Ein visuelles Fest

Jul 29, 2023

Informatiker bringen faszinierende neue Methoden zur SIGGRAPH 2023

Institut für Wissenschaft und Technologie Österreich

Bild: 3D-Lichtskulpturen. Vorschau von Farbtattoos. Tsunamiwellen an einem Strand. Beiträge des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) zur SIGGRAPH-Konferenz 2023.mehr sehen

Bildnachweis: © ISTA (PCBend/M.Piovarči/C.Wojtan)

3D-Lichtskulpturen. Tsunamiwellen an einem Strand. Vorschau von Farbtattoos. Die Beiträge der Bickel- und Wojtan-Gruppen am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) zur SIGGRAPH-Konferenz 2023 befassen sich mit einer beeindruckenden Vielfalt klassischer und neuartiger Fragestellungen. Während ihre Schwerpunkte von Computergrafik bis hin zu Fertigungsmethoden reichen, sind sich die Informatiker einig, kostengünstige, innovative Lösungen zu finden und Benutzer zu befähigen. SIGGRAPH ist die weltweit führende jährliche Tagung für Computergrafik und interaktive Techniken und vereint die neuesten Entwicklungen auf diesem Gebiet. Auch dieses Jahr gab es wieder eine breite Beteiligung von Wissenschaftlern des Institute of Science and Technology Austria (ISTA).

PCBend: Eine neue zugängliche Pipeline für 3D-Lichtskulpturen Heutzutage ist die Bedeutung von Licht als Element in Design, Kunst und Architektur unbestritten. Das Entwerfen und Herstellen lichtdurchfluteter 3D-Objekte war für den Durchschnittsbenutzer jedoch sowohl unerschwinglich teuer als auch mühsam. Dieses Problem erregte die Aufmerksamkeit von Manas Bhargava, einem Doktoranden in der Bickel-Gruppe am ISTA, der sich daran machte, eine benutzerfreundliche und erschwingliche Pipeline zur Schaffung und Herstellung solcher Strukturen zu entwickeln. Jetzt haben Bhargava und Kollegen von ISTA sowie der Universität Lothringen, Frankreich, PCBend eingeführt, ein System, das genau das erreicht.

Flache (2D) LED-Leiterplatten sind im Gegensatz zu gebogenen (3D) Schaltkreisen kostengünstig und einfach herzustellen. Um die Kosten niedrig zu halten und bestehende Fertigungsketten zu nutzen, fand das Team zunächst eine Methode, um das Zielobjektdesign zu „flachen“. „Das Entfalten eines 3D-Objekts aus Dreiecken ist ein klassisches Problem, dessen Lösungen von Origami inspiriert sind“, erklärt Bhargava. „Aber wir mussten auch die physikalischen Einschränkungen berücksichtigen, die durch die Schaltkreisverbindungen zwischen zwei Dreiecken entstehen – anders als gefaltetes Papier können sie brechen.“ Mithilfe von Holzbearbeitungstechniken entwickelte das Team spezielle Scharniere, die es ermöglichen würden, die Leiterplatte zu biegen, ohne die Schaltkreise zu durchtrennen. Das Programm des Teams löste das Schaltungslayoutproblem weiter, indem es alle LEDs auf einem einzigen Pfad verband.

Sobald das 2D-Designnetz festgelegt ist, wird es hergestellt und der Benutzer setzt die Lichtmuster wieder zusammen und programmiert sie. „Unsere Pipeline ist einfach zu bedienen, sodass andere ihre eigenen Ideen problemlos ausprobieren können“, fährt Bhargava fort. „Ich kann es kaum erwarten zu sehen, was sie tun!“ Mögliche Anwendungen könnten im Kunst-, Theater- und Showbereich von Konzerten liegen.

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Neue Wellensimulationsmethode überbrückt tiefe und flache Gewässer Das nächste Projekt taucht in bisher unerreichbare Tiefen ein. Gleichungen zur Beschreibung der Flüssigkeitsbewegung sind seit dem 19. Jahrhundert bekannt. Obwohl diese Gleichungen mathematisch schön sind, sind sie zu rechenintensiv, um in Wasserwellensimulationen verwendet zu werden. In der Vergangenheit haben sich Wissenschaftler und Grafikdesigner daher der Airy-Theorie zugewandt, die Wellenmuster in tiefem Wasser perfekt beschreibt, oder den Flachwassergleichungen, die alles in Ufernähe bewältigen können. Jeder ist in seinem jeweiligen Bereich hervorragend, versagt aber im anderen. Bisher mussten sich Grafikexperten für einen Gleichungstyp entscheiden und zusätzliche Effekte nutzen, um auffällige visuelle Fehler zu verbergen. Jetzt haben Professor Chris Wojtan und sein langjähriger Mitarbeiter und ISTA-Alumnus Stefan Jeschke die erste praktische Methode entwickelt, mit der sowohl Tief- als auch Flachwassereffekte sowie Wechselwirkungen zwischen Tief- und Flachwasser simuliert werden können. Im Wesentlichen kombinieren sie die beiden Modelle, indem sie die Stärken beider Modelle nutzen und gleichzeitig ihre Schwächen minimieren.

Obwohl das „Zusammenkleben“ der Modelle in gewisser Hinsicht das ist, was die Mitarbeiter getan haben, erforderte die Entscheidung, welches Modell wo verwendet werden sollte (z. B. was tiefes und flaches Wasser ausmacht), Fingerspitzengefühl und eine profunde Kenntnis der mathematischen Gleichungen hinter den Modellen. „Die Tiefe in den Simulationen ist nicht nur der Abstand von der Oberfläche zum Boden“, erklärt Wojtan. „Auch die Wellenlänge – der Abstand von einem Wellenberg zum nächsten – spielt eine Rolle.“ Mit ihrer neuen Methode kann das Team bisher unerreichbare Effekte simulieren, etwa Tiefsee-Tsunamiwellen, die einen Strand überschwemmen, oder das Kielwasser eines Bootes, das die Küste hinauffährt – und das alles in Echtzeit. „Praktisch gesehen ist das neue Modell weiterhin gut für die Parallelverarbeitung geeignet, sodass wir auf modernen Grafikprozessoren Echtzeit-Bildraten erreichen können“, ergänzt Jeschke.

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Tattoo-Vorschauen Eine weitere Veröffentlichung der Bickel-Gruppe zeigt die Vielfalt der bei SIGGRAPH präsentierten Themen. Die Vorhersage, wie die Farben beim Tätowieren aussehen werden, hängt von der Erfahrung des Künstlers ab, aber die Beständigkeit von Tätowierungen bedeutet, dass Künstler nicht experimentieren können. Jetzt haben die Bickel-Gruppe und ein Mitarbeiter das erste Modell entwickelt, das genau vorhersagt, wie eine Tätowierung auf verschiedenen Substraten aussehen wird. Michael Piovarči, Postdoc in der Bickel-Gruppe, leitete das Projekt und kombinierte ein tiefes Verständnis der Farbmodellierung mit praktischen Herstellungs- und Programmiermethoden.

Um die prädiktiven Farbmodelle zu entwickeln, nahm Piovarči Standardgleichungen und passte sie an die Tätowierumgebung an. Seine wichtigste Beobachtung war, dass das Substrat als zusätzliche Farbe fungiert, die sich mit den tätowierten Tinten vermischt. Nachdem die Grundmodelle erstellt waren, definierten sie die Parameter des Modells durch die Durchführung tatsächlicher Tests. Zu diesem Zweck baute Piovarči einen programmierbaren Tätowierapparat und entwickelte ein Silikon-Maisstärke-Substrat zum Tätowieren. „Für mich war das Überraschendste – und Befriedigendste – die Farbpalette, die wir erzielen konnten, nachdem wir verstanden hatten, wie wir die Tintenkombinationen für jedes Substrat optimieren konnten“, sagt Piovarči.

Das Team programmierte zusätzliche Funktionen, wie Vorschläge für alternative Komplementärfarben, die besser sichtbar sind als das Originaldesign, sowie eine optimierte Farbauswahl für Tattoo-Cover-Ups. Dies könnte die Fähigkeiten von Künstlern, Tätowierungen in wunderschönen Farben zu erstellen, weiter verbessern.

Ihre Technik ist nicht nur wegen ihrer möglichen Anwendungen wertvoll: „Wissenschaftlich ist es spannend, besser zu verstehen, wie in der Haut eingebettete Tinten den Lichttransport beeinflussen, das Erscheinungsbild rechnerisch zu modellieren und das Modell experimentell zu validieren“, schließt Professor Bernd Bickel .

Sehen Sie sich das entsprechende Video auf YouTube an.

Zusätzliche Arbeit bei SIGGRAPH Die Bickel- und Wojtan-Gruppen werden auf der SIGGRAPH 2023 mehrere weitere Arbeiten präsentieren. Die Papiere, begleitenden Videos und andere Ressourcen sind auf der Visual Computing-Website zu finden und umfassen Projekte wie: • Gloss-Aware Color Correction for 3D Printing • Stealth Shaper : Reflexionsoptimierung als Oberflächenstilisierung • Prozedurale Metamaterialien Das letzte Projekt, eine Zusammenarbeit zwischen dem Institute of Science and Technology Austria (ISTA) und dem Massachusetts Institute of Technology (MIT), präsentiert eine neuartige, benutzerfreundliche Schnittstelle zum Entwerfen von Metamaterialien mit einzigartiger Eigenschaften. Weitere Informationen finden Sie in dieser MIT-Pressemitteilung.

Veröffentlichungen Marco Freire, Manas Bhargava, Camille Schreck, Pierre-Alexandre Hugron, Bernd Bickel und Sylvain Lefebvre. 2023. PCBend: Bringen Sie Ihre 3D-Formen mit faltbaren Leiterplatten zum Leuchten. ACM-Transaktionen auf Grafiken (SIGGRAPH 2023). DOI: https://dl.acm.org/doi/10.1145/3592411

Stefan Jeschke & Chris Wojtan. 2023. Verallgemeinerung von Flachwassersimulationen mit dispersiven Oberflächenwellen. ACM-Transaktionen auf Grafiken (SIGGRAPH 2023). DOI: https://doi.org/10.1145/3592098

Michal Piovarči, Alexandre Chapiro und Bernd Bickel. 2023. Skin-Screen: Ein Computer-Fabrikationsrahmen für Farbtätowierungen. ACM-Transaktionen auf Grafiken (SIGGRAPH 2023). DOI: https://doi.org/10.1145/3592432

Informationen zur FinanzierungPCBend: Erhellen Sie Ihre 3D-Formen mit faltbaren Leiterplatten: Dieses Projekt wurde vom Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union (Fördervereinbarung Nr. 715767 – MATERIALIZABLE) unterstützt. Verallgemeinerung von Flachwassersimulationen mit Dispersive Surface Waves: Dieses Projekt wurde teilweise vom Europäischen Forschungsrat finanziert (ERC Consolidator Grant 101045083 CoDiNA). Skin-Screen: A Computational Fabrication Framework for Color Tattoos: Diese Arbeit wurde freundlicherweise von der FWF Lise Meitner (Grant M 3319) unterstützt. .

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