Communication of Digital Material Appearance Based on Human Perception

Abstract

Im alltägliche Leben begegnen wir digitalen Materialien in einer Vielzahl von Situationen wie beispielsweise bei Computerspielen, Filmen, Reklamewänden in zB U-Bahn Stationen oder beim Online-Kauf von Kleidungen. Während einige dieser Materialien durch digitale Modelle repräsentiert werden, welche das Aussehen einer bestimmten Oberfläche in Abhängigkeit des Materials der Fläche sowie den Beleuchtungsbedingungen beschreiben, basieren andere digitale Darstellungen auf der simplen Verwendung von Fotos der realen Materialien, was zB bei Online-Shopping häufig verwendet wird. Die Verwendung von computer-generierten Materialien ist im Vergleich zu einzelnen Fotos besonders vorteilhaft, da diese realistische Erfahrungen im Rahmen von virtuellen Szenarien, kooperativem Produkt-Design, Marketing während der prototypischen Entwicklungsphase oder der Ausstellung von Möbeln oder Accesoires in spezifischen Umgebungen erlauben. Während mittels aktueller Digitalisierungsmethoden bereits eine beeindruckende Reproduktionsqualität erzielt wird, wird eine hochpräzise photorealistische digitale Reproduktion von Materialien für die große Vielfalt von Materialtypen nicht erreicht. Daher verwenden viele Materialkataloge immer noch Fotos oder sogar physikalische Materialproben um ihre Kollektionen zu repräsentieren.<br /> Ein wichtiger Grund für diese Lücke in der Genauigkeit des Aussehens von digitalen zu echten Materialien liegt darin, dass die Zusammenhänge zwischen physikalischen Materialeigenschaften und der vom Menschen wahrgenommenen visuellen Qualität noch weitgehend unbekannt sind. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen adressieren diesen Aspekt. Zu diesem Zweck werden etablierte digitalie Materialmodellen bezüglich ihrer Eignung zur Kommunikation von physikalischen und sujektiven Materialeigenschaften untersucht, wobei Beobachtungen darauf hinweisen, dass ein Teil der fühlbaren/haptischen Informationen wie z.B. Materialstärke oder Härtegrad aufgrund der dem Modell anhaftenden geometrische Abstraktion verloren gehen. Folglich wird im Rahmen der Arbeit das Zusammenspiel der verschiedenen Sinneswahrnehmungen (mit Fokus auf die visuellen und akustischen Modalitäten) untersucht um festzustellen, welche Informationen während des Digitalisierungsprozesses verloren gehen. Es zeigt sich, dass insbesondere akustische Informationen in Kombination mit der visuellen Wahrnehmung die Einschätzung fühlbarer Materialeigenschaften erleichtert.<br /> Eines der Defizite bei der Analyse des Aussehens von Materialien ist der Mangel bezüglich sich an der Wahnehmung richtenden Metriken die eine Beantwortung von Fragen wie z.B. <em>"Sind die Materialien A und B sich ähnlicher als die Materialien C und D?"</em> erlauben, wie sie in vielen Anwendungen der Computergrafik auftreten. Daher widmen sich die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Studien auch dem Vergleich von unterschiedlichen Materialrepräsentationen im Hinblick auf. Zu diesem Zweck wird eine Methodik zur Berechnung der wahrgenommenen paarweisen Ähnlichkeit von Material-Texturen eingeführt, welche auf der Verwendung von Textursyntheseverfahren beruht und sich an der Idee/dem Begriff der geradenoch-wahrnehmbaren Unterschiede orientiert. Der vorgeschlagene Ansatz erlaubt das Überwinden einiger Probleme zuvor veröffentlichter Methoden zur Bestimmung der Änhlichkeit von Texturen und führt zu sinnvollen/plausiblen Distanzen von Materialprobem. <br /> Zusammenfassend führen die im Rahmen dieser Dissertation dargestellten Inhalte/Verfahren zu einem tieferen Verständnis bezüglich der menschlichen Wahnehmung von digitalen bzw. realen Materialien über unterschiedliche Sinne, einem besseren Verständnis bzgl. der Bewertung der Ähnlichkeit von Texturen durch die Entwicklung einer neuen perzeptuellen Metrik und liefern grundlegende Einsichten für zukünftige Untersuchungen im Bereich der Perzeption von digitalen Materialien.

In daily life, we encounter digital materials and interact with them in numerous situations, for instance when we play computer games, watch a movie, see billboard in the metro station or buy new clothes online. While some of these virtual materials are given by computational models that describe the appearance of a particular surface based on its material and the illumination conditions, some others are presented as simple digital photographs of real materials, as is usually the case for material samples from online retailing stores. The utilization of computer-generated materials entails significant advantages over plain images as they allow realistic experiences in virtual scenarios, cooperative product design, advertising in prototype phase or exhibition of furniture and wearables in specific environments. However, even though exceptional material reproduction quality has been achieved in the domain of computer graphics, current technology is still far away from highly accurate photo-realistic virtual material reproductions for the wide range of existing categories and, for this reason, many material catalogs still use pictures or even physical material samples to illustrate their collections.<br /> An important reason for this gap between digital and real material appearance is that the connections between physical material characteristics and the visual quality perceived by humans are far from well-understood. Our investigations intend to shed some light in this direction. Concretely, we explore the ability of state-of-the-art digital material models in communicating physical and subjective material qualities, observing that part of the tactile/haptic information (eg thickness, hardness) is missing due to the geometric abstractions intrinsic to the model. Consequently, in order to account for the information deteriorated during the digitization process, we investigate the interplay between different sensing modalities (vision and hearing) and discover that particular sound cues, in combination with visual information, facilitate the estimation of such tactile material qualities.<br /> One of the shortcomings when studying material appearance is the lack of perceptually-derived metrics able to answer questions like <em>"are materials A and B more similar than C and D?"</em>, which arise in many computer graphics applications. In the absence of such metrics, our studies compare different appearance models in terms of how capable are they to depict/transmit a collection of meaningful perceptual qualities. To address this problem, we introduce a methodology to compute the perceived pairwise similarity between textures from material samples that makes use of patch-based texture synthesis algorithms and is inspired on the notion of Just-Noticeable Differences. Our technique is able to overcome some of the issues posed by previous texture similarity collection methods and produces meaningful distances between samples.<br /> In summary, with the contents presented in this thesis we are able to delve deeply in how humans perceive digital and real materials through different senses, acquire a better understanding of texture similarity by developing a perceptually-based metric and provide a groundwork for further investigations in the perception of digital materials.