Tasarım sürecinde bir soyutlama aracı olarak düşük poligonlu dijital modelleme metodları üzerine bir inceleme
A study on digital low poly modeling methods as an abstraction tool in design process
Yazar: MUHAMMET MÜNİR KELEŞOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. DERYA GÜLEÇ ÖZER
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Bilgisayar Ortamında Mimarlık Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Endüstri Ürünleri Tasarımı = Industrial Design ; Mimarlık = Architecture

Özet:
Tarihsel süreçte insanlar çevresindeki cisimleri zihinsel ve görsel algılamada zamanla beceri kazanmış ve nesneleri tanımlarken onların ana hatları, detayları ve detaylarının birbirine oranları gibi şekilsel bilgileri kullanmıştır. Bu bilgilerden aynı cisimleri resmederken veya heykelini yaparken de faydalanmıştır. Bu yöntemlerde genellikle nesneyi birebir tasvir etmek amaçlanırken, bazı durumlarda tasarımsal bir soyutlama yapılarak nesneyi ifade eden yeni bir görsel oluşturulmaktadır. Bu soyutlama yöntemlerinde tasarımcı, nesnenin belirli şekilsel özelliklerini kullanarak sadeleştirme yaparken, bir yandan da soyutlamaya bakan kişinin o nesnenin gerçekte ne olduğunu algılayabilmesini sağlamaktadır. Ayrıca bu soyutlamalar; bir sanat eserine veya bir tasarıma ilham ya da inançsal/düşünsel kavramları anlatmak için bir sembol olarak da kullanılabilmektedir. Bilgisayar teknolojilerinin gelişmesiyle beraber tasarımcıların, dijital ortamı da kullanmaya başladıkları gözlemlenmektedir. Bu ortamda gerçekleştirilen "Düşük Poligonlu Modelleme" yöntemleri, günümüzün en yaygın soyutlama metodlarından biri olmaktadır. Bu çalışmada; "Analog Soyutlama" teknikleri ve "Doğruluk Seviyesi" kavramı ile dijital ortamda "Düşük Poligonlu Modelleme" ve "Otomatik Poligon Azaltma" yöntemlerine odaklanılmaktadır.
Çalışmanın giriş bölümünde; konu ile ilgili literatür ve buradan yola çıkarak tezin amacı, kapsamı ve kısıtları açıklanmaktadır. İkinci bölümde; insanın nesneleri görsel olarak nasıl algıladığı incelenmekte, algılama ve ifade etmede şekilsel verileri nasıl kullandığı ortaya konmaktadır. İlerleyen kısımlarda analog yöntemlerle yapılan şekilsel soyutlamanın tanımı, alt kavramları ve yöntemleri anlatılmakta, çeşitli alanlardan örnekler verilmektedir.
Üçüncü bölümde; öncelikle 3B kafes modelleme ile ilgili genel kavramlar ve yöntemler anlatılmakta ve "Veri Yapıları"ndan bahsedilmektedir. Daha sonra "Düşük Poligonlu Modelleme" yöntemleri ile ilgili kavramlar ele alınmaktadır. Son olarak "Düşük Poligonlu Model" üreten "Poligon Azaltma Algoritmaları"ndan bahsedilmektedir.
Dördüncü bölümde; "Bölgesel Poligon Azaltma Algoritmaları"nın genel yapısı incelenmektedir. İlk olarak bu algoritmaların işlem sırasını belirleyen "Kafes Hiyerarşisi" ve "Kenar Maliyeti" gibi kavramlar üzerinde durulmaktadır. Daha sonra algoritmaların model üzerinde gerçekleştirdiği farklı "operasyonlar" detaylı anlatılmaktadır. Son olarak "Hata Ölçümü" diye tabir edilen ve operasyonların verimli çalışmasını sağlayan hesaplamalardan bahsedilmektedir.
Sonraki bölümde; alan araştırması olarak, (i) "Blender 2.80" yazılımında "Decimate-Collapse", (ii) "3dsMax 2019" yazılımında "ProOptimizer" ve (iii) "MeshLab 2019" yazılımında "Clustering Decimation" isimli poligon azaltma algoritmaları küre geometrisi üzerinden karşılaştırılmaktadır. Bu araştırmada her algoritmadan farklı detay seviyelerinde düşük poligonlu küre modelleri üretilmektedir. Bu modellerden, (i) geometrik değişim/doğruluk seviyesi, (ii) poligon sayısı ve (iii) dosya boyutu verileri elde edilmektedir. Bu veriler kullanılarak algoritmalar kendi içlerinde değerlendirilmekte ve birbirleri arasında kıyaslanmaktadır.
Son bölümde ise; çalışma boyunca yapılan değerlendirmelerden çıkan sonuçlar ortaya konmaktadır. 3ds Max ProOptimizer'ın dosya boyutunu düşürmede, Blender Decimate-Collapse'ın geometriyi düşük detay seviyelerine kadar korumada, MeshLab Clustering Decimation'ın ise doğruluk kaybolmadan yeni bir form oluşturmada daha verimli olduğu ortaya çıkmaktadır. Son olarak; "Yapay Zeka", "Makine Öğrenmesi" gibi kavramların bu alanda kullanımının ileride araştırılması hedeflenmektedir.

Anahtar kelimeler: Düşük poligonlu 3B kafes modelleme, detay seviyesi, poligon azaltma algoritmaları, tasarımda soyutlama, soyutlamada doğruluk seviyesi

Abstract:
In the historical process, it is seen that human beings have gained skills in mental and visual perception of the objects around it. They use formal information such as their outline, details, the ratio of details to each other that are used in defining objects when painting or sculpting the same objects. While these methods generally aim to express the object exactly, in some cases a new visual express of the object is created by making a design abstraction. In these abstraction methods, while the designer makes simplification by using certain formal features of the object, she also ensures the person that looks at the abstraction to perceive what the object is in the original. In addition, these abstractions can also be used as an inspiration for a design/artwork or a symbol for expressing of belief-related/intellectual concepts. With the development of computer technologies, it is observed that designers have started to use the digital environment. "Low Poly Modelling" methods performed in this environment are one of the most common abstraction methods today. In this study; the focused subjects are "Low Poly Modeling" and "Automatic Polygon Reduction" methods in digital environment and also "Analog Abstraction" techniques and the concept of "Level of Fidelity" used in the design process.
In the introduction chapter of the study; the literature review and the purpose, scope and constraints of the thesis are explained. In the second chapter; it is explained how a human perceives the objects visually and how he uses the formal data in perception and expression. In the following parts, the definition of formal abstraction by analog methods, its sub-concepts and methods are explained, examples from various fields are given.
In the third chapter; firstly, the general concepts and methods related to 3D mesh modelling are explained and "Data Structures" are mentioned. Then, concepts of "Low Poly Modeling" methods are discussed. Finally, "Polygon Reduction Algorithms" producing "Low Poly Models" are mentioned.
In the fourth chapter; the general structures of "Regional Polygon Reduction Algorithms" are examined. Firstly, concepts such as "Mesh Hierarchy" and "Edge Cost" that determine the order of process of these algorithms are discussed. Then, different "operations" that the algorithms perform on the models are explained in detail. Finally, "Error Metric" calculations that provide efficient execution of operations are mentioned.
In the next chapter; as a field study, polygon reduction algorithms named (i) "Decimate-Collapse" in "Blender 2.80", (ii) "ProOptimizer" in "3dsMax 2019", and (iii) "Clustering Decimation" in "MeshLab 2019" are compared through sphere geometry. In this study, low poly sphere models on different levels of detail were produced from each algorithm. The data that are taken from these models are (i) geometric change/level of fidelity, (ii) number of polygons and (iii) file size. Using these data, algorithms are evaluated within and compared with each other.
In the last chapter; the results of the evaluations that are made throughout the study are presented. It is revealed that "3ds Max ProOptimizer" is more efficient at reducing the file size, "Blender Decimate-Collapse" is more efficient at preserving the geometry to low levels of detail, and "MeshLab Clustering Decimation" is more efficient at creating a new form without losing fidelity. Finally, it is aimed to study the use of concepts such as "Artificial Intelligence" and "Machine Learning" in this field in the future works.

Keywords: 3B low poly mesh modeling, level of detail, polygon reduction algorithms, abstraction in design, level of fidelity in abstraction