messung und
Herstellung. Diese Instanzen unserer Konzepts erlauben uns das Erscheinungsbild dreier verschiedener allgemeinen Materialklassen homogene partizipäre Medien (wie etwa Wachs oder Milch), spiegelnde Oberflächen (wie etwa Linsen) und granulare Medien (wie
etwa Zucker oder Schnee) zu verstehen und zu kontrollieren. Insbe-
v
sondere zeigen wir wie man das Erscheinungsbild von homogenen
lichtdurchlässigen Materialien präzise messen, kontrollieren und herstellen kann, wie man steganographischen Linsen computergestützt
modellieren kann, und stellen letzlich ein effizientes Erscheinungsmodell für die akkurate Simulation des Aussehens granularer Medien
vor.
vi

Download Report