Stylized 2D Fabrication of Non-photorealistic Images

Abstract

A current trend in computer graphics is the use of programmable tools that allow non-experts to engage in object design. Within fabrication, one area of research focuses on non-photorealistic images which are stylized to depict a particular aesthetic quality or convey key information. In cases where authenticity is demanded or the images need to be manipulated, fabrication is necessary. Non-photorealistic image fabrication involves two challenges: identifying and abstracting key information during design and considering material restrictions during fabrication. This thesis showcases two examples for fabricating new types of non-photorealistic images, the first involving watercolors, and the second producing tactile images on microcapsule paper for improved shape understanding for the blind. The watercolor project is the first to fabricate watercolorized images and produces color-gradients using a wet-on-wet technique by limiting the usually unpredictable outcome of this medium. The tactile project implements a novel multi-projection line drawing design for the depiction of everyday 3D shapes, different from currently used designs. For the fabrication of watercolor images, we propose an image analysis pipeline which inputs an image, extracts key information elements such as color, gradients, and details, and combines them to design wood stamps produced by a laser cutter. We then paint the stamps with watercolors and press them on water-sprayed paper, following a carefully designed fabrication process. For the fabrication of the tactile images, we gather characteristics that convey shape information through touch from studies in cognitive psychology, human-computer interaction, and our own formative studies. We process a 3D pre-segmented object, compute a multi-projection line drawing of the shape's cross sections, and laser engrave the drawings as tactile images. We run user studies that show the usefulness of stylization on both image designs. These two pipelines highlight the importance of image and geometry processing and analysis, key approaches, in the two applications, one of an artistic and another of a utilitarian nature. These graphics approaches play the role of “painter” and “designer of tactile graphics” and allow non-experts accessibility to these challenging fabrication design spaces.

Alternate abstract:

Μια νέα τάση στα γραφικά υπολογιστών είναι η χρήση προγραμματιζόμενων εργαλείων για τον σχεδιασμό αντικειμένων από μη ειδικούς.

Ένας τομέας της έρευνας που σχετίζεται με σχεδιασμό, επικεντρώνεται στη σχεδίαση μη φωτορεαλιστικών εικόνων, ή αλλιώς εικόνων με ένα συγκεκριμένο στυλ. Το στυλ χρησιμοποιείται είτε για να δημιουργήσει μια συγκεκριμένη αισθητική, είτε για να παρουσιάσει πληροφορία.

Επιπλέον, σε περιπτώσεις που οι εικόνες πρέπει να μοιάζουν αυθεντικές (π.χ. να μοιάζουν με πίνακες ζωγραφικής), ή να αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον (π.χ. να είναι φιγούρες θέατρου σκιών), απαιτείται να κατασκευάζονται.

Η κατασκευή μη φωτορεαλιστικών εικόνων περιλαμβάνει δύο στάδια:

(1) εντοπισμό κύριων πληροφοριών, για μία αφαιρετική διαδικασία σχεδίασης και

(2) αναγνώριση περιορισμών λόγω των υλικών, για μία ελεγχόμενη κατασκευή.

Αυτή η διατριβή ερευνά την κατασκευή δύο νέων τύπων μη φωτορεαλιστικών εικόνων.

Το πρώτο είδος εικόνας κατασκευάζεται με νερομπογιές και το δεύτερο κατασκευάζεται σε χαρτί μικροκαψουλών και είναι απτικές εικόνες που επιτρέπουν καλύτερη αντίληψη σχημάτων για άτομα με προβλήματα όρασης.

Η εργασία πάνω στις εικόνες νερομπογιάς είναι η πρώτη ερευνητική δουλειά στα γραφικά που παράγει χρωματικές διαβαθμίσεις χρησιμοποιώντας τη δύσκολα ελέγξιμη τεχνική υγρής μπογιάς πάνω σε βρεγμένο χαρτί. Η εργασία πάνω στις απτικές εικόνες παρουσιάζει ένα, διαφορετικό σε σχέση με τις υπάρχοντες εικόνες, τρόπο γραμμικής σχεδίασης, ο οποίος απεικονίζει καθημερινά τρισδιάστατα σχήματα από πολλαπλές προβολές.

Για την κατασκευή εικόνων με νερομπογιές, προτείνουμε έναν αλγόριθμο που παίρνει ως είσοδο μια εικόνα, την αναλύει, και υπολογίζει κύριες πληροφορίες, όπως: χρώμα, χρωματικές διαβαθμίσεις, και λεπτομέρειες, και τις συνδυάζει για το σχεδιασμό ξύλινων μητρών για εκτύπωση που χαράζονται με λέιζερ.

Στη συνέχεια βάφουμε τις ξύλινες μήτρες με νερομπογιές και κάνουμε την εκτύπωση από την ξύλινη μήτρα σε ψεκασμένο με νερό χαρτί, ακολουθώντας μια προσεκτικά σχεδιασμένη διαδικασία.

Για την κατασκευή των απτικών εικόνων, συλλέγουμε ποια χαρακτηριστικά μεταδίδουν πληροφορίες για σχήματα, μέσω της αφής. Η συλλογή χαρακτηριστικών προέρχεται από μελέτες στη γνωστική ψυχολογία, μελέτες στην αλληλεπίδραση ανθρώπου-υπολογιστή, καθώς και τις δικές μας πρώιμες μελέτες.

Αναλύουμε την γεωμετρία ενός τρισδιάστατου αντικείμενου που είναι χωρισμένο σε τμήματα, και κατασκευάζουμε μία απτική εικόνα με λέιζερ. Η εικόνα απεικονίζει ένα γραμμικό σχέδιο των διατομών του σχήματος, από πολλαπλές προβολές.

Τέλος, εκτελούμε μελέτες με χρήστες. Οι μελέτες δείχνουν την χρησιμότητα και των δύο τύπων εικόνας.

Αυτές οι δύο εργασίες, η μία καλλιτεχνική και η άλλη χρηστική, υπογραμμίζουν τη σημασία των αλγορίθμων ανάλυσης και επεξεργασίας εικόνας και γεωμετρίας στα γραφικά.

Οι προσεγγίσεις αυτές παίζουν το ρόλο του «ζωγράφου» και του «σχεδιαστή απτικών γραφικών» και επιτρέπουν σε μη ειδικούς προσβασιμότητα σε αυτούς τους απαιτητικούς χώρους κατασκευαστικού σχεδίου.