学位論文要旨



No 128451
著者(漢字) 高山,健志
著者(英字)
著者(カナ) タカヤマ,ケンシ
標題(和) コンパクトかつ整合性のある表現形式による自然物のボリューメトリックなモデリング
標題(洋) VOLUMETRIC MODELING OF NATURAL OBJECTS WITH COMPACT AND CONSISTENT REPRESENTATIONS
報告番号 128451
報告番号 甲28451
学位授与日 2012.03.22
学位種別 課程博士
学位種類 博士(情報理工学)
学位記番号 博情第362号
研究科 情報理工学系研究科
専攻 コンピュータ科学専攻
論文審査委員 主査: 東京大学 教授 池内,克史
 東京大学 教授 西田,友是
 東京大学 教授 須田,礼仁
 東京大学 准教授 高橋,成雄
 東京大学 准教授 苗村,健
内容要旨 要旨を表示する

Modeling of 3D objects' internal structures and appearances, or volumetric modeling, is useful for various computer graphics applications. For example, volumetric information would enable a rich set of natural and intuitive interactions with 3D models such as cutting and peeling. Volumetric information would also be crucial for algorithms that perform volume rendering or soft body simulation on objects with heterogeneous internal material distributions. On the other hand, volumetric modeling is inherently difficult in many respects such as real-world data acquisition, from-scratch creation, editing, and visualization, which has hindered its wide adoption in the industry.

One popular approach to volumetric modeling is to synthesize solid textures representing specific materials (e.g., marble, asphalt), using procedural descriptions or 2D-to-3D texture synthesis algorithms. This approach alone is, however, not enough for representing more complex volumetric objects consisting of multiple materials. Another approach to modeling volumetric objects consisting of multiple materials is to partition the object volume into disjoint regions and to assign material types to individual regions procedurally. Not all volumetric objects can be, however, decomposed into disjoint regions with clear region boundaries. Besides, writing a script code is not necessarily an intuitive modeling interface for general users with limited programming skills. There are a few other different approaches aiming at volumetric modeling of complex objects, such as on-demand 2D texture synthesis on 3D models' cross-sections, morphing of 2D cross-sectional images positioned in 3D space, and direct painting interface for volumes. Unfortunately, each of them has its own limitations (e.g., volume inconsistency, limited expressivity).

In this thesis, our goal is to achieve volumetric modeling of complex natural objects (e.g., fruits, vegetables, and organs) while alleviating limitations of previous approaches. In particular, we aim at interactive creation of consistent volumetric color distributions using intuitive sketch-based interfaces, while requiring small storage and low computational cost.

After describing the background and related work in the first two chapters, we propose two user interfaces for efficiently designing volumetric orientation fields. We consider the design of volumetric orientation fields as a subproblem of volumetric modeling since orientation fields play an important role when synthesizing anisotropic solid textures within the volume. We make our design processes efficient by exploiting some domain-specific knowledge. In the first method for volumetric vector field design, we assume that the vectors at the boundary surface always align with the surface tangent planes. In the second method for volumetric frame field design, we assume that one of the three frame directions follows the gradient direction of a scalar field. To demonstrate the usefulness of our methods, we also present two applications for the designed orientation fields other than synthesizing solid textures: electrophysiological simulations of heart ventricles and active deformations of unarticulated characters such as jellyfish.

In the next chapter, we propose Lapped Solid Textures (LSTs), a method for representing solid objects with spatially-varying anisotropic textures by repeatedly pasting patches of solid textures. The underlying concept is to extend the 2D texture patch-pasting approach of Lapped Textures to 3D solids using a tetrahedral mesh and 3D texture patches. To represent oriented textures, the system places texture patches over the mesh according to a volumetric tensor field designed using the interfaces described in the previous chapter. We have also extended the original technique to handle nonhomogeneous textures for creating solid models whose textural patterns change gradually along scalar depth fields. We identify several texture types considering the amount of anisotropy and spatial variation and provide a tailored modeling interface for each. We show that realistic and consistent solid models can be created easily with little memory and computational cost using LSTs.

It remains still a challenge, even for LSTs, to model volumetric objects that have distinct global features such as long fiber-like structures and large boundaries with sharp color transitions typically seen in many vegetables and fruits such as tomatoes and apples. In the next chapter, we propose a representation called Diffusion Surfaces (DSs) to enable modeling such objects. DSs consist of 3D surfaces with colors defined on both sides, such that the interior colors in the volume are obtained by diffusing colors from nearby surfaces. A straightforward way to compute color diffusion is to solve a volumetric diffusion equation with the colors of the DSs as boundary conditions, but it requires expensive volumetric meshing which is not appropriate for interactive modeling. We therefore propose to interpolate colors only locally at user-defined cross-sections using a modified version of the Positive Mean Value Coordinates algorithm to avoid volumetric meshing. DSs is a resolution-independent vector representation of volumetric models with both smooth and sharp color transitions, and can be generally used to model many different kinds of objects with internal structures. As a case study, we present a simple sketch-based interface for modeling objects with rotational symmetries. We demonstrate the effectiveness of our approach by modeling various volumetric objects compactly using DSs, and applying simple non-photorealistic rendering techniques enabled by structural information encoded in DSs.

In closing, we summarize our approaches while comparing them with existing ones, followed by describing areas for future research. We hope that this dissertation will help volumetric modeling be adopted more widely by the industry and stimulate further developments.

審査要旨 要旨を表示する

物体内部の情報のモデリング、すなわちボリュメトリックなモデリングは、三次元モデルの切断面の表示や非均質は半透明物体の表示など、コンピュータグラフィクスにおける様々なアップリケ―ションにおいて有用な技術ある。本論文は、「VOLUMETRIC MODELING OF NATURAL OBJECTS WITH COMPACT AND CONSISTENT REPRESENTATIONS (コンパクトかつ整合性のある表現形式による自然物のボリュ―メトリックなモデリング)」と題され、野菜や果物など複雑な内部構造を含む自然物のモデリングを、ユーザーがインタラクティブに行える手法を提案したもので、7章と付録からなり、英文で記されている。

第1章は、「Introduction(序論)」と題され、研究の動機づけや問題の定義、本論文のオーバービュー、並びに関連発表文献などを述べている。

第2章は、「Analysis of Volumetric Modeling (ボリュ―メトリックモデリングの分析)」と題され、ボリュ―メトリックモデリングの技術上の問題点、基本的な手法とその分類といったボリュ―メトリックモデリングの解説を行っている。また、第3章は、「Related Work (関連研究)」として、数学的定義や代表的な関連研究に言及している。

第4章は、「User Interfaces for Modeling Volumetric Orientation Field (ボリュ―メトリックな方向場モデリングのためのユーザーインタフェース)」と題されている。ボリュ―メトリックなモデリングは、ユーザーが直接みることができないため、直接指定できないという問題点をもっている。これを解決するために、内部のベクトル場を指定できるユーザーインタフェースを提案している。これの応用として心臓筋繊維の指定や軟体動物の動き表現を行った。

第5章は、「Raster-Based Method for Representing Detailed Internal Structures Using Anisotropic Solid Textures (異方性ソリッドテクスチャによる内部微細構造表現のためのラスタベースの手法)」と題され、3章で提案した手法により定義できる内部方向場にそって、異方性ソリッドテクスチャを変形させ、物体内部をテクスチャ表現で満たすことができる手法を提案している。ラスタ的なアプローチをとることで、微細な構造を表現するのに適しているとしている。

第6章は、「Vector-Based Method for Representing Smooth Color Transitions Using Colored 3D Surfaces (色つき3次元面を用いた滑らか色分布のためのベクトルベースの手法)」と題され、前章のラスター型の手法では難しい大局的に明確な内部構造をもった物体に対して、Diffusion Surface法と呼ばれる手法を提案し、高速に滑らか変化をもつ内部構造が表現できる手法を提案した。

第5章は、「Conclusions(結論)」と題され、本論文の寄与、限界、今後の研究の方向性について述べている。

以上これを要するに、本論文は、物体内部の情報のモデリングのためのラスター的アプローチによる異方性ソリッドテクスチャにより繰り返しのある微細構造を表現する方法とベクター的アプローチによる色つきサーフェスからの滑らかな3次元色分布を得る方法を提案したもので、コンピュータグラフィックスひいてはコンピュータ科学上貢献するところが大きい。

よって本論文は博士(情報理工学)の学位請求論文として合格と認められる。

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