Transformations quasi-conformes de maillages volumiques et applications en infographie

Abstract

La modélisation géométrique est importante autant en infographie qu'en ingénierie. Notre capacité à représenter l'information géométrique fixe les limites et la facilité avec laquelle on manipule les objets 3D. Une de ces représentations géométriques est le maillage volumique, formé de polyèdres assemblés de sorte à approcher une forme désirée. Certaines applications, tels que le placage de textures et le remaillage, ont avantage à déformer le maillage vers un domaine plus régulier pour faciliter le traitement. On dit qu'une déformation est \emph{quasi-conforme} si elle borne la distorsion.

Cette thèse porte sur l’étude et le développement d'algorithmes de déformation quasi-conforme de maillages volumiques. Nous étudions ces types de déformations parce qu’elles offrent de bonnes propriétés de préservation de l’aspect local d’un solide et qu’elles ont été peu étudiées dans le contexte de l’informatique graphique, contrairement à leurs pendants 2D. Cette recherche tente de généraliser aux volumes des concepts bien maitrisés pour la déformation de surfaces.

Premièrement, nous présentons une approche linéaire de la quasi-conformité. Nous développons une méthode déformant l’objet vers son domaine paramétrique par une méthode des moindres carrés linéaires. Cette méthode est simple d'implémentation et rapide d'exécution, mais n'est qu'une approximation de la quasi-conformité car elle ne borne pas la distorsion. Deuxièmement, nous remédions à ce problème par une approche non linéaire basée sur les positions des sommets. Nous développons une technique déformant le domaine paramétrique vers le solide par une méthode des moindres carrés non linéaires. La non-linéarité permet l’inclusion de contraintes garantissant l’injectivité de la déformation. De plus, la déformation du domaine paramétrique au lieu de l’objet lui-même permet l’utilisation de domaines plus généraux. Troisièmement, nous présentons une approche non linéaire basée sur les angles dièdres. Cette méthode définit la déformation du solide par les angles dièdres au lieu des positions des sommets du maillage. Ce changement de variables permet une expression naturelle des bornes de distorsion de la déformation. Nous présentons quelques applications de cette nouvelle approche dont la paramétrisation, l'interpolation, l'optimisation et la compression de maillages tétraédriques.

Geometric modeling is important for both computer graphics and engineering. Our ability to represent geometric information sets the limits and the ease with which we manipulate 3D objects. One such representation is the volume mesh, that is composed of polyhedra assembled to approximate a desired shape. Some applications, such as texturing and remeshing, benefit from deforming the mesh to a more regular domain in order to perform some operations. We say that a deformation is \emph{quasi-conformal} if its distortion is bounded.

In this thesis, we propose algorithms for quasi-conformal deformations of volume meshes. We study these deformations because of their good local shape preservation properties and because they are still relatively unknown to the graphics community, as opposed to their 2D counterparts. This research attempts to generalize \gilles{some well-known surface deformation concepts to volumes}.

First, we present a linear approach to quasi-conformality. We develop a method that deforms a solid to a parameterization domain using a linear least squares method. This method is fast and simple to implement, but the result is an approximation to quasi-conformality because distortion is not bounded. Second, we solve this latter limitation with a nonlinear approach based on vertex positions. We develop a technique to deform the parameterization domain to a solid shape using a nonlinear least squares method. Nonlinearity lets us include constraints that guarantee the injectivity of the deformation. Moreover, deforming the parameterization domain instead of the shape itself lets us use more general domains. Third, we present a nonlinear approach based on dihedral angles. Our method defines the deformation of the volume mesh using its dihedral angles instead of its vertex positions. This change of variables permits a natural expression of the bounds of the deformation distortion. We present some applications of this new approach that include volume parameterization, shape interpolation, mesh optimization, and mesh compression of tetrahedral meshes.