[論文レビュー] Redefining A In Rgba: Towards A Standard For Graphical 3D Printing

Philipp Urban, Tejas Madan Tanksale+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2017

Color Science and Applications参考文献 36被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、3DプリントにおけるRGBAのAチャネルを物理的・知覚的根拠に基づいて再定義し、加法的ブレンドから仮想均質材料の吸収係数と散乱係数に基づく減法的モデルに置き換える。これは、透過性のほぼ知覚的に均一なスケールを確立し、オブジェクトのスケーリングにわたる一貫した外観を可能にするとともに、標準分光光度計を用いた測定ベースの材料割り当てを可能にする。

ABSTRACT

Advances in multimaterial 3D printing have the potential to reproduce various visual appearance attributes of an object in addition to its shape. Since many existing 3D file formats encode color and translucency by RGBA textures mapped to 3D shapes, RGBA information is particularly important for practical applications. In contrast to color (encoded by RGB), which is specified by the object's reflectance, selected viewing conditions and a standard observer, translucency (encoded by A) is neither linked to any measurable physical nor perceptual quantity. Thus, reproducing translucency encoded by A is open for interpretation. In this paper, we propose a rigorous definition for A suitable for use in graphical 3D printing, which is independent of the 3D printing hardware and software, and which links both optical material properties and perceptual uniformity for human observers. By deriving our definition from the absorption and scattering coefficients of virtual homogeneous reference materials with an isotropic phase function, we achieve two important properties. First, a simple adjustment of A is possible, which preserves the translucency appearance if an object is re-scaled for printing. Second, determining the value of A for a real (potentially non-homogeneous) material, can be achieved by minimizing a distance function between light transport measurements of this material and simulated measurements of the reference materials. Such measurements can be conducted by commercial spectrophotometers used in graphic arts. Finally, we conduct visual experiments employing the method of constant stimuli, and derive from them an embedding of A into a nearly perceptually uniform scale of translucency for the reference materials.

研究の動機と目的

• グラフィカル3DプリントにおけるRGBAのAチャネルに対する標準的で測定可能かつ知覚的に一貫した解釈の欠如に対処すること。
• Aの伝統的な加法的ブレンド解釈を、物理的光輸送に基づく減法的混合モデルに置き換えること。
• Aをスペクトル吸収係数と散乱係数に関連付けることで、装置に依存しない透過性の測定と再現を可能にすること。
• 特に側面照明下において、さまざまなスケールおよび視認条件にわたる透過性の知覚的均一性を保証すること。
• Aの調整によりオブジェクトのスケーリング時に透過性外観を維持できるように、実用的な3Dプリントワークフローを支援すること。

提案手法

• 等方的相関関数を有する仮想均質基準材料を用いて、放射輸送方程式に基づくAの理論的基盤を導出する。
• Aを吸収係数と散乱係数の関数として定義し、オブジェクトサイズにわたる物理的整合性とスケーラビリティを保証する。
• 商業用分光光度計を用いた測定ベースのキャリブレーション手法を提案し、実材料を基準材料に一致させるための距離最小化関数を用いる。
• 心理物理学実験（一定刺激法）を用いて、基準材料のAを知覚的に均一なスケールに埋め込む。
• Aコンテキストのフレームワークを導入し、非等方的散乱やその他の知覚的要因へのモデルの拡張を可能にする。
• 標準視認条件（ICC準拠の側面照明）下での視覚実験を通じて、Aの知覚的均一性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RGBAのAチャネルを、物理的測定可能で知覚的に一貫した方法で透過性を表現するように再定義するにはどうすればよいか？
• RQ2 3Dプリントオブジェクトにおける光学的材料特性（吸収と散乱）と知覚される透過性の関係は何か？
• RQ3 標準視認条件下での心理物理学的実験から、知覚的に均一な透過性スケールを導出できるか？
• RQ4 オブジェクトを3Dプリント用にスケーリングする際、Aをどのように調整すれば透過性外観を維持できるか？
• RQ5 提案されたAベースの基準材料モデルを用いて、実際の不均一な材料をどの程度正確に近似できるか？

主な発見

• 提案されたAの定義は、吸収係数と散乱係数に基づく物理的根拠を有し、透過性値の測定ベースの割り当てを可能にする。
• Aをスケール要因に比例して調整することにより、オブジェクトのスケーリング時でも透過性外観が維持されることを保証する。
• 一定刺激法を用いた心理物理学的実験から、ほぼ知覚的に均一な透過性スケールが導出された。
• 標準分光光度計を用いた装置に依存しない測定と透過性再現が可能であるため、実用的な3Dプリントワークフローを支援する。
• 標準RGB色空間およびICC準拠の視認条件（側面照明）と整合性を保っている。
• 制限事項として、等方的散乱に限定され、積層構造や非均一構造の材料の測定に課題がある。