Lanza , Dario
Jarabo Torrijos, Adrián (dir.) ; Masiá Corcoy, Belén (dir.)
Universidad de Zaragoza,
2025
Resumen: Esta tesis se centra en los materiales volumétricos complejos para gráficos por ordenador, desde su modelado basado en la física hasta su percepción y edición intuitiva.
Los materiales volumétricos son omnipresentes en la naturaleza y los objetos manufacturados, y cubren desde tejidos orgánicos como piel, dientes, alimentos, madera u hojas; hasta el mármol, el jade o el hielo; pasando por agregados de materiales complejos como el pelo (animal y humano) y los materiales granulares como la sal o la arena. A diferencia de los materiales opacos, en los materiales volumétricos la luz entra en el interior del objeto, interactuando con la materia de su interior varias veces antes de salir del objeto. Dado que estas interacciones se pueden modelar a diferentes escalas, un enfoque común consiste en estudiar primero los fenómenos que ocurren a microescala y, a partir de ahí, mediante agregación estadística, describir el comportamiento final a macroescala.. En esta tesis, aplicamos este marco teórico para modelar la apariencia de dos materiales volumétricos:cosméticos de base y las plumas penáceas. Para los cosméticos, inspiradosen las imágenes del microscopio electrónico, modelamos las propiedades ópticas del material considerando partículas en forma de plaquetas o difusas. En el caso de las plumas, modelamos estadísticamente la reflectancia de barbas y bárbulos, , y derivamos su comportamiento agregado considerando la estructura mesoscópica de la pluma.
Sin embargo, la apariencia de un material no sólo depende de las interacciones ópticas luz-materia, sino también de cómo lo percibimos los seres humanos. La forma en que percibimos no sólo afecta al modelado y la simulación de estos materiales, sino también a su edición, fundamental para la creación de contenidos. En el caso de los materiales volumétricos, la edición es especialmente difícil, ya que los parámetros ópticos son espacios de alta dimensionalidad, y poco intuitivos para usuarios noveles. La segunda parte de esta tesis se centra en la percepción y edición de materiales volumétricos, y en concreto de materiales translúcidos. Para ello, investigamos el efecto de introducir iluminación dinámica en la percepción de objetos translúcidos, y analizamos el rendimiento de diferentes métricas de similitud para materiales translúcidos. A continuación, aprovechamos esta métrica de similitud para mejorar la edición de materiales translúcidos, introduciendo un espacio bidimensional de apariencias translúcidas, sobre el que podemos navegar para editar la apariencia de objetos usando una interfaz intuitiva de edición.
Resumen (otro idioma): This thesis focuses on complex volumetric materials for computer graphics, from their physically-based modeling to their perception and intuitive editing. Volumetric materials are ubiquitous in nature and manufactured objects, and range from organic tissues such as skin, teeth, food, wood, or leaves; to marble, jade, or ice; to aggregates of complex materials including hair, fur, and granular materials. As opposed to local light-matter interactions in opaque materials, in volumetric materials light penetrates inside the object, interacting with the matter inside it multiple times before leaving the object. As these interactions can be modeled at different scales (micro, meso and macro), a common approach is to first study the phenomena that happens at the microscale, and from then, through statistical aggregation, describe the final macro-scale behavior. The aggregated micro-scale phenomena are described by considering the ensemble averaged optical properties of matter in a small fraction of volume. In this thesis, we apply this statistical approach to model volumetric materials such as foundation cosmetics and pennaceous feathers. For cosmetics, inspired by scanning electron microscope (SEM) images, we model the optical properties of the material by considering flake-like or diffuse particles. For feathers, we model the aggregated barckreflection radiance of barb¿s medullas, as an ideal lambertian diffuser. Additionally we consider the aggregated effect for all the feather with a masking analytical term derived from the regular structure of barbs and barbules. The final appearance of a material, however, is not only influenced by the light-matter interactions (and thus the aforementioned optical properties), but also by how we, humans, perceive it. External factors, such as geometry and lighting, can alter this perception, acting as confounding factors. The way we perceive does not only affect modeling and simulation of these materials, but also their editing, which is fundamental for content creation. For volumetric materials, editing is particularly challenging since manipulating parameters often leads to unintuitive results. The second part of this thesis focuses on the perception and editing of volumetric materials, specifically, we examine aspects related to the perception of translucent materials, a class of materials that can be modeled as volumetric materials. We investigate whether dynamic lighting can alleviate the effects caused by the confounding factor of light, as well as analyze the performance of different similarity metrics for translucent materials. We then leverage the best performing similarity metric to improve on the editing of translucent materials, by introducing a two-dimensional manifold of translucent appearances over which we build a novel hybrid interface.
Los materiales volumétricos son omnipresentes en la naturaleza y los objetos manufacturados, y cubren desde tejidos orgánicos como piel, dientes, alimentos, madera u hojas; hasta el mármol, el jade o el hielo; pasando por agregados de materiales complejos como el pelo (animal y humano) y los materiales granulares como la sal o la arena. A diferencia de los materiales opacos, en los materiales volumétricos la luz entra en el interior del objeto, interactuando con la materia de su interior varias veces antes de salir del objeto. Dado que estas interacciones se pueden modelar a diferentes escalas, un enfoque común consiste en estudiar primero los fenómenos que ocurren a microescala y, a partir de ahí, mediante agregación estadística, describir el comportamiento final a macroescala.. En esta tesis, aplicamos este marco teórico para modelar la apariencia de dos materiales volumétricos:cosméticos de base y las plumas penáceas. Para los cosméticos, inspiradosen las imágenes del microscopio electrónico, modelamos las propiedades ópticas del material considerando partículas en forma de plaquetas o difusas. En el caso de las plumas, modelamos estadísticamente la reflectancia de barbas y bárbulos, , y derivamos su comportamiento agregado considerando la estructura mesoscópica de la pluma.
Sin embargo, la apariencia de un material no sólo depende de las interacciones ópticas luz-materia, sino también de cómo lo percibimos los seres humanos. La forma en que percibimos no sólo afecta al modelado y la simulación de estos materiales, sino también a su edición, fundamental para la creación de contenidos. En el caso de los materiales volumétricos, la edición es especialmente difícil, ya que los parámetros ópticos son espacios de alta dimensionalidad, y poco intuitivos para usuarios noveles. La segunda parte de esta tesis se centra en la percepción y edición de materiales volumétricos, y en concreto de materiales translúcidos. Para ello, investigamos el efecto de introducir iluminación dinámica en la percepción de objetos translúcidos, y analizamos el rendimiento de diferentes métricas de similitud para materiales translúcidos. A continuación, aprovechamos esta métrica de similitud para mejorar la edición de materiales translúcidos, introduciendo un espacio bidimensional de apariencias translúcidas, sobre el que podemos navegar para editar la apariencia de objetos usando una interfaz intuitiva de edición.
Resumen (otro idioma): This thesis focuses on complex volumetric materials for computer graphics, from their physically-based modeling to their perception and intuitive editing. Volumetric materials are ubiquitous in nature and manufactured objects, and range from organic tissues such as skin, teeth, food, wood, or leaves; to marble, jade, or ice; to aggregates of complex materials including hair, fur, and granular materials. As opposed to local light-matter interactions in opaque materials, in volumetric materials light penetrates inside the object, interacting with the matter inside it multiple times before leaving the object. As these interactions can be modeled at different scales (micro, meso and macro), a common approach is to first study the phenomena that happens at the microscale, and from then, through statistical aggregation, describe the final macro-scale behavior. The aggregated micro-scale phenomena are described by considering the ensemble averaged optical properties of matter in a small fraction of volume. In this thesis, we apply this statistical approach to model volumetric materials such as foundation cosmetics and pennaceous feathers. For cosmetics, inspired by scanning electron microscope (SEM) images, we model the optical properties of the material by considering flake-like or diffuse particles. For feathers, we model the aggregated barckreflection radiance of barb¿s medullas, as an ideal lambertian diffuser. Additionally we consider the aggregated effect for all the feather with a masking analytical term derived from the regular structure of barbs and barbules. The final appearance of a material, however, is not only influenced by the light-matter interactions (and thus the aforementioned optical properties), but also by how we, humans, perceive it. External factors, such as geometry and lighting, can alter this perception, acting as confounding factors. The way we perceive does not only affect modeling and simulation of these materials, but also their editing, which is fundamental for content creation. For volumetric materials, editing is particularly challenging since manipulating parameters often leads to unintuitive results. The second part of this thesis focuses on the perception and editing of volumetric materials, specifically, we examine aspects related to the perception of translucent materials, a class of materials that can be modeled as volumetric materials. We investigate whether dynamic lighting can alleviate the effects caused by the confounding factor of light, as well as analyze the performance of different similarity metrics for translucent materials. We then leverage the best performing similarity metric to improve on the editing of translucent materials, by introducing a two-dimensional manifold of translucent appearances over which we build a novel hybrid interface.
Pal. clave: informática ; procesos de percepción
Titulación: Programa de Doctorado en Ingeniería de Sistemas e Informática
Plan(es): Plan 512
Área de conocimiento: Ingeniería y Arquitectura
Nota: Presentado: 08 05 2025
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, , 2025
Aportación del TFG/M a la Sostenibilidad: Desarrollar infraestructuras resilientes, promover la industrialización inclusiva y sostenible, y fomentar la innovación.
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Registro creado el 2025-07-03, última modificación el 2025-07-03
