[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种在3D打印中对RGBA的A通道进行物理和感知基础的重新定义，用基于虚拟均匀材料吸收系数和散射系数的减法模型取代传统的加法混合模型。该方法建立了一个近乎感知均匀的半透明度尺度，可实现对象缩放时的一致外观表现，并支持使用标准分光光度计进行基于测量的材料分配。

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.

研究动机与目标

• 解决在图形化3D打印中RGBA的A通道缺乏标准化、可测量且感知一致的解释问题。
• 用基于物理光传输的减法混合模型取代传统A通道的加法混合解释。
• 通过将A与光谱吸收系数和散射系数关联，实现设备无关的半透明度测量与再现。
• 确保在不同尺度和观察条件下（尤其是侧向照明下）半透明度的感知均匀性。
• 通过调整A实现对象缩放时半透明度外观的保持，从而支持实际的3D打印工作流程。

提出的方法

• 基于具有各向同性相函数的虚拟均匀参考材料，从辐射转移方程推导出A的理论基础。
• 将A定义为吸收系数和散射系数的函数，确保在不同物体尺寸下的物理一致性与可扩展性。
• 提出一种基于商用分光光度计的测量校准方法，通过距离最小化函数将真实材料与参考材料匹配。
• 采用心理物理学实验（恒定刺激法）将A嵌入参考材料的感知均匀尺度中。
• 引入A-上下文框架，以期将模型扩展至各向异性散射及其他感知因素。
• 通过标准观察条件（符合ICC标准的侧向照明）下的视觉实验验证A的感知均匀性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何重新定义RGBA中的A通道，以实现半透明度的物理可测量性与感知一致性？
• RQ2 光学材料特性（吸收与散射）与3D打印物体中感知半透明度之间的关系是什么？
• RQ3 能否在标准观察条件下通过心理物理学实验推导出感知均匀的半透明度尺度？
• RQ4 当对象在3D打印中被缩放时，如何调整A以保持半透明度外观？
• RQ5 使用所提出的基于A的参考材料模型，对真实、非均质材料的近似程度在多大程度上可行？

主要发现

• 所提出的A定义基于吸收系数和散射系数，具有物理基础，可实现基于测量的半透明度值分配。
• 该方法通过按比例调整A与缩放因子，确保缩放对象时半透明度外观保持不变。
• 通过恒定刺激法的心理物理学实验，推导出一个近乎感知均匀的半透明度尺度。
• 该模型通过使用标准分光光度计实现设备无关的半透明度测量与再现，支持实际的3D打印工作流程。
• 该方法与标准RGB色彩空间及符合ICC标准的观察条件（侧向照明）保持一致。
• 局限性包括仅适用于各向同性散射，且在测量分层或非均匀结构材料时存在挑战。