On the Appearance of Translucent Objects: Perception and Assessment by Human Observers

Abstract

Appearance characterizes visual features of objects and materials. It is a multiplex psychovisual phenomenon that is usually broken into several appearance attributes for simplification of its measurement and communication, and for studying its nature. Color, texture, gloss, and translucency are considered the major appearance attributes. Significant research work has been done in metrology for accurate instrumental measurement of optical properties of materials, and considerable advances have been made in computer graphics, permitting the generation of highly photorealistic visual stimuli. Nevertheless, the knowledge remains limited on how humans perceive appearance, how we behave to assess appearance, what factors impact our perception, how different attributes interact with each other, and all in all how optical properties relate with their perceptual counterparts. In this thesis, we explore various aspects of appearance perception with a focus on the appearance of translucent objects. For this purpose, we conducted a series of social and psychophysical experiments with real and synthetic visual stimuli. Elucidating appearance perception of translucent objects has implications for industrial, academic and artistic applications alike. In the initial stage of the study, we organized a social experiment in order to collect qualitative observations on the process of appearance assessment, construct a qualitative model of material appearance and generate relevant research hypotheses. The hypotheses have been analyzed in context of the state-of-the-art. Afterwards, we tested the most interesting hypotheses quantitatively, in order to assess their generalization prospects. The experimental results have provided indications in support of the hypotheses. We have observed that translucency of an object impacts perception of glossiness, while detection of translucency difference depends on geometric thickness of the objects and optical thickness of the materials they are made of. Additionally, we examined a potential role of several cues in translucency perception that are present in the image detected by either a camera or a human observer. We found that blurriness of the image and the presence of caustics can impact apparent translucency. Finally, we conducted a comprehensive survey on translucency perception, advancing the state-of-the-art with our findings, and outlining unanswered questions for future research.

Sammendrag Utseende karakteriserer visuelle egenskaper ved gjenstander og materialer. Det er et mangfoldig psykovisuelt fenomen som vanligvis blir brutt ned til flere utseendeattributter, for å forenkle dets måling og kommunikasjon, og studering av dets natur. Farge, tekstur, glans og gjennomskinnelighet anses som de viktigste utseendeattributtene. Det er gjort betydelig forskningsarbeid innen metrologi for nøyaktig instrumentell måling av materialers optiske egenskaper, og betydelige fremskritt innen datagrafikk som tillater generering av meget fotorealistiske visuelle stimuli. Likevel er kunnskapen fortsatt begrenset om hvordan mennesker oppfatter utseende, hvordan vi oppfører oss for å vurdere utseende, hvilke faktorer som påvirker vår oppfatning, hvordan forskjellige attributter innvirker på hverandre, og alt i alt hvordan optiske egenskaper relateres til deres perseptuelle motstykker. I denne avhandlingen utforsker vi ulike persepsjonsaspekter med fokus på utseendet til gjennomskinnelige objekter. For dette formålet gjennomførte vi en serie sosiale og psykofysiske eksperimenter med ekte og syntetiske visuelle stimuli. Kunnskap om uteseende til gjennomskinnelige gjenstander har implikasjoner for både industrielle, akademiske og kunstneriske anvendelser. I den innledende fasen av studien gjennomførte vi et sosialt eksperiment for å samle kvalitative observasjoner om prosessen med utseendevurdering, konstruere en kvalitativ modell for materialutseende og frembringe relevante forskningshypoteser. Hypotesene er analysert i sammenheng med kunnskapsfronten. Etterpå testet vi de mest interessante hypotesene kvantitativt, for å vurdere deres muligheter for generalisering. De eksperimentelle resultatene har gitt indikasjoner til støtte for hypotesene. Vi har observert at et objekts gjennomskinnelighet påvirker oppfatningen av glans, mens deteksjon av gjennomskinnelighetsforskjeller avhenger av gjenstandenes geometriske tykkelse og materialene de er laget av sin optiske tetthet. I tillegg har vi undersøkt rollen til flere potensielle perseptuelle indikatorer for gjennomskinnelighet, som kan finnes i bilder som er registrert enten av et kamera eller av en menneskelig observator. Vi har funnet at bildeuskarphet og kaustikk kan påvirke oppfattelsen av gjennomskinnelighet. Til slutt gjennomførte vi en omfattende undersøkelse om perseptuell gjennomskinnelighet, oppdaterte kunnskapsfronten med våre funn, og skisserte ubesvarte spørsmål for fremtidig forskning.