Creation of 3D graphical content becomes ever harder, as both display capabilities and the demand for complex 3D content increase. In this thesis, we present a method of using densely scanned surface data from physical objects in interactive animation systems. By using a layered approach, incorporating skeletal animation and displacement mapping, we can realistically animate complex datasets with a minimum of manual intervention. We propose a method using three layers; firstly, an articulated skeleton layer provides simple motion control of the object. Secondly, a low-polygon control layer, based on the scanned surface, is mapped to this skeleton, and animated using a novel geometric skeletal animation method. Finally, the densely sampled surface mesh is mapped to this control layer using a normal volume mapping, forming the detail layer of the system. This mapping allows animation of the dense mesh data based on deformation of the control layer beneath. The complete layered animation chain allows an animator to perform interactive animation using the control layer, the results of which can then be used to automatically animate a highly detailed surface for final rendering. We also propose an extension to this method, in which the detail layer is replaced by a displacement map defined over the control layer. This enables dynamic level of detail rendering, allowing realtime rendering of the dense data, or an approximation thereof. This representation also supports such applications as simple surface editing and compression of surface data. We describe a novel displacement map creation technique based on normal volume mapping, and analyse the performance and accuracy of this method.

We demonstrate a novel method for producing a synthetic talking head. The method is based on earlier work in which the behaviour of a synthetic individual is generated by reference to a probabilistic model of interactive beha viour within the visual domain - such models are learnt automatically from typical interactions. We extend this work in to a combined visual and auditory domain and employ a state-of-the-art facial appearance model. The result is a real-time synthetic talking head that responds appropriately and with correct timing to simple forms of greeting with variations in facial expression and intonation.

The late twentieth century saw the emergence of new artistic mediums derived from the burgeoning electronic digital technologies. Many visual artists, excited by these technologies, have embraced and integrated these new artistic mediums with those of tradition, while few have recognised the arrival of a new and unique visual language. A growing minority of these visual artists became aware of the limitations imposed by mass produced commercial software with its trend to emulate the traditional mediums. Driven by these software limitations, these artists decided to take control of the medium and create their own software. This research was motivated by the author's desire to extend his ideas, fundamental to his painting and printmaking practices, into the new medium of 3D computer imaging exploring its unique visual language. To accomplish this goal the author has developed and written an interactive software application program for the representation of 3D free form surfaces by contours and employing optically mixed colour by averaging. The use of lines of contour to depict 3D surfaces has a centuries-old tradition, particularly in the printmaking method of line engraving. The surface contour, little understood until the late twentieth century, is one of our most important visual perception depth cues for 3D surface comprehension. Although employed less by painters, some artists have combined the surface contour with techniques of optical colour mixing achieved by juxtaposing narrow lines of colour modelling the surface of objects. The developed interactive software program used a novel contouring upon the surface of virtual 3D objects. The object's colour is intrinsic to the structure of this surface contour and is achieved through an innovative system comprising the juxtaposition of narrow coloured lines (CMYK) which then produce optical colour mixtures by averaging. From a selected view of the colour contoured 3D composition, 2D images of each CMYK colour layer are rendered to file from which positive images are printed for the production of fine art screen-prints. The unique structure of these colour 'separation' positives allows them to be manually edited by the artist printmaker prior to the printing process.

This research set out to understand the role of design in Virtual Reality (VR) interfaces. The hypothesis was that: Virtual Reality is an emerging medium and does not currently fulfil its full design potential as a medium for communication. Existing research and practice in VR is dominated by Human-Computer Interface (HCI) developers and typically lacks a design approach. The result of this is that many VR projects are developed to mirror reality (mimesis) without considering the potential for the medium to portray ideas in novel or user-led ways. Many designers working in this field take an empirical approach without reference to guidelines or theory, relying on previous experience with other media. The proposition of this research was that there may be more value in a theoretical and holistic approach that combines knowledge from different disciplines to reveal new insights. The research therefore used a qualitative approach to understand the contribution designers, and the design process, could make to this subject. Information was gathered through a two stage series of case studies and semi-structured expert interviews. This research documented in detail a design approach to the development of VR undertaken at BT and in design consultancy. In particular, the investigation looked at the design characteristics of state-of-the-art Virtual Reality projects, highlighting the different attributes (virtues and constraints) of the Virtual Reality medium. These virtues were found to be: interactive, fun and intuitive, illustrates relationships, spatial arrangement of data, navigation and landmarks, use of scale, multiple viewpoints and visualisation of complex information. The constraints were found particularly to affect representational issues (choice of sign) and technological determinism. Although technological determinism was not found to play a significant role, it did impact on the presentation of ideas due to inconsistent interfaces and poorly designed VR software tools. However, the research concluded that.until sufficient examples of practice broaden the subject matter, the generalisation of virtues and constraints of VR offers limited insight beyond the immediate context. In order to improve the practice of VR design, a strategic approach was felt to be necessary to align VR projects to users' communication needs. The primary output of this research has been the mapping of the relationship between the more widely employed iconic (mimetic) interface and the symbolic (abstract) interface in relation to different dimensionality (2D/3D/VR). This matrix was formulated from issues identified in the literature review and refined through expert panels relating to communication theories. The framework demonstrates different representations, virtues and constraints, as well as the relationship between different media types. The benefit of this framework is that it links communication theory with the pragmatics of the designer, thereby integrating broader communication concepts through a visual mapping process. This integration of theory and practice was critical to testing the model with real examples, as well as to presenting the findings to design practitioners. Additionally, this matrix provides a framework to identify future design opportunities. A further output of the research has been the development of two models to illustrate alternative approaches to the design of VR environments by understanding the process of deconstruction and construction of signs. One outcome of the case studies was the discovery that the design approach undertaken at BT allowed the development of representations which were not merely transposed to VR but rather designed for the purpose and for users. It was recommended that for the design of Virtual Environments, signs be deconstructed and transformed to enable creative solutions to be developed.

Η απεικόνιση και συμπίεση χωρικών δεδομένων έχει γίνει ένα θέμα έμφασης και προσοχής για τον τομέα των computer graphics και για εφαρμογές επεξεργασίας εικόνας. Τα quadtrees, σαν μία από τις ιεραρχικές δομές δεδομένων, βασιζόμενα στην αρχή του επαναλαμβανόμενου διαχωρισμού του χώρου, προσφέρουν πάντα μία συμπαγή και αποτελεσματική αντιπροσώπευση μίας εικόνας. Ο σκοπός αυτής της εργασίας είναι η ανάλυση του αλγορίθμου quadtree, και η σχεδίαση του αλγορίθμου με γλώσσα VHDL. Αναλύεται η μηχανή καταστάσεων και το datapath του υπό ανάπτυξη κυκλώματος. Επίσης παρουσιάζονται κυματομορφές των σημάτων της κάθε κατάστασης από την προσομοίωση που έγινε στο Modelsim. Για την επιβεβαίωση της λειτουργίας του κυκλώματος, έγινε σύνθεση του κυκλώματος με τη βοήθεια του προγράμματος ISE της Xilinx. Όσον αφορά την υλοποίηση, χρησιμοποιήθηκε το board της Xilinx Virtex-5 FPGA ML 507 και εξομοίωση λειτουργίας για εικόνα μεγέθους 64x64. Στο Παράρτημα παρουσιάζονται ο κώδικας Matlab της συνάρτησης qtdecomp που χρησιμοποιήθηκε για την κατανόηση του αλγόριθμου quadtree και καθώς και ο κώδικας Matlab που δημιουργήθηκε για να επαληθεύσει τα αποτελέσματα της προσομοίωσης με Modelsim. / Compression of spatial data has become a matter of emphasis and attention in the field of computer graphics and image processing applications. The quadtrees, as one of the hierarchical data structures, applies the principle of repetitive decomposition of space and offers a compact and efficient representation of an image. The purpose of this paper is to analyze the algorithm quadtree, and to design the algorithm with the language VHDL. In this paper the state machine is analyzed as well as the datapath of the circuit. Furthermore the waveforms of the control signals for each state are presented from the simulation done in the Modelsim environment. A confirmation of the operation of the circuit took also place.The circuit was composed with the help of the ISE of Xilinx. Regarding the implementation, the board of Xilinx Virtex-5 FPGA ML 507 is used and the emulation is done for a picture sized 64x64. The Annex outlines code of the MATLAB function qtdecomp used for understanding the quadtree algorithm and the Matlab code created to verify the simulation results of Modelsim.

Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας θα ασχοληθούμε με παθητικές μεθόδους τρισδιάσατης ανακατασκευής του χώρου και συγκεκριμένα με την επεξεργασία δεδομένων εικόνων που λαμβάνονται από μια φωτογραφική μηχανή. / In this paper we will analyse pathetic methods of 3D reconstruction and especially data proccess of pictures received from a digital camera.

Το παρών έγγραφο παρουσιάζει μεθόδους για την τρισδιάστατη αναδημιουργία μιας άκαμπτης σκηνής ή αντικειμένου από δυο εικόνες. Δυο εικόνες μιας σκηνής σχετίζονται με την επιπολική γεωμετρία, η οποία μπορεί να περιγραφεί από μια 3x3 μήτρα η οποία καλείται θεμελιώδης μήτρα. Αρχικά, περιγράφεται ένας αλγόριθμος για την εύρεση αντιστοιχιών σημείων στις δυο εικόνες και στη συνέχεια μέθοδοι για την εκτίμηση της θεμελιώδους μήτρας από τις αντιστοιχίες αυτές. Μια προβολική αναδημιουργία της σκηνής λαμβάνεται από τη θεμελιώδη μήτρα, η οποία στην συνέχεια μπορεί να αναβαθμιστεί σε μια συσχετισμένη και τέλος σε μια μετρική αναδημιουργία χρησιμοποιώντας πρόσθετες πληροφορίες από την σκηνή. Επιπλέον, παρουσιάζεται μια εναλλακτική προσέγγιση, στην οποία εφαρμόζουμε μια μέθοδο αυτοβαθμονόμησης των καμερών από τις οποίες λήφθησαν οι εικόνες χωρίς τη χρήση ενός ειδικού αντικειμένου βαθμονόμησης και χωρίς καμία υπόθεση όσον αφορά τις παραμέτρους τους. Έπειτα, λαμβάνεται μια μετρική αναδημιουργία, η οποία στις περισότερες εφαρμογές είναι το ζητούμενο, μέσω της ουσιώδους μήτρας που είναι η αντίστοιχη της θεμελιώδους στην περίπτωση όπου οι εσωτερικές παράμετροι των καμερών είναι γνωστές. Τέλος, περιγράφονται διάφορες μέθοδοι με τις οποίες μπορούμε να υπολογίσουμε τη δομή της σκηνής, που αποτελεί το τελικό στάδιο της αναδημιουργίας. Σημειώνουμε ότι μεγαλύτερη έμφαση έχει δοθεί σε μεθόδους οι οποίες είναι ανθεκτικές στο θόρυβο, δεδομένης της παρουσίας του κατά τη λήψη των εικόνων, ώστε η λαμβανόμενη αναδημιουργία να είναι αξιόπιστη και ικανοποιητικής ακρίβειας. / This paper describes methods for the 3d reconstruction of a scene from two images. The epipolic geometry of two images can be described by a 3x3 matric, called the funtamental matrix. Firstly, an algorithm is described that finds corresponding points in thw two images and then thiw corresponding points are used for the estimation of the funtamemtal matrix. A prolective reconstruction of a scene is obtained from the funtamental matrix. This reconstruction will then be upgraided to an affine one, and finally to a metric, using additional information from the scene. Finally, we describe a number of methods for the triangulation of the scene. We denote that because of the noise in the data, we have emphasise at robust methods

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει θέμα την τρισδιάστατη μοντελοποίηση του νέου λιμανιού της Πάτρας σε λογισμικό Simio και την προσομοίωση της χερσαίας και θαλάσσιας κίνησης σε αυτό. Το λογισμικό Simio είναι ένα πρωτότυπο πρόγραμμα προσομοίωσης με γραφικά ανώτερου επιπέδου, που οδηγούν σε πιστή σχεδίαση του εκάστοτε συστήματος, και επιπλέον μέσω της σύγχρονης τεχνολογίας του επιτυγχάνεται η λειτουργία της προσομοίωσης σε πραγματικό χρόνο. Η προσομοίωση γίνεται σε τρισδιάστατο περιβάλλον και ο τρόπος λειτουργίας του λογισμικού είναι αντικειμενοστραφής. Με τη βοήθεια των απαραίτητων σχεδίων σε AutoCAD που παραχωρήθηκαν από τις αρμόδιες υπηρεσίες του λιμανιού, σχεδιάστηκε ο εξωτερικός χώρος του νέου λιμανιού της Πάτρας και πάνω σε αυτό προγραμματίστηκε η προσομοίωση της κίνησης των οχημάτων και των πλοίων, καθώς και των ανθρώπινων δραστηριοτήτων που πραγματοποιούνται καθημερινά σε αυτό. Ο προγραμματισμός των λειτουργιών του προσομοιωμένου συστήματος δεν απαιτεί κάποια εκ των προτέρων γνώση μίας γλώσσας προγραμματισμού αλλά επιτυγχάνεται μέσω της δημιουργίας διαγραμμάτων ροής, μαθηματικών συναρτήσεων, εμπειρικών κανόνων και ορισμού των ιδιοτήτων του κάθε αντικειμένου που εισάγεται. Κατ’ αυτόν τρόπο, δημιουργήθηκε ένα μοντέλο προσομοίωσης του νέου λιμανιού της Πάτρας όπου περιγράφεται η κίνηση των πλοίων η οποία βασίζεται στο πρόγραμμα δρομολογίων του έτους 2012. Σκοπός της προσομοίωσης του νέου λιμανιού είναι η δυνατότητα που παρέχει στον χρήστη να αναζητήσει αποτελεσματικότερη λειτουργία αυτού, να μελετήσει μεταβολές στη λειτουργία του πριν την εφαρμογή τους και γενικά να δοκιμάσει διάφορα σενάρια λειτουργίας του. / This thesia deals with the three-dimensional modeling of the new port of Patras in Simio software. Simio software is a simulation prototype program with superior 3d graphics, achieving true design of each system, and also through its modern technology leads to a real-time simulation mode. With the help of the architectural designs in AutoCAD granted by the competent authorities of the port, the exterior of the new port of Patras is designed in three-dimensional environment and on this, a simulation of the movement of vehicles, ships and human activities is programmed. Programming does not require any advance knowledge of a programming language but it is achieved through creating flowcharts, mathematical functions, empirical rules and defining the properties of each object being imported. The purpose of the simulation of the new port of Patras is the possibility offered to search more efficient operations, to study changes before implementing them and generally to try various operation scenarios.

Η εργασία αυτή πραγματοποιήθηκε σε αποκλειστική συνεργασία του φοιτητή Αθανάσιου Μιχαήλ και του επίκουρου καθηγητή Ευάγγελου Δερματά του πανεπιστημίου Πατρών. Το θέμα αποφασίστηκε από κοινού των προαναφερόμενων προσώπων, στα πλαίσια των προπτυχιακών σπουδών του φοιτητή. Οι λόγοι που οδήγησαν σε αυτό είναι πολλοί. Όχι μόνο η ραγδαία αύξηση των ψυχαγωγικών εφαρμογών που χρησιμοποιούν τρισδιάστατες τεχνικές αλλά και η απόκτηση όλο και μεγαλύτερης σημασίας σε επιστημονικούς τομείς όπως της ιατρικής κίνησαν το ενδιαφέρον του φοιτητή. Επίσης, πρόσφατες χρήσεις σε υποβοηθητικά συστήματα οδηγών όπως στερεοσκοπικές ή κάμερες κοντινού εύρους αλλά και σε βιομηχανικές εφαρμογές με ρομπότ, καθιστούν γενικότερα τον τομέα υπολογιστικής όρασης ιδιαίτερα σπουδαίο. Πολλά προβλήματα απεικόνισης και προσανατολισμού στο χώρο μπορούν να λυθούν με μια χωρική αντίληψη από τον άνθρωπο. Για την αναπαράσταση στις τρεις διαστάσεις θα βασιστούμε στην παθητική στερεοσκόπιση και τη βαθμωτή δομή από κίνηση με Multi-View-Stereo. Στην υπολογιστική όραση η 3D ανακατασκευή είναι η διαδικασία της σύλληψης του σχήματος και της εμφάνισης πραγματικών αντικειμένων. Θα παρουσιαστούν οι διάφορες μέθοδοι εκτίμησης βάθους (ανάκτησης τρίτης διάστασης από δισδιάστατη ψηφιακή εικόνα). Θα δοθεί έμφαση στο γεωμετρικό υπόβαθρο και η παραπομπή σε αρκετές σημαντικές εργασίες όπου αυτό κρίνεται αναγκαίο. Θα αναφερθούμε τόσο στην μοντελοποίηση της κάμερας όσο και στην βαθμονόμησή της, βήμα απαραίτητο για μια ρεαλιστική αναπαράσταση. Στη συνέχεια περνάμε στην ψηφιακή επεξεργασία των εικόνων και την ανάδειξη σημείων ενδιαφέροντος επί αυτών. Ύστερα εξηγούνται οι βασικές αρχές τις επιπολικής γεωμετρίας κι έπειτα δίνεται βαρύτητα στη σθεναρότητα μεθόδων εκτίμησης. Παρουσιάζεται η διόρθωση των εικόνων με αντιπροσωπευτικά πειραματικά αποτελέσματα και τελικά φτάνουμε στην αραιή και πυκνή ανακατασκευή στις τρεις διαστάσεις. Κατά τη διάρκεια διεκπεραίωσης της εργασίας αφιερώθηκε αρκετός χρόνος για το θεωρητικό της μέρος, ώστε ο αναγνώστης να μπορέσει να κατανοήσει εύκολα τις βασικές αρχές και τα βασικά στάδια αναπαράστασης ενός τρισδιάστατου χώρου. Ταυτόχρονα απεικονίζονται γραφικά αποτελέσματα που τεκμηριώνουν τη θεωρία ή οδηγούν σε χρήσιμα συμπεράσματα. / The current thesis has been written in an exclusive collaboration of the student Athanasios Michail and Assistant Professor Evangelos Dermatas of the University of Patras. The subject was decided jointly by the above persons in the context of the undergraduate study. There are many reasons for this decision. Not only the rapidly growth of entertainment applications using three-dimensional techniques but also the acquisition of more and more importance in the science sector, such as medicine, caught the student´s attention. Also, recent usages in Driver Assistance Systems like Stereoscopic or Near Range Cameras and industrial applications with robots, make the general sector of Computer Vision particularly important. Many specific depiction and spatial orientation problems can be solved by the spatial perception by humans. For the representation in three dimensions we will rely on stereoscopic vision and structure from motion in combination with Multi-View-Stereo. In Computer Vision the 3D reconstruction means a process of capturing the shape and appearance of real objects. We will present the various depth estimation methods (third dimension recovery from two-dimensional digital image). Emphasis will be placed at the geometric background and it will be referred to several important works where necessary. Both modeling of a camera and its calibration are mentioned. This is a necessary step for a realistic representation. Then we introduct digital image processing, highlighting the points of interest at captured frames. As a next step, we explain the basic principles of epipolar geometry and emphasize on the robust estimation methods. After we present the chapter of image rectification, we finally reach the dense reconstruction in three dimensions. A lot of time was spent to the theoretical part during this work, so that the reader can easily understand the basic principles and key stages of the representation of three-dimensional space. Simultaneously to this, graphed results are illustrated. They can substantiate the theory or lead to useful conclusions.

Σήμερα υπάρχουν πολυάριθμα εργαλεία για την κατασκευή και παραμετροποίηση τρισδιάστατων μοντέλων με το καθένα από αυτά να χρησιμοποιεί το δικό του πρωτόκολλο περιγραφής της τρισδιάστατης πληροφορίας που αποθηκεύει και επεξεργάζεται. Εντούτοις δεν είναι λίγες η φορές που απαιτείται η μεταφορά περιεχομένου απο το ένα εργαλείο στο άλλο. Το παραπάνω οδήγησε στην ανάγκη δημιουργίας κοινώς αποδεκτών πρωτοκόλλων περιγραφής της τρισδιάστατης πληροφορίας για την διευκόλυνση της διαχείρισής της. Απο τα πρωτόκολλα αυτά, το COLLADA φαίνεται να επικρατεί λόγω του οτι είναι ανοιχτό, επεκτάσιμο και ευρέως διαδεδομένο. Στην παρούσα εργασία γίνεται παρουσίαση αυτού και δίνεται έμφαση στους λόγους που οδηγούν στην ολοένα και ταχύτερη ανάπτυξή του και στις τελευταίες λειτουργείες που έχουν προστεθεί. Στη συνέχεια, με βάση το πρωτοκολλο αυτό, υλοποιείται μια πιλοτική εφαρμογή για την απεικόνιση και την αλληλεπίδραση με τρισδιάτατα αντικείμενα, χρησιμοποιώντας σύγχρονες τεχνικές και τεχνολογίες για διαδικτυακή παρουσίαση τρισδιάστατου περιεχομένου. Η εφαρμογή αυτή στοχεύει σε φυλλομετρητές προσωπικών υπολογιστών, ενδέχεται ωστόσο να επεκταθεί ώστε να είναι δυνατή η χρήση της ακόμα και από φυλλομετρητές τελευταίας τεχνολογίας κινητών τηλεφώνων (iPhone). Τα συμπεράσματα που θα προκύψουν από την χρήση της εφαρμογής αυτής ενδέχεται να οδηγήσουν στην δημιουργία ενός μετέπειτα ολοκληρωμένου προϊόντος. / Today there are numerous tools for the construction and configuration of three-dimensional models, each of them uses its own protocol describes the three-dimensional information stored and processed. However, there are few times when the need to transfer content from one tool to another. The above led to the need for commonly accepted protocol describes the three-dimensional information to facilitate management. Of these protocols, the COLLADA seems to prevail because it is open, scalable and ubiquitous. In the present study it and focus on the reasons leading to ever more rapid development in recent operations that have been added. Then, based on this protocol, implemented a pilot application to display and interact with trisdiatata items using modern techniques and technologies for web-dimensional presentation of content. This application is targeted at PC browsers, but may be extended to allow the use of browsers and even the art mobile phones (iPhone). The conclusions arising from the use of this application may result in the creation of a finished product later.