Methods for the Evaluation and Deformation of Curves Based on Aesthetic Criteria

Introduction
English version
The work of this thesis was aimed at extending the semantic-oriented
modeling tools for the creation and deformation of free form digital shapes
developed in the collaboration between the Institute IMATI of the Italian
National Council of Research in Genoa and the Laboratory LSIS -
 Ecole
Nationale Sup erieure d’Arts et M etiers of Aix-en-Provence. These semantic-
oriented modeling tools result from the knowledge acquired from the active
participation of the involved researchers in two projects supported by the
European Commission: FIORES-II and AIM@SHAPE.
The Research and Development project FIORES-II (Character Preservation
and Modeling in Aesthetic and Engineering Design) [1], directly and actively
involved, beside several research institutions, important companies in the
eld of industrial design, such as Alessi, BMW, Pininfarina, Saab, Formtech
and Eiger.
The increasingly attention to the aesthetic aspect in the present com-
petitive worldwide market requires more appropriate tools for the industrial
design process. To this purpose the FIORES-II project aimed at the iden-
tication and development of new intent-driven modeling tools for direct
shape modication. It proposed an innovative approach in computer-aided
industrial design, in order to support the creative stylist mentality in more
easily attaining a model with a certain aesthetic and emotional character,
and in its preservation during the model modications.
A more general approach to create semantic-oriented 3D models has been
studied by the Network of Excellence AIM@SHAPE (Advanced and Inno-
vative Models And Tools for the development of Semantic-based systems
for Handling, Acquiring, and Processing knowledge Embedded in multidi-
mensional digital objects) [2], coordinated by IMATI - CNR and involving
key leader European institutions in the eld of computer graphics and se-
mantic technologies, such as Max-Plank, Fraunhofer, Sintef and MIRALab
of Geneve University. The approach, applicable to geometric digital mod-
els both directly created with computer-aided tools (as in design activities)
or reconstructed from real ones (as the case of scanned models), considers
three layers of representation and knowledge which allow an easier coding
iii
iv Introduction
and mapping between application contexts. The three levels include: geom-
etry to represent the object shape; structure to organize and abstract the
geometric description to make easy the association of semantic data that
are specic of the considered application and reect the needs of the related
experts working on the digital models.
As this thesis adopt the semantic-oriented modeling approach, the work in-
tegrate the directives suggested by the FIORES-II project results, regarding
the shapes evaluators and operators pointed out in its research, with the re-
sults of works carried out in AIM@SHAPE related to the shape modication,
implementing and extending a Matlab toolbox developed by Jean-Philippe
Pernot [3] and extended in [4].
The thesis is organized as it follows:
Chapter 1 illustrates briey the main aspects related to the industrial design
process and workow; then the adopted geometric description for surfaces
and curves is given, showing also which methods can be utilized for the
evaluation of the quality of the geometric elements, during the creation and
modication phases of the design process.
Chapter 2 describes the basic elements for the denition of semantic-based
design. Free form features are illustrated together with their aesthetic prop-
erties, commonly considered by stylists. Finally the adopted multilevel-
based shape organization is shown, followed by the Leyton’s grammar de-
scription for the curve classication at the structural level.
Chapter 3 explains in details the meaning and the mathematical represen-
tation of the aesthetic properties dened in FIORES-II, with some relative
measure implementations and evaluations.
Finally, chapter 4 is entirely dedicated to the description of the implemented
shape modier focusing on the aesthetic property of the straightness. The
results obtained are shown, setting the basic elements for possible future
works.
Italian version
Il lavoro di questa tesi  e volto ad estendere gli strumenti di modellazione
guidati dalla semantica per la creazione e la deformazione delle forme digitali
"free form", sviluppati nella collaborazione tra l’Istituto IMATI del Con-
siglio Nazionale delle Ricerche di Genova e il Laboratorio LSIS - Ecole Na-
Introduction v
tionale Sup erieure d’Arts et M etiers di Aix-en-Provence. Questi strumenti
di modellazione guidati dalla semantica sono il risultato delle conoscenze
acquisite dalla partecipazione attiva dei ricercatori coinvolti in due progetti
nanziati dalla Comunit a Europea: FIORES-II e AIM@SHAPE.
Il progetto di ricerca e sviluppo FIORES-II (Character Preservation and
Modeling in Aesthetic and Engineering Design) [1], ha coinvolto diretta-
mente e attivamente, oltre a diversi istituti di ricerca, importanti aziende
nel settore del design industriale, come Alessi, BMW, Pininfarina, Saab,
Formtech e Eiger.
La sempre maggiore attenzione all’aspetto estetico dei prodotti nell’attuale
sempre pi u competitivo mercato internazionale, richiede strumenti pi u ap-
propriati per il processo di progettazione. Per rispondere a questa esigenza
il progetto FIORES-II ha avuto tra gli obiettivi la specica e lo sviluppo
di nuovi strumenti di modellazione guidati dall’intento progettuale per la
modica diretta delle forme. Esso ha proposto un approccio innovativo per
la realizzazione di strumenti informatici per supportare la mentalit a creativa
degli stilisti in una pi u facile realizzazione del modello secondo certi criteri
estetici, ed al contempo per preservarli durante le modiche del modello.
Un approccio pi u generale nel creare modelli 3D guidati dalla semantica  e
stato studiato nell’ambito della Rete di Eccellenza AIM@SHAPE (Advanced
and Innovative Models And Tools for the development of Semantic-based
systems for Handling, Acquiring, and Processing knowledge Embedded in
multidimensional digital objects) [2], coordinata da IMATI - CNR e che
ha coinvolto prestigiose istituzioni nel campo della graca computazionale
e delle tecnologie semantiche, come Max-Planck, Fraunhofer, Sintef e MI-
RALab dell’Universit a di Ginevra. L’approccio, applicabile ai modelli geo-
metrici digitali creati sia direttamente con strumenti computerizzati (come
nell’attivit a di progettazione) sia ricostruiti da quelli reali (come nel caso di
modelli digitalizzati), considera tre livelli di rappresentazione e di conoscenza
che permettono una pi u facile codica e mappatura tra contesti applicativi
dierenti che utilizzano lo stesso modello. I tre livelli includono: la geome-
tria per rappresentare la forma dell’oggetto, la struttura per organizzare ed
astrarre la descrizione geometrica per facilitare l’associazione di dati seman-
tici che sono specici dell’applicazione considerata e che riettono le esigenze
degli esperti che operano sui modelli digitali. Poich e questa tesi adotta
l’approccio di modellazione delle forme digitali guidato dalla semantica, il
lavoro integra le direttive suggerite dai risultati del progetto FIORES-II, per
quanto riguarda i valutatori delle forme e gli operatori delineati nella sua
ricerca, con i risultati di lavori di ricerca sviluppati in AIM@SHAPE legati
alla modica delle forme, estendendo un toolbox di Matlab sviluppato da
Jean-Philippe Pernot [3] ed esteso in [4].
La tesi  e organizzata come segue:
vi Introduction
Il capitolo 1 illustra brevemente il usso delle principali attivit a svolte per
la progettazione di prodotti di design industriale; quindi viene introdotta la
descrizione geometrica adottata per le curve e le superci, illustrando anche
quali metodi matematici possono essere utilizzati per la valutazione della
qualit a delle curve e superci nelle fasi di creazione e modica del modello
digitale del prodotto durante il processo di progettazione.
Il capitolo 2 illustra gli elementi di base per la denizione di strumenti a
supporto della progettazione basati sulla semantica. Vengono quindi illus-
trate le cosidette "free form feature" e le caratteristiche estetiche, comune-
mente considerate dagli stilisti nella progettazione. Inne, viene mostrata
l’organizzazione a pi u livelli per la descrizione delle forme adottata, seguita
dalla descrizione della grammatica di Leyton adottata per la classicazione
delle curve al livello strutturale.
Il capitolo 3 spiega in dettaglio il signicato e la traduzione in termini
matematici delle propriet a estetiche identicate in FIORES-II, illustrando
le implementazioni sviluppate in questa tesi delle misure di alcune propriet a.
Inne, il capitolo 4  e interamente dedicato alla descrizione del modica-
tore di forme implementato, concentrandosi sulla propriet a estetica della
straightness. I risultati ottenuti sono presentati impostando le basi per pos-
sibili future attivit a di ricerca.