基于隐式T样条的曲面重构算法

提出隐式T样条曲面，将T网格从二维推广到三维情形，同时利用八叉树及其细分过程，从无结构散乱点数据集构造T网格，利用曲面拟合模型将曲面重构问题转化为最优化问题；然后基于隐式T样条曲面将最优化问题通过矩阵形式表述，依据最优化原理将该问题转化成线性方程组，通过求解线性方程组解决曲面重构问题；最后结合计算实例进行讨论．该方法能较好地解决曲面重构问题，与传统张量B样条函数相比，能效地减少未知控制系数与计算量．     

带法向约束的隐式T样条曲线重构

目的 隐式曲线能够描述复杂的几何形状和拓扑结构,而传统的隐式B样条曲线的控制网格需要大量多余的控制点满足拓扑约束。有些情况下,获取的数据点不仅包含坐标信息,还包含相应的法向约束条件。针对这个问题,提出了一种带法向约束的隐式T样条曲线重建算法。方法 结合曲率自适应地调整采样点的疏密,利用二叉树及其细分过程从散乱数据点集构造2维T网格;基于隐式T样条函数提出了一种有效的曲线拟合模型。通过加入偏移数据点和光滑项消除额外零水平集,同时加入法向项减小曲线的法向误差,并依据最优化原理将问题转化为线性方程组求解得到控制系数,从而实现隐式曲线的重构。在误差较大的区域进行T网格局部细分,提高重建隐式曲线的精度。结果 实验在3个数据集上与两种方法进行比较,实验结果表明,本文算法的法向误差显著减小,法向平均误差由10^-3数量级缩小为10^-4数量级,法向最大误差由10^-2数量级缩小为10^-3数量级。在重构曲线质量上,消除了额外零水平集。与隐式B样条控制网格相比,3个数据集的T网格的控制点数量只有B样条网格的55.88%、39.80%和47.06%。结论 本文算法能在保证数据点精度的前提下,有效降低法向误差,消除了额外的零水平集。与隐式B样条曲线相比,本文方法减少了控制系数的数量,提高了运算速度。     

自适应T样条曲面重建

为了进行快速高精度的曲面重建,提出了一种新的基于T样条的曲面自动重建算法。由于T样条控制网格具有特殊性质,因此在使用T样条进行曲面重建时,一个关键的问题是如何构造好一个T网格。该新算法在进行曲面重建时,用三角网格的参数化方法,先将数据点同胚映射到平面,然后再利用平面四叉树细分的方法将无结构散乱数据自动生成合理有效的T网格,最后将曲面重构模型转化为最优化问题,并由最小二乘法求解,同时在误差较大的区域辅以T样条的局部修正,以使重建曲面与原网格面的最大误差小于指定的误差值。由于该新的曲面重建方法是一个基于细节的重建方法,因此采样点密集区域所插入的T网格点也就相应地增多,这样既抓住了网格曲面的特征,又能很好地减少过多的T网格控制顶点,这就提高了算法效率。另外,该新算法还具有高效、易操作、能适应复杂曲面重建、曲面自动生成且满足相应精度要求等优点。重构结果显示,该新的曲面重建算法不仅重构应用范围广,且重构精度高。     

基于任意骨架的隐式曲面造型技术

给出了一个新的基于任意多面体网格骨架的构造性自由曲面造型算法.算法首先由每个给定骨架构造出一个距离场,然后利用隐函数光滑过渡技术和CSG(constructive solid geometry)表示技术将所构造的隐式曲面自由地两两粘合成一张光滑曲面.隐式曲面的多边形化算法则用来生成最终曲面网格.以任意骨架作为基本体素,突破了传统隐式曲面以点为基本骨架的限制.而且,距离曲面很好地逼近了原骨架形状,使用户可直观地对复杂曲面进行交互设计.而形变函数的引入,则极大地丰富了此方法的造型能力.实验结果表明,基于该算法的原型系统能够方便、直观地构造复杂的自由曲面.     

边界保持的隐式曲面三角化方法

隐式曲面三角化是隐式曲面绘制的常用算法.对于开区域上散乱点数据重建的隐式曲面,常用的隐式曲面三角化方法得到网格模型不能很好地保持散乱点数据的边界.针对该问题,提出了一种边界保持的隐式曲面三角化方法.根据散乱点数据的空间分布,控制等值面的抽取范围,实现了边界保持.实验结果表明,该算法能够产生和散乱点数据边界一致的三角网格.     

任意散乱点集的B-样条曲面重建

为了解决工业设计中复杂形体的曲面造型问题,提出了一种张量积型的低阶B-样条曲面重建算法。先将采集到的任意拓扑形状的散乱数据点进行三次不同的参数化得到四边形控制网格,然后再采用张量积型的双二次、双三次B-样条进行拟合,在拟合的过程中采用距离函数来控制拟合误差,得到光滑的曲面。运用该方法,直接对初始散乱点集进行重建,方法简单易实施,重建效率高并且重建后的样条曲面自然满足切平面连续。与以往的方法相比,该方法在逆向工程中可以在保证连续性的情况下,得到精准的结果曲面,提高了曲面造型的质量和效率。     

散乱点云数据的高阶平滑隐式曲面重建

针对三维扫描或三维重建获取的散乱点云数据曲面重建问题, 提出基于拉普拉斯规则化的高阶平滑算法。首先, 计算点云数据的包围盒并离散化得到体素空间; 其次, 在体素空间根据隐式曲面的梯度和点云位置、法向信息建立目标函数, 并通过对目标函数的拉普拉斯规则化达到控制重建曲面光顺效果的目的; 再次, 根据最优化原理将重建问题转换为一个稀疏线性方程组求解问题; 最后, 通过步进立方体算法得到重建曲面的三角网格表示。定性和定量的实验结果表明, 该方法重建曲面绘制效果和精确度优于常用的Poisson方法。     

基于拓扑不变性的GSRBF隐式曲面重建

为提高大规模点云曲面重建的精度和效率,提出一种基于拓扑不变性的全局支撑的径向基函数(GSRBF)隐式曲面重建算法。结合Hausdorff算法,根据点云的主曲率和高斯曲率引入一个临界值,防止提取特征点时产生较大误差,构造特征点点云拓扑同胚的拓扑结构;引入八叉树网格划分法进行点云拓扑关系的构造,通过构造与模型控制网格拓扑同胚的拓扑结构来重建曲面的拓扑;构造基函数确定特征点的影响范围,将其归一化得到曲面拓扑上的单位分解,复合单位分解与特征点得到隐式曲面。实验结果表明,该算法适用于任意拓扑的曲面重建,具有较高的精度和效率。     

分段光滑曲面重构的面片图稀疏优化方法

针对离散点云拓扑关系恢复及特征提取困难的问题,提出了一种健壮有效的分段光滑曲面重构方法。获得由基函数集定义的局部曲面面片图,建立尖锐特征节点的拓扑连接,通过求解一个稀疏优化问题,获得每个节点基函数的最优系数,并输出清洁的流形网格曲面。实例证明,该算法实用性好,对分段光滑曲面重构效果理想。     

残缺网格模型的快速B样条曲面重建

针对残缺的三角网格模型,提出一种将网格模型的散乱数据点转化为有序阵列点再进行B样条曲面快速重建的算法.首先确定最小二乘平面上的一个矩形参数域,再构造出一个平面阵列点列,并部分映射到三维网格上;然后利用空间阵列点的邻域信息估计4个角点的空间坐标,并构造径向基函数曲面,用于补充空间阵列点列中残缺的数据;最后利用有序点列拟合的高效性构造B样条曲面.实验结果表明:该算法速度快、拟合精度高、鲁棒性强,重建的曲面具有良好的光顺性和可延伸性,适用于逆向工程中对经过数据分割后的网格模型的自由曲面重建.     

三维断裂弹性动力学的改进无单元Galerkin法

为提高断裂弹性动力学问题数值计算的精度,避免出现病态或奇异方程组,基于改进的移动最小二乘法建立三维弹性动力学问题的积分弱形式,采用罚函数法施加位移边界条件,引入隐式时间积分并且结合三维断裂力学的形函数考虑裂纹尖端的奇异性,探究将改进的无单元Galerkin(improved element-free Galerkin,IEFG)法用于断裂弹性动力学问题的数值计算.通过悬臂梁、柱和矩形板等3个算例,讨论节点分布、影响域比例参数、罚因子和时间步长等参数对计算精度的影响,证明IEFG法用于求解三维断裂弹性动力学问题的正确性和有效性.     

Polynomial splines over general T-meshes

The present authors have introduced polynomial splines over T-meshes (PHT-splines) and provided theories and applications for PHT-splines over hierarchical T-meshes. This paper generalizes PHT-splines to arbitrary topology over general T-meshes with any structures (GPT-splines). GPT-spline surfaces can be constructed through a unified scheme to interpolate the local geometric information at the basis vertices of the T-mesh. We also discuss general edge insertion and removal algorithms for GPT-splines. As applications, we present algorithms to construct a GPT-spline surface from a quadrilateral mesh and to simplify a tensor-product B-spline surface into a GPT-spline surface with superfluous edges removal.     

Rotation free isogeometric thin shell analysis using PHT-splines

This paper presents a novel approach for isogeometric analysis of thin shells using polynomial splines over hierarchical T-meshes (PHT-splines). The method exploits the flexibility of T-meshes for local refinement. The main advantage of the PHT-splines in the context of thin shell theory is that it achieves C¹ continuity, so the Kirchhoff–Love theory can be used in pristine form. No rotational degrees of freedom are needed. Numerical results show the excellent performance of the present method.     

A new basis for PHT-splines

PHT-splines (polynomials splines over hierarchical T-meshes) are a generalization of B-splines over hierarchical T-meshes which possess a very efficient local refinement property. This property makes PHT-splines preferable in geometric processing, adaptive finite elements and isogeometric analysis. In this paper, we first make analysis of the previously constructed basis functions of PHT-splines and observe a decay phenomenon of the basis functions under certain refinement of T-meshes, which is not expected in applications. We then propose a new basis consisting of a set of local tensor product B-splines for PHT-splines which overcomes the decay phenomenon. Some examples are provided for solving numerical PDEs with the new basis, and comparison is made between the new basis and the original basis. Experimental results suggest that the new basis provides better numerical stability in solving numerical PDEs.     

Implicit Lyapunov control of finite dimensional Schrödinger equations

An implicit Lyapunov-based approach is proposed for generating trajectories of a finite dimensional controlled quantum system. The main difficulty comes from the fact that we consider the degenerate case where the linearized control system around the target state is not controllable. The controlled Lyapunov function is defined by an implicit equation and its existence is shown by a fix point theorem. The convergence analysis is done using LaSalle invariance principle. Closed-loop simulations illustrate the performance of such feedback laws for the open-loop control of a test case considered by chemists.     

基于双视角投影空间表示的文本多标签标注方法

在传统的多标签文本标注领域中,面临着维数灾难和双信息源数据的问题。针对这两个问题,提出一种基于双视角投影空间表示的文本多标签标注方法,通过交替方向乘子法和Bregman迭代对目标函数进行优化求解,得到低维的隐语义投影空间。在雅虎和路透社的新闻数据集上的实验结果验证表明,该方法在解决文本多标签标注问题上性能有明显的提高,其在召回率、覆盖误差和排名平均精度方面优于近年来的其他方法,可应用于新闻推荐,标签系统和情感分析等场景中。     

Minimum length-scale constraints for parameterized implicit function based topology optimization

This paper introduces explicit minimum length-scale constraint functions suitable for parameterized implicit function based topology optimization methods. Length-scale control in topology optimization has many potential benefits, such as removing numerical artifacts, mesh independent solutions, avoiding thin, or single node hinges in compliant mechanism design and meeting manufacturing constraints. Several methods have been developed to control length-scale when using density-based or signed-distance-based level-set methods. In this paper a method is introduced to control length-scale for parameterized implicit function based topology optimization. Explicit constraint functions to control the minimum length in the structure and void regions are proposed and implementation issues explored in detail. Several examples are presented to show the efficacy of the proposed method. The examples demonstrate that the method can simultaneously control minimum structure and void length-scale, design hinge free compliant mechanisms and control minimum length-scale for three dimensional structures.     

On the instability in the dimension of splines spaces over T-meshes

The present paper reveals the instability in the dimension of the spline space S(d₁,d₂,d₁−1,d₂−1,T) over certain types of T-meshes T, that is, the dimension is related to not only the topological information of T but also the geometry of T. This insight suggests us to pay much attention to the structure of the T-meshes in modeling with splines over T-meshes.