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清华笔记:计算共形几何讲义 (2)代数拓扑1
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1. 在任何位置插入一个关系词,或关系词的逆, 2. 如果在词中,存在一个子词等于某个关系词,或关系词的逆,去掉这一子词 1. 计算网格 2. 计算对偶网格 3
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清华笔记:计算共形几何讲义 (2)代数拓扑
【上课时间:每周二和周四上午9:50-11:20AM;地点:清华大学,近春园西楼三楼报告厅。】
这次课程,我们简单介绍曲面基本群(一维同伦群)的理论梗概。主要概念有基本群的定义,表
示,计算。然后我们介绍覆盖空间理论,特别是万有覆盖空间理论,曲线同伦检测算法。【1】给
出了课程的视频。
这些理论工具在计算机图形学方面具有巧妙的应用实例,诱导了经典算法。我们仅举两个最为直
接的例子:Konrad Polthier首先提出的曲面四边形网格化算法, QuadCover;Yaron Lipman提
出的用深度学习来进行曲面的语义分割算法。这些算法的精髓来自于覆盖空间理论。
下一课,我们计算曲面单位切丛的基本群,介绍光滑同伦理论,这是瑟斯顿提出的用于解决“神圣
网格”问题的理论基础。
计
算
机
图
形
学
中
的
应
用
曲面四边形网格化
顾险峰 2017-07-05老顾谈几何
图1. 曲面的四边形网格化。
如图1 所示,曲面的四边形剖分是计算机图形学的一个基本问题,四边形网格化对于计
算力学而言非常重要。通常,我们可以计算曲面在每点的主曲率方向(principle
direction),这样我们在曲面上定义了一个光滑标架场(Frame Field)。标架场具有
一些奇异点。例如在脐点处(ambilical point),标架无法定义。
图2. 分支覆盖(Branch Covering)。
我们可以构造曲面的分支覆盖空间,以奇异点为分支点,然后将曲面上的初始标架
场“提升”到覆盖空间上的一个矢量场。然后,我们将覆盖空间的矢量场进行分解,求得
调和分量,在投影回原来曲面,得到两组光滑矢量场。矢量场的积分曲线诱导了曲面的
四边形网格。具体细节可以在【2】中找到。这种方法的关键思想是覆盖空间的概念,
提升的概念,和矢量场的分解。
深度学习和曲面的结合
图3. 曲面参数化,将曲面映射到平面长方形区域,生成“几何图像”。
目前,计算机图形学领域的一个研究热点是将神经网络和曲面结合,用深度学习的方法
来进行几何处理,例如对曲面进行语义分割(symantic segmentation)。传统的卷
积神经网的输入是二维图像,因此我们需要将曲面转换成“几何图像”,如图3所示。我
们将曲面映射到平面区域,然后在平面上重新采样,得到二维点阵。
图4. 用平环覆盖拓扑球面。
几何图像的一个缺陷是边界的不连续性。为了使边界光滑,我们采用分支覆盖。覆盖空
间是拓扑环面,拓扑环面的覆盖空间是整个二维平面,可以作为神经网络的输入。如图
4所示,大卫头曲面是拓扑球面,我们选择三个奇异点,构造4重分支覆盖,形成一个
拓扑环面。拓扑环面的覆盖空间是二维平面。在【3】中,我们可以找到实现的细节。
基
本
群
的
概
念
和
表
示
图3. 曲面上的蚂蚁。
代数拓扑由庞加莱创立。基本群的想法比较直观:假如我们是生活在曲面上的蚂蚁,一
辈子没有跳离过曲面,因此没有三维的概念。那么,我们如何判断我们生活的曲面是否
有“洞”?
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仙夜子
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