Visual perception of shape from matte, glossy, and mirror surfaces

The human visual system has a remarkable ability to perceive complex 3D shape from a variety of surface types. These surfaces can include ones shaded using the standard Phong model or mirror surfaces which can be rendered using a variety of surrounding environments. This thesis presents four visual perception experiments that examine the perception of local qualitative shape under various conditions. Surfaces were rendered using standard computer graphics models of matte, glossy, and mirror reflectance. For each experiment, the subjects' task was to judge whether a marked point on each surface lay on a local hill or valley. A variety of novel findings were made in these experiments which touch on various aspects of perceptual capabilities of the visual system. In Experiment 1 it was found, contrary to previously known results, that under some circumstances it is more difficult to perceive shape from a glossy rather than a matte surface. In Experiment 3 this finding is re-examined and it's found that glossy surfaces are more easily perceived than matte ones when the highlight falls on local extrema such as hills and valleys, but can be more difficult to perceive when the highlight falls on frontally-oriented portions of the local geometry. A perceptual model is proposed to explain this effect. Experiment 3 expands on this finding by investigating the perception of surfaces when lit from a variety of different angles as well as comparing these lighting types to the ones used in commercial visualization software such as MATLAB and Mathematica. The results of Experiment 1 also indicate that when rendering mirror surfaces an inhomogeneity in the environment map may be exploitable by the visual system as an additional cue to aid in the perception of qualitative local surface shape. Experiment 4 expands on this finding by finding that the orientation of this environmental inhomogeneity has an additional effect on performance. The Appendix generalizes the well-known depth reversal ambiguity to mirrors and highlights. Experiment 2 utilizes this finding to producing the first tests examining how the visual system resolves this ambiguity when viewing mirrors. The findings indicate that the visual system tends to resolve this ambiguity by utilizing a prior for upward-facing surface orientation in the case of surfaces rendered as mirrors, similarly to the known upward-facing surface prior for Phong surfaces. The upward-facing surface prior is found to be weaker for mirror than for Phong surfaces, however, as subjects tended to rely more heavily on perspective cues in the former rendering condition rather than the latter.Le système visuel humain a une capacité remarquable à percevoir les formes complexes en 3D à partir d'une variété de types de surfaces. Ces surfaces peuvent inclure celles ombragées en utilisant le modèle standard Phong ou bien des surfaces miroir qui peuvent être rendues à l'aide d'une variété de milieux environnants. Cette thèse présente quatre expériences de perception visuelle qui examinent la perception de la forme qualitative locale dans diverses conditions. Les surfaces furent rendues en utilisant des modèles standards informatiques graphiques de mat, de brillant et de réflexion de miroir. Pour chaque expérience, les participants de l'étude devaient juger si un point marqué sur chaque surface se trouvait sur une colline ou sur une vallée. Une variété de nouvelles découvertes ont été faites grâce à ces expériences qui touchent à différents aspects des capacités perceptives du système visuel. Dans l'expérience 1 il a été constaté, contrairement aux résultats déjà connus, que dans certaines circonstances il est plus difficile de percevoir la forme d'une surface brillante que celle d'une surface matte. Dans l'expérience 3 cette constatation est réexaminée et il se trouve que les surfaces brillantes sont plus facilement perçues que celles qui sont mattes lorsque le reflet spéculaire tombe sur les extrema locaux tels que les collines et les vallées, mais peuvent être plus difficiles à percevoir quand le reflet spéculaire est situé sur les portions de la géométrie locale qui sont orientées frontalement. Un modèle perceptif est proposé pour expliquer cet effet. L'expérience 3 élabore sur cette conclusion en étudiant la perception des surfaces lorsqu'elles sont allumées à partir d'une variété d'angles différents ainsi qu'en comparant ces types d'éclairage à ceux utilisés dans les logiciels de visualisation commerciaux tels que MATLAB et Mathematica. Les résultats de l'expérience 1 indiquent également que, lors du rendu des surfaces, miroir un manque d'homogénéité dans le plan de l'environnement peut être exploitable par le système visuel comme un repère supplémentaire pour aider à la perception de la forme de la surface locale qualitative. L'expérience 4 développe cette constatation en remarquant que l'orientation de cette hétérogénéité de l'environnement a un effet supplémentaire sur la performance. L'annexe généralise l'ambiguïté bien connue sur l'inversion de la profondeur à des miroirs et des reflets spéculaire. L'expérience 2 utilise ce résultat pour produire les premières expérimentations sur la manière selon laquelle le système visuel résout cette ambiguïté lorsqu'il perçoit des miroirs. Les résultats indiquent que le système visuel essaye souvent de résoudre cette ambiguïté en utilisant une hypothèse que la surface est orientée vers le haut dans le cas de surfaces miroir, ressemblant à l'hypothèse connue des surfaces orientées vers le haut pour les surfaces Phong. Pourtant, l'hypothèse de la surface orientée vers le haut est jugée plus faible pour les surfaces miroir que pour les surfaces Phong, puisque les participants avaient tendance à s'appuyer d'avantage sur des indices de perspective dans le cas des surfaces miroir que des surfaces Phong