Photorealistic models for pupil light reflex and iridal pattern deformation

Abstract

Este trabalho introduz um modelo fisiológico para o reflexo pupilar em função das condições de iluminação (Pupil Light Reflex - PLR), e um modelo baseado em imagem para deformação dos padrões da íris. O modelo para PLR expressa o diâmetro da pupila ao longo do tempo e em função da iluminação ambiental, sendo descrito por uma equação diferencial com atraso, adaptando naturalmente o tamanho da pupila a mudanças bruscas de iluminação. Como os parâmetros do nosso modelo são derivados a partir de modelos baseados em experimentos científicos, ele simula corretamente o comportamento da pupila humana para um indivíduo médio. O modelo é então estendido para dar suporte a diferenças individuais e a hippus, além de utilizar modelos para latência e velocidade de dilatação e contração. Outra contribuição deste trabalho é um modelo para deformação realista dos padrões da íris em função da contração e dilatação da pupila. Após capturar várias imagens de íris de diversos voluntários durante diferentes estágios de dilatação, as trajetórias das estruturas das íris foram mapeadas e foi identificado um comportamento médio para as mesmas. Demonstramos a eficácia e qualidade dos resultados obtidos, comparando-os com fotografias e vídeos capturados de íris reais. Os modelos aqui apresentados produzem efeitos foto-realistas e podem ser utilizados para produzir animações preditivas da pupila e da íris em tempo real, na presença de variações na iluminação. Combinados, os dois modelos permitem elevar a qualidade de animações faciais, mais especificamente, animações da íris humana.

This thesis introduces a physiologically-based model for pupil light reflex (PLR) and an image-based model for iridal pattern deformation. The PLR model expresses the pupil diameter as a function of the environment lighting, naturally adapting the pupil diameter even to abrupt changes in light conditions. Since the parameters of the PLR model were derived from measured data, it correctly simulates the actual behavior of the human pupil. The model is extended to include latency, constriction and dilation velocities, individual differences and some constrained random noise to model hippus. The predictability and quality of the simulations were validated through comparisons of modeled results against measured data derived from experiments also described in this work. Another contribution is a model for realist deformation of the iris pattern as a function of pupil dilation and constriction. The salient features of the iris are tracked in photographs, taken from several volunteers during an induced pupil-dilation process, and an average behavior of the iridal features is defined. The effectiveness and quality of the results are demonstrated by comparing the renderings produced by the models with photographs and videos captured from real irises. The resulting models produce high-fidelity appearance effects and can be used to produce real-time predictive animations of the pupil and iris under variable lighting conditions. Combined, the proposed models can bring facial animation to new photorealistic standards.