Material Appearance Modeling: A Data-Coherent Approach

هدف اصلی گرافیک کامپیوتری تولید تصاویری است که به اندازه عکس ها واقعی به نظر می رسند. با این حال ثابت شده است که تولید تصاویر گرافیکی واقعی کامپیوتری کاملاً چالش برانگیز است، زیرا ظاهر مواد از فرآیندهای فیزیکی پیچیده ناشی می‌شود که مدل‌سازی و شبیه‌سازی تحلیلی آن‌ها دشوار است، و مدل‌سازی مبتنی بر تصویر نمونه‌های مواد واقعی اغلب غیرعملی است، زیرا فضای ابعادی داده‌های ظاهری که باید به دست آید.

این کتاب چارچوبی کلی را بر اساس انسجام ذاتی در داده‌های ظاهری مواد ارائه می‌کند تا مدل‌سازی ظاهری مبتنی بر تصویر را قابل انجام‌تر کند. مشاهده می کنیم که این انسجام خود را به عنوان ساختار کم بعدی در داده های ظاهری نشان می دهد و با شناسایی این ساختار می توانیم از آن برای ساده سازی فرآیندهای اصلی در خط لوله مدل سازی ظاهر استفاده کنیم. این چارچوب از دو جزء کلیدی تشکیل شده است، یعنی ساختار انسجام و روش بازسازی همراه برای بازیابی کامل داده‌های ظاهری کم‌بعد از اندازه‌گیری‌های پراکنده. بررسی ما از انسجام ظاهری منجر به سه شکل اصلی ساختار انسجام کم‌بعدی و سه نوع بازسازی مبتنی بر انسجام شده است که چارچوب ما بر اساس آن‌ها ساخته شده است.

این رویکرد مبتنی بر انسجام را می‌توان به طور جامع برای همه اعمال کرد. عناصر اصلی مدل‌سازی ظاهر مبتنی بر تصویر، از جمع‌آوری داده‌های نمونه‌های واقعی مواد گرفته تا مدل‌سازی به کمک کاربر از یک عکس، از سنتز حجم‌ها تا ویرایش خواص مواد، و از الگوریتم‌های رندر کارآمد تا ساخت فیزیکی اشیا. در این کتاب ما چندین تکنیک ساخته شده بر روی این چارچوب انسجام را برای انجام وظایف مدل‌سازی ظاهری مختلف هم برای بازتاب‌های سطحی و هم برای پراکندگی زیرسطحی، دو جزء فیزیکی اولیه که ظاهر مواد را ایجاد می‌کنند، ارائه می‌کنیم. ما بر این باوریم که مدل‌سازی ظاهری مبتنی بر انسجام، جان بخشیدن به تصاویر گرافیکی رایانه‌ای را برای پزشکان آسان‌تر و امکان‌پذیرتر می‌کند.

این کتاب برای خوانندگان علاقه‌مند به گرافیک رایانه‌ای طراحی شده است. به طور خاص، محققان، پزشکان و دانشجویان با یادگیری در مورد انسجام اساسی در ساختار ظاهری و چگونگی استفاده از آن برای بهبود مدل‌سازی ظاهر از این کتاب بهره‌مند خواهند شد. تکنیک‌های خاص ارائه‌شده در دست‌نوشته ما می‌تواند برای هر کسی که می‌خواهد واقع‌گرایی تصاویر گرافیکی رایانه‌ای خود را بالا ببرد، ارزشمند باشد. برای درک این کتاب، پیشینه ابتدایی در گرافیک کامپیوتری فرض شده است، مانند یک دوره مقدماتی کالج یا تجربه عملی با گرافیک کامپیوتری.

A principal aim of computer graphics is to generate images that look as real as photographs. Realistic computer graphics imagery has however proven to be quite challenging to produce, since the appearance of materials arises from complicated physical processes that are difficult to analytically model and simulate, and image-based modeling of real material samples is often impractical due to the high-dimensional space of appearance data that needs to be acquired.

This book presents a general framework based on the inherent coherency in the appearance data of materials to make image-based appearance modeling more tractable. We observe that this coherence manifests itself as low-dimensional structure in the appearance data, and by identifying this structure we can take advantage of it to simplify the major processes in the appearance modeling pipeline. This framework consists of two key components, namely the coherence structure and the accompanying reconstruction method to fully recover the low-dimensional appearance data from sparse measurements. Our investigation of appearance coherency has led to three major forms of low-dimensional coherence structure and three types of coherency-based reconstruction upon which our framework is built.

This coherence-based approach can be comprehensively applied to all the major elements of image-based appearance modeling, from data acquisition of real material samples to user-assisted modeling from a photograph, from synthesis of volumes to editing of material properties, and from efficient rendering algorithms to physical fabrication of objects. In this book we present several techniques built on this coherency framework to handle various appearance modeling tasks both for surface reflections and subsurface scattering, the two primary physical components that generate material appearance. We believe that coherency-based appearance modeling will make it easier and more feasible for practitioners to bring computer graphics imagery to life.

This book is aimed towards readers with an interest in computer graphics. In particular, researchers, practitioners and students will benefit from this book by learning about the underlying coherence in appearance structure and how it can be utilized to improve appearance modeling. The specific techniques presented in our manuscript can be of value to anyone who wishes to elevate the realism of their computer graphics imagery. For understanding this book, an elementary background in computer graphics is assumed, such as from an introductory college course or from practical experience with computer graphics.