Wahrnehmungsgesteuerte Gestaltung für Herstellungsprozesse

Wäre es nicht erstaunlich, das tatsächliche Aussehen eines Objekts spiegeln zu können? Wir könnten ansprechende Produkte erschaffen, kulturelles Erbe bewahren oder Prothesen erzeugen, die von echten Körperteilen nicht zu unterscheiden sind. Eine der Möglichkeiten, solche Objekte herzustellen, ist der 3D-Druck. 3D-Drucker sind gut darin, komplexe Formen zu reproduzieren, einige können sogar mit schon mehreren Farben drucken. Doch leider funktioniert die genaue Wiedergabe von Farbton, Sättigung und Glanz noch nicht besonders gut. Die größte Hürde beim Drucken von Objekten mit einem gewünschten Aussehen besteht darin, wie wir schließlich das Aussehen des Objekts bewerten. Wir können einzelne Attribute eines Objekts messen entweder die Form, die Farbe oder den Glanz. Wenn wir jedoch ein Objekt ansehen, betrachten wir diese Attribute nicht separat sondern wir nehmen das gesamte Objekt auf einmal wahr und Form, Farbe und Glanz verbinden sich zu einem einzigen Gefühl dafür. Derzeit ist nicht bekannt, wie diese Verbindung erfolgt und wie einzelne Attribute zusammenspielen. Daher ist das Hauptziel dieses Projekts zu untersuchen, wie Menschen einen Unterschied im Aussehen wahrnehmen. Um zu verstehen, wie wir das Aussehen von Objekten sehen, schlagen wir einen Workflow vor, der von der menschlichen Wahrnehmung gesteuert wird. Zu Beginn werden wir untersuchen, wie Menschen das Aussehen eines Objekts interpretieren. Dafür, müssen wir repräsentative Objekte mit unterschiedlichen Formen, Farben und Glanzgraden erstellen. Danach werden wir Personen einladen, die die Objekte untersuchen und uns mitteilen, wie groß der Unterschied im Aussehen der Objekte ist. Wir sammeln diese Informationen und verwenden sie um ein numerisches Modell zu erstellen, das das Aussehen eines Objekts quantifiziert. Ein solches Modell wird zwei Objekte begutachten und uns den sichtbaren Unterschied zwischen den beiden als Zahl mitteilen. Je größer die Zahl ist, desto unterschiedlicher die zwei Objekte. Wir können unser Modell dann direkt verwenden, um das Aussehen von Objekten zu verbessern. Je nach gewünschtem Aussehen eines Objekts können wir die Druckparameter anpassen, bis unser Modell keinen Unterschied mehr erkennt. Durch die Minimierung des wahrgenommenen Unterschieds können wir dann Objekte drucken, die ihren realen Gegenstücken wesentlich näher sind.

Wäre es nicht erstaunlich, wenn man in der Lage wäre, das Aussehen eines Objekts zu spiegeln? Wir könnten ansprechende Produkte herstellen, kulturelles Erbe bewahren oder Prothesen herstellen, die von echten Körperteilen nicht zu unterscheiden sind. Eine der Möglichkeiten, solche Objekte herzustellen, ist der 3D-Druck. 3D-Drucker sind gut darin, komplexe Formen zu reproduzieren und einige drucken sogar mit mehreren Farben. Leider funktioniert die genaue Reproduktion von Farbton, Sättigung und Glanz noch nicht gut. Die größte Hürde beim Drucken von Objekten mit gewünschtem Aussehen ist, die Bewertung wie ein Objekt aussieht. Wir haben Geräte, die einzelne Attribute eines Objekts messen können. Wir können entweder die Form, die Farbe oder den Glanz des Objekts messen. Wenn wir jedoch ein Objekt sehen, betrachten wir diese Attribute nicht separat. Stattdessen sehen wir das gesamte Objekt auf einmal und Form, Farbe und Glanz verbinden sich zu einem einzigen Gefühl. Derzeit ist nicht bekannt, wie diese Kombination erfolgt und wie einzelne Attribute zusammenspielen. Daher ist das Hauptziel dieser Arbeit zu untersuchen, wie Menschen den Unterschied im Aussehen wahrnehmen und wie wir diese Erkenntnisse in der Fertigung nutzen können. Um die menschliche Wahrnehmung von Glanz zu untersuchen haben wir ein Display entwickelt, das Bilder so realistisch darstellen kann, dass sie von echten Objekten nicht zu unterscheiden sind. Mit dem Display konnten wir einzelne Komponenten des Glanzes ein- und ausschalten. Wir haben herausgefunden, dass das Schlüsselmerkmal für die Übereinstimmung von virtuellen und realen Objekten die genaue Wiedergabe des Dynamikumfangs ist, d. h. die Anpassung an die starken Highlights und der tiefen Schwarztöne der realen Welt. Mit diesen Erkenntnissen entwarfen wir eine Studie, die die kombinierte Wahrnehmung von Farbe und Glanz untersuchte. Die Studie ergab einen einfachen, aber intuitiven Effekt. Je höher der Glanz, desto gesättigter die Farbe. Wir haben diese Erkenntnisse in einem einzigen Farb-Glanz-Management-Tool kombiniert. Unser Tool führt automatisch den Wechsel zwischen der Sättigung von glänzenden Oberflächen und erzeugt dadurch ein einheitliches Erscheinungsbild. Für den Einsatz unseres Algorithmus benötigen wir auch eine Fertigungstechnologie. Wir haben ein neuartiges Tattoo-basiertes System ausgearbeitet, das Tinte mittels Nadelinjektionen auf Siliziummedien aufträgt. Das System ist in der Lage, menschliche Hautfarben genau zu reproduzieren und Silikonprothesen herzustellen, die echte Körperteile nachahmen. Um eine so hohe Genauigkeit bei der Ausgabe zu erreichen, benötigen wir eine Feinsteuerung des Herstellungsprozesses. Zu diesem Zweck haben wir eine sich selbst anpassende Drucktechnologie entwickelt. Wir erstellen zunächst einen digitalen Zwilling des Druckers auf einem Computer. Durch die Interaktion mit dem Digitaldrucker erlernt ein Computeralgorithmus effektive Steuerungsstrategien, die dann auf das reale physische Gerät angewendet werden können. Wir konnten unsere gesamte Arbeit vom Designwerkzeug bis hin zur Produktion darstellen, indem wir mehrere Prototypen von farbigen Ausdrucken bis hin zu tätowierten, hautähnlichen Silikonfolien herstellten.