Regularized Optimization Methods for Reconstruction and Modeling in Computer Graphics

Wenger, Stephan

Das Feld der Computergraphik beschäftigt sich mit virtuellen Abbildern der realen Welt. Diese können erlangt werden durch Rekonstruktion eines Modells aus Messdaten, oder durch direkte Modellierung eines virtuellen Objekts, oft nach einem realen Vorbild. Ersteres wird oft als regularisiertes Optimierungsproblem dargestellt, in dem ein Datenterm die Konsistenz zwischen Modell und Daten sicherstellt, während ein Regularisierungsterm Lösungen fördert, die eine hohe A-priori-Wahrscheinlichkeit aufweisen. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass verschiedene Rekonstruktionsprobleme der Computergraphik Instanzen einer gemeinsamen Klasse von Optimierungsproblemen sind, die mit einem einheitlichen algorithmischen Framework gelöst werden können. Darüber hinaus wird gezeigt, dass vergleichbare Optimierungsverfahren auch genutzt werden können, um Probleme der datenbasierten Modellierung zu lösen, bei denen die aus Messungen verfügbaren Daten nicht für eine genaue Rekonstruktion ausreichen. Als praxisrelevante Beispiele für Rekonstruktionsprobleme werden Sparsity- und Group-Sparsity-Methoden für die radiointerferometrische Bildrekonstruktion im statischen und zeitabhängigen Fall vorgestellt. Als Beispiel für Modellierung werden analoge Verfahren untersucht, um basierend auf Symmetrieannahmen automatisch volumetrische Modelle astronomischer Nebel aus Einzelbildern zu erzeugen.

The field of computer graphics deals with virtual representations of the real world. These can be obtained either through reconstruction of a model from measurements, or by directly modeling a virtual object, often on a real-world example. The former is often formalized as a regularized optimization problem, in which a data term ensures consistency between model and data and a regularization term promotes solutions that have high a priori probability. In this dissertation, different reconstruction problems in computer graphics are shown to be instances of a common class of optimization problems which can be solved using a uniform algorithmic framework. Moreover, it is shown that similar optimization methods can also be used to solve data-based modeling problems, where the amount of information that can be obtained from measurements is insufficient for accurate reconstruction. As real-world examples of reconstruction problems, sparsity and group sparsity methods are presented for radio interferometric image reconstruction in static and time-dependent settings. As a modeling example, analogous approaches are investigated to automatically create volumetric models of astronomical nebulae from single images based on symmetry assumptions.

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Wenger, Stephan: Regularized Optimization Methods for Reconstruction and Modeling in Computer Graphics. 2014.

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