Avanços na Representação de Materiais para Prototipagem Virtual Preditiva
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Pesc publication
Prototipagem virtual (PV) é uma parte estabelecida e cada vez mais importante do processo de desenvolvimento de novos produtos. No entanto, PV ainda não é utilizado para certificar as etapas de desenvolvimento virtual. Esta limitação impede o desenvolvimento holístico e paralelo de produtos, onde engenheiros e designers dos parceiros mundialmente envolvidos desenvolvem simultaneamente um novo produto. Consequentemente, também impede uma redução considerável do tempo e dos custos de desenvolvimento, do uso de recursos e do impacto ambiental. A principal questão da PV é o limite da fidelidade dos protótipos virtuais, o que é particularmente problemático quando a PV é usada para decisões de design. Neste contexto, o protótipo virtual deve evocar a mesma sensação visual do que o protótipo físico; portanto, deve ser preditivo. Todavia, devido à complexidade da simulação de luz e às capacidades da visão humana, os protótipos virtuais muitas vezes não são preditivos. Dois grandes problemas são a representação do material e a reprodução de cores em um dispositivo de visualização. Nesta tese, focamos nestes dois problemas abordando os seguintes três tópicos:
Primeiro, apresentamos um novo framework de validação, que permite a validação da simulação da luz comparando-a com a realidade. A implementação com o renderizador científico Mitsuba confirmou que a modelagem da interação luz-matéria é a principal fonte de erro. Além disso, detectamos mudanças de comprimento de onda no comportamento de reflexos de amostras de cor, um fenômeno que é novo para a comunidade de Computação Gráfica.
Em segundo lugar, examinamos mais especificamente esses efeitos de mudança de comprimento de onda que levam a aparências avermelhadas e azuladas. Estes efeitos baseados em difração têm sido pouco relatados na literatura. Esta tese fornece a primeira análise completa a partir de dados coletados com precisão e apresenta uma extensão simples ao modelo Cook-Torrance considerando tais mudanças de comprimento de onda.
Finalmente, lidamos com a consistência de cores dos dispositivos de realidade virtual (Virtual Reality Head Mounted Displays - VR HMDs). As cores precisam ser apresentadas de forma consistente para aumentar a aceitação destes dispositvos na PV. Nesta tese, apresentamos uma abordagem para caracterizar e calibrar os monitores de VR HMDs de consumo. Combinado com nossa abordagem de calibração, é possível reproduzir cores com o dispositivo Vive Pro sem diferenças perceptíveis.
Virtual prototyping (VP) is an established and increasingly important part of the development process of new products. However, VP is still not used to release virtual development stages. This limitation prevents holistic and parallel product development, where engineers and designers of all involved partners worldwide simultaneously develop a new product. Consequently, it hinders a considerable reduction of development time and costs, resource usage, and environmental impact. The main issue of VP is the limited fidelity of virtual prototypes, which is particularly problematic when VP is used for design decisions. In this application, the virtual prototype has to evoke the same visual sensation as the physical prototype; thus has to be predictive. However, due to the light simulation's complexity and human vision's capacities, virtual prototypes often fail to be predictive. Two major problems are the material representation and the colour reproduction on a display device. In this thesis, we focus on these two problems by tackling the following three topics:
First, we introduce a new validation framework, which enables the validation of the light simulation by comparing it with reality. The implementation with the scientific renderer Mitsuba confirmed that modelling the light-matter interaction is the main source of error. Moreover, we detected wavelength shifts in the reflections behaviour of colour patches, a phenomenon that is new to the CG community.
Second, we look more specifically into these wavelength shift effects that lead to reddish and blueish appearances. These diffraction-based effects have been scarcely reported in the literature. This thesis provides the first thorough analysis from precise measured data and introduces a simple extension to the Cook-Torrance model that considers such wavelength shifts.
Finally, we deal with the colour consistency of virtual reality head mounted displays (VR HMDs). The colour consistency needs to be improved to increase the acceptance of HMDs as VR-System for VP. In this thesis, we present an approach to characterize and calibrate displays of consumer VR HMDs. Combined with our calibration approach, the Vive Pro reproduces colours without perceivable differences.