Numerical and variational aspects of mesh parameterization and editing

Abstract

A surface parameterization is a smooth one-to-one mapping between the surface and a parametric domain. Typically, surfaces with disk topology are mapped onto the plane and genus-zero surfaces onto the sphere. As any attempt to flatten a non-trivial surface onto the plane will inevitably induce a certain amount of distortion, the main concern of research on this topic is to minimize parametric distortion. This thesis aims at presenting a balanced blend of mathematical rigor and engineering intuition to address the challenges raised by the mesh parameterization problem. We study the numerical aspects of mesh parameterization in the light of parallel developments in both mathematics and engineering. Furthermore, we introduce the concept of quasi-harmonic maps for reducing distortion in the fixed boundary case and extend it to both the free boundary and the spherical case. Thinking of parameterization in a more general sense as the construction of one or several scalar fields on a surface, we explore the potential of this construction for mesh deformation and surface matching. We propose an ';on-surface parameterization'; for guiding the deformation process and performing surface matching. A direct harmonic interpolation in the quaternion domain is also shown to give promising results for deformation transfer.

Eine Flächenparameterisierung ist eine globale bijektive Abbildung zwischen der Fläche und einem zugehörigen parametrischen Gebiet. Gewöhnlich werden Flächen mit scheibenförmiger Topologie auf eine Kreisscheibe und Flächen mit Genus Null auf eine Sphäre abgebildet. Das Hauptinteresse der Forschung an diesem Thema ist die Minimierung der parametrischen Verzerrung, die unweigerlich bei jedem Versuch, eine nicht triviale Fläche über einer Ebene zu parameterisieren, erzeugt wird. Diese Arbeit strebt zur Behandlung des Parametrisierungsproblems eine ausgeglichene Mischung zwischen mathematischer Präzision und ingenieurwissenschaftlicher Intuition an. Wir behandeln dabei die numerischen Aspekte des Parameterisierungsproblems im Hinblick auf die aktuellen parallelen Entwicklungen in der Mathematik und den Ingenieurwissenschaften. Weiterhin führen wir das Konzept der quasi-harmonischen Abbildungen ein, um die Verzerrung bei gegebenen Randbedingungen zu verringern. Anschließend verallgemeinern wir dieses Konzept auf den sphärischen Fall und auf den Fall mit freien Randbedingungen. Durch allgemeinere Betrachtung der Parameterisierung als Konstruktion eines oder mehrerer skalarer Felder auf einer Fläche ergibt sich ein neuer Ansatz zur Netzdeformation und der Erzeugung von Flächenkorrespondenzen. Wir stellen eine ';on-surface parameterization'; vor, welche den Deformationsprozess leitet und Flächenkorrespondenzen erstellt. Darüber hinaus zeigt eine direkte harmonische Interpolation in der Domäne der Quaternionen auch vielversprechende Resultate für die Übertragung von Deformationen.