Abstract

Effects of Rendering on Shape Perception in Automobile Design

rendering methods allow more accurate perception of object shape than standard methods.

The goal of this project was to determine if advanced rendering methods such as global illumination allow more accurate discrimination of shape differences than standard rendering methods such as OpenGL.

To address these questions, we conducted two psychophysical experiments to measure observersrsquo; sensitivity to shape differences between a physical model and rendered images of the model. Two results stand out:

• The rendering method used has a significant effect on the ability to discriminate shape. In particular, under the conditions tested, global illumination rendering improves sensitivity to shape differences.
• Further, viewpoint appears to have an effect on the ability to discriminate shape. In most of the cases studied, sensitivity to small shape variations was poorer when the rendering and model viewpoints were different.

The results of this work have important implications for our understanding of human shape perception and for the development of rendering tools for computer-aided design.

CR Categories: I.3.7 [Three-Dimensional Graphics and Realism]

Keywords: rendering, perception, shape, fidelity

Introduction

The goal of design visualization is prediction: to show the design exactly as it will appear when built. Existing CAD visualization tools have proven their value, but have also shown some important limitations. Sometimes the visualizations produce “surprises”, where the final physical object looks different than it did in the computer rendering.

Many commercially available modeling and rendering tools have been developed for the entertainment industry, where artistic skill is applied to convince viewers that the image on the screen is real. These tools typically simplify the image rendering process by using ad hoc models of local light reflection and ignoring global illumination effects within the environment.

For many years, advanced rendering methods that more accurately simulate light reflection and transport have been available, but these methods are only useful to the design community if they improve the fidelity of the visualizations with respect to the final physical artifacts. For the design of automobiles and other complex objects, shape perception is an important issue, and a critical question is whether advanced

To address this question we conducted a pair of psychophysical experiments in which observers compared rendered images of an object to its real physical counterpart, and we tested whether they were able to make finer discriminations of shape with advanced renderings than with standard renderings. Our primary goal was to determine if advanced rendering methods allow designers to make more accurate visual evaluations of their designs.

The paper is organized into the following sections. Section 2 surveys related work in this area. Section 3 describes the overall design of the experiments and the methods used for generating the visual stimuli. Sections 4 and 5 describe the experiments themselves, and the results are analyzed in section 6. Section 7 summarizes the conclusions that can be drawn from the experiments and Section 8 points toward future work.

Related Work

Perceiving the shapes of objects is one of the central functions of vision (see [Palmer99] for an introductory review and [Interrante98] for a more comprehensive survey). The visual system uses many sources of information to accomplish this task including occlusion, perspective, shading, shadows, texture, motion, and disparity. Of these, surface shading by itself is thought to be a relatively weak source of metric information about surface shape [Todd83, Erens93]. However it has also been suggested that the non-metric cues provided by shading, in combination with other cues can provide powerful information for shape perception and discrimination [Todd89].

The pattern of shading observed on a curved surface depends not only on its shape, but also upon its material properties, the surrounding environment, and the observerrsquo;s viewpoint. The specularities produced by shiny materials appear to provide useful information for shape perception [Norman95, Blake91], though under some restricted conditions shape and material properties may be confounded [Ramachandran88]. The visual system also appears to be able to take advantage of the shading patterns provided by both diffuse and glossy interreflections in solving the shape perception problem [Christou96, Norman04].

The pictorial representation of shape from shading is an important topic that has been studied for centuries [Kubovy86, Miller98], and much of the modern research in the area of shape perception has employed shaded computer graphics images. Therefore, it is surprising that relatively little attention has been paid to the issue of how the shading methods in rendering affect shape perception ([Rodger00] is an exception), and only recently have researchers started to use global illumination algorithms rather than standard local shading methods in their studies [Pellacini00, Madison01, Fleming03]. While this is a promising trend, to our knowledge no direct comparisons of global and local algorithms with respect to shape perception have been conducted.

Comparison of the appearance of real and rendered objects is also a topic that has a long history [Hagen80, Ellis91], and recently computer graphics researchers have started conducting studies to validate the fidelity of renderings with respect to the real world [Meyer86, Rushmeier95, McNamara00], however the focus on these studies has been reflectance and illumination

perception per se, rather than how these shading factors affect shape appearance. Therefore we

渲染

汽车设计中渲染对形状感知的影响

方法比标准方法更能准确地感知物体的形状。

这个项目的目标是确定先进的渲染方法，如全局光照，是否比标准的渲染方法，如OpenGL，更准确地识别形状差异。

为了解决这些问题，我们进行了两个心理物理实验来测量观察者对物理模型和模型渲染图像之间形状差异的敏感度。有两个结果很明显:

• 所使用的渲染方法对识别形状的能力有显著的影响。特别是，在测试的条件下，全局光照渲染提高了对形状差异的敏感度。
• 此外，观点似乎对辨别形状的能力有影响。在大多数研究案例中，当渲染和模型视点不同时，对小形状变化的敏感性较差。

这项工作的结果对我们理解人体形状感知和开发计算机辅助设计的渲染工具具有重要的意义。

CR类别:I.3.7【三维图形与真实感】

关键词:渲染，感知，形状，保真度

介绍

设计可视化的目标是预测:准确地显示设计在构建时的外观。现有的CAD可视化工具已经证明了它们的价值，但也显示出一些重要的局限性。有时可视化会产生“惊喜”，其中最终的物理对象看起来与计算机呈现时不同。

许多商业上可用的建模和渲染工具都是为娱乐行业开发的，在娱乐行业，艺术技巧被用来说服观众屏幕上的图像是真实的。这些工具通常通过使用局部光反射的特殊模型，忽略环境中的全局光照效果来简化图像呈现过程。

多年来，可以使用更精确地模拟光反射和传输的高级呈现方法，但是这些方法只有在提高了最终物理构件的可视化保真度时才对设计社区有用。对于汽车等复杂物体的设计，形状感知是一个重要的问题，一个关键的问题是它是否先进

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copy;2004 ACM 1-58113-914-4/04/0008 $5.00

为了解决这个问题，我们进行了两个心理物理实验，在实验中，观察者将一个物体的渲染图像与真实物体的渲染图像进行比较，我们测试了他们是否能够用高级渲染图比标准渲染图更好地辨别形状。我们的主要目标是确定高级渲染方法是否允许设计师对他们的设计做出更准确的视觉评估。

本文分为以下几个部分。第二节调查这一领域的有关工作。第三部分描述了实验的总体设计以及产生视觉刺激的方法。第4节和第5节描述了实验本身，第6节分析了实验结果。第7节总结了从实验中可以得出的结论，第8节指出了今后的工作。

相关工作

感知物体的形状是视觉的核心功能之一(见Palmer99)。视觉系统使用许多信息源来完成这项任务，包括遮挡、透视、阴影、阴影、纹理、运动和视差。其中，表面阴影本身被认为是关于表面形状的度量信息的一个相对较弱的来源[Todd83, Erens93]。然而，也有人提出，阴影提供的非度量线索，结合其他线索，可以为形状感知和辨别提供强有力的信息[Todd89]。

在曲面上观察到的阴影模式不仅取决于它的形状，还取决于它的材料特性、周围环境和观察者的观点。由闪亮材料产生的推测似乎为形状感知提供了有用的信息[Norman95, Blake91]，尽管在一些限制条件下形状和材料属性可能会混淆[Ramachandran88]。视觉系统似乎也能够利用漫反射和光滑互反射提供的阴影模式来解决形状感知问题[Christou96, Norman04]。

来自阴影的形状的图形表示是一个重要的主题，已经研究了几个世纪[Kubovy86, Miller98]，在形状感知领域的许多现代研究都使用了阴影计算机图形图像。因此,令人惊讶的是,相对很少被注意的问题呈现的阴影方法如何影响形状知觉([Rodger00]是一个例外),直到最近,研究人员开始使用全局光照算法而不是标准的地方阴影方法的研究[Pellacini00、Madison01 Fleming03]。虽然这是一个很有前途的趋势，但据我们所知，还没有对全局算法和局部算法在形状感知方面进行直接比较。

比较真实的外观和呈现的对象也是一个主题,有着悠久的历史(Hagen80 Ellis91],和最近计算机图形学研究者已经开始进行研究,以验证效果图的忠诚对现实世界(Meyer86、Rushmeier95 McNamara00],然而这些研究关注反射率和照明

知觉本身，而不是这些阴影因素如何影响形状外观。因此，我们认为我们目前的研究对这一文献做出了独特的贡献。

实验设计

我们的实验需要两种视觉刺激:一个物理测试对象和它的渲染图像。这些刺激有两个驱动需求:图像必须忠实地表示物理模型，呈现模型的形状必须是系统可变的。在下面的部分中，我们将首先描述如何选择物理测试对象，然后讨论生成呈现图像的过程。

测试对象

由于这项工作的驱动应用程序是汽车设计，所以最明显的选择应该是使用真实的汽车作为测试对象。不幸的是，这是不可能的，不仅因为实验室空间有限，而且因为我们没有访问几何数据。

另一种可能是使用一个简单的通用形状，如一个扰动球体或超二次曲面。然而，这样的形状在几何上是抽象的，我们担心结果可能不适用于真实物体。此外，还会有一个问题，即制作一个物理模型来匹配几何模型。

我们选择了一种折衷方案:一种叫做青蛙的普通汽车形状。青蛙是一种玻璃纤维外壳，约2英尺长，用于汽车工业，作为评估不同漆面效果的参考形状。虽然它在形状上比真正的汽车简单得多，并且在大小上易于管理，但它体现了一些在真正的汽车上发现的复杂性，包括凸、凹和鞍形曲线。建立了基于实体青蛙三维扫描的数学模型，并用混叠法构造表面^reg; AutoStudiotrade;。

形状的变化

和决定基本形状一样重要的是定义将在实验中使用的形状变化。重要的是要保持物体轮廓不变，这样阴影的差异将是受试者用来区分变化的唯一线索。我们选择了身体一侧的一个区域，它显示出微妙但可见的曲率。我们创建了六种基本模型的变体，每一种都将表面向外移动。

Maximum variation

Base model

Approximate area of variation

图1:实验中使用的形状变化范围。

图1显示了变化集中的区域，并显示了七个不同表面的截面。图2显示了基本模型(形状0)、变化范围的中点(形状3)和最大变化(形状6)的效果图。

视图的变化

由于物体通常是从不同的角度观察的，我们也想确定视角的不同是否影响形状辨别。为了做到这一点，我们通过旋转模型从三个不同的角度呈现了每种形状的变化。图3显示了使用的三个透视图:左、中、右。中心视图名义上是与实验中使用的物理模型视图的投影匹配。

查看环境

为了直接比较物理模型和渲染图，我们不仅需要匹配测试对象本身，还要匹配它周围的环境，因为这决定了表面的光照和反射。环境必须是可实现的物理和数学模型。由于汽车通常是在户外观看的，我们构建了一个简单的户外场景。图4显示了物理设置。

我们建造了一个封闭的盒子(每边大约5英尺)，内部涂成蓝色，以模拟晴朗的天空。我们使用高分辨率纹理图像的瓷砖和砖块打印在一个大格式喷墨打印机上，从地板和墙壁自然反射。这个环境是有意设计的相当简单，因为每个细节都必须在渲染的物理世界中建模，但是它包含了足够的细节，使它看起来像一个真实的环境。

对环境最严重的限制来自于我们需要匹配物理环境和计算机显示器之间的亮度。阳光明媚的户外场景可以有一种动感

shape 0 (geometric match)

shape 3 (mid-range)

shape 6 (most extreme)

图2:实验中使用的形状变化范围。

left view

match (center) view

right view

图3:实验中使用的观点。

图4:实验设置(L)。

范围超过10,000:1，但传统显示器只能再现大约100:1的范围。为了解决这种不匹配，我们使用了完全间接照明，将亮度范围限制在我们的显示器(一台索尼GDM-W900 CRT)可以复制的范围内。作为一个额外的好处，这也模拟了“日出前的沙漠”的外观，受到汽车摄影师，插画家和设计师的青睐。

为了匹配物理环境和渲染图像之间的颜色，我们使用了两个高显色指数和5000K相关色温的标准荧光条灯，并将显示器切换到5000K白点。荧光灯是可调光的，这样我们就可以在视觉上把物理环境的亮度和显示器的亮度匹配起来。

我们想让受试者以相同的尺寸和角度观看物理模型和效果图，所以我们把环境和显示器放在桌面上，让受试者通过两个相同的光圈观看物理模型和计算机显示。图5显示了所涉及的原则和主题所看到的视图。图像的明显倾斜是由照片的广角引起的射影畸变。两个孔都是直立的。

渲染方法

为了制作全局光照渲染图，我们使用了基于大都市方法的室内研究软件[Veach97]。用Ward光反射模型模拟反射率[Ward92]，将其与用于青蛙物理模型的相同涂料样品的反射率测量值进行拟合。每个图像以1600x900像素和24位呈现。

我们制作了相应的OpenGL渲染图进行对比，使用了尽可能匹配环境和表面光洁度的光照和阴影参数。利用深度图阴影法计算阴影，利用环境图进行反射。

生成的图像

图6a和图6b显示了本实验中使用的两种计算机渲染。图6a是一个OpenGL呈现，表示许多设计包中可用的呈现质量。图6b显示了使用全局光照和精确反射模型呈现的相同几何形状。图6c显示了物理模型的照片。

实验

我们试图通过实验来回答的问题是

与OpenGL提供的标准绘制方法相比，先进的计算机图形绘制技术(如全局光照)是否允许更准确地识别形状差异。我们还对另外一个因素——视角——如何影响我们辨别形状的能力感兴趣。为了解决这些问题，我们设计了以下几节的实验和统计分析。

刺激

physical model

monitor image

图5:查看几何图形:物理模型，监视器图像。

实验的刺激由六组计算机生成的目标图像组成，如图1所示。集合由所有呈现方法(Open GL、全局光照)和视角(左、右、匹配)的组合来定义。每个渲染/视图集由7张图像序列组成，显示了物理青蛙模型形状的渐进变化。图2为每个序列的形状变化范围，其中形状0与物理模型的几何匹配，而形状6的几何差异最大。图3显示了使用的三个视图(左、右、右)。匹配视图是与实验设置中受试者对物理模型的视图的投影匹配。

排名研究

在主要实验之前，我们进行了排名研究。我们的目标是双重的。首先，我们想让受试者熟悉我们使用的图像的字符和范围。其次，我们想确认我们选择了一个合适的形状变化范围进行研究。

过程

受试者坐在表的前面，如图7所示。在每一次试验中，他们都会得到六组渲染/视图图像中的一组。表的顶部是模型的 “标准”图像(形状0，全局光照渲染，匹配视图)。

a) OpenGL rendering

b) global illumination rendering

c) photograph of physical model

图6:实验中使用的效果图(a,b)和实物模型的照片(c)作为参考。

图7:学习过程的排序(上)在前，下(下)在后。

最初，图像以随机堆的形式呈现，如图7顶部所示。受试者的任务是将图像按照与标准相似度的顺序排列(如图7底部所示)，对每个图像集使用相同的步骤，各图像集的呈现顺序是随机的。

10名受试者参与了这项研究。实验对象为康奈尔大学计算机图形学专业的教职工和研究生，对实验的目的和设计都比较幼稚。然而，他们都有观看图像和辨别图像差异的显著经验，所以他们的表现可能是最具代表性的专业人群。

结果和分析

10

open GL, lef t open GL, match open GL, right glob illum, lef t glob illum, match glob illum, right

9

8

number misranked

7

6

5

4

3.

2

1

0

0 1 2 3. 4 5 6

形状

• • • 首先，研究证实，我们使用的形状变化范围是充分的，形状差异确实是可见的。
    • 其次，对于较小的形状变化，通常有更多的错误排名，这一事实表明，这些差异接近于形状识别的阈值，这可能是设计过程中感兴趣的区域。
    • 最后，不同呈现/视图组合的排序性能差异表明，这些参数实际上影响用于判断形状的可视信息，因此这些是需要研究的适当变量。

虽然这项研究的结果只是初步的，但他们给我们信心，我们使用的刺激和方法是适合于更多的

资料编号：[5239]