Инструмент «Meschers» визуализирует и редактирует «физически невозможные» объекты

Работа MC Escher-это ворота в мир оптических иллюзий, бросивших глубину, с «невозможными объектами», которые нарушают законы физики с испуганной геометрией. То, что вы воспринимаете его иллюстрации, зависит от вашей точки зрения – например, человек, по -видимому, поднимающийся наверх, может идти по ступенькам, если вы Наклоните голову в сторонуПолем

Ученые и дизайнеры компьютерной графики могут воссоздать эти иллюзии в 3D, но только сгибая или обрезая реальную форму и позиционируя ее под определенным углом. Однако этот обходной путь имеет недостатки: изменение плавности или освещения структуры выставит, что на самом деле это не оптическая иллюзия, что также означает, что вы не можете точно решить проблемы геометрии.

Исследователи из лаборатории компьютерной науки и искусственного интеллекта MIT (CSAIL) разработали уникальный подход для представления «невозможных» объектов более универсальным образом. Их “Месшерс«Инструмент преобразует изображения и 3D-модели в 2,5-мерные структуры, создавая Escher-подобные изображения таких вещей, как окна, здания и даже пончики. Подход помогает пользователям смягчить, сгладить и изучать уникальную геометрию, сохраняя при этом их оптическую иллюзию.

Этот инструмент мог бы помочь исследователям геометрии с расстоянием расстояния между двумя точками на изогнутой невозможной поверхности («Геодезика») и моделировав, как тепло рассеивается по нему («тепловая диффузия»). Это также может помочь художникам и ученым компьютерной графики создать дизайн, разрушающие физику в нескольких измерениях.

Ведущий автор и магистратура доктора философии Студент Ана Додик стремится разработать компьютерные графические инструменты, которые не ограничиваются репликацией реальности, позволяя художникам выразить свои намерения независимо от того, может ли форма быть реализована в физическом мире. «Используя Meschers, мы разблокировали новый класс форм для художников, с которыми можно было бы работать на компьютере», – говорит она. «Они также могут помочь ученым -восприятию понять то, что объект действительно становится невозможным».

Додик и ее коллеги представят свою бумагу в Сигграф Конференция состоялась в Ванкувере 10–14 августа. Это опубликовано в Транзакции ACM на графикеи полный текст доступен на ЖирубПолем

Сделать возможными невозможными объектами

Невозможные объекты не могут быть полностью воспроизведены в 3D. Их составные части часто выглядят правдоподобно, но эти части не приклеиваются должным образом при сборке в 3D. Но, как обнаружили исследователи CSAIL, можно подражать вычислительному процессу, так это процесс того, как мы воспринимаем эти формы.

Принять Пенроуз -треугольникнапример. Объект в целом физически невозможно, потому что глубины не «складываются», но мы можем распознать реальные 3D-формы (например, его три L-образные углы) в нем. Эти меньшие регионы могут быть реализованы в 3D – свойство, называемое «локальная последовательность», но когда мы пытаемся собрать их вместе, они не образуют глобально последовательную формаПолем

Meschers подходят к местному согласованным регионам моделей, не заставляя их быть глобально последовательными, объединяя структуру в стиле Escher. За кулисами Meschers представляет невозможные объекты, как будто мы знаем их координаты X и Y на изображении, а также различия в координатах Z (глубины) между соседними пикселями; Инструмент использует эти различия по глубине, чтобы рассуждать о невозможных объектах косвенно.

Многое использование месшинов

В дополнение к визуализации невозможных объектов, посредничества могут подчинять свои структуры на более мелкие формы для более точных расчетов геометрии и операций сглаживания. Этот процесс позволил исследователям уменьшить визуальные недостатки невозможных форм, таких как красный контур сердца, который они истончали.

Исследователи также проверили свой инструмент на «невозможном», где бублик затенен физически невозможным способом. Месчы помогли Додику и ее коллегам имитировать диффузию тепла и рассчитать геодезические расстояния между различными точками модели.

«Представьте, что вы, как будто пройдя этот бублик, вы хотите знать, сколько времени вам понадобится, например, чтобы передать», – говорит Додик. «Точно так же наш инструмент может помочь математикам проанализировать основную геометрию невозможных форм близко, так же, как мы изучаем реальные».

Как и волшебник, инструмент может создать Оптические иллюзии Из -за практических объектов, упрощают компьютерную графическую графику создавать невозможные объекты. Он также может использовать инструменты «обратного рендеринга» для преобразования чертежей и изображений невозможных объектов в высокомерные конструкции.

«Meschers демонстрирует, как компьютерные графические инструменты не должны быть ограничены правилами физической реальности», – говорит старший автор Джастин Соломон, доцент кафедры электротехники и компьютерных наук, и лидер группы обработки геометрических данных CSAIL. «Невероятно, что артисты, использующие Meschers, могут рассуждать о формах, которые мы никогда не найдем в реальном мире».

Месчы также могут помочь художникам компьютерной графики с настройкой затенения своих творений, сохраняя при этом оптическую иллюзию. Эта универсальность позволит креативщикам изменить освещение своего искусства, чтобы изобразить более широкое разнообразие сцен (например, восход или закат), – как продемонстрировали модель модели собаки на скейтборде.

Несмотря на свою универсальность, Месшерс – только начало Додика и ее коллег. Команда рассматривает вопрос о разработке интерфейса, чтобы облегчить использование инструмента, создавая более сложные сцены. Они также работают с учеными восприятия, чтобы увидеть, как компьютерный графический инструмент можно использовать в более широком смысле.

Эта история переиздана предоставлена MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), популярный сайт, который охватывает новости о исследованиях, инновациях и преподавании MIT.